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150825_碰碰车

2015-12-27  EasyBot
从零讲:机器-人-机构设计之碰碰车
到游乐场里有一种很适合亲子同乐的游戏,那就是玩一种可以前碰碰、后碰碰,四处都可以横冲直撞的碰碰车,看看如何把对手的车碰开。由于碰碰车底座中的后轮转动,前轮转向,可以实现碰碰车前后左右运动,而电动机和带齿轮钢管啮合,使得电动机转动让碰碰车产生上下运动,增加三维临场震动感。碰碰车通常以低速度运动,哪怕是发生了连续性集体碰撞事件,也都不会损害人与车,是个安全又充满欢乐的亲子活动。当时间到了,游戏结束时,操作员把电源关上。本次博文要实作的碰碰车,并不能在空间任意位置碰撞的,只能是在一条运动轨迹上前进或后退,至于所采用的动力,并不是电动机,也不是水火箭,而是气压水动力,有关这些内容,后续还会再作介绍。

从零讲:机器-人-机构设计之碰碰车三齿式倒档与前进档简易变速器图
本次博文要实作一种可支持在一条运动轨迹上前进或后退的机械机构,有些类似右边的三齿式倒档与前进档简易变速器图,图中可看出其变速装置上设有一个倒挡,其中倒档齿轮是由一个惰轮进行操控。所谓“惰轮”是两个不互相接触的传动齿轮中间起得传递作用的齿轮,同时又跟这两个齿轮相互啮合,用来改变被动齿轮的转动方向,使之与主动齿轮同向转动。惰轮的作用只是改变转向并不能改变传动比,因此当手排切换倒退档时,把惰轮推入檔,会改变被动齿轮转向。如车子要前进,则移开惰轮,重新让传动齿轮与被动齿轮啮合即可。至于如何让碰碰车行驶前进,当碰到障碍物时要能够自行后退,以及车子倒退碰到障碍物也要能够自行前进呢?这就是本次博文实作碰碰车遇障变档机构的功能目标,至于碰碰车的动力来源则是采用气压水动力,有关这些内容,后续还会再作介绍。

就让碰碰车遇障变档机构引领我们,顺着中国高铁的引进消化吸收再创新的心法,共同一起动手操作积木。首先,从零开始思考,新款机构动力车在车轮、平台、动力三方面,由于有着相同平台化的底盘骨架,除了轮子不用重新发明,底盘骨架平台也不用再重新发明,就只剩下动力单方面着眼进行设计,这样就可以快速有效地把碰碰车遇障变档机构用在新款车的机构里,这也是机构动力车集团军能够经济有效创新智造的奥秘,当然还要经过多番的尝试与犯错,以下就是创新智造出来具有碰碰车遇障变档机构特色的新款机构动力车。

从零讲:机器-人-机构设计之碰碰车图1:具有碰碰车遇障变档机构特色的新款机构动力车处于打水状态

要如何操作这台具有碰碰车遇障变档机构特色的新款机构动力车呢?首先要声明,当车子悬空测试时,前轮是可以正向转动的,当车前头触碰触发杆,则经遇障变档机构,前轮会切换成反向转动,又当车后尾触碰触发杆时,经遇障变档机构,前轮又会切换成正向转动,如此反复运作,遇障变档机构就完成了碰碰车的使命。可惜,由于这台气压水动力碰碰车加上水以后的总体重过重,当车放置地板要加以测试时,轮子根本没法转动。如果觉得压力不足,当加大压力之下,接水管却耐不住压力,会在接口处爆开,将水喷得到处都是,这一点要特别注意。因此,接下来进行介绍的车况,车子皆是属于悬空测试状态。从上方图1开始了解此新款机构动力车处于准备状态是什么情况,可以从图中发现正在藉由唧筒打水打入到气压瓶内,使瓶内空气缩小体积反让气压增大,而车前头下方有个凸出物并固接一个水平布置的黄色连杆,它就是前端触发杆,当撞到障碍物时就会后缩,进而起得切换排档的作用,使得上头简易变速器切入倒退档,车子前轮于是改变方向逆向旋转,如果再看清楚图1碰碰车底盘尾端会有一根长的端触发杆,也就是当倒车撞到障碍物时就会后缩,进而起得切换排档的作用,使得上头简易变速器切入前进档,车子前轮于是改变方向顺向旋转。接着进行下方图2所示的动作,当打水至水位快到一半时,气压会增大为两倍,这符合波以耳定律,有关这些内容,后续还会再作介绍。当扳起气压瓶前方开关后,让水进入车上方水力涡轮机,利用压缩空气推动水来喷射水涡轮机叶轮,产生旋转动力,再用链条牵动前轮转动。至于从水涡轮机流出的水,会用水管导入到后方的储水槽,而该储水槽就是前面唧筒打水的水源处,如此完成水的密闭内循环系统。

从零讲:机器-人-机构设计之碰碰车图2:具有碰碰车遇障变档机构特色的新款机构动力车处于启动状态

气压水动力是综合运用了水的不可以压缩性以及空气的可压缩性,是以压缩空气的压差来形成具有强大推力的气压水,这样就能利用压缩空气推动水来喷射水力涡轮机叶轮,产生旋转动力。这种应用情况就类似于古人在河岸建造水车,利用水流所产生的动力,带动磨石机一般,或是像现代的水力发电一样,只是差别在于水力发电是利用水位高低落差,在重力作用下使强大水流冲击着水力涡轮机,如此运用水动力转换成机械能来为我们做事情的道理是相通的。这里气压水动力所采用的设备,虽然与本系列博文【水火箭车】所用设施会有些雷同,但原理却与水火箭是大不相同的。不仅仅如此,连操作内容也极为不同,例如,在气压水动力的唧筒是用来打水,而水火箭是打气,又如,在气压水动力的气压瓶是先装气,而水火箭所用的气压瓶则是先装水。

这里要特别讲到在气压水动力中气压瓶里的空气,因为在操作过程中,该瓶内空气的总分子数目并没有改变,改变的只是空气的体积,接着在启动状态下,水流从气压瓶奔出而使水位下降,也是改变了空气体积,而空气总分子数目并没有在这过程中有所改变。当初英国化学家波以耳也曾经亲自做过实验,之后发现「在固定的温度下对气体施加压力, 气体的体积V与施加的压力P成反比」,若 k 为常数,则数学式写成:PV=k,这个发现称为波以耳定律。至于加压前气压瓶内空气的体积V1与压力P1,经过唧筒打水进入气压瓶呈待命状态之后,此时若测得其气压瓶内空气的体积为V2而压力为P2,那么,由波以耳定律可知,加压前与加压后两次实验所测得的物理量中,PV乘积值相等不变的,因此在定温下与定量气体在两组实验条件下,得数学方程式为:P1V1=P2V2=k,由此可知,在加压前如果气压瓶内是一大气压的话,在加压到体积缩小一半时,此时气压瓶内增压成二大气压。这种比例概念是个很重要的科学启蒙苗子,例如相似三角形对应边成比例关系,也可依此证明勾股定理,更能运用比例关系延伸到三角函数的介绍,还有浓度、密度等等,都与比例脱离不了关系。当然也可用来介绍更早的科学史,关于比例概念补充部分,可参阅本系列博文【重力摆与科教】内文说明。

从零讲:机器-人-机构设计之碰碰车
从空气的可压缩性,可以看出,气体分子之间必然存有空隙,由此表明,当对其施加压力时,分子间的距离就会缩小,体积当然也就变小了。波以耳定律其实是气体动力论的直接结果,为了明白体积变化对压力的影响,可以就个别的原子或分子(微小粒子)的作用,讨论如何导致整个气体大系统的行为(无数原子和分子的碰撞) 。假设在定温条件下,在左图中,容器里的气体是以1个1个的平均分子来形象表示,并画出该分子运动的轨迹,当分子碰撞器壁时产生压力。在单位时间内分子运动的距离以线段长度表示,因为这是平均分子的运动,由于定温条件,使得每个平均分子所携带的能量都一样,则其单位时间内运动之距离在大体积 (左图左框) 及小体积 (左图右框) 的情况都相同。在左图右框中 ,体积小使得更拥挤的气体分子会彼此施力而且也对容器器壁的碰撞次数增加,这表示压力也将增大。这也就是理想气体模型,目前先不考虑牛顿万有引力,和德谟克立德空间理论里的质点大小,这二个欠考虑的部分,就是理想气体与真实气体有落差的原因,这个问题,后来由凡得瓦解决了。

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