“探索者”机械创新训练手册(部分)
机械创新套件训练手册
机器时代（北京）科技有限公司
北京
中国
目录
第一篇机械设计 (1)
第一章模块图示 (1)
第二章基础实验 (2)
实验一机器人机构创新设计基础（一） (2)
实验二机器人机构创新设计基础（二） (8)
实验三机器人机构创新设计基础（三） (14)
第三章机械试验 (16)
实验四机构认知与分析实验 (16)
实验五机构运动简图测绘实验 (19)
实验六基于机构组成原理的机构仿真设计实验 (22)
第二篇电子设计 (25)
第四章基础实验 (25)
实验七安装编程环境 (25)
实验八第一个ARM软件 (26)
实验九烧写程序 (27)
第五章ARM主控板端口列表 (28)
第六章库函数 (28)
第七章电子试验 (29)
第三篇课程设计 (30)
题目一典型八足 (30)
题目二四自由度机械臂 (31)
附录注意事项 (32)
第一篇 机械设计
第一章 模块图示
探索者机器人创意组件采用模块化组装方案，我们把探索者的所有机构总结成13
种功能模块，这13种模块分别执行驱动、传动等不同功能。功能相同或不同的模块通过搭配组合，可以搭建出千变万化的机器人机构。
转动模块 摆动模块
关节模块
橡胶轮模块
支架轮模块
球片轮模块 半球模块 履带模块 齿轴模块
腿模块
双足腿模块
从动支杆模块
四足连杆模块
第二章基础实验
实验一机器人机构创新设计基础（一）
一、实验目的及实验应用
1．加深学生对机构组成理论的认识，熟悉模块概念，为机构创新设计奠定良好的基础；
2．利用探索者提供的零件，拼接转动模块、橡胶轮模块、支架轮模块、履带模块、球片轮模块（选作）、半球模块（选作），以培养学生机构运动创新设计意识及综合设计的能力；
3．训练学生的工程实践动手能力；
4．可用作基于机构组成原理的拼接设计实验；基于创新设计原理的机构拼接设计实验；课程设计、毕业设计中的机构系统方案的拼接实验；课外活动（如机械设计大赛）中的机构方案拼接实验。
二、实验原理
机器人的模块化是机器人学科研究的前沿性课题，通过设计和组合不同的模块可完成不同的机器人功能需要。
三、实验方法与步骤
模块1：拼接转动模块
零件：圆周舵机（M02）、马达支架（J26）、输出头（A05）等
图2-1转动模块
模块2：拼接橡胶轮模块
零件：小轮（J25）、轮胎（P05）、螺柱等
图2-2 橡胶轮模块
模块3：拼接支架轮模块
零件：小轮（J25）、轮支架(J15)、螺柱等
图2-3支架轮模块
模块4：拼接球片轮模块（选作）
零件：小轮（J25）、球支架片（J29）、螺柱等
图2-4 球片轮模块
模块5：拼接半球模块（选作）
零件：大轮（J07）、小轮（J25）、球支架片（J29）、31度球片（J27）、72度球片（J28）、螺柱等
图2-5 半球模块
模块6：拼接履带模块
零件：小轮（J25）、履带（P04）、螺柱等
图2-6 履带模块
模块连接1：轮类模块与转动模块的连接
模块：任意轮类模块、转动模块
图2-7 轮类模块与转动模块的连接
模块连接2：轮类模块与机架的连接
模块：任意轮类模块
零件：7×11孔平板（J04）、20mm机械手（J11）、输出支架（J17）、15.4mm 轴套（T02）等
图2-8 轮类模块与机架的连接
模块应用1：拼接履带小车
模块：转动模块、履带模块
零件：7×11孔平板（J04）、20mm机械手（J11）、输出支架（J17）、15.4mm 轴套（T02）等
1、将两个履带模块分别连上转动模块和平板机架，组成履带小车。
2、利用ARM7主控板、手柄控制机构运动。
3、录制一段程序、分别利用声控传感器和近红外传感器触发。
图2-9 履带小车机构
实验二机器人机构创新设计基础（二）
一、实验目的及实验应用
1．加深学生对机构组成理论的认识，熟悉模块概念，为机构创新设计奠定良好的基础；
2．利用探索者提供的零件，拼接齿轴模块、腿模块、四足连杆模块、双足腿模块、从动支杆模块，以培养学生机构运动创新设计意识及综合设计的能力；
3．训练学生的工程实践动手能力；
4．可用作基于机构组成原理的拼接设计实验；基于创新设计原理的机构拼接设计实验；课程设计、毕业设计中的机构系统方案的拼接实验；课外活动（如机械设计大赛）中的机构方案拼接实验。
二、实验原理
机器人的模块化是机器人学科研究的前沿性课题，通过组合不同的模块可完成不同的机器人功能需要。
三、实验方法与步骤
模块7：拼接齿轴模块
零件：30齿齿轮（A04）、传动轴（J06）
此处没有被传动轴穿过的齿轮一般用于连接舵机输出头，而被传动轴穿过的齿轮往往需要借助轴套、螺母或大垫片进行固定。
图2-10 齿轴模块的拼接
模块8：拼接腿模块
零件：双足小腿（J22），双足大腿（J18）、5mm偏心轮（A02）、大垫片（J09）每条腿上的5mm偏心轮被两侧的大垫片固定在双足小腿和双足大腿围成的方孔之中，形成一个滑块机构。
图2-11 腿模块的拼接
模块9：拼接四足连杆模块
零件：四足连杆（J24）、偏心轮3mm（A01）
图2-12 四足连杆模块
模块10：拼接双足腿模块
零件：双足腿（J21）、偏心轮3mm（A01）、输出支架（J17）、2.7mm轴套（T03）其中，双足腿顶部圆孔孔径为4.1mm，厚度为2.5mm，可将长度为2.7mm的轴套置于其中，再由螺丝穿过。由于输出支架用作与机架固定，于是便形成一个转动副，双足腿作为连杆，相对机架转动。
图2-13双足腿模块
模块11：拼接从动支杆模块
零件：双足支杆（J20）、90度支架（J05）、轴套2.7mm（T03）等
将90度支架一端通过螺丝与套管与双足支杆中侧部大孔连接，其中，双足支杆中侧部圆孔孔径为4.1mm，厚度为2.5mm，可将长度为2.7mm的轴套置于其中，再由螺丝穿过。由于90度支架用作与机架固定，于是便形成一个转动副，双足支杆作为连杆，相对支架转动。
图2-14 从动支杆模块
模块连接3：齿轴模块与偏心轮类模块的连接
模块：齿轴模块、双足腿模块
零件：大垫片（J09）等
在穿过外侧大垫片之前，将结构件方孔部分套在偏心轮上，然后使传动轴穿过外侧大垫片，以保护偏心轮，再以螺母固定。
若传动轴两侧都要安装偏心轮类机构，注意保持两个偏心轮相位相反。在某些机构中，偏心轮也可以直接锁在舵机输出头上。
图2-15 齿轴模块与偏心轮类模块的连接
模块连接4：偏心轮类模块的同类连接
模块：双足腿模块、四足连杆模块
通常为了防止磨损，可以用5mm偏心轮（A02）代替两个3mm偏心轮（A01）的叠加。
图2-16偏心轮类模块的同类连接
模块连接5：偏心轮类模块与杆类模块的连接
模块：从动支杆模块、四足连杆模块
零件：5.3mm轴套（T04）、5×7孔平板（J03）、螺柱等
图2-17 偏心轮类模块与杆类模块的连接
模块应用2：拼接典型四足机构
模块：转动模块、齿轴模块、双足腿模块、四足连杆模块、从动支杆模块零件：5×7孔平板（J03）、3×5双折面板（J02）、螺柱等
图2-18 典型四足机构
将步骤六、七、八结合起来就可以拼接出典型四足机构。拼接完成后利用主控板和手柄控制其运动，观察传动轴两端连杆步态。
思考：能否用两个转动模块代替转动模块与齿轴模块的组合？
模块应用3：拼接典型六足机构
模块：转动模块、双足腿模块、四足连杆模块、从动支杆模块
零件：5×7孔平板（J03）、3×5双折面板（J02）等
图2-19 典型六足机构
拼接完成后利用主控板和手柄控制其运动，观察传动轴两端连杆步态。
由于这个机构的传动部分是三个偏心轮模块的叠加，因此最外侧的四足连杆模块和从动支杆模块结合时，会有一个壁厚（2.5mm）的差距，因此要用一个小垫片（J08）补偿这个差距，在组装时要特别注意。
模块连接6：齿轴模块与无方孔结构件的拼接（马达后输出头的妙用）模块：齿轴模块、任意轮模块
零件：马达后盖输出头（A03）等
图2-20马达后盖输出头的妙用
实验三机器人机构创新设计基础（三）
一、实验目的及实验应用
1．加深学生对机构组成理论的认识，熟悉模块概念，为机构创新设计奠定良好的基础；
2．利用探索者提供的零件，拼接摆动模块、关节模块，以培养学生机构运动创新设计意识及综合设计的能力；
3．训练学生的工程实践动手能力；
4．可用作基于机构组成原理的拼接设计实验；基于创新设计原理的机构拼接设计实验；课程设计、毕业设计中的机构系统方案的拼接实验；课外活动（如机械设计大赛）中的机构方案拼接实验。
二、实验原理
机器人的模块化是机器人学科研究的前沿性课题，通过组合不同的模块可完成不同的机器人功能需要。
三、实验方法与步骤
模块12：拼接摆动模块
零件：标准舵机（M01）、马达支架（J26）、输出头（A05）等
图2-21摆动模块的拼接
模块13：拼接关节模块
零件：标准舵机（M01）、马达支架（J26）、输出头（A05）、马达后盖输出头（A03）、舵机双折弯（J10）等
关节模块是使用较多的一种模块，机构设计时思路比较直观，可以直接为机器人增加更多的自由度。可扩展出机械臂、多自由度足型、多足型、蛇形、人形等机器人。
缺点是对舵机性能要求比较高，机构缺少优化。
图2-22关节模块的拼接
模块应用4：拼接3自由度机械蛇节
模块：关节模块
零件：10mm滑轨（J01）、螺柱等
图2-23 3自由度机械蛇节
第三章机械试验
实验四机构认知与分析实验
一、实验目的
通过双足机构的组装和观察学习，了解连杆、凸轮、齿轮等机构的组合方式分析其运动变换功能，了解其运动特点和实际应用；加深同学们对常见各类机构的基本类型和用途的理解。
二、实验原理
图3-1 扭脚双足运动原理图
三、实验内容
按照图示组装扭脚双足机器人机构，观察双足机器人的动作特点和传动方式，印证理论教学中对机构的组成、平面连杆机构的类型及应用、齿轮机构、凸轮机构等章节学习，通过对实物运动的了解，进一步加深对常用机构原理的理解。
四、实验步骤
1．按照组装图对机器人进行组装，初步了解连接件的连接方式，及各个模块之间的相互关系。
图3-2 扭脚双足机器人组装图
2．开启电源，使用手柄对机器人简单控制，了解机器人的基本控制原理，及运动方式。
3．仔细观察双足机器人的动作演示，在图纸上指出，齿轮机构、凸轮机构等分别所在的位置。并用箭头标出其运动轨迹的方向。
图3-3 扭脚双足结构图