趣味動態圖教你看懂機械原理,最後一張很魔性

2021-01-08 機工基地

伸出圓手

原理:對於機器人而言,學會如何抓握是件很重要的事情。以往,很多機械手都是類似人手的結構,通過控制「手指」的彎曲來持物。這樣的設計看起來很「自然」,但控制起來卻相當複雜。

而上圖中研究者們提供了另外一種更加簡單的解決思路。這個很有哆啦A夢風格的球形機械手看起來高大上,但材料卻很親民——它的握持部件其實就是一個填充了研磨咖啡粉的氣球。

這個氣球的後方連接著氣泵,在接觸並包裹要抓起的物體之後,氣泵啟動產生負壓抽走空氣,使圓手前端的形狀「固定」下來,就可以抓起物體了。

2彈子鎖

原理:彈子鎖是一種經典的鎖具,現在在市面上依然很常見。彈子鎖的鎖芯內平行排列有多個孔洞,每個孔洞內有彈簧、上彈子和下彈子。在未插入鑰匙時,由於彈簧的作用,鎖體被彈子卡住,使鎖芯不能任意旋轉。

而插入鑰匙後,鑰匙上的「齒」與長短不一的下彈子長度相互適配,使上彈子和下彈子的接觸面與鎖芯和鎖體的接觸面達到重合,這時候再通過鑰匙旋轉,就可以將鎖打開了。

花絮:因為結構簡單,這種鎖的防盜性能也比較堪憂。從下圖中可以看到,通過鐵絲鉤的撥動,就可以將彈子鎖撬開:

為了提高安全係數,還是選用更加複雜的鎖具吧。

3風扇轉頭

原理:很多風扇的「後腦勺」上都有這樣一個小機關,按下去就可以讓風扇轉頭,拔起來就可以固定風扇的方向。這實際上是蝸輪蝸杆傳動、齒輪嚙合傳動以及曲柄搖杆機構的共同作用。當按下控制軸之後,位於電機後方的渦輪與蝸杆接觸,在蝸杆的帶動下轉動:

蝸輪蝸杆傳動原理示意圖

而下方帶動電扇轉頭的部件則可以看成是一個曲柄搖杆機構。在蝸輪蝸杆傳動的帶動下,下方的齒輪隨之旋轉,而與之相連的搖杆又可以在它的帶動下在一定角度內進行擺動,由此達到讓風扇來回擺頭的目的。

曲柄搖杆示意圖

4星型發動機

原理:在物理課本上,我們學到過最基本的活塞發動機,空氣和燃料的混合物進入氣缸並被點燃,推動活塞運動,而曲軸和連杆又會把活塞的直線運動變成圓周運動:

而如果把一組基本元件輻射狀組合起來,就得到了上面的星型發動機。在星型發動機中飛輪產生的慣性聯結了多個曲柄滑塊機構,使整體結構運動平滑。

在渦輪發動機出現之前,很多飛機上採用的都是這樣的星型發動機:

花絮:當我們把活塞基本元件通過不同方式組合時,就產生了不同類型的往復式活塞內燃機結構,這些複合結構能提供更強的動力。除了星型發動機以外,也有直列、水平、V形等多種組合方式。

直列四缸發動機

水平四缸發動機

動力強勁的V6發動機

5防抖雲臺

原理:機械防抖雲臺,中文音譯叫斯坦尼康系統,它最早作為攝像機的穩定器被設計出來,只不過在上圖中人們又找到了它的新功能——放啤酒。

系統通過陀螺儀、加速度計等傳感器來檢測物體在上下、左右、前後三個軸向上的角度和運動變化,處理器得到反饋後進行運動分解計算,為了保證物體的空間坐標不發生變化,三個關節部位的伺服電機會向著物體移動的反方向進行運轉,從而進行精確的運動糾正。

花絮:說到防抖系統,人們大概還會聯想到雞頭:

在鳥類中,類似的現象實際上很普遍,當身體移動時,它們通過頭頸部的補償運動來保持視覺的穩定。雞、鴿子等鳥類走路時「點頭」的現象其實也是為了讓頭部在大部分時候保持基本靜止。

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