精彩机械动图:人类真是太聪明了

这一次酷炫动图将把目光转向人造机械的工作原理。

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伸出圆手

原理:对于机器人而言,学会如何抓握是件很重要的事情。以往,很多机械手都是类似人手的结构,通过控制“手指”的弯曲来持物。这样的设计看起来很“自然”,但控制起来却相当复杂。而上图中研究者们提供了另外一种更加简单的解决思路。

这个很有哆啦A梦风格的球形机械手看起来高大上,但材料却很亲民——它的握持部件其实就是一个填充了研磨咖啡粉的气球。

这个气球的后方连接着气泵,在接触并包裹要抓起的物体之后,气泵启动产生负压抽走空气,使圆手前端的形状“固定”下来,就可以抓起物体了。

花絮:也有DIY爱好者用气球和注射器做出了简化版的小圆手,在这里可以看到

弹子锁

原理:弹子锁是一种经典的锁具,现在在市面上依然很常见。弹子锁的锁芯内平行排列有多个孔洞,每个孔洞内有弹簧、上弹子和下弹子。在未插入钥匙时,由于弹簧的作用,锁体被弹子卡住,使锁芯不能任意旋转。

而插入钥匙后,钥匙上的“齿”与长短不一的下弹子长度相互适配,使上弹子和下弹子的接触面与锁芯和锁体的接触面达到重合,这时候再通过钥匙旋转,就可以将锁打开了。

花絮:因为结构简单,这种锁的防盗性能也比较堪忧。从下图中可以看到,通过铁丝钩的拨动,就可以将弹子锁撬开:

为了提高安全系数,还是选用更加复杂的锁具吧。

风扇转头

原理:很多风扇的“后脑勺”上都有这样一个小机关,按下去就可以让风扇转头,拔起来就可以固定风扇的方向。

这实际上是蜗轮蜗杆传动、齿轮啮合传动以及曲柄摇杆机构的共同作用。当按下控制轴之后,位于电机后方的涡轮与蜗杆接触,在蜗杆的带动下转动:

蜗轮蜗杆传动原理示意图

而下方带动电扇转头的部件则可以看成是一个曲柄摇杆机构。在蜗轮蜗杆传动的带动下,下方的齿轮随之旋转,而与之相连的摇杆又可以在它的带动下在一定角度内进行摆动,由此达到让风扇来回摆头的目的。

曲柄摇杆示意图

星型发动机

原理:在物理课本上,我们学到过最基本的活塞发动机,空气和燃料的混合物进入气缸并被点燃,推动活塞运动,而曲轴和连杆又会把活塞的直线运动变成圆周运动:

而如果把一组基本元件辐射状组合起来,就得到了上面的星型发动机。在星型发动机中飞轮产生的惯性联结了多个曲柄滑块机构,使整体结构运动平滑。

在涡轮发动机出现之前,很多飞机上采用的都是这样的星型发动机:

花絮:当我们把活塞基本元件通过不同方式组合时,就产生了不同类型的往复式活塞内燃机结构,这些复合结构能提供更强的动力。除了星型发动机以外,也有直列、水平、V形等多种组合方式。

直列四缸发动机

水平四缸发动机

动力强劲的V6发动机

手枪消音器

原理:枪械的“消音器”通常是安装在枪口的一个圆柱形金属管。当子弹通过消音器内的通道时,快速膨胀的气体冲进了一个个环绕子弹路径排列的扩张室,声波在扩张室中反射并相互干扰,再加上消声器内壁上使用的吸声材料能吸收噪音的能量,综合作用下就使管内传播的噪音衰减,从而达到消声的目的。

花絮:在很多影视剧中,装了消音器的手枪发出的声音非常小,但现实中的消音器其实并没有那么惊人的效果。消音器确实能帮助保护使用者的听力,但离做到神不知鬼不觉还有相当的距离。

防抖云台

原理:机械防抖云台,中文音译叫斯坦尼康系统,它最早作为摄像机的稳定器被设计出来,只不过在上图中人们又找到了它的新功能——放啤酒。

系统通过陀螺仪、加速度计等传感器来检测物体在上下、左右、前后三个轴向上的角度和运动变化,处理器得到反馈后进行运动分解计算,为了保证物体的空间坐标不发生变化,三个关节部位的伺服电机会向着物体移动的反方向进行运转,从而进行精确的运动纠正。

花絮:说到防抖系统,人们大概还会联想到鸡头:

在鸟类中,类似的现象实际上很普遍,当身体移动时,它们通过头颈部的补偿运动来保持视觉的稳定。鸡、鸽子等鸟类走路时“点头”的现象其实也是为了让头部在大部分时候保持基本静止。

原文发布于微信公众号 - 机器人网(robot_globalsources)

原文发表时间:2016-08-12

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