樂高機(jī)器人直線行走

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1、. n 簡單的差速驅(qū)動裝置 n 雙差速驅(qū)動裝置 n 制動轉(zhuǎn)向裝置 n 轉(zhuǎn)向裝置 n 三輪裝置 n 同步驅(qū)動裝置 n 其它結(jié)構(gòu) 8.1簡介 靈活的思維造就出了許許多多的機(jī)器人，運(yùn)動使創(chuàng)造物獲得了生命，帶來無限的樂趣，同時也對自己的創(chuàng)造力進(jìn)行了挑戰(zhàn)。大多數(shù)運(yùn)動機(jī)器人都屬于輪子型與腿型機(jī)器人。雖然輪子在光滑的表面很有效，但是在凹凸不平的地面上運(yùn)動，腿提供了更有力的方式。 本章將概述最常用的輪型機(jī)器人結(jié)構(gòu)，討論它們的優(yōu)缺點(diǎn)。請記住，在下面章節(jié)中介紹的底盤結(jié)構(gòu)是為了突出顯示它們的傳動系統(tǒng)和連接情況，因此，在實(shí)際搭建中還需對此結(jié)構(gòu)加固。 8.2簡單的差動裝置 如果你根據(jù)LEGO C

2、onstructopedia中的描述已搭建出了一些模型，或者整合了第五章介紹的一些測試結(jié)構(gòu)，那么你對差速裝置的結(jié)構(gòu)已經(jīng)熟悉了。機(jī)器人具有很多優(yōu)點(diǎn)（尤其具有簡單性），至少在樂高的可移動機(jī)器人中常用到此結(jié)構(gòu)。 差動裝置由機(jī)器人兩邊兩個平行的驅(qū)動輪構(gòu)成，單獨(dú)提供動力，另外有一個或多個輪腳（萬向輪）用于支撐重量并不是沒有作用（圖8.1）。注意我們稱這個裝置為差動裝置是因?yàn)闄C(jī)器人的運(yùn)動矢量是由兩個獨(dú)立部件產(chǎn)生的（它與差速齒輪沒有關(guān)系，此裝置上沒有使用差速齒輪）。 當(dāng)兩個驅(qū)動輪以相同方向、相同速度轉(zhuǎn)動時，機(jī)器人作直線運(yùn)動。如果兩個輪子轉(zhuǎn)動速度相同，但方向相反時，機(jī)器人會繞著連接兩輪線段的中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。根

3、據(jù)輪子不同的轉(zhuǎn)向，表8.1列出了機(jī)器人的不同運(yùn)動狀態(tài)。 圖8.1簡單差動裝置 表8.1 輪子不同的旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生不同的運(yùn)動狀態(tài) 左輪 右輪 機(jī)器人 停止 停止 停止 停止 向前轉(zhuǎn)動 繞著左輪逆時針轉(zhuǎn)動 停止 向后轉(zhuǎn)動 繞著左輪順時針轉(zhuǎn)動 向前轉(zhuǎn)動 停止 繞著右輪順時針轉(zhuǎn)動 向前轉(zhuǎn)動 向前轉(zhuǎn)動 向前運(yùn)動 向前轉(zhuǎn)動 向后轉(zhuǎn)動 原地順時針旋轉(zhuǎn) 向后轉(zhuǎn)動 停止 繞著右輪逆時針轉(zhuǎn)動 向后轉(zhuǎn)動 向前轉(zhuǎn)動 原地逆時針旋轉(zhuǎn) 向后轉(zhuǎn)動 向后轉(zhuǎn)動 向后運(yùn)動 組合不同方向和速度，機(jī)器人可以做任意半徑的旋轉(zhuǎn)。因?yàn)樗撵`活性、及原地旋轉(zhuǎn)的功能成為許多工

4、程的教學(xué)器具。另外，由于它很容易實(shí)現(xiàn)，所以樂高有一半以上的運(yùn)動機(jī)器人屬于此結(jié)構(gòu)。 假如你想跟蹤機(jī)器人的位置，那差動裝置又是比較好的選擇，僅僅需要簡單的數(shù)學(xué)知識。（我們將在本書以后的章節(jié)中討論） 這種結(jié)構(gòu)只有一種弊端：它不能保證機(jī)器人筆直的運(yùn)動，因?yàn)閮蓚€馬達(dá)的功效總有差別，一個輪子會比另外一個輪子轉(zhuǎn)動的快一點(diǎn)，因此使得機(jī)器人略微偏左或偏右。在某些應(yīng)用中這中情況不會有問題，可以通過編程來避免，比如使機(jī)器人沿線走或在迷宮中尋找路線行走，但是讓機(jī)器人在空地上走直線恐怕不行。 8.2.1直線運(yùn)動 使用簡單差動裝置有許多方法可以保持直線行走，最簡便的方式是選擇兩個速度相近的馬達(dá)。如果你有兩個以上

5、的馬達(dá)，盡量找兩個速度最匹配的馬達(dá)，這種方式也不能確保機(jī)器人走直線，但至少能減小走偏的情況。 另一種簡單的方法是通過軟件調(diào)整速度。在第3章介紹過程序能控制每個馬達(dá)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(jī)器人負(fù)載發(fā)生變化，兩馬達(dá)速度需重新調(diào)整。 使用傳感器讓機(jī)器人直線運(yùn)動 讓機(jī)器人直線運(yùn)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(jù)外界的變化，使用傳感器來控制和調(diào)整每一個馬達(dá)的速度，這也是現(xiàn)實(shí)生活中大多數(shù)差動裝置所具有的的結(jié)構(gòu)。可以為每一個驅(qū)動輪附加計(jì)轉(zhuǎn)器（測量輪子旋轉(zhuǎn)次數(shù)）裝置，以便在軟件中控制馬達(dá)功補(bǔ)償兩輪間的轉(zhuǎn)速差。樂高角度傳感器在此應(yīng)用中可以

6、作為首選。在每一個輪子上安裝一個角度傳感器并測量計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)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(dá)啟動但輪子不轉(zhuǎn)，可推斷機(jī)器人被某物卡住了。另外你也可使用角度傳感器實(shí)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(shù)讓機(jī)器人計(jì)算出自己的位置，對此我們在13章中作詳細(xì)介紹。 使用齒輪讓機(jī)器人直線運(yùn)動 如果你只有一個角度傳感器，可以使用驅(qū)動輪之間的速度差取代輪子的實(shí)際轉(zhuǎn)速，回憶第四章中差速齒輪，你能使用它加或減。如果差動齒輪與驅(qū)動齒輪連在一起，它會把傳動方式傳遞給另一個齒輪。當(dāng)輪子以

7、同速轉(zhuǎn)動時差動齒輪將停止轉(zhuǎn)動。 假如兩輪的速度有任何的差別，差動齒輪的轉(zhuǎn)動和它的方向?qū)⒏嬷隳囊粋€輪子轉(zhuǎn)速快。如圖8.2所示的結(jié)構(gòu)，即使你沒有角度傳感器，也建議你搭建這種結(jié)構(gòu)，因?yàn)榇私Y(jié)構(gòu)具有指導(dǎo)作用。我們省略了馬達(dá)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(dá)。右邊傳動鏈的作用是變換與差速齒輪配合軸的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(jī)器人走直線。它需要第三只馬達(dá)來控制制動系統(tǒng)，同時也需要附加傳動系統(tǒng)簡化

8、制動結(jié)構(gòu)。圖8.3展示了具有特殊部件制動機(jī)構(gòu)的示例：暗灰色帶離合器16齒齒輪，傳動驅(qū)動環(huán)和傳動轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動，驅(qū)動環(huán)將被安裝在軸上。當(dāng)你把驅(qū)動環(huán)與齒輪套在一起時（使用轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)，用馬達(dá)取代角度傳感器，回顧第四章馬達(dá)能當(dāng)作制動器使用：在馬達(dá)關(guān)閉狀態(tài)，會阻止運(yùn)動，在float狀態(tài)馬達(dá)仍無動力，但可以自由轉(zhuǎn)動。因此不要給馬達(dá)提供動力，把它當(dāng)作制動器來制動差速齒。在關(guān)閉狀態(tài)下制動馬達(dá)，差速齒很難轉(zhuǎn)動，從而使你的機(jī)器人沿直線前進(jìn)，另一方面float狀態(tài)使用馬達(dá)，

9、差速齒轉(zhuǎn)動，機(jī)器人能夠轉(zhuǎn)彎，表8.2介紹了一些可行的組合。當(dāng)左右馬達(dá)以不同的方向運(yùn)行時，差動齒輪鎖馬達(dá)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(zhuǎn)變鉤 表8.2電動差動齒輪鎖機(jī)器人如何控制差動裝置 左馬達(dá) 右馬達(dá) 差動制動馬達(dá) 機(jī)器人狀態(tài) 停止 停止 停止 保持靜止 向前 向前 停止 向前運(yùn)動 向前 向后 浮動 原地順時針轉(zhuǎn)動 向后 向前 浮動 原地逆時針轉(zhuǎn)動 向后 向后 停止 向后運(yùn)動 考慮到馬達(dá)在浮動狀態(tài)下時也存在著重大的機(jī)械阻力，所以機(jī)器人將不能快速轉(zhuǎn)彎，驅(qū)動馬達(dá)在轉(zhuǎn)彎時將負(fù)荷更大的重力。 使用小角輪走

10、直線 小角輪是差動裝置平滑移動和轉(zhuǎn)彎的又一個關(guān)鍵因素，通常我們會忽略這一點(diǎn)，LEGO Constructopedia提出圖8.5所示的小角輪結(jié)構(gòu)，但是小角輪設(shè)計(jì)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(jīng)知道此結(jié)構(gòu)的輪子不能獨(dú)立轉(zhuǎn)動。按照圖表搭建此結(jié)構(gòu)，試著讓它轉(zhuǎn)一個急彎，它的效果不是很好，為什么？事實(shí)上，除非你使其中的一個輪子打滑，否則它就不能轉(zhuǎn)動。 圖8.5 小角輪結(jié)構(gòu) 圖8.6中的小角輪的結(jié)構(gòu)有了一定的改進(jìn)，左邊的結(jié)構(gòu)使用了單輪徹底避免了問題的出現(xiàn)。右邊的結(jié)構(gòu)更可靠，它使用了兩個自由輪允許小輪在原地轉(zhuǎn)彎避免了磨擦與打滑的問題，兩種結(jié)構(gòu)的區(qū)別在輪軸、在左邊結(jié)構(gòu)中，

11、軸與輪子同時旋轉(zhuǎn)，而在右邊的結(jié)構(gòu)中，輪在軸上轉(zhuǎn)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(jù)機(jī)器人的功能，獨(dú)角輪適用于多種場合，而雙角輪安放在機(jī)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(dāng)在平滑的表面上控制重量輕，結(jié)構(gòu)簡單的機(jī)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(dú)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(jī)構(gòu)的一個改進(jìn)結(jié)構(gòu)，主要從機(jī)械結(jié)構(gòu)上解決走直線的問題,并使用了兩個馬達(dá)(參考圖8.8)。它的傳動鏈有些復(fù)雜，依靠差動齒輪-使用兩個更精確(參考第九章相關(guān)補(bǔ)充部件)。 圖8.8雙差動裝置

12、 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(jié)構(gòu)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(jī)械上對兩個獨(dú)立的運(yùn)動作加或減法運(yùn)算，為了實(shí)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(jù)差動齒輪內(nèi)部的代數(shù)和來運(yùn)動（兩個運(yùn)動方向的代數(shù)疊加）。 在此結(jié)構(gòu)中，兩個馬達(dá)為兩個差動齒輪提供動力，特點(diǎn)其中一個馬達(dá)同向帶動差動齒輪的輸入軸。另一個馬達(dá)以相反的方向驅(qū)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(dá)，讓另一個馬達(dá)關(guān)閉。 在圖8.9中所示的結(jié)構(gòu)與圖8.8中的結(jié)構(gòu)相同，只不過沒有馬達(dá)，當(dāng)1號馬達(dá)帶動40齒齒輪

13、A轉(zhuǎn)動時，2號馬達(dá)使齒輪B保持靜止，運(yùn)動沿著虛線傳遞(由圖示)。兩個差動裝置同時轉(zhuǎn)動，機(jī)器人沿直線向前，另一方面，1號馬達(dá)停止，則齒輪停止，當(dāng)2號電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動B將動力沿著實(shí)線傳遞。差動裝置同速不同向旋轉(zhuǎn)，結(jié)果是機(jī)器人在原地轉(zhuǎn)動。 圖 8.9 雙差動裝置剖面圖 通常不同時使用兩個馬達(dá)，一個馬達(dá)用于走直線，另一個馬達(dá)用于轉(zhuǎn)彎，如果根據(jù)馬達(dá)的方向同時驅(qū)動兩個馬達(dá)也沒關(guān)系，因?yàn)閮蓚€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(jìn)行相加，從而使得速度提高一倍，此時，機(jī)器人繞著靜止輪轉(zhuǎn)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(jī)器人的運(yùn)動類型

14、。將傳感器連接到其中一個輪上，當(dāng)機(jī)器人直線運(yùn)動時，使用傳感器來測量運(yùn)動的距離，當(dāng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時，用傳感器測量方向的改變量。 當(dāng)然我們?nèi)砸斡浽跈C(jī)械結(jié)構(gòu)有得必有失，換句話說，這種具有獨(dú)創(chuàng)性的結(jié)構(gòu)有它的缺點(diǎn)。首先是它非常復(fù)雜，我們展示了結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)構(gòu)建簡易的機(jī)器人(可能仍需一些齒輪或者是更少的)，這種復(fù)雜的傳動裝置導(dǎo)致產(chǎn)生了負(fù)面影響：磨擦力。 8.4搭建滑動轉(zhuǎn)向裝置 滑動轉(zhuǎn)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(qū)動設(shè)計(jì)就是滑動轉(zhuǎn)向裝置。在現(xiàn)實(shí)生活中，挖土機(jī)和一些除草機(jī)是

15、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(zhuǎn)向裝置，每一個履帶都由單獨(dú)馬達(dá)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(qū)動。 帶輪滑動轉(zhuǎn)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(jī)器人不能順利轉(zhuǎn)彎或者不能轉(zhuǎn)彎。圖8.11中的模型每側(cè)使用五個24齒輪嚙合，它們像履帶那樣從每個馬達(dá)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(yùn)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(jié)構(gòu)，圖片中的圓形輪胎由補(bǔ)充套裝提供。 圖8.11 帶輪滑動掌舵裝置 履帶機(jī)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(jié)構(gòu)。與差動

16、裝置比較而言，當(dāng)兩條履帶以同向運(yùn)行時機(jī)器人向前行進(jìn)，方向或速度上有差別就會使機(jī)器人轉(zhuǎn)彎，原地轉(zhuǎn)彎也有可能實(shí)現(xiàn)?；瑒愚D(zhuǎn)向裝置也具有差動裝置驅(qū)動機(jī)器人走直線所具有的缺點(diǎn)。 最后總結(jié)滑動轉(zhuǎn)向裝置的特點(diǎn)： ■ 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(jié)構(gòu)產(chǎn)生了更大的摩擦力耗費(fèi)了馬達(dá)提供的部分動力。 ■ 在利用機(jī)器人運(yùn)動進(jìn)行定位時，這種結(jié)構(gòu)的機(jī)器人是不適合定位的，因?yàn)樗鼈儾荒鼙苊獗旧砭哂械娜毕荩寒a(chǎn)生滑動。 8.5搭建轉(zhuǎn)向裝置 轉(zhuǎn)向裝置是用于各種車型的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，由兩個前轉(zhuǎn)向輪和兩個固定后輪構(gòu)成，它也適用在機(jī)器人身上使用。你可以驅(qū)動后輪或者前輪或者是四只輪子，

17、利用樂高來實(shí)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(zhuǎn)彎或急轉(zhuǎn)彎，但此結(jié)構(gòu)也有很多優(yōu)點(diǎn)：易實(shí)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(dāng)使用機(jī)器人基本套裝搭建轉(zhuǎn)向裝置時，只有一個馬達(dá)驅(qū)動輪子，因?yàn)槟阈枰渌难b置轉(zhuǎn)動前輪，因此你的轉(zhuǎn)動裝置需要有差動機(jī)構(gòu)一半的動力，才能使你的機(jī)器人良好的沿直線行走。 圖8.12、8.13展示了二個簡單的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，除動作細(xì)節(jié)外，這兩個模型具有相同的結(jié)構(gòu)特性。例如：后輪都是通過一只差動齒輪與驅(qū)動馬達(dá)相連，在第二章中我們闡述過如果想讓機(jī)器人轉(zhuǎn)彎，就必須使用差動。輔助馬達(dá)掌握前輪控制機(jī)器人的行進(jìn)方向。注意我

18、們使用了一只帶子來驅(qū)動轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，主要是利用它的極限扭轉(zhuǎn)來避免能力過程中損傷機(jī)械結(jié)構(gòu)或馬達(dá)。你最好添加一只傳感器偵測轉(zhuǎn)向輪的位置，更好的控制機(jī)器人的方向。當(dāng)轉(zhuǎn)向裝置轉(zhuǎn)動時至少也要一只觸動傳感器。在轉(zhuǎn)完后你可使用定時方式或傳感器使機(jī)器人再變?yōu)橄惹暗男羞M(jìn)方向(14章中有關(guān)于此技術(shù)的例子)。 圖8.12 轉(zhuǎn)向裝置 圖8.13另一種轉(zhuǎn)向裝置 方法與技巧 使用梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)（阿克曼轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)） 現(xiàn)實(shí)中使用轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的車都是根據(jù)梯形轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)的(阿克曼為此裝置的首創(chuàng)人)。我們在前面設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動的角度相同，但這個機(jī)構(gòu)就不是這樣的，在轉(zhuǎn)彎時，內(nèi)輪的轉(zhuǎn)角比外輪的大。里面的輪子比外部的輪

19、轉(zhuǎn)彎急。在大半徑的轉(zhuǎn)彎中差別很小，可忽略。在急轉(zhuǎn)彎中此差別變得相當(dāng)明顯且容易使內(nèi)輪鎖死。阿克曼轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)上補(bǔ)償了內(nèi)輪轉(zhuǎn)角的差別，因此解決了普通轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的缺點(diǎn)。這個理論說明了當(dāng)從輪子延長的線交于一點(diǎn)時，車就能平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動并且始終圍繞這一交點(diǎn)轉(zhuǎn)動(圖8.14) 圖8.14 阿克曼轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)：內(nèi)部輪比外部輪轉(zhuǎn)彎急 使用樂高搭建建阿克慢結(jié)構(gòu)是可行的，在14章將有對前輪驅(qū)動更進(jìn)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(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，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(zhuǎn)向臂和兩塊光滑平板。將這些組

20、件設(shè)計(jì)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(zhuǎn)向裝置。8.12模型只使用了機(jī)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(zhuǎn)向臂。此結(jié)構(gòu)整個前面部分都是由梁搭建起來的，用于支撐輪子和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，但通常還需要一個光滑的表面用于齒條滑動。 當(dāng)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(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)（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(zhuǎn)向。如果輪子裝在轉(zhuǎn)向柱的后面，輪子摩擦引起車的動態(tài)向前運(yùn)動從而推動輪子向后運(yùn)動，產(chǎn)生自定心的動作。觀察購物車的結(jié)構(gòu)你就知輪子為什么裝在中軸上，把輪子越往樞

21、軸后面移動，如圖B、C，就越容易產(chǎn)生自定心。不要把輪子裝在樞軸的前面，如圖d，會引起轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定。事實(shí)上，輪子會向后走使你的車子自然轉(zhuǎn)彎。 圖8.15移動中軸線上的輪子 我們鼓勵你去嘗試這些方案，自己搭建一個簡單的底盤去探索圖8.15中各種結(jié)構(gòu)的特性。 轉(zhuǎn)向裝置十分適用于粗糙的表面，因?yàn)樗兴膫€輪胎非常平穩(wěn)，你可以使用其它的方法改善此結(jié)構(gòu)。另外重要一點(diǎn)是此結(jié)構(gòu)沒有一個驅(qū)動輪會長期離地，否則差動機(jī)構(gòu)將會把所有動力傳遞到阻力最小的輪子上，結(jié)果導(dǎo)致輪子打轉(zhuǎn)，使你的機(jī)器人變得不能運(yùn)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(jī)構(gòu)能夠大大減少上述的問題。皮帶能夠保持驅(qū)

22、動軸以同速轉(zhuǎn)動，然后在轉(zhuǎn)彎過程中它們會在皮帶輪上發(fā)生打滑現(xiàn)象以便調(diào)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(jī)構(gòu) 8.6搭建一個三輪裝置 三輪裝置由一個用于驅(qū)動和轉(zhuǎn)彎的前輪及兩個保持穩(wěn)定的獨(dú)立后輪組成（圖8.17）。三輪驅(qū)動裝置的獨(dú)特之處在：前輪既作為驅(qū)動又作為轉(zhuǎn)向裝置，使機(jī)器人的活動更靈活。 圖8.17 三輪裝置 你也許認(rèn)為把后輪作為驅(qū)動輪也會得到與前輪作為驅(qū)動輪相同的結(jié)果，但是只有在一定轉(zhuǎn)角內(nèi)才一樣。事實(shí)上，轉(zhuǎn)向裝置在轉(zhuǎn)急彎時，你最終會發(fā)現(xiàn)一個情況：后輪不能再把動力轉(zhuǎn)換成運(yùn)動。這個裝置的最大轉(zhuǎn)角是當(dāng)外輪可以沿著內(nèi)輪畫一個

23、圓，另一方面，前驅(qū)動輪可以控制任何轉(zhuǎn)角，甚至是前輪與后輪的運(yùn)動方向成垂直角度時。 理論上，驅(qū)動輪可以轉(zhuǎn)360度可以轉(zhuǎn)向任何方向，這意味著你可以搭建一個轉(zhuǎn)位自由的機(jī)構(gòu)（娛樂公園套裝中有這種結(jié)構(gòu)的例子）。我們圖8.14中的例子，能夠轉(zhuǎn)360度，但是由于馬達(dá)與RCX的連接線使此機(jī)構(gòu)只能轉(zhuǎn)一個360度。 在平常使用中，轉(zhuǎn)180度就能夠活動自如。因?yàn)樵?80度到360等的范圍等同與0度到180度向反向運(yùn)動，換句話說：210度馬達(dá)向前運(yùn)動等同于30度(210度-180度=30度)馬達(dá)向后轉(zhuǎn)。你可用傳感器偵測轉(zhuǎn)向輪的方位。 8.7搭建同步驅(qū)動裝置 同步驅(qū)動裝置使用三個或更多的輪子，他們都作為轉(zhuǎn)向與驅(qū)

24、動裝置。它們同時轉(zhuǎn)動并保持一致，因此機(jī)器人改變運(yùn)動方向但不改變它的方位。 使用樂高部件組建搭建同步驅(qū)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。現(xiàn)在，障礙被攻破了，如果你上網(wǎng)你能發(fā)現(xiàn)許多用樂高搭建的很不錯的同步驅(qū)動裝置。 制作360度同步驅(qū)動裝置并且避免任何轉(zhuǎn)動的極限，關(guān)鍵是沿著每一個輪子的樞軸傳遞運(yùn)動。最簡單的方法需要一個叫轉(zhuǎn)盤的特殊部件，應(yīng)用于樂高模型中的旋轉(zhuǎn)平臺，支持起重機(jī)或挖土機(jī)(圖8.18) 圖8.18 樂高轉(zhuǎn)盤 你可以把輪子固定在轉(zhuǎn)盤的一邊，并且使用轉(zhuǎn)盤中心的一根軸來驅(qū)動。在圖8.19展示出一個實(shí)例，注意轉(zhuǎn)盤被顛倒，因?yàn)檩喿颖仨毰c轉(zhuǎn)盤連接在一起由外齒帶

25、動一起轉(zhuǎn)動，因此機(jī)器人將完全或向下突出設(shè)計(jì)。 我們想讓我們的同步驅(qū)動裝置不通過移動而原地改變方向，為了實(shí)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(zhuǎn)盤的底部能順利轉(zhuǎn)動但圖8.20不可以。這是因?yàn)閳D8.20中的輪沒有與忠心軸連接所以當(dāng)它轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)姆较蜣D(zhuǎn)動而8.20中的傳動裝置使輪子反對轉(zhuǎn)動，我們描述的是一個精細(xì)的差異。我們再次邀請你親自動手搭建這兩個結(jié)構(gòu)并看一看它們怎樣工作的。 圖8.19 可行的輪胎同步驅(qū)動裝置 圖8.20錯誤的輪胎同步驅(qū)動裝置 建造一個完整的同步驅(qū)動裝置你至少需要三個上述的轉(zhuǎn)盤

26、然后把它們連接在一起用一個馬達(dá)同時驅(qū)動所有的軸然而其余的馬達(dá)可以同時旋轉(zhuǎn)所有的軸。 圖8.21你看到是四輪同步驅(qū)動裝置的仰視圖。注意我們用8齒的齒輪把轉(zhuǎn)盤連接起來，實(shí)現(xiàn)同時轉(zhuǎn)動。驅(qū)動任何一只8齒輪都 會使機(jī)器人改變方向。 圖8.21一個完整的同步驅(qū)動裝置（仰視圖） 圖8.22是完整同步驅(qū)動裝置的俯視圖。40齒大齒輪通過四對斜齒輪驅(qū)動輪子，其他40-齒輪負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)彎，對一個完整的同步驅(qū)動裝置，你必須加二個馬達(dá)驅(qū)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(qū)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(qū)動裝置中“

27、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(jī)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(dú)的全方位的傳感器（如圖8.23所示）；觸動傳感器被正常關(guān)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(jī)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(qū)動器(俯視圖) 圖8.23全方位觸動傳感器 8.8其他結(jié)構(gòu) 我們的介

28、紹并沒有完全包括所有活動結(jié)構(gòu)，有其它更多的好的獨(dú)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(dú)立的轉(zhuǎn)彎與驅(qū)動裝置，想象同步驅(qū)動裝置獨(dú)輪在什么部位可以改變機(jī)器人速度和方向，此機(jī)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(jié)構(gòu)。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(xué)習(xí)有利，且具有多用性，事實(shí)上他們運(yùn)動并不相同 n 結(jié)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(jié)合點(diǎn)連接在一起，此結(jié)構(gòu)用于挖土機(jī)和其它結(jié)構(gòu)的設(shè)備上。 n 輪軸驅(qū)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

29、平臺，當(dāng)平臺升起時，機(jī)器人完全按照輪子的方向直線運(yùn)動。當(dāng)轉(zhuǎn)彎時，機(jī)器人停止并降低平臺直到輪子不再觸到地面。此時旋轉(zhuǎn)平臺以改變方向，然后再升起平臺繼續(xù)直線運(yùn)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(shí)際上是在頂點(diǎn)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(dāng)輪子轉(zhuǎn)動并且三角形就好像大輪子轉(zhuǎn)動一樣。常規(guī)運(yùn)動時，每個三角形的兩個輪子觸地，但當(dāng)一個輪子碰到障礙物時，一個復(fù)雜的傳動系統(tǒng)傳遞運(yùn)動給三角形結(jié)構(gòu)，它能轉(zhuǎn)動并將它上面的輪子越過障礙物，雖然很復(fù)雜但很有趣 我們希望通過這些結(jié)構(gòu)可以滿足你的好奇心，同時鼓勵你們尋找更多關(guān)于機(jī)器人的參考資料并提供在附錄A中，他們都可以使用樂高組件來建造 您好，歡迎您閱讀我的文章，本W(wǎng)ORD文檔可編輯修改，也可以直接打印。閱讀過后，希望您提出保貴的意見或建議。閱讀和學(xué)習(xí)是一種非常好的習(xí)慣，堅(jiān)持下去，讓我們共同進(jìn)步。 .