Vex 机器人设计系统的发明者指南

运动

目录：
方形靴组装
要理解的概念
子系统接口
运动子系统清单

方形靴组装

在 Squarebot 设计中，运动子系统与结构子系统紧密集成。这两个系统共同构成了 Squarebot 的“底盘”。

请参阅结构章节中的 Squarebot 底盘零件和组装部分，了解如何串联构建运动和结构子系统。

要理解的概念

电机和伺服电机
电机是一种可以将电能转化为机械能的设备。也就是说，它们吸收电力并产生物理运动。在 VEX 系统中，它们进一步分为两种主要类型：标准电机和伺服电机。

主要区别非常明显且直接。标准电机使连接的轴不断旋转，而伺服电机则使轴在其运动范围内转向特定方向（Vex 伺服模块为 120 度）。

还要注意的是，在相同的发射器命令下，Vex 电机模块和 Vex 伺服模块的轴会以相反的方向旋转。这种细微的差异是由于两个不同模块的内部电机设计不同。有关无线电控制操作的更多信息，请参阅《发明家指南》中的“控制子系统”部分。

使用电机和伺服器
虽然外观相似，但电动机和伺服电动机适用于截然不同类型的任务。

当需要连续旋转时，应该使用常规电机，例如在机器人的主驱动系统中。

伺服电机仅可用于运动边界明确的情况，但具有自我校正的宝贵能力，可以保持边界内的任何特定位置。

速度与扭矩

电机可以产生一定量的功率；也就是说，它每秒可以提供一定量的能量——这种能量最常用于使车轮旋转。然而，由于可供使用的能量是有限的，因此扭矩（电机转动车轮的力）和速度（电机转动车轮的速率）之间存在固有的权衡。

扭矩和速度的精确配置通常使用齿轮来设置。通过在电机和车轮之间放置不同的齿轮组合，速度-扭矩平衡将发生变化。

齿轮

传动比
您可以将齿轮比视为扭矩的“乘数”和速度的“除数”。如果齿轮比为 2:1，则扭矩是齿轮比为 1:1 时的两倍，但速度只有后者的一半。

计算一对齿轮之间的齿轮比很简单。首先，确定哪个齿轮是“驱动”齿轮，哪个是“从动”齿轮。“驱动”齿轮是提供力来转动另一个齿轮的齿轮。通常，此齿轮直接连接到电机轴上。另一个齿轮，即驱动齿轮转动的齿轮，称为“从动”齿轮。

要找到齿轮比，您只需计算“从动”齿轮上的齿数，然后将其除以“主动”齿轮上的齿数。

齿轮，继续

惰齿轮
可以在主动齿轮和从动齿轮之间插入齿轮。这些齿轮称为惰轮，它们对机器人的齿轮比没有影响，因为它们的齿轮比贡献总是相互抵消（因为它们相对于第一个齿轮是从动齿轮，相对于最后一个齿轮是主动齿轮——您首​​先要乘以惰轮上的齿数，然后除以相同的数字，这总是相互抵消）。

但是，惰轮确实会改变旋转方向。通常，主动齿轮和从动齿轮会朝相反的方向转动。添加惰轮会使它们朝相同方向转动。添加第二个惰轮会使它们再次朝相反方向转动。

惰轮通常用于反转两个齿轮之间的旋转方向，或将力从一个齿轮传输到远处的另一个齿轮（通过使用多个惰轮来物理弥合间隙）。

复合齿轮比
当同一轴上有多个齿轮时，就会形成复合齿轮。复合齿轮不要与惰轮混淆，因为复合齿轮会影响系统的整体齿轮比！

在复合齿轮系统中，有多个齿轮对。每对都有自己的齿轮比，但这些齿轮对通过共用的轴相互连接。由此产生的复合齿轮系统仍然有一个主动齿轮和一个从动齿轮，并且仍然有一个齿轮比（现在称为“复合齿轮比”）。然后通过将每个单独齿轮对的齿轮比相乘来计算从动齿轮和主动齿轮之间的复合齿轮比。复合齿轮允许配置齿轮比，而这些齿轮比通常无法通过现有组件实现。在上面的例子中，仅使用 12 和 60 齿齿轮就实现了 1:25 的复合齿轮比。这将使您的机器人能够以比正常速度快 25 倍的速度转动轴（尽管它只能以 1/25 的力转动）！

非齿轮系统的齿轮比
齿轮比的真正本质比仅仅计算齿轮上的齿数要复杂一些。齿轮比实际上定义为驱动轴需要旋转一圈才能使从动轴旋转一圈所需的旋转次数。处理齿轮时，您可以通过计算齿数来找到所需的旋转次数，正如您在上面已经看到的那样（参见“齿轮比”）。

对于其他类型的系统，您仍然可以通过测量从动轴和驱动轴的转数来找到“齿轮比”。这些其他驱动类型包括皮带和滑轮驱动以及链条和链轮驱动。

当机器人上的电机和车轮相距较远时，皮带或链条传动通常比齿轮传动更受青睐。然而，皮带和链条都会给系统带来特殊的维护和性能要求（例如，链条需要润滑和张紧），因此您应该仔细权衡它们的优势与其他设计考虑因素。

车轮

车轮尺寸
通常，机器人运动子系统的作用是使机器人沿地面移动。继电机和齿轮之后，传动系统的最后一步是车轮。

就像电机和齿轮一样，车轮的不同属性会影响机器人的性能。车轮的尺寸在这里是一个重要因素，会影响机器人的两个截然不同的特性：加速度和最高速度。

车轮尺寸和加速度
车轮尺寸和加速度之间的关系很简单：轮胎越大，加速度越慢，而轮胎越小，加速度越快。

这种关系是将发动机的旋转运动转换为车辆前进运动的物理学产物。

电机产生“旋转”力（扭矩），车轮在接触地面时会将其转换为“推力”。这种“推力”越大，机器人的加速就越快。扭矩和力之间的关系是：

力 = _ 扭矩 _ 中心距离
至车轮边缘

在相同的扭矩下，车轮中心与地面之间的距离越长，产生的力就越小，因此，车轮越大（距离越长），产生的力就越小，因此加速度就越慢。

车轮尺寸和最高速度
在最高速度下，具有相同电机和齿轮比的机器人通常会以电机可以旋转的最快速度行驶。机器人可能需要一些时间才能达到此速度，尤其是当它们具有高齿轮比（高齿轮比 = 低扭矩）时，但最终它们往往会达到或至少接近此速度。

当车轮在地面滚动时，它每转一圈，实际上都会将其周长“展开”到其行驶的表面上。车轮越大，周长就越长，因此每次旋转“展开”的距离就越远。

结合这两个观察结果，你可以看到，轮子越大的机器人最高速度就越快。轮子越大的机器人每转一圈就能走得更远，在最高速度下，具有相同电机和齿轮的机器人的轮子每秒转动的次数相同。相同的转数乘以每转的距离，等于更大的距离，因此轮子越大的机器人速度更快。

车轮，继续

摩擦
两个表面相互接触时，摩擦力无处不在。然而，在考虑机器人的轮子时，摩擦力是最重要的，因为您需要决定需要多少摩擦力才能最大限度地提高机器人的性能。

车轮摩擦对机器人既有好处也有坏处。一方面，车轮和地面之间的摩擦对于机器人加速至关重要。如果没有摩擦，机器人的车轮就会空转，就像汽车被困在冰面上一样。车轮和地面之间的摩擦力为机器人在加速、减速或转弯时提供了“推力”。

另一方面，车轮摩擦也会使机器人在移动时减速。在粘性表面上行驶的机器人比在光滑表面上行驶的机器人速度慢，因为摩擦会消耗机器人的部分能量。

地形
在难度更大的挑战赛中，通常会有必须穿越的物理障碍。轮胎的尺寸和它产生的摩擦力大小对于确保你能成功穿越这些障碍非常重要。这些障碍会很多而且很复杂，所以你需要为它们做好计划，并测试你的解决方案以确保它们可靠地发挥作用。

离合器

离合器
Vex 入门套件中的每个电机都配有预装离合器模块。离合器模块的作用是当阻力过大时，通过暂时断开电机与其连接的轮子或齿轮之间的连接，防止电机内部齿轮受损。这可以防止电机进入可能造成损坏的失速（电机无法转动）或反向驱动（电机被迫向后）状态。

出于维护原因，电机离合器可拆卸，但维护后应立即更换。请勿在未安装离合器的情况下尝试操作电机。

运动部件特点

轮毂轮胎
套件中的小绿色轮胎实际上是两个轮胎合二为一。通过拉下橡胶绿色轮胎表面，灰色轮毂可直接用作机器人的一组非常小的低摩擦轮胎。

非轴向安装点
（60齿齿轮）
除了齿轮轴的中心孔外，60 齿齿轮（和 84 齿齿轮，单独提供）还有许多额外的偏心安装孔。这些安装点有多种应用。例如，可以在齿轮顶部建造一个更大的结构，当齿轮转动时，该结构会旋转。或者，非轴向安装的“轨道”运动可用于从旋转运动产生线性运动。

齿轮磨损
齿轮是简单的塑料部件，但它们在运动系统中往往承受着巨大的压力。尤其是电机内的齿轮，在机器人应用中使用时会承受大量磨损，因为这些齿轮经常需要快速反转方向（例如，让机器人朝另一个方向移动）。

这些齿轮不可避免地会磨损并需要更换。Vex 入门套件包括用于内部电机齿轮的替换齿轮（您可以购买更多），因此您可以在需要时进行必要的维修。

要更换电动机或伺服电动机中的齿轮，请遵循以下说明。

1.（页面顶部）拆下离合器和离合器柱。

2. 拆下电机外壳前部角落的四颗螺丝。

3. 轻轻掀开顶盖。尽量不要弄乱里面的齿轮，这样你就能看到正确的配置，以供日后参考。

4、将中间齿轮与大轴齿轮一起拆下。

*处理齿轮时要小心，因为齿轮上涂有一层润滑剂，可帮助它们平稳转动。处理齿轮后请洗手！

5. 拆下侧齿轮。

6.拆下薄底部齿轮。

7. 打开替换齿轮的包装。处理替换齿轮时要特别小心，因为它们非常小而且很滑（它们已预先涂上油脂）。

注意：大型黑色伺服电机齿轮的金属衬套下方会有一个黑色塑料键。（未显示）

8. 安装替换的薄底齿轮。

9. 安装替换的侧齿轮。

10. 将替换的中间齿轮和替换的大齿轮安装在一起，方法与拆开它们相同。

11. 小心地更换顶盖。不要干扰齿轮，否则电机可能无法正常转动。

12. 将四个角的螺丝重新装回去。

13.更换离合器及离合器轴。

子系统交互
运动子系统如何与â€交互

“结构子系统？
“运动和结构子系统紧密集成在许多机器人设计中，包括 Squarebot。如果没有某些结构组件（如底盘导轨）来提供支撑和位置参考，就无法构建运动子系统。同样，结构子系统必须在很大程度上设计为适应运动组件。

“在 Squarebot 上，结构和运动子系统相互关联，因此您无法单独构建它们。因此，它们是在底盘构建说明中一起构建的（可在结构子系统章节中找到）。

“电力子系统？
“运动子系统的电机和伺服电机将电能转换为物理能，因此它们当然需要电能才能工作。这种能量最终由电源子系统的电池提供，但电机并不直接插入电池。相反，电流由微控制器控制，微控制器决定允许多少电流从电源子系统流向运动组件。

“传感器子系统？
机器人通常具有由传感器控制的电机和其他运动组件（例如，当按下保险杠开关传感器时，紧急停止功能会停止电机）。但是，传感器子系统并不直接控制运动子系统。相反，传感器向微控制器提供信息，微控制器会考虑该信息，然后决定向运动子系统发送什么命令。

“控制子系统？
“与无线电遥控汽车不同，Vex 机器人并不直接将控制子系统与运动子系统绑定。操作员使用发射器生成的命令被发送到机器人上的 RF 接收器，但从那里，命令被发送给微控制器，微控制器在决定向运动组件发出哪个命令时会考虑这些信息和其他信息。

“逻辑子系统？
运动子系统插入微控制器，微控制器是逻辑子系统的主要组件。虽然运动组件在不同程度上由用户输入（控制子系统）和传感器反馈（传感器子系统）“控制”，但最终决定发出什么命令以及实际电流（来自电源子系统）都由逻辑子系统控制。逻辑子系统控制运动组件所做的一切。

齿轮套件
齿轮套件此套件包含额外的齿轮，因此您将始终拥有正确的组合，以确保实现所需的扭矩、速度和方向平衡。此套件中包含的所有零件也包含在入门套件中，但 84 齿齿轮除外，它与其他齿轮一样，只是齿数更多，可让您获得更高（或更低）的齿轮比。

为了扩大您的发明可能性，60 齿和 84 齿齿轮具有额外的安装孔。当将这些齿轮用作转盘系统或其他类似设计的一部分时，这些安装孔可用于将金属杆或零件连接到这些齿轮上。请参阅您的 Vex 发明家指南，了解如何使用齿轮改变机器人传动系统旋转的速度/扭矩平衡和方向的构建技巧和示例。

电机套件
电机和四轮驱动 (4WD) 套件
正如《发明家指南》的运动子系统部分所述，标准电机通过以受控速度正向或反向旋转将电能转换为机械能。

现在您有了四个电机，您的机器人不再需要依靠单个电机来转动机器人同一侧的前轮和后轮。现在您可以为每个轮子使用一个电机，并且您的机器人可以获得两倍的扭矩来应对越来越困难的地形。

Vex 机器人微控制器已经能够支持这种四轮驱动模式。您只需将跳线夹放在适当的模拟/数字端口上，您的机器人就可以与所有四个电机一起工作。有关详细信息，请参阅原始 Vex 入门套件发明者指南中的附录 F。

伺服电机套件
正如《发明家指南》的运动子系统部分所述，伺服电机是一种可以定向转向特定方向的电机，而不仅仅是向前或向后旋转。

轮组
该套件包含额外的轮子，可帮助您的机器人在任何情况下都能更好地抓地。该套件中包含的所有零件也包含在您的 Vex 入门套件中，因此请查阅 Vex 发明家指南以获取构建提示和如何使用它们的示例。

运动子系统清单

运动子系统清单