機械人的骨骼 - 機械裝置

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在 過去三期所講解的各式馬達,屬於傳動裝置(Actuator),將電力轉化為機械動能。但要機械人能執行工作,還需要不同類型的機械裝置配合,才可以將馬 達轉化成的機械動能用作各種活動。以機械臂為例,內裡有齒輪、軸承、鏈等機械零件,將能量傳遞到最前端的「手指」,機械臂才能夠拿東西。若是以人的身軀為 比較對象,機械人的機械裝置就好比人的骨骼系統,因此即使是最簡單的機械人也不能缺少機械裝置。

 

再多舉一個實例。筆者在孩童時代,最容易接觸到大量機械零件的情況便是玩遙控車。雖然遙控車稱不上是機械人,但內裡的機械設計還會應用在機械人身上,因此對遙控車多加了解對日期設計機械系統亦有幫助。

玩具機械臂

簡 單來說,遙控車的無線電接收器由收到遙控器所發出的訊號開始,便將訊號傳送到變速器(即早前介紹的伺服馬達),決定車輪所需轉速和方向,然後推動連繫著變 速器的連桿。連接著連桿的中軸或皮帶便因應連桿的活動模式,控制和改變運轉中的車輪。每個車輪都有避震器,方便在崎嶇不平的地方行走。

機械臂內有齒輪、鏈、連桿等

要懂得設計機械裝置,就必須先了解機械裝置的基本元件──機械零件的運作方式。以下圖表列出部份常用的機械零件,有興趣的讀者可以多看有關機械設計的書籍,甚至鑽研遙控車(或四驅車)的運作,自然可以對機械零件的應用得心應手。

各類機械人零件一覽

零件
運作方式
軸桿(Shaft)
外形像一條圓形的長管道,藉著自轉運動來推動其他相連的機械。通常直接由引擎或馬達連接到機械系統的其他部份。
軸承(Bearing)
用來承托機器內轉動的軸桿。另外亦可以加在軸桿上,避免軸桿因長期直接與其他零件磨擦而導致軸桿損耗,到了維修時只需更換軸承。
連桿(Linkage)
由數支桿枝以不同形式組合和相連一起,藉以將運動方向及力量改變,以達到我們在設計上的要求。連桿多以改換運動的方式來分類。
齒輪(Gear)
兩個齒輪通過互相囓合,造成直接接觸,達到能量傳遞的目的,能改變速度、驅動力和傳動的方向。
凸輪(Cam)
形狀特殊的扁平輪子,透過旋轉運動,將另一個凸輪轉換成往復運動。
皮帶(Belt)
與齒輪一起運用,利用皮帶和摩擦力來傳遞能量,推動另一端的齒輪。但皮帶跟齒輪接觸時容易出現滑動,因此精確度較低。
鏈(Chain)
跟皮帶一樣常與齒輪一起運用。鏈上佈滿一個個有特定間距的孔,用來跟齒輪產生囓合作用,因而帶動另一端的齒輪轉動。由於不存在滑動效應,因此精確度較高。
彈簧(Spring)
將金屬物料造成螺旋形狀,具伸縮性,可將相連結之機械部件的活動範圍限制。
制動器(Brake)
使機械裝置內運動中的機件停止或減速的裝置,可視為吸收能量的裝置。