乐高机器人—齿轮篇

乐高机器人乐高机器人 运动篇运动篇 8 1 简介 灵活的思维造就出了许许多多的机器人 运动使创造物获得了生命 带来 无限的乐趣 同时也对自己的创造力进行了挑战 大多数运动机器人都属于轮 子型与腿型机器人 虽然轮子在光滑的表面很有效 但是在凹凸不平的地面上 运动 腿提供了更有力的方式 底盘结构是为了突出显示它们的传动系统和连 接情况 因此 在实际搭建中还需对此结构加固 8 2 简单的差动装置 机器人具有很多优点 尤其具有简单性 至少在乐高的可移动机器人中 常用到此结构 差动装置由机器人两边两个平行的驱动轮构成 单独提供动力 另外有一个或多个轮脚 万向轮 用于支撑重量并不是没有作用 图 8 1 注意我们称这个装置为差动装置是因为机器人的运动矢量是由两个独立部件产 生的 它与差速齿轮没有关系 此装置上没有使用差速齿轮 当两个驱动轮以相同方向 相同速度转动时 机器人作直线运动 如果两 个轮子转动速度相同 但方向相反时 机器人会绕着连接两轮线段的中心点旋 转 根据轮子不同的转向 表 8 1 列出了机器人的不同运动状态 图 8 1 简单差动装置 表 8 1 轮子不同的旋转方向产生不同的运动状态 左轮右轮机器人 停止停止停止 停止向前转动绕着左轮逆时针转动 停止向后转动绕着左轮顺时针转动 向前转动停止绕着右轮顺时针转动 向前转动向前转动向前运动 向前转动向后转动原地顺时针旋转 向后转动停止绕着右轮逆时针转动 向后转动向前转动原地逆时针旋转 向后转动向后转动向后运动 组合不同方向和速度 机器人可以做任意半径的旋转 因为它的灵活性 及原地旋转的功能成为许多工程的教学器具 另外 由于它很容易实现 所以 乐高有一半以上的运动机器人属于此结构 假如你想跟踪机器人的位置 那差动装置又是比较好的选择 仅仅需要简 单的数学知识 这种结构只有一种弊端 它不能保证机器人笔直的运动 因为 两个马达的功效总有差别 一个轮子会比另外一个轮子转动的快一点 因此使 得机器人略微偏左或偏右 在某些应用中这中情况不会有问题 可以通过编程 来避免 比如使机器人沿线走或在迷宫中寻找路线行走 但是让机器人在空地 上走直线恐怕不行 8 2 1 直线运动 使用简单差动装置有许多方法可以保持直线行走 最简便的方式是选择两 个速度相近的马达 如果你有两个以上的马达 尽量找两个速度最匹配的马达 这种方式也不能确保机器人走直线 但至少能减小走偏的情况 另一种简单的方法是通过软件调整速度 在第 3 章介绍过程序能控制每个 马达的速度 在程序中选择最有效的能量等级直到合适为止 这种方法的问题 在于机器人负载发生变化 两马达速度需重新调整 使用传感器让机器人直线运动 让机器人直线运动的一种更有效果的方法是在系统中加入反馈装置 从而 根据外界的变化 使用传感器来控制和调整每一个马达的速度 这也是现实生 活中大多数差动装置所具有的的结构 可以为每一个驱动轮附加计转器 测量 轮子旋转次数 装置 以便在软件中控制马达功补偿两轮间的转速差 乐高角 度传感器在此应用中可以作为首选 在每一个轮子上安装一个角度传感器并测 量计数的差别 然后停止或降低较快的轮子以保持两个传感器的计数相同 同 时还可以使用在第四章中介绍的方法 使用同样的传感器来探测障碍物 如果 马达启动但轮子不转 可推断机器人被某物卡住了 另外你也可使用角度传感 器实现精确角度定位 最后 角度传感器提供了最基本功能 使用 odometry 技 术让机器人计算出自己的位置 使用齿轮让机器人直线运动 如果你只有一个角度传感器 可以使用驱动轮之间的速度差取代轮子的实 际转速 差速齿轮 你能使用它加或减 如果差动齿轮与驱动齿轮连在一起 它会把传动方式传递给另一个齿轮 当轮子以同速转动时差动齿轮将停止转动 假如两轮的速度有任何的差别 差动齿轮的转动和它的方向将告知你哪一 个轮子转速快 如图 8 2 所示的结构 即使你没有角度传感器 也建议你搭建 这种结构 因为此结构具有指导作用 我们省略了马达和其他加固梁以保持图 片尽可能清楚 搭建时要加二个马达 右边传动链的作用是变换与差速齿轮配 合轴的转向 同时保持原始的传动比不变 连接在差速齿轮上的角度传感器用 于检测差动齿轮是否转动 图 8 2 使用单个角度传感器观察左右轮速度的差别 一个更基本方法是你在需要走直线时 同时锁住两个轮子 此系统非常有 效的使你的机器人走直线 它需要第三只马达来控制制动系统 同时也需要附 加传动系统简化制动结构 图 8 3 展示了具有特殊部件制动机构的示例 暗灰 色带离合器 16 齿齿轮 传动驱动环和传动转变钩 这种特殊的齿轮 用圆形洞 取代了普通的十字型洞 使得它能够在轴上自由转动 驱动环将被安装在轴上 当你把驱动环与齿轮套在一起时 使用转变钩 齿轮与轴连在一起了 图 8 3 可制动差动装置 你也可使用图 8 2 展示的结构 用马达取代角度传感器 回顾第四章马达 能当作制动器使用 在马达关闭状态 会阻止运动 在 float 状态马达仍无动 力 但可以自由转动 因此不要给马达提供动力 把它当作制动器来制动差速 齿 在关闭状态下制动马达 差速齿很难转动 从而使你的机器人沿直线前进 另一方面 float 状态使用马达 差速齿转动 机器人能够转弯 表 8 2 介绍了 一些可行的组合 当左右马达以不同的方向运行时 差动齿轮锁马达必须处于 float 状态 图 8 4 带 16 齿齿轮离合器 传动操纵环 传动转变钩 表 8 2 电动差动齿轮锁机器人如何控制差动装置 左马达右马达差动制动马达机器人状态 停止停止停止保持静止 向前向前停止向前运动 向前向后浮动原地顺时针转动 向后向前浮动原地逆时针转动 向后向后停止向后运动 考虑到马达在浮动状态下时也存在着重大的机械阻力 所以机器人将不能 快速转弯 驱动马达在转弯时将负荷更大的重力 使用小角轮走直线 小角轮是差动装置平滑移动和转弯的又一个关键因素 通常我们会忽略这 一点 LEGO Constructopedia 提出图 8 5 所示的小角轮结构 但是小角轮设计 上还存在着欠缺 它在一根轴上使用了两个轮子 在第二章中你已经知道此结 构的轮子不能独立转动 按照图表搭建此结构 试着让它转一个急弯 它的效 果不是很好 为什么 事实上 除非你使其中的一个轮子打滑 否则它就不能 转动 图 8 5 小角轮结构 图 8 6 中的小角轮的结构有了一定的改进 左边的结构使用了单轮彻底避 免了问题的出现 右边的结构更可靠 它使用了两个自由轮允许小轮在原地转 弯避免了磨擦与打滑的问题 两种结构的区别在轮轴 在左边结构中 轴与轮 子同时旋转 而在右边的结构中 轮在轴上转动 图 8 6 避免打滑的角轮 选择使用一个或更多角轮要根据机器人的功能 独角轮适用于多种场合 而双 角轮安放在机器人的前方或后面是保持稳定性的好方法 在一些场合 当在平滑的表面上控制重量轻 结构简单的机器人可以用圆形 垫块或其它与接触面磨擦力很小的部件替代独角轮 图 8 7 图 8 7 圆形垫块 8 3 搭建双差动装置 双差动装置是对简单差动机构的一个改进结构 主要从机械结构上解决走 直线的问题 并使用了两个马达 参考图 8 8 它的传动链有些复杂 依靠差动 齿轮 使用两个更精确 图 8 8 双差动装置 双差动装置是差动齿轮的另外一种用法 通常轮子是连接在从差动齿轮延 伸出来的轴上 然而在此结构中 轮子通过齿轮连接在差动齿轮的外齿 在第 四章中我们阐述了差动齿轮能够在机械上对两个独立的运动作加或减法运算 为了实现这个方法 用差动齿上延伸的轴作为输入 且差动齿轮本身将根据差 动齿轮内部的代数和来运动 两个运动方向的代数叠加 在此结构中 两个马达为两个差动齿轮提供动力 特点其中一个马达同向 带动差动齿轮的输入轴 另一个马达以相反的方向驱动第三根输入轴 要控制 双差动装置 只需使用其中一个马达 让另一个马达关闭 在图 8 9 中所示的结构与图 8 8 中的结构相同 只不过没有马达 当 1 号 马达带动 40 齿齿轮 A 转动时 2 号马达使齿轮 B 保持静止 运动沿着虚线传递 由图示 两个差动装置同时转动 机器人沿直线向前 另一方面 1 号马达 停止 则齿轮停止 当 2 号电机转动 带动 B 将动力沿着实线传递 差动装置 同速不同向旋转 结果是机器人在原地转动 图 8 9 双差动装置剖面图 通常不同时使用两个马达 一个马达用于走直线 另一个马达用于转弯 如果根据马达的方向同时驱动两个马达也没关系 因为两个差动齿其中一个会 抵消两个相反的输入 保持静止 而另外一个差动齿对两个输入进行相加 从 而使得速度提高一倍 此时 机器人绕着静止轮转动 双差动装置一个非常好的特性是使用一个角度传感器就可以精确的检测机 器人的运动类型 将传感器连接到其中一个轮上 当机器人直线运动时 使用 传感器来测量运动的距离 当机器人转弯时 用传感器测量方向的改变量 当然我们仍要牢记在机械结构有得必有失 换句话说 这种具有独创性的 结构有它的缺点 首先是它非常复杂 我们展示了结构的平面图可以更容易理 解它们的配合 然而你自己也可使用多种传动机构构建简易的机器人 可能仍需 一些齿轮或者是更少的 这种复杂的传动装置导致产生了负面影响 磨擦力 4 搭建滑动转向装置 滑动转向装置是差动装置的一种变化形式 通常用于履带式车辆 但有时 也用于四个或六个轮子的形式 对于履带的车辆 唯一的驱动设计就是滑动转 向装置 在现实生活中 挖土机和一些除草机是使用这种装置的最好例子 图 8 10 展示了一个简单的滑动转向装置 每一个履带都由单独马达提供能量 由 一个 8 齿轮与一个 24 齿轮啮合 并连接在履带轮上 履带前轮不需驱动 带轮滑动转向装置需要一个有效的装置 将动力传到所有的轮子上 否则 机器人不能顺利转弯或者不能转弯 图 8 11 中的模型每侧使用五个 24 齿轮啮 合 它们像履带那样从每个马达那里获得动力 每一个轮轴用于安装齿轮 这 些齿轮都被用于传递运动的惰性齿轮分隔 如果有足够的 24 齿齿轮 你可以组 合成此结构 图片中的圆形轮胎由补充套装提供 图 8 11 带轮滑动掌舵装置 履带机器人搭建简单且动作有趣 因此 许多乐高爱好者都采用此结构 与差动装置比较而言 当两条履带以同向运行时机器人向前行进 方向或速度 上有差别就会使机器人转弯 原地转弯也有可能实现 滑动转向装置也具有差 动装置驱动机器人走直线所具有的缺点 最后总结滑动转向装置的特点 在粗糙的地面上履带与轮子相比 履带更易控制然而它不太租用光滑的表面 履带结构产生了更大的摩擦力耗费了马达提供的部分动力 在利用机器人运动进行定位时 这种结构的机器人是不适合定位的 因为它 们不能避免本身具有的缺陷 产生滑动 8 5 搭建转向装置 转向装置是用于各种车型的标准结构 由两个前转向轮和两个固定后轮构 成 它也适用在机器人身上使用 你可以驱动后轮或者前轮或者是四只轮子 利用乐高来实现这个方法非常简单 这也是为什么要介绍它的原因 尽管它比 差动装置的通用性要差 并且不能在原地转弯或急转弯 但此结构也有很多优 点 易实现沿直线行走 且在粗糙路面上行走具有较高稳定性 当使用机器人基本套装搭建转向装置时 只有一个马达驱动轮子 因为你 需要其它的装置转动前轮 因此你的转动装置需要有差动机构一半的动力 才 能使你的机器人良好的沿直线行走 图 8 12 8 13 展示了二个简单的转向机构 除动作细节外 这两个模型具 有相同的结构特性 例如 后轮都是通过一只差动齿轮与驱动马达相连 在第 二章中我们阐述过如果想让机器人转弯 就必须使用差动 辅助马达掌握前轮 控制机器人的行进方向 注意我们使用了一只带子来驱动转向机构 主要是利 用它的极限扭转来避免能力过程中损伤机械结构或马达 你最好添加一只传感 器侦测转向轮的位置 更好的控制机器人的方向 当转向装置转动时至少也要 一只触动传感器 在转完后你可使用定时方式或传感器使机器人再变为先前的 行进方向 图 8 12 转向装置 图 8 13 另一种转向装置 方法与技巧 使用梯形转向机构 阿克曼转向机构 现实中使用转向机构的车都是根据梯形转向机构的原理进行设计的 阿克曼 为此装置的首创人 我们在前面设计的转向轮转动的角度相同 但这个机构就 不是这样的 在转弯时 内轮的转角比外轮的大 里面的轮子比外部的轮转弯 急 在大半径的转弯中差别很小 可忽略 在急转弯中此差别变得相当明显且 容易使内轮锁死 阿克曼转向机构在设计上补偿了内轮转角的差别 因此解决 了普通转向机构的缺点 这个理论说明了当从轮子延长的线交于一点时 车就 能平稳的转动并且始终围绕这一交点转动 图 8 14 图 8 14 阿克曼转向机构 内部轮比外部轮转弯急 使用乐高搭建建阿克慢结构是可行的 在 14 章将有对前轮驱动更进一步的 说明 图 8 12 与 8 13 中两种模型都使用了齿轮齿条转向机构 一个 8 齿齿轮 小齿轮 与一个带齿的特殊板 齿条 相啮合 它们不同之处是后一种我们 使用了一种特殊部件 三块 1x10 板 两个转向臂和两块光滑平板 将这些组件 设计成一个组合部件 创造出一种使用更简易的使用在许多乐高工艺车 卡车 模型上的转向装置 8 12 模型只使用了机器人套装的基本部件 必须要使用 2x8 的板替换 1 10 板 用自制的去替换转向臂 此结构整个前面部分都是由梁 搭建起来的 用于支撑轮子和转向机构 但通常还需要一个光滑的表面用于齿 条滑动 当你建好这个装置后 把轮子移到枢轴后面变成一个自定心转向机构 在 很多情况下的一种明显的特性 在图 8 15 中的 a 图 轮子装在枢轴下面 这 样不会影响它的转向 如果轮子装在转向柱的后面 轮子摩擦引起车的动态向 前运动从而推动轮子向后运动 产生自定心的动作 观察购物车的结构你就知 轮子为什么装在中轴上 把轮子越往枢轴后面移动 如图 B C 就越容易产生 自定心 不要把轮子装在枢轴的前面 如图 d 会引起转向机构不稳定 事实 上 轮子会向后走使你的车子自然转弯 图 8 15 移动中轴线上的轮子 自己搭建一个简单的底盘去探索图 8 15 中各种结构的特性 转向装置十分适用于粗糙的表面 因为它有四个轮胎非常平稳 你可以使 用其它的方法改善此结构 另外重要一点是此结构没有一个驱动轮会长期离地 否则差动机构将会把所有动力传递到阻力最小的轮子上 结果导致轮子打转 使你的机器人变得不能运动 使用皮带与皮带轮把普通附加轴与轮轴连接在一起组成一个无滑差动机构 能够大大减少上述的问题 皮带能够保持驱动轴以同速转动 然后在转弯过程 中它们会在皮带轮上发生打滑现象以便调整轮子的速度 将一只轮子脱离地面 皮带也会将大部分能量传递到其它轮子上 图 8 16 无滑差动机构 8 6 搭建一个三轮装置 三轮装置由一个用于驱动和转弯的前轮及两个保持稳定的独立后轮组成 图 8 17 三轮驱动装置的独特之处在 前轮既作为驱动又作为转向装置 使机器人的活动更灵活 图 8 17 三轮装置 你也许认为把后轮作为驱动轮也会得到与前轮作为驱动轮相同的结果 但 是只有在一定转角内才一样 事实上 转向装置在转急弯时 你最终会发现一 个情况 后轮不能再把动力转换成运动 这个装置的最大转角是当外轮可以沿 着内轮画一个圆 另一方面 前驱动轮可以控制任何转角 甚至是前轮与后轮 的运动方向成垂直角度时 理论上 驱动轮可以转 360 度可以转向任何方向 这意味着你可以搭建一 个转位自由的机构 娱乐公园套装中有这种结构的例子 我们图 8 14 中的例 子 能够转 360 度 但是由于马达与 RCX 的连接线使此机构只能转一个 360 度 在平常使用中 转 180 度就能够活动自如 因为在 180 度到 360 等的范围 等同与 0 度到 180 度向反向运动 换句话说 210 度马达向前运动等同于 30 度 210 度 180 度 30 度 马达向后转 你可用传感器侦测转向轮的方位 8 7 搭建同步驱动装置 同步驱动装置使用三个或更多的轮子 他们都作为转向与驱动装置 它们 同时转动并保持一致 因此机器人改变运动方向但不改变它的方位 使用乐高部件组建搭建同步驱动装置非常具有挑战性 在几年以前有人尝 试但没有人能够成功完成 现在 障碍被攻破了 如果你上网你能发现许多用 乐高搭建的很不错的同步驱动装置 制作 360 度同步驱动装置并且避免任何转动的极限 关键是沿着每一个轮 子的枢轴传递运动 最简单的方法需要一个叫转盘的特殊部件 应用于乐高模 型中的旋转平台 支持起重机或挖土机 图 8 18 图 8 18 乐高转盘 你可以把轮子固定在转盘的一边 并且使用转盘中心的一根轴来驱动 在 图 8 19 展示出一个实例 注意转盘被颠倒 因为轮子必须与转盘连接在一起由 外齿带动一起转动 因此机器人将完全或向下突出设计 我们想让我们的同步驱动装置不通过移动而原地改变方向 为了实现这个 方法 图 8 19 8 20 两装置相似 但不可互换 图 8 19 中的转盘的底部能顺 利转动但图 8 20 不可以 这是因为图 8 20 中的轮没有与忠心轴连接所以当它 转向时 它只能移动一些距离 图 8 19 中的传动装置使得轮子以适当的方向转 动而 8 20 中的传动装置使轮子反对转动 我们描述的是一个精细的差异 我们 再次邀请你亲自动手搭建这两个结构并看一看它们怎样工作的 图 8 19 可行的轮胎同步驱动装置 图 8 20 错误的轮胎同步驱动装置 建造一个完整的同步驱动装置你至少需要三个上述的转盘然后把它们连接 在一起用一个马达同时驱动所有的轴然而其余的马达可以同时旋转所有的轴 图 8 21 你看到是四轮同步驱动装置的仰视图 注意我们用 8 齿的齿轮把转盘连 接起来 实现同时转动 驱动任何一只 8 齿轮都会使机器人改变方向 图 8 21 一个完整的同步驱动装置 仰视图 图 8 22 是完整同步驱动装置的俯视图 40 齿大齿轮通过四对斜齿轮驱动轮子 其他 40 齿轮负责转弯 对一个完整的同步驱动装置 你必须加二个马达驱动 A 和 B 可以使用 8 齿获得一个比较高的传动比 任何人都会对同步驱动装置的动作会感到惊讶 你也不例外 假如你想用 它在房间寻找障碍物 也不是很难 只需加一个缓冲装置 同步驱动装置中 前 和 后 的概念被淡化了 他能使用任