乐高机械结构设计

本书是“乐高创意书系”的第四本，前三本分别是《乐高简单机械创意设计》《乐高炫酷机器创意设计》和《乐高仿生机器人设计》，本书关注的题材是机械结构设计。
由于笔者是机械专业出身，从接触乐高科技作品的设计开始，就一直在关注和研究乐高对于机械结构的表现，以及结构可行性分析方面的应用。经过数年的学习和实践，获得了一些心得体会，将这些心得加以系统整理就形成了本书。
乐高之于机械结构设计，可以说是一种极好的物质载体。据笔者观察和调研，高校中的机械原理和结构设计类课程，往往存在理论性较强而物化表现不够的情况。机械主要的一个特点是“看得见、摸得着”，如果不能把理论上的东西物化表现出来，理论知识往往很难被真正理解。有的学校也尝试了物化表现，但是由于器材的限制，效果往往不如人意。机械结构对零件尺寸精度、公差和装配等要求较高，尺寸稍有误差或者摩擦力稍有偏差都会造成机器运行故障。
而乐高科技零件恰好可以解决这个“痛点”。乐高科技零件具有很高的尺寸精度和形位公差，所有零件的设计采用相同的模数和统一的尺寸，具有极高的互换性和通用性。而且乐高科技零件经过多年的研发，种类十分丰富。用这些零件进行组合，几乎可以表现任何类型的机械机构，它为机械原理的物化表现提供了物质基础。
乐高科技零件的组合不用胶水、铆钉、螺丝或焊接，不需要借助任何工具，只需要手工拼插即可，学生在教室或实验室里就可以亲手做出一台可以运行的机器。国内外很多高手、大神和爱好者已经用乐高零件创作了无数令人惊叹的科技作品。
本书试图在乐高科技零件和机械结构设计之间建立一座桥梁，让更多的乐高爱好者了解机械机构，为学习或从事机械设计的人士提供一种物化的表现方法。
本书分门别类地介绍了上百个乐高结构设计案例，共分为7个章节，从乐高零件到结构设计基本理论，再到常见的机械结构，如齿轮类机构、连杆类机构、机械手、变速箱等都有涉及。
后，还安排了一个综合装配的章节，将前几章的知识做了综合运用，讲解了一些较为复杂的机械作品，体现乐高结构设计的能力和魅力。
机械结构是一个极为复杂的知识体系，古今中外各种巧妙的设计方案灿若星河、不胜枚举。本书中的百余个案例只能算是沧海一粟、挂一漏万，权做抛砖引玉。
本书在表现形式上采用互联网 模式，每款作品后都附有两个二维码，读者通过手机扫码即可观看每款作品的成品视频演示和搭建图纸。
本书在创作过程中，尽量秉持原创精神，但是也不可避免地参考了国内外高手、大神的创意，由于条件所限无法一一告知，在此一并致歉并表示衷心感谢！
限于笔者的水平，本书不足之处在所难免，欢迎广大读者不吝赐教，多多批评指正，笔者不胜感激。
编 者

《乐高机械结构设计》详细讲解了6大类100多款乐高机械结构作品，包括齿轮机构、连杆机构、传动机构、机械手、变速箱和综合装配等几种类别。一书在手，可以基本掌握常用的机械结构设计方法。本书尝试在乐高科技零件和机械结构设计之间建立一座桥梁，为机械原理的物化表现提供一套解决方案。想学习、加强结构设计的乐高爱好者和机械专业的学生都可一读。本书采用互联网 设计理念，读者随时可以通过手机扫码获得在线技术支持，使阅读、使用本书不再有任何障碍和困难。 《乐高机械结构设计》的目标读者是乐高机器人、机械结构爱好者、高校机械类专业学生、机械设计从业人士。跟随本书中的案例进行搭建、设计，可以让读者在充满趣味的过程中掌握很多机械结构设计知识。

程罡，毕业于电子科技大学，高级工程师。从事计算机数字图形、图像、3D动画、3D打印技术、青少年STEAM教育十余年。2015年起，在以乐高机器人为主的教学和研究中，紧跟世界主流机器人设计方向，专攻机器人机械结构设计。

第 1章 乐高机械结构设计概述 1

1.1 乐高中的科技零件 1

1.1.1 乐高中的梁 1

1.1.2 乐高中的齿轮 3

1.1.3 乐高中的轴和销 7

1.1.4 乐高中的交叉块 9

1.2 乐高的模数 11

1.3 结构设计的基本原则 12

1.3.1 坚固性原则 12

1.3.2 轻量化原则 13

1.3.3 美观原则 14

1.4 连杆机构设计概述 16

1.4.1 瓦特连杆 16

1.4.2 波塞利连杆 16

1.4.3 侯肯连杆 17

1.4.4 剪式连杆 17

1.4.5 萨吕连杆 17

1.4.6 切比雪夫连杆 17

1.5 齿轮传动设计概述 18

1.5.1 齿轮传动重要法则 18

1.5.2 效率和齿轮 18

1.5.3 齿轮比 19

1.5.4 齿轮啮合的“16T”原则 19

1.5.5 “非标”齿轮装配 20

第 2章 乐高齿轮传动机构设计 22

1.1- 六轴转动机构 22

1.

1.3- 齿轮往复机构-1 25

2.4- 摇头风扇机构 26

2.5- 齿条棘轮机构 28

2.6- 双棘爪间隙推动机构 29

2.7- 行星齿轮—角度保持机构 31

2.8- 行星齿轮—搅拌器 32

2.9- 弧形齿条摆动机构 33

2.10- 行星齿轮 摆动机构 34

2.11- 齿条往复机构 36

2.12- 曲柄齿条机构 37

2.13- 可变转动偏心齿轮机构 39

2.14- 曲柄连杆齿轮机构 40

2.15- 同轴反转机构 42

2.16- 固定轴和摆动轴齿轮机构 43

2.17- 齿轮往复机构-2 45

218- 双丝杠机构 46

.2.19- 丝杠机构-1 48

2.20- 丝杠机构-2 49

2.21- 行星齿轮变速机构 50

2.22- 曲柄齿条往复机构 52

2.23- 差速器应用—指南车 ` 53

2.24- 双转轴机构 55

2.25- 大转盘行星齿轮机构 57

2.26- 行星齿轮摆臂 59

第 3章 乐高连杆机构设计 62

3.1- 操纵杆 62

3.2- 虹膜机构 64

3.3-Sarrus（萨吕）连杆 65

3.4- 凸轮往复机构 66

3.5- 对中机构 67

3.6-Watt（瓦特）连杆 69

3.7- 立式桨叶推进轮 70

3.8- 搅拌器 72

3.9- 球面连锁机构 74

3.10- 平行四边形机构 75

3.11- 肘节机构 76

3.12- 齿轮连杆机构 78

3.13- 四连杆机构 79

3.14- 雨刮器 80

3.15- 凸轮机构 82

3.16- 齿轮曲柄机构 83

3.17- 连杆机构 84

3.18- 系缆钩 85

3.19- 线性推杆和平行四边形机构 87

3.20- 波塞利连杆-1 88

3.21- 风筝机构 89

3.22- 折扇机构 91

3.23- 波塞利连杆-2 92

3.24- 非等边平行四边形机构 94

3.25- 双平行四边形机构 95

第 4章 乐高传动机构 97

1.1- 球头连接器 97

4.2- 活动联轴节 98

4.3- 霍布森联轴器 99

4.4- 奥尔德姆联轴节 100

4.5- 施密特联轴节 102

4.6- 直角传动机构 103

4.7- 曲柄往复机构 104

4.8- 马耳他十字 106

4.9- 震荡机构 107

第 5章 乐高机械手和机械臂 128

第 6章 乐高齿轮箱和变速箱 152

第 7章 乐高机械综合装配 178

零件总表 218

《乐高机械结构设计》详细讲解了6大类100多款乐高机械结构作品，包括齿轮机构、连杆机构、传动机构、机械手、变速箱和综合装配等几种类别。一书在手，可以基本掌握常用的机械结构设计方法。本书尝试在乐高科技零件和机械结构设计之间建立一座桥梁，为机械原理的物化表现提供一套解决方案。想学习、加强结构设计的乐高爱好者和机械专业的学生都可一读。本书采用互联网 设计理念，读者随时可以通过手机扫码获得在线技术支持，使阅读、使用本书不再有任何障碍和困难。 《乐高机械结构设计》的目标读者是乐高机器人、机械结构爱好者、高校机械类专业学生、机械设计从业人士。跟随本书中的案例进行搭建、设计，可以让读者在充满趣味的过程中掌握很多机械结构设计知识。

程罡，毕业于电子科技大学，高级工程师。从事计算机数字图形、图像、3D动画、3D打印技术、青少年STEAM教育十余年。2015年起，在以乐高机器人为主的教学和研究中，紧跟世界主流机器人设计方向，专攻机器人机械结构设计。