機器人/設計基礎/建材

機器人：設計基礎：建材

在選擇機器人的建材時，有很多選擇。但是，並非每種材料都是一個好的選擇。

材料分為三組。這三組材料各有特點、可能性和難點。

注意： 還有第四組材料稱為陶瓷。但是，這組材料對機器人來說只有很小的用處。

注意 本書中提到的機器人尺寸分為小型、中型和大型。小型是指任何可以在桌子上移動的機器人。中型是指任何太大而無法在桌子上移動，但仍輕便到可以獨自舉起的機器人。大型是指比這更大更重的任何東西。同樣，必須在現實生活中（粗糙）條件下執行的機器人也應算作中型或大型。

木材

木材可能是最好的入門材料。它很輕，非常結實，易於加工。更不用說便宜而且容易買到。
即使你打算使用金屬或塑膠，木材也可以用於各種目的，例如原型設計以及製作用於金屬或塑膠零件加工的夾具和其他輔助工具。
你很少看到木製機器人的主要原因是，木材似乎不適合高科技機器的形象。有趣的是，（合成）複合材料具有非常高的酷炫係數（例如凱夫拉®，是的，凱夫拉是品牌名稱，由芳綸製成），而木材，一種天然複合材料，卻沒有。

• 適用於小型或中型機器人、原型設計以及作為施工輔助工具。

金屬

有80種不同的純金屬，每種都有不同的特性。但在機器人領域，只有80種中的一部分有用。合金化增加了這個列表。合金化是指透過溶液或化合物將兩種或多種元素（其中至少一種是金屬）混合在一起的過程，並且所得材料具有金屬特性。所得金屬物質具有與其組分不同的特性（有時差異很大）。以下是一些金屬及其合金的特性。

由於市場需求有限，一些合金的供應有限。為了獲得這些材料，通常需要尋找比一般消費市場更遠的地方。

鋁

鋁（或鋁，兩者都是正確的）通常以不同形狀的擠壓形式提供。它非常便宜，輕，堅固，耐腐蝕，易於加工。但是，焊接鋁不實用，因為它需要特殊的焊接裝置（MIG/MAG 或 TIG 焊接），而且接頭強度不高。雖然可以焊接，但它不會形成牢固的接頭。建議使用螺母和螺栓或鉚釘。

• 適用於小型或中型機器人。
• 適用於大型機器人中的非承重部件。
• 不適合軸承。

鋁合金中有一種叫做杜拉鋁的合金，它幾乎和軟鋼一樣堅固，但非常輕，因此成為飛機制造的天然選擇。但是，作為堅固輕便的組合的權衡，它非常昂貴（如果你能找到它的話）。最好的辦法是去飛機拆卸場尋找。

鋼

常見的鋼是鐵的合金。它比鋁更堅固，但重量也更大，更難加工——特別是，它更容易使工具變鈍，而且切屑總是鋒利的。焊接不是什麼大問題。但是，加熱鋼（在焊接溫度下）會改變其特性（強度、硬度、耐鏽性）。請注意，鑽鋼需要冷卻和緩慢的鑽速（旋轉速度和進給速度）。如果你鑽得太快，你會看到鑽頭變紅。變紅的鑽頭會失去硬度，很快就會變鈍。

• 適用於大型機器人和旨在在惡劣條件下執行的機器人。對於小型或中型機器人來說太重了。

青銅

很重。非常適合軸承。對於大多數其他用途來說太貴且太重了。

黃銅

比鋁更重更貴。可以焊接。

• 適用於軸承。

銅

主要以線或軸的形式提供。相當重，非常好的導體。

• 適用於特殊零件和線材。

合成材料

與鋼一樣，合成材料是指一大類材料。有數百種不同的塑膠，每種都有不同的特性和用途。我們將只介紹其中的一部分，但許多技術對其他合成材料也同樣有效。

大多數合成材料在加熱後可以彎曲成型。熱風槍（用於去除油漆）可以滿足這種需求。鑽孔和鋸切這些材料需要低速，或者必須用水冷卻，以防止材料熔化。柔軟的塑膠可以用美工刀切割。

PVC

聚氯乙烯：用於塑膠管。

有機玻璃

聚甲基丙烯酸甲酯：透明材料。加熱到 200°C 時可以彎曲。

複合材料

聚合物複合材料是由聚合物基體和增強材料組成的材料。（想想鋼筋混凝土：聚合物基體是鋼網格，增強材料是混凝土）
這些材料的強度和剛度明顯高於鋼和鋁合金。

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

複合材料之所以沒有取代鋼，是因為成本問題。複合材料只在重量比價格更重要的場合使用，例如飛機：重量輕意味著油耗更低和/或有效載荷更多。

其他材料

泡沫板

泡沫板相對較弱，但對於快速製作原型非常實用。（ [1] [2] ）。

紙板

通常來說，它很弱，看起來很醜，但它非常適合快速製作原型。可以用刀或剪刀切割，並用膠帶、膠槍或粘性膠帶粘合在一起。乾燥後，它是一種絕緣體，可以用作電路的原型板。

透過仔細設計，瓦楞紙板足夠堅固，可以承載成年人（a b c）。

通常，會先製作一個紙板模型，以確保機器人的各個部分可以正確地組合在一起。

有時，紙板的強度足以用於機器人的許多工作部件（a b）。