机器人/设计基础/建材

机器人：设计基础：建材

在选择机器人的建材时，有很多选择。但是，并非每种材料都是一个好的选择。

材料分为三组。这三组材料各有特点、可能性和难点。

注意： 还有第四组材料称为陶瓷。但是，这组材料对机器人来说只有很小的用处。

注意 本书中提到的机器人尺寸分为小型、中型和大型。小型是指任何可以在桌子上移动的机器人。中型是指任何太大而无法在桌子上移动，但仍轻便到可以独自举起的机器人。大型是指比这更大更重的任何东西。同样，必须在现实生活中（粗糙）条件下运行的机器人也应算作中型或大型。

木材

木材可能是最好的入门材料。它很轻，非常结实，易于加工。更不用说便宜而且容易买到。
即使你打算使用金属或塑料，木材也可以用于各种目的，例如原型设计以及制作用于金属或塑料零件加工的夹具和其他辅助工具。
你很少看到木制机器人的主要原因是，木材似乎不适合高科技机器的形象。有趣的是，（合成）复合材料具有非常高的酷炫系数（例如凯夫拉®，是的，凯夫拉是品牌名称，由芳纶制成），而木材，一种天然复合材料，却没有。

• 适用于小型或中型机器人、原型设计以及作为施工辅助工具。

金属

有80种不同的纯金属，每种都有不同的特性。但在机器人领域，只有80种中的一部分有用。合金化增加了这个列表。合金化是指通过溶液或化合物将两种或多种元素（其中至少一种是金属）混合在一起的过程，并且所得材料具有金属特性。所得金属物质具有与其组分不同的特性（有时差异很大）。以下是一些金属及其合金的特性。

由于市场需求有限，一些合金的供应有限。为了获得这些材料，通常需要寻找比一般消费市场更远的地方。

铝

铝（或铝，两者都是正确的）通常以不同形状的挤压形式提供。它非常便宜，轻，坚固，耐腐蚀，易于加工。但是，焊接铝不实用，因为它需要特殊的焊接设备（MIG/MAG 或 TIG 焊接），而且接头强度不高。虽然可以焊接，但它不会形成牢固的接头。建议使用螺母和螺栓或铆钉。

• 适用于小型或中型机器人。
• 适用于大型机器人中的非承重部件。
• 不适合轴承。

铝合金中有一种叫做杜拉铝的合金，它几乎和软钢一样坚固，但非常轻，因此成为飞机制造的天然选择。但是，作为坚固轻便的组合的权衡，它非常昂贵（如果你能找到它的话）。最好的办法是去飞机拆卸场寻找。

钢

常见的钢是铁的合金。它比铝更坚固，但重量也更大，更难加工——特别是，它更容易使工具变钝，而且切屑总是锋利的。焊接不是什么大问题。但是，加热钢（在焊接温度下）会改变其特性（强度、硬度、耐锈性）。请注意，钻钢需要冷却和缓慢的钻速（旋转速度和进给速度）。如果你钻得太快，你会看到钻头变红。变红的钻头会失去硬度，很快就会变钝。

• 适用于大型机器人和旨在在恶劣条件下运行的机器人。对于小型或中型机器人来说太重了。

青铜

很重。非常适合轴承。对于大多数其他用途来说太贵且太重了。

黄铜

比铝更重更贵。可以焊接。

• 适用于轴承。

铜

主要以线或轴的形式提供。相当重，非常好的导体。

• 适用于特殊零件和线材。

合成材料

与钢一样，合成材料是指一大类材料。有数百种不同的塑料，每种都有不同的特性和用途。我们将只介绍其中的一部分，但许多技术对其他合成材料也同样有效。

大多数合成材料在加热后可以弯曲成型。热风枪（用于去除油漆）可以满足这种需求。钻孔和锯切这些材料需要低速，或者必须用水冷却，以防止材料熔化。柔软的塑料可以用美工刀切割。

PVC

聚氯乙烯：用于塑料管。

有机玻璃

聚甲基丙烯酸甲酯：透明材料。加热到 200°C 时可以弯曲。

复合材料

聚合物复合材料是由聚合物基体和增强材料组成的材料。（想想钢筋混凝土：聚合物基体是钢网格，增强材料是混凝土）
这些材料的强度和刚度明显高于钢和铝合金。

Material           Specific strength        specific stiffness

Steel              150*103 Nm/kg            20*106 Nm/kg

E-fiberglass/epoxy 300*103 Nm/kg            10*106 Nm/kg

Aramide/epoxy      500*103 Nm/kg            25*106 Nm/kg

复合材料之所以没有取代钢，是因为成本问题。复合材料只在重量比价格更重要的场合使用，例如飞机：重量轻意味着油耗更低和/或有效载荷更多。

其他材料

泡沫板

泡沫板相对较弱，但对于快速制作原型非常实用。（ [1] [2] ）。

纸板

通常来说，它很弱，看起来很丑，但它非常适合快速制作原型。可以用刀或剪刀切割，并用胶带、胶枪或粘性胶带粘合在一起。干燥后，它是一种绝缘体，可以用作电路的原型板。

通过仔细设计，瓦楞纸板足够坚固，可以承载成年人（a b c）。

通常，会先制作一个纸板模型，以确保机器人的各个部分可以正确地组合在一起。

有时，纸板的强度足以用于机器人的许多工作部件（a b）。