原创 走进乐高科技时代从8043 technic挖掘机套件开始

乐高2010年technic旗舰8043挖掘机搭建完后的图片：

图1 8043technic挖掘机全景图

8043挖掘机工作视频：

    乐高technic系列产品是乐高公司众多产品系列的一个，它以各种类型的工程车辆为主，比如消防卡车、超级跑车、麦田收割机和挖掘机等。由于它体现出机械产品的设计原理，具备相当的科技含量，而受到世界各地广大乐高迷的追捧。

    每年乐高technic系列都推出若干个工程车辆套件，其中一款最高级的套件称为当年旗舰产品，2010年的旗舰产品就是8043挖掘机套件，乐高technic系列每年推出的套件都不一样，而且不会重复，今年不买，明年或者后年就涨价或者买不到了，所谓推陈出新，新产品的功能和仿真度不断提高，但老产品经典怀旧。

    乐高technic和NXT产品的区别主要体现在电控部分，NXT产品更加智能，有带蓝牙遥控功能的微电脑控制器，各类传感器和伺服电机，而technic产品没有控制器，它的电机没有内含角度传感器，遥控器是红外传输的。这篇文章介绍的8043technic套件就是乐高近年来推出的technic套件中电控部分配置最强大的一款，它拥有一个电池盒、四个PF-M电动机、两个红外接收器、两个遥控器和四个螺旋伸缩杆。如图2所示：

图2 8043套件的电控积木

    旗舰technic套件的机械积木往往比NXT套件的积木数量多，仿真度高，许多种类的积木是NXT套件所没有的，而价格却比NXT套件低，8043technic套件的机械积木数量是1123个，9797NXT套件的积木数量是437个。Technic和NXT套件中的积木完全匹配，两者可以密切结合来搭建创意机电作品，所以拥有NXT套件的朋友，可以购买些technic套件，以使自己的作品搭建素材更多，手段更加灵活，仿真效果更好。

图3 8043挖掘机动作示意图

    从图3挖掘机动作示意图中可以看出，挖掘机有6个动作要完成，分别为：1、挖掘机底盘左履带行走；2、底盘右履带行走；3、塔台360度旋转；4、挖掘臂肩关节伸缩；5、肘关节伸缩；6、腕关节伸缩，但8043套件只有4个电动机，如何能驱动6个动作那？我来解释一下。

图4 8043挖掘机电控积木连接示意图

    上图，我把4台电机编号为A、B、C、D，遥控这台8043挖掘机，让它工作起来，仔细观察，发现它用了其中D电机，通过离合器机构切换机械臂工作模式和挖掘机驾驶模式，A、B、C电机输出轴上分别都有一个离合器机构，三个离合器在D电机带动下，同时前后移动，向前则把A、B、C电机连到机械臂工作模式齿轮传动系统，向后则把A、B、C电机连到挖掘机驾驶模式齿轮传动系统。

    A、B、C三台电机在这两种模式下分别驱动的动作是：

机械臂工作模式：A电机带动肘关节螺旋伸缩杆；B电机带动肩关节螺旋伸缩杆；C电机带动腕关节螺旋伸缩杆。

挖掘机驾驶模式：A电机驱动底盘左履带行走；B电机驱动底盘右履带行走；C电机驱动底盘上方的塔台360度旋转。

    图4 电池盒给电机和红外接收器供电，通过数据线把三者串联起来，电池盒里需装有6个1.5V 5号碱性电池，两个个遥控器里各安装3个7号电池。

    上面的视频是挖掘机搭建全纪录视频，图解得非常到位，对于没有购买8043套件的乐高迷来说，可以预先体验下8043挖掘机搭建之旅，对于没有接触过乐高的朋友，也可以了解下乐高套件如何进行积木搭建，如何创造出“会动的机器”的。

    这次8043挖掘机搭建过程中，用到了3种以前没有用过的特殊积木，它们是离合器、万向节和锥齿轮架。

图5 离合器切换两套齿轮系统的示意图

    离合器的定义是主、从动部分在同轴线上传递动力或运动时，具有接合或分离功能的装置，图5展示出D电机带动拨叉使离合器前后移动的对比，图上部显示离合器后移，把A、B、C电机连到挖掘机驾驶模式齿轮传动系统，图下部显示离合器前移，把A、B、C电机连到机械臂工作模式齿轮传动系统。

图6 万向节工作示意图    

    万向节的定义是利用球型连接实现不同轴的动力传送的机械结构。上图展示出：塔台里的电机先通过齿轮系统，再用了若干个万向节，把几段不同直线方向的输出轴连接起来，把动力长距离地传递到挖掘臂上的螺旋伸缩杆。

 图7 锥齿轮架   

    锥齿轮架用来固定两个锥齿轮，使传动方向改变90度。看看图7的两个红圈，那就是锥齿轮架。    

    挖掘机塔台里密密麻麻地安装了71个齿轮和4组离合器机构，这众多齿轮集中布局在一个有限的箱体里，通过直齿轮或锥齿轮改变着四台电机的水平或垂直方向，最终把电机的动力传递到各动作部件，挖掘机整个传动系统的设计复杂而精妙，这使我想到这样的设计可以用程序设计来类比。只不过程序设计是二维问题，而机械设计是三维问题，三维问题的解决本身就比二维问题困难得多，再加上没有便利的建模工具，科技爱好者研讨机械问题就更加困难。在没有认识到乐高前，似乎没有什么好办法可以方便直观地在办公室环境下去，建立模型和验证设计，而突然间得知了乐高工程积木的用处后，才使我们可以像软件编程一样，在自己的办公桌上就可以研讨三维机械问题。    

    搭建完8043挖掘机后，发现还剩下几个积木，特别是居然还剩下一个小齿轮，不由使人怀疑自己是不是不小心忘了安装这些积木中的几个，实际上，你很仔细，搭建过程没有问题，确实剩下了几个积木。图8显示的就是搭建完后剩下的积木。

 图8 8043挖掘机搭建完后剩下的积木