樂高機器人—齒輪篇.doc

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另一種簡單的方法是通過軟件調整速度。在第3章介紹過程序能控制每個馬達的速度，在程序中選擇最有效的能量等級直到合適為止，這種方法的問題在于機器人負載發(fā)生變化，兩馬達速度需重新調整。 ??? 使用傳感器讓機器人直線運動 讓機器人直線運動的一種更有效果的方法是在系統(tǒng)中加入反饋裝置。從而，根據外界的變化，使用傳感器來控制和調整每一個馬達的速度，這也是現(xiàn)實生活中大多數差動裝置所具有的的結構?？梢詾槊恳粋€驅動輪附加計轉器（測量輪子旋轉次數）裝置，以便在軟件中控制馬達功補償兩輪間的轉速差。樂高角度傳感器在此應用中可以作為首選。在每一個輪子上安裝一個角度傳感器并測量計數的差別，然后停止或降低較快的輪子以保持兩個傳感器的計數相同。同時還可以使用在第四章中介紹的方法。使用同樣的傳感器來探測障礙物，如果馬達啟動但輪子不轉，可推斷機器人被某物卡住了。另外你也可使用角度傳感器實現(xiàn)精確角度定位。最后，角度傳感器提供了最基本功能：使用odometry技術讓機器人計算出自己的位置。 ???? 使用齒輪讓機器人直線運動 如果你只有一個角度傳感器，可以使用驅動輪之間的速度差取代輪子的實際轉速，差速齒輪，你能使用它加或減。如果差動齒輪與驅動齒輪連在一起，它會把傳動方式傳遞給另一個齒輪。當輪子以同速轉動時差動齒輪將停止轉動。 ?? 假如兩輪的速度有任何的差別，差動齒輪的轉動和它的方向將告知你哪一個輪子轉速快。如圖8.2所示的結構，即使你沒有角度傳感器，也建議你搭建這種結構，因為此結構具有指導作用。我們省略了馬達和其他加固梁以保持圖片盡可能清楚，搭建時要加二個馬達。右邊傳動鏈的作用是變換與差速齒輪配合軸的轉向，同時保持原始的傳動比不變。連接在差速齒輪上的角度傳感器用于檢測差動齒輪是否轉動。 ? ? 圖8.2使用單個角度傳感器觀察左右輪速度的差別 一個更基本方法是你在需要走直線時，同時鎖住兩個輪子，此系統(tǒng)非常有效的使你的機器人走直線。它需要第三只馬達來控制制動系統(tǒng)，同時也需要附加傳動系統(tǒng)簡化制動結構。圖8.3展示了具有特殊部件制動機構的示例：暗灰色帶離合器16齒齒輪，傳動驅動環(huán)和傳動轉變鉤，這種特殊的齒輪，用圓形洞取代了普通的十字型洞，使得它能夠在軸上自由轉動，驅動環(huán)將被安裝在軸上。當你把驅動環(huán)與齒輪套在一起時（使用轉變鉤）齒輪與軸連在一起了。 ? 圖8.3可制動差動裝置 你也可使用圖8.2展示的結構，用馬達取代角度傳感器，回顧第四章馬達能當作制動器使用：在馬達關閉狀態(tài)，會阻止運動，在float狀態(tài)馬達仍無動力，但可以自由轉動。因此不要給馬達提供動力，把它當作制動器來制動差速齒。在關閉狀態(tài)下制動馬達，差速齒很難轉動，從而使你的機器人沿直線前進，另一方面float狀態(tài)使用馬達，差速齒轉動，機器人能夠轉彎，表8.2介紹了一些可行的組合。當左右馬達以不同的方向運行時，差動齒輪鎖馬達必須處于float狀態(tài) 圖8.4帶16齒齒輪離合器，傳動操縱環(huán)，傳動轉變鉤 表8.2電動差動齒輪鎖機器人如何控制差動裝置 左馬達 右馬達 差動制動馬達 機器人狀態(tài) 停止 停止 停止 保持靜止 向前 向前 停止 向前運動 向前 向后 浮動 原地順時針轉動 向后 向前 浮動 原地逆時針轉動 向后 向后 停止 向后運動 考慮到馬達在浮動狀態(tài)下時也存在著重大的機械阻力，所以機器人將不能快速轉彎，驅動馬達在轉彎時將負荷更大的重力。 ?? 使用小角輪走直線 小角輪是差動裝置平滑移動和轉彎的又一個關鍵因素，通常我們會忽略這一點，LEGO Constructopedia提出圖8.5所示的小角輪結構，但是小角輪設計上還存在著欠缺，它在一根軸上使用了兩個輪子，在第二章中你已經知道此結構的輪子不能獨立轉動。按照圖表搭建此結構，試著讓它轉一個急彎，它的效果不是很好，為什么？事實上，除非你使其中的一個輪子打滑，否則它就不能轉動。 ? 圖8.5 小角輪結構 圖8.6中的小角輪的結構有了一定的改進，左邊的結構使用了單輪徹底避免了問題的出現(xiàn)。右邊的結構更可靠，它使用了兩個自由輪允許小輪在原地轉彎避免了磨擦與打滑的問題，兩種結構的區(qū)別在輪軸、在左邊結構中，軸與輪子同時旋轉，而在右邊的結構中，輪在軸上轉動。 ? 圖8.6 避免打滑的角輪 選擇使用一個或更多角輪要根據機器人的功能，獨角輪適用于多種場合，而雙角輪安放在機器人的前方或后面是保持穩(wěn)定性的好方法。 ?? 在一些場合，當在平滑的表面上控制重量輕，結構簡單的機器人可以用圓形墊塊或其它與接觸面磨擦力很小的部件替代獨角輪（圖8.7）。 ? 圖8.7 圓形墊塊 8.3搭建雙差動裝置 ????雙差動裝置是對簡單差動機構的一個改進結構，主要從機械結構上解決走直線的問題,并使用了兩個馬達(參考圖8.8)。它的傳動鏈有些復雜，依靠差動齒輪-使用兩個更精確。 ? 圖8.8雙差動裝置 雙差動裝置是差動齒輪的另外一種用法，通常輪子是連接在從差動齒輪延伸出來的軸上，然而在此結構中，輪子通過齒輪連接在差動齒輪的外齒。在第四章中我們闡述了差動齒輪能夠在機械上對兩個獨立的運動作加或減法運算，為了實現(xiàn)這個方法，用差動齒上延伸的軸作為輸入，且差動齒輪本身將根據差動齒輪內部的代數和來運動（兩個運動方向的代數疊加）。 在此結構中，兩個馬達為兩個差動齒輪提供動力，特點其中一個馬達同向帶動差動齒輪的輸入軸。另一個馬達以相反的方向驅動第三根輸入軸，要控制雙差動裝置，只需使用其中一個馬達，讓另一個馬達關閉。 在圖8.9中所示的結構與圖8.8中的結構相同，只不過沒有馬達，當1號馬達帶動40齒齒輪A轉動時，2號馬達使齒輪B保持靜止，運動沿著虛線傳遞(由圖示)。兩個差動裝置同時轉動，機器人沿直線向前，另一方面，1號馬達停止，則齒輪停止，當2號電機轉動，帶動B將動力沿著實線傳遞。差動裝置同速不同向旋轉，結果是機器人在原地轉動。 ? 圖 8.9 雙差動裝置剖面圖 通常不同時使用兩個馬達，一個馬達用于走直線，另一個馬達用于轉彎，如果根據馬達的方向同時驅動兩個馬達也沒關系，因為兩個差動齒其中一個會抵消兩個相反的輸入，保持靜止，而另外一個差動齒對兩個輸入進行相加，從而使得速度提高一倍，此時，機器人繞著靜止輪轉動。 雙差動裝置一個非常好的特性是使用一個角度傳感器就可以精確的檢測機器人的運動類型。將傳感器連接到其中一個輪上，當機器人直線運動時，使用傳感器來測量運動的距離，當機器人轉彎時，用傳感器測量方向的改變量。 ????當然我們仍要牢記在機械結構有得必有失，換句話說，這種具有獨創(chuàng)性的結構有它的缺點。首先是它非常復雜，我們展示了結構的平面圖可以更容易理解它們的配合，然而你自己也可使用多種傳動機構構建簡易的機器人(可能仍需一些齒輪或者是更少的)，這種復雜的傳動裝置導致產生了負面影響：磨擦力 4搭建滑動轉向裝置 ????滑動轉向裝置是差動裝置的一種變化形式，通常用于履帶式車輛，但有時也用于四個或六個輪子的形式。對于履帶的車輛，唯一的驅動設計就是滑動轉向裝置。在現(xiàn)實生活中，挖土機和一些除草機是使用這種裝置的最好例子。圖8.10展示了一個簡單的滑動轉向裝置，每一個履帶都由單獨馬達提供能量，由一個8齒輪與一個24齒輪嚙合，并連接在履帶輪上，履帶前輪不需驅動。 ????帶輪滑動轉向裝置需要一個有效的裝置，將動力傳到所有的輪子上，否則機器人不能順利轉彎或者不能轉彎。圖8.11中的模型每側使用五個24齒輪嚙合，它們像履帶那樣從每個馬達那里獲得動力，每一個輪軸用于安裝齒輪，這些齒輪都被用于傳遞運動的惰性齒輪分隔，如果有足夠的24齒齒輪，你可以組合成此結構，圖片中的圓形輪胎由補充套裝提供。 ? 圖8.11 帶輪滑動掌舵裝置 履帶機器人搭建簡單且動作有趣，因此，許多樂高愛好者都采用此結構。與差動裝置比較而言，當兩條履帶以同向運行時機器人向前行進，方向或速度上有差別就會使機器人轉彎，原地轉彎也有可能實現(xiàn)?；瑒愚D向裝置也具有差動裝置驅動機器人走直線所具有的缺點。 最后總結滑動轉向裝置的特點： ■?在粗糙的地面上履帶與輪子相比，履帶更易控制然而它不太租用光滑的表面 ■?履帶結構產生了更大的摩擦力耗費了馬達提供的部分動力。 ■?在利用機器人運動進行定位時，這種結構的機器人是不適合定位的，因為它們不能避免本身具有的缺陷：產生滑動。 8.5搭建轉向裝置 ????轉向裝置是用于各種車型的標準結構，由兩個前轉向輪和兩個固定后輪構成，它也適用在機器人身上使用。你可以驅動后輪或者前輪或者是四只輪子，利用樂高來實現(xiàn)這個方法非常簡單，這也是為什么要介紹它的原因。盡管它比差動裝置的通用性要差，并且不能在原地轉彎或急轉彎，但此結構也有很多優(yōu)點：易實現(xiàn)沿直線行走，且在粗糙路面上行走具有較高穩(wěn)定性。 ??? 當使用機器人基本套裝搭建轉向裝置時，只有一個馬達驅動輪子，因為你需要其它的裝置轉動前輪，因此你的轉動裝置需要有差動機構一半的動力，才能使你的機器人良好的沿直線行走。 圖8.12、8.13展示了二個簡單的轉向機構，除動作細節(jié)外，這兩個模型具有相同的結構特性。例如：后輪都是通過一只差動齒輪與驅動馬達相連，在第二章中我們闡述過如果想讓機器人轉彎，就必須使用差動。輔助馬達掌握前輪控制機器人的行進方向。注意我們使用了一只帶子來驅動轉向機構，主要是利用它的極限扭轉來避免能力過程中損傷機械結構或馬達。你最好添加一只傳感器偵測轉向輪的位置，更好的控制機器人的方向。當轉向裝置轉動時至少也要一只觸動傳感器。在轉完后你可使用定時方式或傳感器使機器人再變?yōu)橄惹暗男羞M方向。 ? 圖8.12 轉向裝置 ? 圖8.13另一種轉向裝置 方法與技巧 使用梯形轉向機構（阿克曼轉向機構） 現(xiàn)實中使用轉向機構的車都是根據梯形轉向機構的原理進行設計的(阿克曼為此裝置的首創(chuàng)人)。我們在前面設計的轉向輪轉動的角度相同，但這個機構就不是這樣的，在轉彎時，內輪的轉角比外輪的大。里面的輪子比外部的輪轉彎急。在大半徑的轉彎中差別很小，可忽略。在急轉彎中此差別變得相當明顯且容易使內輪鎖死。阿克曼轉向機構在設計上補償了內輪轉角的差別，因此解決了普通轉向機構的缺點。這個理論說明了當從輪子延長的線交于一點時，車就能平穩(wěn)的轉動并且始終圍繞這一交點轉動(圖8.14) 圖8.14 阿克曼轉向機構：內部輪比外部輪轉彎急 使用樂高搭建建阿克慢結構是可行的，在14章將有對前輪驅動更進一步的說明。 圖8.12與8.13中兩種模型都使用了齒輪齒條轉向機構，一個8齒齒輪（小齒輪）與一個帶齒的特殊板（齒條）相嚙合，它們不同之處是后一種我們使用了一種特殊部件：三塊1x10板，兩個轉向臂和兩塊光滑平板。將這些組件設計成一個組合部件，創(chuàng)造出一種使用更簡易的使用在許多樂高工藝車、卡車模型上的轉向裝置。8.12模型只使用了機器人套裝的基本部件，必須要使用2x8的板替換1*10板，用自制的去替換轉向臂。此結構整個前面部分都是由梁搭建起來的，用于支撐輪子和轉向機構，但通常還需要一個光滑的表面用于齒條滑動。 當你建好這個裝置后，把輪子移到樞軸后面變成一個自定心轉向機構（在很多情況下的一種明顯的特性）。在圖8.15中的a圖，輪子裝在樞軸下面，這樣不會影響它的轉向。如果輪子裝在轉向柱的后面，輪子摩擦引起車的動態(tài)向前運動從而推動輪子向后運動，產生自定心的動作。觀察購物車的結構你就知輪子為什么裝在中軸上，把輪子越往樞軸后面移動，如圖B、C，就越容易產生自定心。不要把輪子裝在樞軸的前面，如圖d，會引起轉向機構不穩(wěn)定。事實上，輪子會向后走使你的車子自然轉彎。 ? 圖8.15移動中軸線上的輪子 ?? 自己搭建一個簡單的底盤去探索圖8.15中各種結構的特性。 轉向裝置十分適用于粗糙的表面，因為它有四個輪胎非常平穩(wěn)，你可以使用其它的方法改善此結構。另外重要一點是此結構沒有一個驅動輪會長期離地，否則差動機構將會把所有動力傳遞到阻力最小的輪子上，結果導致輪子打轉，使你的機器人變得不能運動。 ????使用皮帶與皮帶輪把普通附加軸與輪軸連接在一起組成一個無滑差動機構能夠大大減少上述的問題。皮帶能夠保持驅動軸以同速轉動，然后在轉彎過程中它們會在皮帶輪上發(fā)生打滑現(xiàn)象以便調整輪子的速度。將一只輪子脫離地面皮帶也會將大部分能量傳遞到其它輪子上。 ? 圖 8.16 無滑差動機構 8.6搭建一個三輪裝置 ????? 三輪裝置由一個用于驅動和轉彎的前輪及兩個保持穩(wěn)定的獨立后輪組成（圖8.17）。三輪驅動裝置的獨特之處在：前輪既作為驅動又作為轉向裝置，使機器人的活動更靈活。 ? 圖8.17 三輪裝置 ? 你也許認為把后輪作為驅動輪也會得到與前輪作為驅動輪相同的結果，但是只有在一定轉角內才一樣。事實上，轉向裝置在轉急彎時，你最終會發(fā)現(xiàn)一個情況：后輪不能再把動力轉換成運動。這個裝置的最大轉角是當外輪可以沿著內輪畫一個圓，另一方面，前驅動輪可以控制任何轉角，甚至是前輪與后輪的運動方向成垂直角度時。 理論上，驅動輪可以轉360度可以轉向任何方向，這意味著你可以搭建一個轉位自由的機構（娛樂公園套裝中有這種結構的例子）。我們圖8.14中的例子，能夠轉360度，但是由于馬達與RCX的連接線使此機構只能轉一個360度。 在平常使用中，轉180度就能夠活動自如。因為在180度到360等的范圍等同與0度到180度向反向運動，換句話說：210度馬達向前運動等同于30度(210度-180度=30度)馬達向后轉。你可用傳感器偵測轉向輪的方位。 8.7搭建同步驅動裝置 ????同步驅動裝置使用三個或更多的輪子，他們都作為轉向與驅動裝置。它們同時轉動并保持一致，因此機器人改變運動方向但不改變它的方位。 使用樂高部件組建搭建同步驅動裝置非常具有挑戰(zhàn)性，在幾年以前有人嘗試但沒有人能夠成功完成?，F(xiàn)在，障礙被攻破了，如果你上網你能發(fā)現(xiàn)許多用樂高搭建的很不錯的同步驅動裝置。 制作360度同步驅動裝置并且避免任何轉動的極限，關鍵是沿著每一個輪子的樞軸傳遞運動。最簡單的方法需要一個叫轉盤的特殊部件，應用于樂高模型中的旋轉平臺，支持起重機或挖土機(圖8.18) ? 圖8.18 樂高轉盤 你可以把輪子固定在轉盤的一邊，并且使用轉盤中心的一根軸來驅動。在圖8.19展示出一個實例，注意轉盤被顛倒，因為輪子必須與轉盤連接在一起由外齒帶動一起轉動，因此機器人將完全或向下突出設計。 我們想讓我們的同步驅動裝置不通過移動而原地改變方向，為了實現(xiàn)這個方法，圖8.19、8.20兩裝置相似，但不可互換，圖8.19中的轉盤的底部能順利轉動但圖8.20不可以。這是因為圖8.20中的輪沒有與忠心軸連接所以當它轉向時，它只能移動一些距離。圖8.19中的傳動裝置使得輪子以適當的方向轉動而8.20中的傳動裝置使輪子反對轉動，我們描述的是一個精細的差異。我們再次邀請你親自動手搭建這兩個結構并看一看它們怎樣工作的。 ? 圖8.19 可行的輪胎同步驅動裝置 ? 圖8.20錯誤的輪胎同步驅動裝置 建造一個完整的同步驅動裝置你至少需要三個上述的轉盤然后把它們連接在一起用一個馬達同時驅動所有的軸然而其余的馬達可以同時旋轉所有的軸。 圖8.21你看到是四輪同步驅動裝置的仰視圖。注意我們用8齒的齒輪把轉盤連接起來，實現(xiàn)同時轉動。驅動任何一只8齒輪都會使機器人改變方向。 ? 圖8.21一個完整的同步驅動裝置（仰視圖） 圖8.22是完整同步驅動裝置的俯視圖。40齒大齒輪通過四對斜齒輪驅動輪子，其他40-齒輪負責轉彎，對一個完整的同步驅動裝置，你必須加二個馬達驅動A和B，可以使用8齒獲得一個比較高的傳動比。 任何人都會對同步驅動裝置的動作會感到驚訝，你也不例外，假如你想用它在房間尋找障礙物，也不是很難，只需加一個緩沖裝置。同步驅動裝置中“前”和“后”的概念被淡化了，他能使用任何一面作為前面，因此你必須在所有面都加上緩沖器。在第四章你已了解到，如果機器人有四面，沒必要在在四面使用四個端口連接四個傳感器(RCX只有三個輸入)，你可以在相同的端口連出四個觸動傳感器，使用并接的方式，任何一個傳感器被按下，就會反饋給RCX一個“on“狀態(tài)?；蛘咧挥靡粋€單獨的全方位的傳感器（如圖8.23所示）；觸動傳感器被正常關閉，然而任何時間打開后上面的軸將脫離初始值(通過橡皮帶保持)用管或軸把佻的機器人包起來把此環(huán)連接到全方位傳感器上就可以了。 ? 圖8.22 完全同步驅動器(俯視圖) ? 圖8.23全方位觸動傳感器 8.8其他結構 ?? 我們的介紹并沒有完全包括所有活動結構，有其它更多的好的獨特的類型：n?多自由角度車型簡稱(MDOF) MDOF車有三個或更多輪子或一組輪子，獨立的轉彎與驅動裝置，想象同步驅動裝置獨輪在什么部位可以改變機器人速度和方向，此機器人像差動裝置裝置裝置或同步裝置是通過軟件控制它的結構。雖然它們在搭建與控制上有很大的區(qū)別，但在使用上，對學習有利，且具有多用性，事實上他們運動并不相同n?結合裝置與掌舵裝置十分類似。它控制車的整體，前輪保持與底盤前部平行后面與前部相同因此兩部分通過一個結合點連接在一起，此結構用于挖土機和其它結構的設備上。n?輪軸驅動裝置由無心軸輪組成的底盤組成，中間帶有一個可升降的平臺，當平臺升起時，機器人完全按照輪子的方向直線運動。當轉彎時，機器人停止并降低平臺直到輪子不再觸到地面。此時旋轉平臺以改變方向，然后再升起平臺繼續(xù)直線運動。n?三星輪裝置 ??這種裝置適用于靈活性高，各種地行的車輛。每一個“輪子”實際上是在頂點帶有輪子的等邊三角形；小車總共使用12個輪子，每三個作為一個“輪子”。當輪子轉動并且三角形就好像大輪子轉動一樣。常規(guī)運動時，每個三角形的兩個輪子觸地，但當一個輪子碰到障礙物時，一個復雜的傳動系統(tǒng)傳遞運動給三角形結構，它能轉動并將它上面的輪子越過障礙物，雖然很復雜但很有趣 20 .