客座博客：Charles Guan 用 Markforged 3D 打印制造 3 磅飞轮翻转机器人

本客座文章由 Charles Guan 撰写，麻省理工学院机械工程校友，曾任该校机床车间及设计项目讲师。他是机器人 Overhaul 的创作者，将于今夏在 ABC 的 BattleBots 节目中参赛，周四晚 8 点（东部）/7 点（中部）播出。Charles 从事机器人与交通工程咨询，并荣获 Markforged 赞助。访问其网站和 Equals Zero Robotics 了解更多。

战斗机器人背景

在机器人格斗竞技场，某些武器概念反复出现——楔子、翻转锤、旋转转子——少数极其罕见且强大的设计被视为“圣杯”。飞轮翻转器便是其中之一。传统高速翻转器使用气动系统；虽动力强劲，但能量密度低，顶级翻转器通常仅能发射十几次便耗尽气体。电动飞轮翻转器将电池的高能量密度与飞轮动能的峰值功率结合，但如何以快速释放、可控形式利用该能量仍具挑战。设计难点包括可靠的啮合机构、精确时序、渐进加速及连接击打臂的坚固连杆。一步走错即可能将机构变成动能手雷。

历史上仅出现少数成功的飞轮翻转器。在 3-30 磅级别，Zac O’Donnell（其机器人 Magneato）和 Dale Heatherington 曾尝试该概念。重量级领域，Warrior 树立了标杆。

每个案例采用不同机械方案，展示了社区内广泛的实验。随着建造者趋同于局部最优解，一种真正通用、可适配多种配置的武器设计仍 largely 未被开发。

设计紧凑同轴飞轮翻转器

过去几年我一直在寻找一种紧凑同轴飞轮方案，可与“尖头”飞轮（带齿的旋转鼓或盘）同轴安装，并耦合机器人另一侧的机构。这种双武器架构开启了单臂难以实现的战略可能性。我选择在 BattleBots 休赛期用 3 磅级机器人追求此想法，此尺寸可在 Mark Two 上高效打印。3 磅级体积适合 3D 打印，同时仍要求高性能武器。

开发 3D 打印齿轮机构

核心需求是在同轴封装内实现至少 20:1 的齿轮比，且仅在需要时啮合减速。我研究了复合行星齿轮系，参考《机械装置源书》等经典文献及大量技术论文。该方法利用两个环齿轮尺寸微差，在标准行星齿轮箱体积内实现极高传动比。

初期我尝试自定义滑动犁头离合器和摩擦带，实质上制造了自己的自动变速箱。在格斗机器人领域，复杂常意味着故障，因此我转向新思路。突破在于意识到该齿轮组可作为扭矩分配装置——类似丰田“混合动力协同驱动”或其他可变传动比变速箱。通过锁定一个环齿轮，另一个保持静止而第一个继续旋转；这种“相对速度”原理让我能在环齿轮间切换扭矩。

为验证概念，我在 Mark Two 上用 Onyx 打印了一个玩具环齿轮组件。Onyx 的刚度和强度至关重要，因机器人尺寸小，否则需过度柔性的尼龙齿。测试模型证实：通过制动、夹持或简单机械挡块停止一个齿轮，会导致另一个齿轮旋转，从而啮合飞轮。

从原型到实战机器人

概念验证后，我转入全尺寸设计。基于早期项目草图，构建初版 CAD 模型并针对特定机械需求迭代。最终机器人采用可翻转的三角形底盘、配有套筒头螺栓作为齿的 8 盎司铝转子——这是 3 磅级常见战术。行星齿轮系统用黑色 Onyx 打印，伺服电机驱动滑动齿锁定一个环齿轮，迫使另一个旋转。旋转环驱动偏心凸轮，通过连杆操作蝴蝶连杆。该连杆随凸轮旋转迫使两个金属翼展开；一翼向上推对手，另一翼贴地。

概念虽可行，仍需微调。潜在问题包括滑动齿卡死导致机构永久锁定，或空放导致机器人弹起。拥抱这些挑战正是机器人技术的乐趣，我期待见证设计在比赛中进化。

下方为飞轮翻转器演示短片。

更多设计照片：

照片由 Charles Guan 提供。