VEX IQ机器人结构设计

机器人的推广，就如同电脑的普及一样，我们的未来离不开机器人，机器人将无处不在，但我们不称之为机器人，我们称它们为汽车、飞机、ATM、Google和手机。学习机器人，并不是要将学生全部培养成机器人的专家，而是让学生掌握科技的发展，本书作为STEM教育的一个探索，抛开了机器人比赛的模式，尝试将机器人作为一个学习和研究的工具，通过大量案例让学生掌握这一工具并在各个学科的学习中发挥作用，使机器人成为学生实现自己创新梦想的平台。 

VEX IQ是一款国际上广泛使用的机器人产品，目前每年都有相关的国际比赛，正日益受到中国学生和家长的关
注。这款产品不仅可以参与众多的比赛项目，更重要的是它适合在学校开设系统的课程，适合中小学生入门使用。
本书选用VEX IQ机器人器材，系统讲述机器人设计过程。全书以学生活动项目为主线，通过完成一系列有趣的
项目，使学生掌握机器人设计的基础知识。
本书力图拓宽学生的视野，将学科知识与项目活动相结合，从而成为中小学生STEM教育课程的一种尝试与探索。
本书可作为机器人教师与学生准备机器人比赛的参考用书，也可作为学校开展机器人教学的教材，还可作为各学
科教师了解机器人的入门教材。

目
录

 

第1课
了解VEX IQ组件与搭建技巧 1

 

第2课
齿轮传动 11

 

第3课
链、滑轮和带传动 20

 

第4课
蜗轮蜗杆传动与平面连杆传动 26

 

第5课
移动机构 33

 

第6课
机器人的稳定性 37

 

第7课
机器人的转向 43

 

第8课
比赛用机器人的设计 47

 

第9课
控制系统概述 59

 

附录A 制作一个机械爪 69

 

附录B 制作一个VEX IQ标准底盘小车 78

 

附录C 赫宝VEX机器人特有的配件 86

 

参考文献 89

前 言
中小学机器人活动在我国开展了十多年，相关的各项比赛也得以推广，已成为广大学生喜欢的一种科技项目。如何指导学生学习机器人，这为教师提出了更高的要求。遗憾的是，有关教师很少受过系统而专业的训练，在指导学生参加机器人活动时难免感到有所不足，这一现状也影响了机器人教育的深入开展。
机器人结构设计是机器人活动的一个重要组成部分。在机器人比赛中，针对各种任务如何进行分析，并通过设计机器人来完成任务，是一项基础内容。在各种比赛中，总听到一些教师说，看到一些队伍的机器人设计，不知道是如何想到的，很想学习，但是却没有机会。国内各机器人竞赛队伍之间缺乏交流、相互屏蔽，这种现状影响了我国学生机器人比赛整体水平的提高，同时也让新队伍难以入门。
有感于此，为了推广和普及机器人教育课程，在清华大学出版社的支持下，笔者组织、编写、出版了多本机器人教育的书籍和教材，得到了广泛的好评。2015年编写出版的《VEX与机器人设计》一书受到“VEX中国”和博思公司的关注，他们希望合作开发VEX IQ系列课程。在了解了VEX IQ产品并与业内教师进行充分沟通之后，感到这一产品在教学上具有很大的潜力，适合中小学生使用，不仅可用于比赛，而且易于与学科教学相结合，这也是笔者选择这一器材的原因。
本书针对教师、学生入门时会遇到的一些问题进行了探讨，不仅有普及性的基础知识，也有针对比赛如何进行设计的众多案例。希望本书可以使读者从入门进而到具有参加各项机器人比赛的能力，同时也希望本书能为教师学科教学与实验设计提供借鉴。
本书由博思公司组织编写，并提供编写中所用的各种设备和软件，胡海洋、张国庆、于啸、李志辉、郭伟俊和李继东参与了本书的编写工作。书中部分图片由青岛市崂山区第二实验小学、济南市外国语学校和济南市育英学校提供，在此对他们以及“VEX中国”的支持表示衷心的感谢。
由于编者水平所限，书中难免存在疏漏和不足，恳请广大读者批评指正。
郑剑春
2016年12月

第3课 链、滑轮和带传动
链、滑轮和带传动同样是机械传动的方式。由于机械结构不同，受电机安装位置的限制，很多情况下仅使用齿轮传动不能满足机械传动的要求，所以在设计机器人时要考虑更多的传动方式。
1．链传动
链传动由两个链轮和一条闭合的链条组成。工作时，链轮的齿与链条的链节相啮合，带动与链条相啮合的从动链轮传动。这就是常见的自行车链轮链条传动原理，如图3-1所示。链条传动主要用于传动比要求较准确，两轴相距较远，且不宜采用齿轮的地方。
 
图3-1 链传动
1）链传动的优点
链传动与带传动相比，它没有滑动，也不需要很大的张紧力，作用在轴上的载荷较小；两链轮间的距离及轴间距离可以比较大。在机器人的设计过程中，由于电机安装位置的局限性，链传动是一种被广泛采用的传动方式。

第3课 链、滑轮和带传动
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2）链传动的缺点
链传动只能用于平行轴间的传动；瞬间的速度不均匀，在高速运行时不如带传动平稳；链条传动会产生很大的摩擦力，因此比齿轮直接啮合传动效率低。在低速情况下，使用链条在间隔较远的轴上传递运动非常有效。
2．滑轮和带
滑轮与齿轮的作用非常类似，只是滑轮与带之间可能会打滑。应用滑轮的优点之一就是带有许多尺寸，而且此方式可以使处在各种位置的轴之间的动力传递更易实现。
电机卡死不仅会让电能很快耗尽，也会损坏电机。为避免电机卡死，可以使用带和滑轮，滑轮可以改变力的方向，如图3-2和图3-3所示。

图3-2 滑轮、带传动（一）

图3-3 滑轮、带传动（二）
1）滑轮、带传动的优点
（1）运行平稳，无噪声。

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（2）安装精度不像齿轮那样严格。
（3）过载时会引起带轮打滑。
（4）带轮配合距离是没有严格限制的，可以通过使用长皮带将运动传递到远处的轴上。
2）滑轮、带传动的缺点
（1）可能引起打滑，降低传动的效率。
（2）不能精确地传动。
3．设计与制作
例3-1 制作一个链驱动的小车，如图3-4~图3-6所示。

图3-4 链驱动小车（一）

图3-5 链驱动小车（二）

图3-6 链驱动小车（三）
观察与思考：设计并比较链驱动小车和齿轮驱动小车有哪些不同。在实际应用上，哪一种更为普遍？
例3-2 制作一个履带车，如图3-7~图3-9所示。

图3-7 履带车（一）

图3-8 履带车（二）

图3-9 履带车（三）
观察与思考：设计一个实验方案，比较履带车与轮式小车的转弯能力，有无区别？哪个更方便？
例3-3 制作一个自动门系统，如图3-10~图3-12所示。

图3-10 自动门关闭