2010年设计师ThomasThwaites在TED大会

2010年，设计师ThomasThwaites在伦敦的TED大会上了自己“从头制作”一台面包机的经历。为了降低难度，他放弃了重新研发，而选择直接模仿、从头制作。但拆开烤面包机后，面对多达400个、由100多种材料构成的零部件，他依然傻了眼，只好把“从头制作”的目标降低到其中的5个材料。但是几乎每个材料的制作都多多少少借助了现代其实，今天人类的任何工程成就，都得益于第一把器的打制、第一次钻燧取火的经验。许累。举个更简单的例子，如果你想制造一把木椅，你就得老老实实找块头，磨成斧，用斧砍树，加工木椅。什么？你想要金属斧子？可以，想要有斧子，你就需要铜矿、锡矿和陶范来铸造青铜（先别想铁；想要矿，你就需要质工具采矿。赶紧去加工器吧，少年，恭喜你回到器时代了。顺便提醒一句，别忘了钻燧取火，造熔炉，找，探矿，选矿……虽然工作繁杂，但是别气馁，起码你知道什么是器对不对？你的原始人朋友摸索了多少个一万年才知道。你没经验？别怕，研发嘛，试错是不可能避免的，顺便提醒一句，爱迪生发明白炽灯（严格来说是改良）也才试错试了1000次……不明白我在说什么？好吧，我是在讲一个关于积累的话题，一是自己的积累，二是前人的累对于自己的积累，这里不多说，主要说说前人的积累。从前面的例子大家都看到了人的积累，造一台简单的面包机，或者一把木椅，是什么难度。创新活动有一个很大的误区，就是很多有创意的同学不喜欢走别人走过的路，于是连别人走过哪些路都懒得了解。宁愿自己摸着头过河，也不去参考借鉴前人的成果，更不屑于人成果的基础上改良。这么做的结果很有可能是把别人已经完成的研究项目重复一遍，最后当然有可能独辟蹊径，但是试错不可避免，别忘了，1000次写作这本书的目的，就是希望在自己摸索和积累的同时，把前人积累的成果摆在大家面前，共大家参考、借鉴。同时，让大家知道前人已经做过了哪些尝试，取得了哪些成果，交流经验，避免闭门造车，重复试错。这本书收录的70多个样机，是机器时代多年以来在各种项目中的借鉴现有技制作的科样机；有者加竞，为竞赛项设计的样；也有高校作品，凡是用户的作品，均已征得用户同意，公布或不公布用户、单位，均由用户自己决定。“探索者”创新平台中我们已经将它们按照机构类型进行了大致分类，每一个样机都给出了机构简图。在阅读本书的时候会发现，许多样机拥有相同的原理，但针对着不同的项目，所以功能各不相同；还有许多样机原理相同，所针对的项目也相同，但是选择了不同的电机和零部件，于是相互之间外观上也有较大的差异。我们希望在阅读本书的时候能将其看作是一本辞典，一个资料库。着重吸收各种样机的运动原理，扩充自己的思路，或者在思路受阻的时候进行借鉴和查询。样机参考所体现的外观和零件选择只是参考，万万不可拘泥，更不要将本书当成是一本“看图制作”的书来使用。本书也只提供了少部分亦步亦趋的详细组装图，以防产生误会。在《训练手册●机械篇》一书中，我们提供了几个基础机械装置的设计方案，并鼓励自己设的基础置方案。《构大全》提的则是完整样机，不过整的样机也由许多基础移动方 轮型移动方 双 后轮双驱三 三轮 直流三轮 后双驱四轮小 后轮随动小 对角驱动四轮底 前轮转向汽车底 直流前轮转向底 仿生移动方 偏心轮工形脚双足机器 直流单偏心轮小机 偏心轮扭脚双足机器 直流单马达双 摆腰双足机器 六自由度双 四自由度机甲 直流单马达三齿轮四 单马达偏心轮四 双马达偏心轮六 八足机器 直流马达八 四驱连杆四 自迈腿四 单马达可换挡六 十二自由度轮 五自由度蛇 抓取与收集方 塔 串联机械 四自由度并联机械 五自由度串联机械 二自由度机械臂搬运小 巨 直流巨 峭 直流峭 直流铲 扫地机器 攀爬与方 越野双 直流越野双 全地形小 全地形小车2 直流全地 小 爬楼机器人1 平衡小车 趣味方 伸缩台 自动 机器 道 招财 搅拌 洗车 唱片 自动抽 吊 长 直流长 旋 龙 简易迎宾机器 机械 直流三叶 机器 拉车机器 直流拉车机器 直流机器 机械螳 直流双马达螳 机器三角 附录一：部分机构组装 简易迎宾机器 自动 搅拌 自动抽 机器 越野双 道 洗车 台 唱片 吊 扭脚双 拉车机器 单马达偏心轮四 附录二同时组装方案说 附录三教学参考信 移动方轮型移动方双来源项目：机构描述：最简单的双驱动轮加一个支点的结构，可依靠差速进行转弯和原地转动。机构简图：参考样机点评：的电机，各装一个，然后随便找几个零件连起来，再加个“尾巴”就行。后轮双驱三来源项目：机构描述：双轮加万向轮的结构，万向轮取代支点，减少了磨损。机构简图：参考样机 点评：这应该是最常见的机器人轮型移动方案了，简单、灵活、不管是循迹还是踢球，这种底盘方案都能够胜任。三轮来源项目：机构描述：简单来说就是把前面方案中自由转动的万向轮换成了一个随动轮，并在上面装了一个摆动装置。然后考虑到不需要差速转向了，后轮又省下了一个电机，改由齿轮组加传动轴带动。机构简图点评：直流来源项目：参考样机点评：后双来源项目：机构描述：该底盘是一个完整的面，四个中有两个是并排的驱动轮参考样机 点评：非常基础的四轮底盘，前进后退没问题，但是转向上会遇到较大的问题。不过它有非常广阔的改造空间。后面的每一个四轮底盘几乎都可以看作是以它为基础改造而来的。后轮随动小来源项目：参考样机参考样机点评：对角驱动四轮底来源项目：机构描述：对角驱动不常见，但也是案参考样机：点评：前轮转向汽车底来源项目：机构描述：后轮是齿轮组和传动轴带动，前轮是连杆组带动两个平行运动参考样机点评：这个方案运动效果已经比较接近汽车了。和前面的三轮车相比，后轮是一样的，前轮是距离较远的两个，所以不能简单用一个摆动装置解决问题，于是借助了连杆组。关于四轮底盘的转向问题，一定还有许多其他可能的方案，有的同学可以继续研究。直流前轮转向底来源项目：参考样机：点评：仿生移动方偏心轮工形脚双足机器来源项目：机构描述：这就是所谓的“工形脚”机器人，也叫“交叉足印”机器人，行走时可以克服重心不稳定的难题，用了两个电机，所以可以控制其转弯。腿部传动用偏心轮组代替了曲柄摇杆，设计很方便。机构简图参考样机点评：制问题，因为从电子和程序角度解决重心控制问题，会非常棘手。直流单偏心轮小来源项目：机构描述： 机构简图参考样机点评：和前一个机器人一样是”膝盖向后拐”的设计，从外观上来说，有比较好的效果。偏心轮组代替曲柄摇杆，设计虽然较为简便而且零件通用性很强，但是有一个缺点就是，偏心轮的直径是固定的，而曲柄可以选择不同长度的零件实现。偏心轮扭脚双足机器来源项目：机构描述：这是所谓的“狭窄足印”机器人，运动机构原理和前一个机器人完全一样。机构简图：参考样机点评：没有了工形脚，只能靠大脚板平衡重心，但是走起路来多多少少还会有点”扭扭捏捏”，正应了它的名字——扭脚双足。直流来源项目：机构描述：上一个机构的直流版本，供大家参考直流电机在这个结构上的组装方法。机构简图：参考样机点评：摆腰来源项目：机构描述：一个比较完善的人形样机，双腿通过电机控制轮流抬起，抬起时为了平衡重心，上身也进行摆动。抬起左脚时，上身摆向右侧，抬起右脚时，上身摆向左侧。机构简参考样点评：的设计来让机器人姿态更加优美。关键是重心的移动，如何摆，是否摆？都可以变化。六自由度双来源项目：机构简图参考样机点评：从这个项目可以很清楚地看出关节式设计的优缺点。模块化、思路清晰、结构直白，根据原理可以举一反三，动作丰富，适应面很广；但是对电机数量依赖过多，动作不够优化，尤其做简单动作时，造成大量能量浪费；对舵机性能要求高，要求舵机稳定；也容易造成舵机过载。这个机构把ARM7主控板上默认能用的舵机接口全用了，如果还需要加的舵机，需要更改主控板功能、使用扩展版或使用主控板等。四自来源项目：机构简图参考样机点评：简的算法控制其行走，适合学控制的同学尝试使用。直流单马达三齿轮四来源项目：机构描述：由齿轮组和偏心轮组连杆结构，集成度很高，但功能较简单，只能前进和后退。机构简图：参考样机 点评：在四条腿上安装合适的偏心轮并调整相位，可以让步态更加稳定。该结构设计简洁，模块化明显，方便对其，设计条腿的机器人。单马达偏心轮四来源项目：机构简图参考样机点评：非常好上手的入门机构，模块化较明显，方便对该设计方案可以进行镜像、等，设计出其他仿生机器人。双马达偏心轮六来源项目：机构描述：由前两个样机的设计方案镜像所得，多加了一个电机，于是可以完成转弯的动作。机构简图：参考样机点评：由于结构原理是镜像所得，为了两边步态协调，电机的位置要注意调整，电机输出头中心一定要位于对称轴上，否则行走不太顺畅。八足来源项目：军方某多足底盘项目原理样机构描述：原理很简单，是两个单马达偏心轮四足的串联。机构简单，运动稳定。机构简图：参考样机直流马达八来源项目：机构描述：上一个机构的简化版本。参考样机点评：四驱连杆四来源项目：科学馆新馆机器恐龙项目四肢运动分块样机机构描述：四个电机两两垂直排列，通过连杆组来控制步态。机构简图：参考样机点评：这是一种全新的四足机构设计，在机械设计阶段就能够使行走的步态看起来非常自然，自迈来源项目：机构描述：仅仅使用了一个电机，采取欠驱动设计方案，因此其四肢有一定的松散空间，遇到地面不平可以自动适应。机构简图参考样机点评：一个全新的四足行走原理机构。欠驱动的设计思路一方面保证了它的自适应性，另一方面减少了冗余的电机，使其更加节能。在连杆组的作用下，爬行姿态非常自然。未来有广阔的应用前景。单马达可换挡六来源项目：机构描述：只用了一个电机，使用齿轮组、偏心轮组和连杆传动。在中部两个并排的齿轮之间设计了一个限位结构，使其具备了换挡的功能，将后退的动作转化成了转弯的动作，运动范围大大增加。机构简图参考样机点评：非常优秀的设计，打破了并排齿之间的刚性连接，使其可以根据电机转动方向的不同来变换相位，看似简单，实际需要很强的创新能力。该机构稳定有效，很有应用前景。十二来源项目：机构描述：采用了典型的关节式结构设计，对关节模块进行串联与。脚部增加了驱动轮，使其具备了轮式底盘的运动特点，属于仿生机器人与轮式机器人的结合。机构简图参考样机点评：终于出现了关节式仿生多足机器人。为了不使结构过于无聊，选择了一个带有驱动轮的例子，驱动轮使其变成轮足式机器人，增加了运动方式，提高了速度。关节式机器人的难点不在结构，而在于控制，比如行走多采用的三角步态、下蹲、起立、阶，还有足式行进和轮式行进的转换等等，都需要良好的算法来控制。五自由度蛇来源项目：机构描述：直接将关节结构串联而成，用大量的舵机实现大量的关节运动。与多级串联的机械臂结构一样。机构简图参考样机这是目前最为常见的蛇形机器人设计方案，一般有三种运动方式——一是像毛虫一样关节上下蠕动前进；二是真正像蛇一样左右波动前进，但是在这种设计方案下，只能用“添足”的方法实现，即给蛇身增加；三是滚动。机器时代曾经设计出只靠两个电机带动、实现左右波动行走的蛇形机器人，但是也用了，要想真正实现“蛇行”，还需要继续努力。抓取与收集方塔来源项目：机构描述：滑轮组并非“探索者”的典型装置，需要根据现有零件尝试设计，技术人员在设计时灵活运用了驱动轮、垫片20、螺柱等零件。本机构还需要用到棉线等身边材料。机构简图参考样机点评：吊钩被设计成了一个单向结构，接触重物即打开，然后结构封闭防止重物脱落，这是设计中的一个亮点。串联来源项目：机构描述：非常常见的教学机械臂串联结构。需要注意不同位置电机的承力，承力较大的位置要采用大功率舵机。点评：这个样机底座部分是个鸡肋，不做不完整，直接锁在桌子上、大水泥块、大铁块上肯定更好，但是产品又不提供，只能做成这个繁琐的造型，大家自己想办法解决吧。四自由度并联机来源项目：机构描述：并联机械臂多采用此种结构方案，较为典型，供参考参考样机点评：容做特殊要求的话，结构基本如此。作业端本来还有机械手爪，请有的同学将其实现。五自由度串联机来源项目：机构描述：该样机比较完整，机械臂是4个自由度，还有一个机械手爪，模仿的是某种搬运作业的机械臂，主要动作是伸缩、转动和夹取。基本展示了常见工业机械臂的结构原理，请参考。参考样机点评：本样机在底座配重和第二个电机连杆配重方面需要优化。另外，机械臂不同位置的电机负载不同，实际中要在某些位置安装较大功率的电机。从结构上来说，除非是教学，否则很少见关节直接串联而缺少传动机构的设计，一般都会有连杆组，带传动等。就本样机运动方案而言，还可以进行改装，如果是焊接作业，那么机身上舵机的安装方向需要调整；如果是码垛作业，那么连杆传动方式也需要进行调整。二自由度机械臂搬运小来源项目：机构描述：底盘部分在后面有专题，因此在这里就不加说明了。机械分用一个电机驱动连杆实现太升和下落，手爪采用与前一个样机相似的连杆式设计。机构简图参考样机点评：抓取搬运的工程机械比较少见，而且运动接近于水平抬升，因此有创新点；连杆左端给配重将摆动改为更大功率的圆周运动，以齿轮齿条、同步皮带或线性模块等传动方式增加负载，提高稳定性。机械手爪也可以有许多其他设计方案，请大家自己尝试。巨来源项目：机构描述：双轮加万向轮的方案，前方增加一个伸缩式机械臂，可以试图限制对手的行动。机构简图：参考样机直流巨来源项目：机器人擂台格斗比赛方案之一。机构描述：前一个样机的直流简化版本。机构简图：参考样点评：峭来源项目：机构描述：双轮加万向轮的方案，前方增加一个铲子可以将对手搬运至场外，或将对手掀翻。机构简图：参考样机点评：出元件的选择（电机、气缸、杆、内燃机等）和传动的设计了。直流峭来源项目：机器人擂台格斗比赛方案之一。机构描述：前一个样机的直流简化版本。机构简图：参考样机点评：直流铲来源项目：机构描述：常见的铲车结构，只不过机械臂不是气缸伸缩，而是用曲柄摇杆替代的。机构简图：参考样机点评：一个传统的铲车方案，还有很大改进的扫地来源项目：智能家用机器人方案样利用多个传感器完成避障功能。本样机需要用到废旧材料DIY，请大家注意。机构简图参考样机点评：常见扫地机器人是能够自主运动的吸尘器，收集方式是吸尘攀爬与方越野双来源项目：机构简图参考样机点评：轮支架，这样能得到一个越障能力较小的轮结构。直流越野双来源项目参考样机点评：全地来源项目：某机器人稳定底盘设计项机构描述：打破底盘的完整性，用轴连接前后两对轮，使其中一对轮多了一个自由度。机构简图：参考样机点评：来源项目：某机器人稳定底盘设计项机构描述：这是更完善的方案，用连杆组代替第一代方案里的轴。机构简图：参考样机点评：在连杆组的作用下，落差被有效地分摊，不但更加平稳，而且在一定程度上保持了底盘的完整性，为装载物资，加装外壳扫清了。而且这种设计与传统的弹簧减震相比，避免了频繁的颠簸，使垂直方向上也更加稳定。直流来源项目：某机器人稳定底盘设计项参考样机点评：小来源项目：机构描述：两个电机驱动两个并带动同步皮带，同步皮带再带动后轮参考样机 点评：后轮也有了动力，因此，它可以完成差速转弯、可以原地转动。来源项目：机构描述：还是底盘，两端各增加了半个机械爪，用于爬楼时的支撑参考样机点评：这个机器人能爬上与自身等高的楼梯，只要它的机械爪伸展开后能碰到楼梯上表面边缘，就能爬上去。爬楼是机械设计的好题目，现实中也有救援、、助老、助残等用途，市场前景巨大。这个题目能让好方案层出不穷。虽说只要够大、体积够大或者够长，就一定能爬楼，但是很多时候我们要在狭小空间（如居民楼）进行爬楼作业，或者需要保持承载物的平衡，就需要动脑筋了。平衡来源项目：机构描述：在四轮底盘上装了一 2自由度的机械臂，装饰成机器人外观机构简图参考样机点评：衡模块能帮助小机器人始终保持直立状态。把自平衡模块水平装在机身上就可以用了。趣味方伸缩台来源项目：一个智能台灯设计项目，能够根据环境智能调节照度，断电后自动收起以节约空间等。这是升降部分的运动原理设计。机构描述：采用连杆组传动的方式升降灯身非常简洁。机构简图：参考样机点评：这里用机械传动方式实现了伸缩，从原理表达来说已经足够了，如果后期需要机构替代，那么伸缩结构还可以用杆、汽缸、线性模块、金属、人工肌肉等实现。自动机构简图参考样机点评：机器来源项目：机构描述：能自动敲打的锤子，测试开关使用参考样机点评：道来源项目：科普项机构描述：一个火车道闸迷你模型。能自动感知“火车到来”并拦下“汽车”和行人。机构简图：参考样机点评：招财来源项目：机构描述：一个招财猫外观的存钱罐。自动感知钱币的投入并且能挥动小爪子。机构简图：参考样机点评：搅拌来源项目：机构简图参考样机点评：洗车来源项目： 机构简图参考样机点评：唱片来源项目：科普项参考样机点评：和搅拌器差不自动抽来源项目：机构描述：一个自动伸缩的小抽屉。点评：吊来源项目：机构描述：一个吊桥模型，桥面能够抬起放下，具有自动功能。机构简图：参考样机点评：长来源项目：机构描述：双轮加万向轮的方案，头部增加一个摆动机构用来击打对手。机构简图：参考样机格斗机器人的战术设是一个整体是 、 方、移动方式防御方式等的结合。与比赛规则、场地、对手都有很大关系。由于参加各种机器人比赛的队伍多以自动化、计算机专业学生为主，因此多年来机构几乎没什么创新，基本都是在一套机构平台上不断改写程序，如果以后能根据比赛规则、场地、对手灵活设计新的机构和战术，相信比赛会更有意思。直流长来源项目：机器人擂台格斗比赛方案之一机构描述：前一个样机的直流简化版本。参考样机点评：旋来源项目：机构描述：双轮加万向轮的方案，前方增加一个扇叶结构可以对付对手的电机线、数据线。机构简图：参考样机点评：龙来源项目：机构描述：双轮加万向轮的方案，头部增加一个锤状结构，可以敲击对手的薄弱部位。机构简图：参考样机点评：这种方式比较简单，可以根据比赛规则改进简易来源项目：一个桌面趣味产品，可放置在商店柜台或家中。可以假装检测装置和语音模块以实现与人的互动。机构描述：采用简单的摆动装置，原理简洁实用。此类产品重点在于外观设计，如果有较好的外观方案，最好根据外观特点专门设计运动方案。机构简图参考样机从项目本身考虑，由于需求方没有指定外观方案，因此采用了简洁的运动设计，并简单处理了外观。此项目如果结合文化元素，还有许多发挥的余地，留给思考。从所用结构考虑，关节动作是摆动装置比较直观的用途之一，摆动装置非常典型而且用途广泛，不需要太多说明。机械来源项目：科学馆新馆机械花项目，该项目有三朵机械花，这是其中的向日葵项目，花茎摆动原理机构和花朵的外观。花茎摆动是为了能够与游客进行互动，当游客靠近时，花茎摆动使花朵朝向被游客触发的传感器方向。机构描述：这个结构用了两个串联的关节模块来表示花茎的摆动动作，并没有太多新意。仅从运动角度考虑，可以等效为一个2自由度机械臂。但是作为表示“花茎是能够随人摆动的”这个功能点，它已经做到了。机构简图参考样机点评：该机构在项目后期有较大的变化，花茎的摆动由2自由度串联关节改为弹簧拉索，方便了外观设计，也增加了花茎在视觉上的柔和感。另外，该样机把花瓣运动部分省去了，当时花瓣也被设计成了可以连动开合的，有的同学可以试试。直流来源项目：机构描述：该底盘是双轮驱动加一个支点的结构，通过差速原理来控制转向，动作灵活。上面的机构简图参考样机：点评：机器来源项目：机构描述：也是双轮加支点的结构，只不过支点改在了前面，前臂可以推动身体稍稍立起，后面的尾巴则可以转动，推动身体完成翻滚动作。机构简图参考样机点评：非常灵活地运用了常见的底盘结构，俯卧撑和翻滚也算是比