乐高机器人齿轮篇.docx
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乐高机器人齿轮篇
乐高机器人---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。
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，LEGOConstructopedia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，他能使用任何一面作为前面，因此你必须在所有面都加上缓冲器。
在第四章你已了解到，如果机器人有四面，没必要在在四面使用四个端口连接四个传感器（RCX只有三个输入），你可以在相同的端口连出四个触动传感器，使用并接的方式，任何一个传感器被按下，就会反馈给RCX一个“on“状态。
或者只用一个单独的全方位的传感器（如图8.23所示）；触动传感器被正常关闭，然而任何时间打开后上面的轴将脱离初始值（通过橡皮带保持）用管或轴把佻的机器人包起来把此环连接到全方位传感器上就可以了。
图8.22完全同步驱动器（俯视图）
图8.23全方位触动传感器
8.8其他结构
我们的介绍并没有完全包括所有活动结构，有其它更多的好的独特的类型：
n 多自由角度车型简称（MDOF）MDOF车有三个或更多轮子或一组轮子，独立的转弯与驱动装置，想象同步驱动装置独轮在什么部位可以改变机器人速度和方向，此机器人像差动装置装置装置或同步装置是通过软件控制它的结构。
虽然它们在搭建与控制上有很大的区别，但在使用上，对学习有利，且具有多用性，事实上他们运动并不相同n 结合装置与掌舵装置十分类似。
它控制车的整体，前轮保持与底盘前部平行后面与前部相同因此两部分通过一个结合点连接在一起，此结构用于挖土机和其它结构的设备上。
n 轮轴驱动装置由无心轴轮组成的底盘组成，中间带有一个可升降的平台，当平台升起时，机器人完全按照轮子的方向直线运动。
当转弯时，机器人停止并降低平台直到轮子不再触到地面。
此时旋转平台以改变方向，然后再升起平台继续直线运动。
n 三星轮装置 这种装置适用于灵活性高，各种地行的车辆。
每一个“轮子”实际上是在顶点带有轮子的等边三角形；小车总共使用12个轮子，每三个作为一个“轮子”。
当轮子转动并且三角形就好像大轮子转动一样。
常规运动时，每个三角形的两个轮子触地，但当一个轮子碰到障碍物时，一个复杂的传动系统传递运动给三角形结构，它能转动并将它上面的轮子越过障碍物，虽然很复杂但很有趣
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