2010年，設計師ThomasThwaites在倫敦的TED大會上了自己“從頭制作”一臺面包機的經(jīng)歷。為了降低難度，他放棄了重新研發(fā)，而選擇直接模仿、從頭制作。但拆開烤面包機后，面對多達400個、由100多種材料構成的零部件，他依然傻了眼，只好把“從頭制作”的目標降低到其中的5個材料。但是幾乎每個材料的制作都多多少少借助了現(xiàn)代其實，今天人類的任何工程成就，都得益于第一把器的打制、第一次鉆燧取火的經(jīng)驗。許累。舉個更簡單的例子，如果你想制造一把木椅，你就得老老實實找塊頭，磨成斧，用斧砍樹，加工木椅。什么？你想要金屬斧子？可以，想要有斧子，你就需要銅礦、錫礦和陶范來鑄造青銅（先別想鐵；想要礦，你就需要質工具采礦。趕緊去加工器吧，少年，恭喜你回到器時代了。順便提醒一句，別忘了鉆燧取火，造熔爐，找，探礦，選礦……雖然工作繁雜，但是別氣餒，起碼你知道什么是器對不對？你的原始人朋友摸索了多少個一萬年才知道。你沒經(jīng)驗？別怕，研發(fā)嘛，試錯是不可能避免的，順便提醒一句，愛迪生發(fā)明白熾燈（嚴格來說是改良）也才試錯試了1000次……不明白我在說什么？好吧，我是在講一個關于積累的話題，一是自己的積累，二是前人的累對于自己的積累，這里不多說，主要說說前人的積累。從前面的例子大家都看到了人的積累，造一臺簡單的面包機，或者一把木椅，是什么難度。創(chuàng)新活動有一個很大的誤區(qū)，就是很多有創(chuàng)意的同學不喜歡走別人走過的路，于是連別人走過哪些路都懶得了解。寧愿自己摸著頭過河，也不去參考借鑒前人的成果，更不屑于人成果的基礎上改良。這么做的結果很有可能是把別人已經(jīng)完成的研究項目重復一遍，最后當然有可能獨辟蹊徑，但是試錯不可避免，別忘了，1000次寫作這本書的目的，就是希望在自己摸索和積累的同時，把前人積累的成果擺在大家面前，共大家參考、借鑒。同時，讓大家知道前人已經(jīng)做過了哪些嘗試，取得了哪些成果，交流經(jīng)驗，避免閉門造車，重復試錯。這本書收錄的70多個樣機，是機器時代多年以來在各種項目中的借鑒現(xiàn)有技制作的科樣機；有者加競，為競賽項設計的樣；也有高校作品，凡是用戶的作品，均已征得用戶同意，公布或不公布用戶、單位，均由用戶自己決定。“探索者”創(chuàng)新平臺中我們已經(jīng)將它們按照機構類型進行了大致分類，每一個樣機都給出了機構簡圖。在閱讀本書的時候會發(fā)現(xiàn)，許多樣機擁有相同的原理，但針對著不同的項目，所以功能各不相同；還有許多樣機原理相同，所針對的項目也相同，但是選擇了不同的電機和零部件，于是相互之間外觀上也有較大的差異。我們希望在閱讀本書的時候能將其看作是一本辭典，一個資料庫。著重吸收各種樣機的運動原理，擴充自己的思路，或者在思路受阻的時候進行借鑒和查詢。樣機參考所體現(xiàn)的外觀和零件選擇只是參考，萬萬不可拘泥，更不要將本書當成是一本“看圖制作”的書來使用。本書也只提供了少部分亦步亦趨的詳細組裝圖，以防產(chǎn)生誤會。在《訓練手冊●機械篇》一書中，我們提供了幾個基礎機械裝置的設計方案，并鼓勵自己設的基礎置方案。《構大全》提的則是完整樣機，不過整的樣機也由許多基礎移動方 輪型移動方 雙 后輪雙驅三 三輪 直流三輪 后雙驅四輪小 后輪隨動小 對角驅動四輪底 前輪轉向汽車底 直流前輪轉向底 仿生移動方 偏心輪工形腳雙足機器 直流單偏心輪小機 偏心輪扭腳雙足機器 直流單馬達雙 擺腰雙足機器 六自由度雙 四自由度機甲 直流單馬達三齒輪四 單馬達偏心輪四 雙馬達偏心輪六 八足機器 直流馬達八 四驅連桿四 自邁腿四 單馬達可換擋六 十二自由度輪 五自由度蛇 抓取與收集方 塔 串聯(lián)機械 四自由度并聯(lián)機械 五自由度串聯(lián)機械 二自由度機械臂搬運小 巨 直流巨 峭 直流峭 直流鏟 掃地機器 攀爬與方 越野雙 直流越野雙 全地形小 全地形小車2 直流全地 小 爬樓機器人1 平衡小車 趣味方 伸縮臺 自動 機器 道 招財 攪拌 洗車 唱片 自動抽 吊 長 直流長 旋 龍 簡易迎賓機器 機械 直流三葉 機器 拉車機器 直流拉車機器 直流機器 機械螳 直流雙馬達螳 機器三角 附錄一：部分機構組裝 簡易迎賓機器 自動 攪拌 自動抽 機器 越野雙 道 洗車 臺 唱片 吊 扭腳雙 拉車機器 單馬達偏心輪四 附錄二同時組裝方案說 附錄三教學參考信 移動方輪型移動方雙來源項目：機構描述：最簡單的雙驅動輪加一個支點的結構，可依靠差速進行轉彎和原地轉動。機構簡圖：參考樣機點評：的電機，各裝一個，然后隨便找?guī)讉€零件連起來，再加個“尾巴”就行。后輪雙驅三來源項目：機構描述：雙輪加萬向輪的結構，萬向輪取代支點，減少了磨損。機構簡圖：參考樣機 點評：這應該是最常見的機器人輪型移動方案了，簡單、靈活、不管是循跡還是踢球，這種底盤方案都能夠勝任。三輪來源項目：機構描述：簡單來說就是把前面方案中自由轉動的萬向輪換成了一個隨動輪，并在上面裝了一個擺動裝置。然后考慮到不需要差速轉向了，后輪又省下了一個電機，改由齒輪組加傳動軸帶動。機構簡圖點評：直流來源項目：參考樣機點評：后雙來源項目：機構描述：該底盤是一個完整的面，四個中有兩個是并排的驅動輪參考樣機 點評：非?；A的四輪底盤，前進后退沒問題，但是轉向上會遇到較大的問題。不過它有非常廣闊的改造空間。后面的每一個四輪底盤幾乎都可以看作是以它為基礎改造而來的。后輪隨動小來源項目：參考樣機參考樣機點評：對角驅動四輪底來源項目：機構描述：對角驅動不常見，但也是案參考樣機：點評：前輪轉向汽車底來源項目：機構描述：后輪是齒輪組和傳動軸帶動，前輪是連桿組帶動兩個平行運動參考樣機點評：這個方案運動效果已經(jīng)比較接近汽車了。和前面的三輪車相比，后輪是一樣的，前輪是距離較遠的兩個，所以不能簡單用一個擺動裝置解決問題，于是借助了連桿組。關于四輪底盤的轉向問題，一定還有許多其他可能的方案，有的同學可以繼續(xù)研究。直流前輪轉向底來源項目：參考樣機：點評：仿生移動方偏心輪工形腳雙足機器來源項目：機構描述：這就是所謂的“工形腳”機器人，也叫“交叉足印”機器人，行走時可以克服重心不穩(wěn)定的難題，用了兩個電機，所以可以控制其轉彎。腿部傳動用偏心輪組代替了曲柄搖桿，設計很方便。機構簡圖參考樣機點評：制問題，因為從電子和程序角度解決重心控制問題，會非常棘手。直流單偏心輪小來源項目：機構描述： 機構簡圖參考樣機點評：和前一個機器人一樣是”膝蓋向后拐”的設計，從外觀上來說，有比較好的效果。偏心輪組代替曲柄搖桿，設計雖然較為簡便而且零件通用性很強，但是有一個缺點就是，偏心輪的直徑是固定的，而曲柄可以選擇不同長度的零件實現(xiàn)。偏心輪扭腳雙足機器來源項目：機構描述：這是所謂的“狹窄足印”機器人，運動機構原理和前一個機器人完全一樣。機構簡圖：參考樣機點評：沒有了工形腳，只能靠大腳板平衡重心，但是走起路來多多少少還會有點”扭扭捏捏”，正應了它的名字——扭腳雙足。直流來源項目：機構描述：上一個機構的直流版本，供大家參考直流電機在這個結構上的組裝方法。機構簡圖：參考樣機點評：擺腰來源項目：機構描述：一個比較完善的人形樣機，雙腿通過電機控制輪流抬起，抬起時為了平衡重心，上身也進行擺動。抬起左腳時，上身擺向右側，抬起右腳時，上身擺向左側。機構簡參考樣點評：的設計來讓機器人姿態(tài)更加優(yōu)美。關鍵是重心的移動，如何擺，是否擺？都可以變化。六自由度雙來源項目：機構簡圖參考樣機點評：從這個項目可以很清楚地看出關節(jié)式設計的優(yōu)缺點。模塊化、思路清晰、結構直白，根據(jù)原理可以舉一反三，動作豐富，適應面很廣；但是對電機數(shù)量依賴過多，動作不夠優(yōu)化，尤其做簡單動作時，造成大量能量浪費；對舵機性能要求高，要求舵機穩(wěn)定；也容易造成舵機過載。這個機構把ARM7主控板上默認能用的舵機接口全用了，如果還需要加的舵機，需要更改主控板功能、使用擴展版或使用主控板等。四自來源項目：機構簡圖參考樣機點評：簡的算法控制其行走，適合學控制的同學嘗試使用。直流單馬達三齒輪四來源項目：機構描述：由齒輪組和偏心輪組連桿結構，集成度很高，但功能較簡單，只能前進和后退。機構簡圖：參考樣機 點評：在四條腿上安裝合適的偏心輪并調整相位，可以讓步態(tài)更加穩(wěn)定。該結構設計簡潔，模塊化明顯，方便對其，設計條腿的機器人。單馬達偏心輪四來源項目：機構簡圖參考樣機點評：非常好上手的入門機構，模塊化較明顯，方便對該設計方案可以進行鏡像、等，設計出其他仿生機器人。雙馬達偏心輪六來源項目：機構描述：由前兩個樣機的設計方案鏡像所得，多加了一個電機，于是可以完成轉彎的動作。機構簡圖：參考樣機點評：由于結構原理是鏡像所得，為了兩邊步態(tài)協(xié)調，電機的位置要注意調整，電機輸出頭中心一定要位于對稱軸上，否則行走不太順暢。八足來源項目：軍方某多足底盤項目原理樣機構描述：原理很簡單，是兩個單馬達偏心輪四足的串聯(lián)。機構簡單，運動穩(wěn)定。機構簡圖：參考樣機直流馬達八來源項目：機構描述：上一個機構的簡化版本。參考樣機點評：四驅連桿四來源項目：科學館新館機器恐龍項目四肢運動分塊樣機機構描述：四個電機兩兩垂直排列，通過連桿組來控制步態(tài)。機構簡圖：參考樣機點評：這是一種全新的四足機構設計，在機械設計階段就能夠使行走的步態(tài)看起來非常自然，自邁來源項目：機構描述：僅僅使用了一個電機，采取欠驅動設計方案，因此其四肢有一定的松散空間，遇到地面不平可以自動適應。機構簡圖參考樣機點評：一個全新的四足行走原理機構。欠驅動的設計思路一方面保證了它的自適應性，另一方面減少了冗余的電機，使其更加節(jié)能。在連桿組的作用下，爬行姿態(tài)非常自然。未來有廣闊的應用前景。單馬達可換擋六來源項目：機構描述：只用了一個電機，使用齒輪組、偏心輪組和連桿傳動。在中部兩個并排的齒輪之間設計了一個限位結構，使其具備了換擋的功能，將后退的動作轉化成了轉彎的動作，運動范圍大大增加。機構簡圖參考樣機點評：非常優(yōu)秀的設計，打破了并排齒之間的剛性連接，使其可以根據(jù)電機轉動方向的不同來變換相位，看似簡單，實際需要很強的創(chuàng)新能力。該機構穩(wěn)定有效，很有應用前景。十二來源項目：機構描述：采用了典型的關節(jié)式結構設計，對關節(jié)模塊進行串聯(lián)與。腳部增加了驅動輪，使其具備了輪式底盤的運動特點，屬于仿生機器人與輪式機器人的結合。機構簡圖參考樣機點評：終于出現(xiàn)了關節(jié)式仿生多足機器人。為了不使結構過于無聊，選擇了一個帶有驅動輪的例子，驅動輪使其變成輪足式機器人，增加了運動方式，提高了速度。關節(jié)式機器人的難點不在結構，而在于控制，比如行走多采用的三角步態(tài)、下蹲、起立、階，還有足式行進和輪式行進的轉換等等，都需要良好的算法來控制。五自由度蛇來源項目：機構描述：直接將關節(jié)結構串聯(lián)而成，用大量的舵機實現(xiàn)大量的關節(jié)運動。與多級串聯(lián)的機械臂結構一樣。機構簡圖參考樣機這是目前最為常見的蛇形機器人設計方案，一般有三種運動方式——一是像毛蟲一樣關節(jié)上下蠕動前進；二是真正像蛇一樣左右波動前進，但是在這種設計方案下，只能用“添足”的方法實現(xiàn)，即給蛇身增加；三是滾動。機器時代曾經(jīng)設計出只靠兩個電機帶動、實現(xiàn)左右波動行走的蛇形機器人，但是也用了，要想真正實現(xiàn)“蛇行”，還需要繼續(xù)努力。抓取與收集方塔來源項目：機構描述：滑輪組并非“探索者”的典型裝置，需要根據(jù)現(xiàn)有零件嘗試設計，技術人員在設計時靈活運用了驅動輪、墊片20、螺柱等零件。本機構還需要用到棉線等身邊材料。機構簡圖參考樣機點評：吊鉤被設計成了一個單向結構，接觸重物即打開，然后結構封閉防止重物脫落，這是設計中的一個亮點。串聯(lián)來源項目：機構描述：非常常見的教學機械臂串聯(lián)結構。需要注意不同位置電機的承力，承力較大的位置要采用大功率舵機。點評：這個樣機底座部分是個雞肋，不做不完整，直接鎖在桌子上、大水泥塊、大鐵塊上肯定更好，但是產(chǎn)品又不提供，只能做成這個繁瑣的造型，大家自己想辦法解決吧。四自由度并聯(lián)機來源項目：機構描述：并聯(lián)機械臂多采用此種結構方案，較為典型，供參考參考樣機點評：容做特殊要求的話，結構基本如此。作業(yè)端本來還有機械手爪，請有的同學將其實現(xiàn)。五自由度串聯(lián)機來源項目：機構描述：該樣機比較完整，機械臂是4個自由度，還有一個機械手爪，模仿的是某種搬運作業(yè)的機械臂，主要動作是伸縮、轉動和夾取。基本展示了常見工業(yè)機械臂的結構原理，請參考。參考樣機點評：本樣機在底座配重和第二個電機連桿配重方面需要優(yōu)化。另外，機械臂不同位置的電機負載不同，實際中要在某些位置安裝較大功率的電機。從結構上來說，除非是教學，否則很少見關節(jié)直接串聯(lián)而缺少傳動機構的設計，一般都會有連桿組，帶傳動等。就本樣機運動方案而言，還可以進行改裝，如果是焊接作業(yè)，那么機身上舵機的安裝方向需要調整；如果是碼垛作業(yè)，那么連桿傳動方式也需要進行調整。二自由度機械臂搬運小來源項目：機構描述：底盤部分在后面有專題，因此在這里就不加說明了。機械分用一個電機驅動連桿實現(xiàn)太升和下落，手爪采用與前一個樣機相似的連桿式設計。機構簡圖參考樣機點評：抓取搬運的工程機械比較少見，而且運動接近于水平抬升，因此有創(chuàng)新點；連桿左端給配重將擺動改為更大功率的圓周運動，以齒輪齒條、同步皮帶或線性模塊等傳動方式增加負載，提高穩(wěn)定性。機械手爪也可以有許多其他設計方案，請大家自己嘗試。巨來源項目：機構描述：雙輪加萬向輪的方案，前方增加一個伸縮式機械臂，可以試圖限制對手的行動。機構簡圖：參考樣機直流巨來源項目：機器人擂臺格斗比賽方案之一。機構描述：前一個樣機的直流簡化版本。機構簡圖：參考樣點評：峭來源項目：機構描述：雙輪加萬向輪的方案，前方增加一個鏟子可以將對手搬運至場外，或將對手掀翻。機構簡圖：參考樣機點評：出元件的選擇（電機、氣缸、桿、內(nèi)燃機等）和傳動的設計了。直流峭來源項目：機器人擂臺格斗比賽方案之一。機構描述：前一個樣機的直流簡化版本。機構簡圖：參考樣機點評：直流鏟來源項目：機構描述：常見的鏟車結構，只不過機械臂不是氣缸伸縮，而是用曲柄搖桿替代的。機構簡圖：參考樣機點評：一個傳統(tǒng)的鏟車方案，還有很大改進的掃地來源項目：智能家用機器人方案樣利用多個傳感器完成避障功能。本樣機需要用到廢舊材料DIY，請大家注意。機構簡圖參考樣機點評：常見掃地機器人是能夠自主運動的吸塵器，收集方式是吸塵攀爬與方越野雙來源項目：機構簡圖參考樣機點評：輪支架，這樣能得到一個越障能力較小的輪結構。直流越野雙來源項目參考樣機點評：全地來源項目：某機器人穩(wěn)定底盤設計項機構描述：打破底盤的完整性，用軸連接前后兩對輪，使其中一對輪多了一個自由度。機構簡圖：參考樣機點評：來源項目：某機器人穩(wěn)定底盤設計項機構描述：這是更完善的方案，用連桿組代替第一代方案里的軸。機構簡圖：參考樣機點評：在連桿組的作用下，落差被有效地分攤，不但更加平穩(wěn)，而且在一定程度上保持了底盤的完整性，為裝載物資，加裝外殼掃清了。而且這種設計與傳統(tǒng)的彈簧減震相比，避免了頻繁的顛簸，使垂直方向上也更加穩(wěn)定。直流來源項目：某機器人穩(wěn)定底盤設計項參考樣機點評：小來源項目：機構描述：兩個電機驅動兩個并帶動同步皮帶，同步皮帶再帶動后輪參考樣機 點評：后輪也有了動力，因此，它可以完成差速轉彎、可以原地轉動。來源項目：機構描述：還是底盤，兩端各增加了半個機械爪，用于爬樓時的支撐參考樣機點評：這個機器人能爬上與自身等高的樓梯，只要它的機械爪伸展開后能碰到樓梯上表面邊緣，就能爬上去。爬樓是機械設計的好題目，現(xiàn)實中也有救援、、助老、助殘等用途，市場前景巨大。這個題目能讓好方案層出不窮。雖說只要夠大、體積夠大或者夠長，就一定能爬樓，但是很多時候我們要在狹小空間（如居民樓）進行爬樓作業(yè)，或者需要保持承載物的平衡，就需要動腦筋了。平衡來源項目：機構描述：在四輪底盤上裝了一 2自由度的機械臂，裝飾成機器人外觀機構簡圖參考樣機點評：衡模塊能幫助小機器人始終保持直立狀態(tài)。把自平衡模塊水平裝在機身上就可以用了。趣味方伸縮臺來源項目：一個智能臺燈設計項目，能夠根據(jù)環(huán)境智能調節(jié)照度，斷電后自動收起以節(jié)約空間等。這是升降部分的運動原理設計。機構描述：采用連桿組傳動的方式升降燈身非常簡潔。機構簡圖：參考樣機點評：這里用機械傳動方式實現(xiàn)了伸縮，從原理表達來說已經(jīng)足夠了，如果后期需要機構替代，那么伸縮結構還可以用桿、汽缸、線性模塊、金屬、人工肌肉等實現(xiàn)。自動機構簡圖參考樣機點評：機器來源項目：機構描述：能自動敲打的錘子，測試開關使用參考樣機點評：道來源項目：科普項機構描述：一個火車道閘迷你模型。能自動感知“火車到來”并攔下“汽車”和行人。機構簡圖：參考樣機點評：招財來源項目：機構描述：一個招財貓外觀的存錢罐。自動感知錢幣的投入并且能揮動小爪子。機構簡圖：參考樣機點評：攪拌來源項目：機構簡圖參考樣機點評：洗車來源項目： 機構簡圖參考樣機點評：唱片來源項目：科普項參考樣機點評：和攪拌器差不自動抽來源項目：機構描述：一個自動伸縮的小抽屜。點評：吊來源項目：機構描述：一個吊橋模型，橋面能夠抬起放下，具有自動功能。機構簡圖：參考樣機點評：長來源項目：機構描述：雙輪加萬向輪的方案，頭部增加一個擺動機構用來擊打對手。機構簡圖：參考樣機格斗機器人的戰(zhàn)術設是一個整體是 、 方、移動方式防御方式等的結合。與比賽規(guī)則、場地、對手都有很大關系。由于參加各種機器人比賽的隊伍多以自動化、計算機專業(yè)學生為主，因此多年來機構幾乎沒什么創(chuàng)新，基本都是在一套機構平臺上不斷改寫程序，如果以后能根據(jù)比賽規(guī)則、場地、對手靈活設計新的機構和戰(zhàn)術，相信比賽會更有意思。直流長來源項目：機器人擂臺格斗比賽方案之一機構描述：前一個樣機的直流簡化版本。參考樣機點評：旋來源項目：機構描述：雙輪加萬向輪的方案，前方增加一個扇葉結構可以對付對手的電機線、數(shù)據(jù)線。機構簡圖：參考樣機點評：龍來源項目：機構描述：雙輪加萬向輪的方案，頭部增加一個錘狀結構，可以敲擊對手的薄弱部位。機構簡圖：參考樣機點評：這種方式比較簡單，可以根據(jù)比賽規(guī)則改進簡易來源項目：一個桌面趣味產(chǎn)品，可放置在商店柜臺或家中?？梢约傺b檢測裝置和語音模塊以實現(xiàn)與人的互動。機構描述：采用簡單的擺動裝置，原理簡潔實用。此類產(chǎn)品重點在于外觀設計，如果有較好的外觀方案，最好根據(jù)外觀特點專門設計運動方案。機構簡圖參考樣機從項目本身考慮，由于需求方?jīng)]有指定外觀方案，因此采用了簡潔的運動設計，并簡單處理了外觀。此項目如果結合文化元素，還有許多發(fā)揮的余地，留給思考。從所用結構考慮，關節(jié)動作是擺動裝置比較直觀的用途之一，擺動裝置非常典型而且用途廣泛，不需要太多說明。機械來源項目：科學館新館機械花項目，該項目有三朵機械花，這是其中的向日葵項目，花莖擺動原理機構和花朵的外觀。花莖擺動是為了能夠與游客進行互動，當游客靠近時，花莖擺動使花朵朝向被游客觸發(fā)的傳感器方向。機構描述：這個結構用了兩個串聯(lián)的關節(jié)模塊來表示花莖的擺動動作，并沒有太多新意。僅從運動角度考慮，可以等效為一個2自由度機械臂。但是作為表示“花莖是能夠隨人擺動的”這個功能點，它已經(jīng)做到了。機構簡圖參考樣機點評：該機構在項目后期有較大的變化，花莖的擺動由2自由度串聯(lián)關節(jié)改為彈簧拉索，方便了外觀設計，也增加了花莖在視覺上的柔和感。另外，該樣機把花瓣運動部分省去了，當時花瓣也被設計成了可以連動開合的，有的同學可以試試。直流來源項目：機構描述：該底盤是雙輪驅動加一個支點的結構，通過差速原理來控制轉向，動作靈活。上面的機構簡圖參考樣機：點評：機器來源項目：機構描述：也是雙輪加支點的結構，只不過支點改在了前面，前臂可以推動身體稍稍立起，后面的尾巴則可以轉動，推動身體完成翻滾動作。機構簡圖參考樣機點評：非常靈活地運用了常見的底盤結構，俯臥撐和翻滾也算是比