樂高機(jī)器人直線行走

《樂高機(jī)器人直線行走》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《樂高機(jī)器人直線行走（13頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、雙差速驅(qū)動(dòng)裝置 制動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置 轉(zhuǎn)向裝置 三輪裝置 同步驅(qū)動(dòng)裝置 其它結(jié)構(gòu) 簡(jiǎn)介 靈活的思維造就出了許許多多的機(jī)器人， 運(yùn)動(dòng)使創(chuàng)造物獲得了生命， 帶來(lái)無(wú)限的樂趣， 同時(shí)也對(duì) 自己的創(chuàng)造力進(jìn)行了挑戰(zhàn)。 大多數(shù)運(yùn)動(dòng)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(dòng)，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(qǐng)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(dòng)系統(tǒng)和連接情況，因此，在實(shí)際搭建中還需對(duì)此結(jié)構(gòu)加固。 簡(jiǎn)單的差動(dòng)裝置 如果你根據(jù) LEGO Constructopedia 中的描述已搭建

2、出了一些模型，或者整合了第五章介紹的一 些測(cè)試結(jié)構(gòu)，那么你對(duì)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(jiǎn)單性）， 至少在樂高的可移動(dòng)機(jī)器人中常用到此結(jié)構(gòu)。 差動(dòng)裝置由機(jī)器人兩邊兩個(gè)平行的驅(qū)動(dòng)輪構(gòu)成， 單獨(dú)提供動(dòng)力， 另外有一個(gè)或多個(gè)輪腳 （萬(wàn)向輪） 用于支撐重量并不是沒有作用 （圖） 。注意我們稱這個(gè)裝置為差動(dòng)裝置是因?yàn)闄C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)矢量 是由兩個(gè)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(gè)驅(qū)動(dòng)輪以相同方向、相同速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人作直線運(yùn)動(dòng)。如果兩個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)速度相同， 但方向相反時(shí)， 機(jī)器人會(huì)繞著連接兩輪線段的中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。 根據(jù)輪子不同的轉(zhuǎn)向， 表列出了

3、機(jī)器 人的不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。 圖簡(jiǎn)單差動(dòng)裝置 表 輪子不同的旋轉(zhuǎn)方向產(chǎn)生不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) 左輪 右輪 機(jī)器人 停止 停止 停止 停止 向前轉(zhuǎn)動(dòng) 繞著左輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 停止 向后轉(zhuǎn)動(dòng) 繞著左輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 向前轉(zhuǎn)動(dòng) 停止 繞著右輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 向前轉(zhuǎn)動(dòng) 向前轉(zhuǎn)動(dòng) 向前運(yùn)動(dòng) 向前轉(zhuǎn)動(dòng) 向后轉(zhuǎn)動(dòng) 原地順時(shí)針旋轉(zhuǎn) 向后轉(zhuǎn)動(dòng) 停止 繞著右輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 向后轉(zhuǎn)動(dòng) 向前轉(zhuǎn)動(dòng) 原地逆時(shí)針旋轉(zhuǎn) 向后轉(zhuǎn)動(dòng) 向后轉(zhuǎn)動(dòng) 向后運(yùn)動(dòng) 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 許多工程的教學(xué)器具。 另外，由于它很容

4、易實(shí)現(xiàn)， 所以樂高有一半以上的運(yùn)動(dòng)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(dòng)裝置又是比較好的選擇，僅僅需要簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)知識(shí)。 （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(dòng)， 因?yàn)閮蓚€(gè)馬達(dá)的功效總有差別， 一個(gè)輪 子會(huì)比另外一個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)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 但是讓機(jī)器人 會(huì)有問題， 可以通過(guò)編程來(lái)避免， 比如使機(jī)器人沿線走或在迷宮中尋找路線行走， 在空地上走直線恐怕不行 直線運(yùn)動(dòng) 使用簡(jiǎn)單差動(dòng)裝置有許多方法可以保持直線行走， 最簡(jiǎn)便的方式是選擇兩個(gè)速度相近的馬達(dá)。 如 果你有兩個(gè)以上

5、的馬達(dá)， 盡量找兩個(gè)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(jiǎn)單的方法是通過(guò)軟件調(diào)整速度。 在第 3 章介紹過(guò)程序能控制每個(gè)馬達(dá)的速度， 在程序中 選擇最有效的能量等級(jí)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(dòng) 讓機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)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(lái)控制和調(diào)整每一個(gè)馬達(dá)的速度，這也是現(xiàn)實(shí)生活中大多數(shù)差動(dòng)裝置所具有的的結(jié)構(gòu)。 可以為每一個(gè)驅(qū)動(dòng)輪附加計(jì)轉(zhuǎn)器 （測(cè)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)

6、償兩輪 間的轉(zhuǎn)速差。 樂高角度傳感器在此應(yīng)用中可以作為首選。 在每一個(gè)輪子上安裝一個(gè)角度傳感器并 測(cè)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(gè)傳感器的計(jì)數(shù)相同。 同時(shí)還可以使用在 第四章中介紹的方法。 使用同樣的傳感器來(lái)探測(cè)障礙物， 如果馬達(dá)啟動(dòng)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(duì)此我們?cè)?13 章中作詳細(xì)介紹。 使用齒輪讓機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng) 如果你只有一個(gè)角度傳感器， 可以使用驅(qū)動(dòng)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

7、， 你能使用它加或減。 如果差動(dòng)齒輪與驅(qū)動(dòng)齒輪連在一起， 它會(huì)把傳動(dòng)方式傳遞給另一 個(gè)齒輪。當(dāng)輪子以同速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)差動(dòng)齒輪將停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 如圖所 假如兩輪的速度有任何的差別， 差動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)和它的方向?qū)⒏嬷隳囊粋€(gè)輪子轉(zhuǎn)速快。 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(shí)要加二個(gè)馬達(dá)。 右邊傳動(dòng)鏈的作用是變換 與差速齒輪配合軸的轉(zhuǎn)向， 同時(shí)保持原始的傳動(dòng)比不變。 連接在差速齒輪上的角度傳感器用于檢 測(cè)差動(dòng)齒輪是否轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖使用單個(gè)角度傳感器觀察左右輪速度的差別 一個(gè)更基本方法是你在需要走直線時(shí)， 同

8、時(shí)鎖住兩個(gè)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(lái)控制制動(dòng)系統(tǒng)， 同時(shí)也需要附加傳動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化制動(dòng)結(jié)構(gòu)。 圖展示了具有 特殊部件制動(dòng)機(jī)構(gòu)的示例：暗灰色帶離合器 16 齒齒輪，傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)環(huán)和傳動(dòng)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(dòng)，驅(qū)動(dòng)環(huán)將被安裝在軸上。 當(dāng)你把驅(qū)動(dòng)環(huán)與齒輪套在一起時(shí)（使用轉(zhuǎn)變鉤）齒輪與軸連在一起了。 圖可制動(dòng)差動(dòng)裝置 你也可使用圖展示的結(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(dòng)器使用： 在馬達(dá) 關(guān)閉狀態(tài)，會(huì)阻止運(yùn)動(dòng)，在 float 狀態(tài)馬達(dá)仍無(wú)動(dòng)力， 但可以自由轉(zhuǎn)動(dòng)。 因此不要給馬達(dá)提供動(dòng) 力，把

9、它當(dāng)作制動(dòng)器來(lái)制動(dòng)差速齒。在關(guān)閉狀態(tài)下制動(dòng)馬達(dá)，差速齒很難轉(zhuǎn)動(dòng)， 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)，差速齒轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)器人能夠轉(zhuǎn)彎， 表介紹了一些可 行的組合。當(dāng)左右馬達(dá)以不同的方向運(yùn)行時(shí)，差動(dòng)齒輪鎖馬達(dá)必須處于 float 狀態(tài) 圖帶 16 齒齒輪離合器，傳動(dòng)操縱環(huán)，傳動(dòng)轉(zhuǎn)變鉤 表電動(dòng)差動(dòng)齒輪鎖機(jī)器人如何控制差動(dòng)裝置 左馬達(dá) 右馬達(dá) 差動(dòng)制動(dòng)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(dòng) 向前 向后 浮動(dòng) 原地順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 向后 向前 浮動(dòng) 原地逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng) 向后 向后 停止 向后運(yùn)動(dòng)

10、 所以機(jī)器人將不能快速轉(zhuǎn)彎， 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在 考慮到馬達(dá)在浮動(dòng)狀態(tài)下時(shí)也存在著重大的機(jī)械阻力， 轉(zhuǎn)彎時(shí)將負(fù)荷更大的重力。 使用小角輪走直線 小角輪是差動(dòng)裝置平滑移動(dòng)和轉(zhuǎn)彎的又一個(gè)關(guān)鍵因素，通常我們會(huì)忽略這一點(diǎn)， LEGO Constructopedia 提出圖所示的小角輪結(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(gè)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(dòng)。 按照?qǐng)D表搭建此結(jié)構(gòu)， 試著 讓它轉(zhuǎn)一個(gè)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(gè)輪子打滑，否則它 就不能轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 小角輪結(jié)構(gòu) 圖中的小角輪的結(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

11、免了問題的出現(xiàn)。 右邊的結(jié) 構(gòu)更可靠， 它使用了兩個(gè)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，軸與輪子同時(shí)旋轉(zhuǎn)，而在右邊的結(jié)構(gòu)中，輪在軸上轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 避免打滑的角輪 選擇使用一個(gè)或更多角輪要根據(jù)機(jī)器人的功能， 的前方或后面是保持穩(wěn)定性的好方法。 獨(dú)角輪適用于多種場(chǎng)合， 而雙角輪安放在機(jī)器人 在一些場(chǎng)合， 當(dāng)在平滑的表面上控制重量輕， 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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） 圖 圓形墊塊 搭建雙差動(dòng)裝置 雙差動(dòng)裝置是對(duì)簡(jiǎn)單差動(dòng)機(jī)構(gòu)的一個(gè)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 ,

12、 并使用了 兩個(gè)馬達(dá) （參考圖。它的傳動(dòng)鏈有些復(fù)雜，依靠差動(dòng)齒輪 - 使用兩個(gè)更精確 （參考第九章相關(guān)補(bǔ)充 部件 ） 。 圖雙差動(dòng)裝置 雙差動(dòng)裝置是差動(dòng)齒輪的另外一種用法， 通常輪子是連接在從差動(dòng)齒輪延伸出來(lái)的軸上， 然而在 此結(jié)構(gòu)中， 輪子通過(guò)齒輪連接在差動(dòng)齒輪的外齒。 在第四章中我們闡述了差動(dòng)齒輪能夠在機(jī)械上 對(duì)兩個(gè)獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)作加或減法運(yùn)算， 為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)方法， 用差動(dòng)齒上延伸的軸作為輸入， 且差動(dòng) 齒輪本身將根據(jù)差動(dòng)齒輪內(nèi)部的代數(shù)和來(lái)運(yùn)動(dòng)（兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的代數(shù)疊加）。 在此結(jié)構(gòu)中， 兩個(gè)馬達(dá)為兩個(gè)差動(dòng)齒輪提供動(dòng)力， 特點(diǎn)其中一個(gè)馬達(dá)同向帶動(dòng)差動(dòng)齒輪的輸入軸。 另一個(gè)馬達(dá)以相反的方向驅(qū)

13、動(dòng)第三根輸入軸， 要控制雙差動(dòng)裝置， 只需使用其中一個(gè)馬達(dá)， 讓另 一個(gè)馬達(dá)關(guān)閉。 在圖中所示的結(jié)構(gòu)與圖中的結(jié)構(gòu)相同， 只不過(guò)沒有馬達(dá)， 當(dāng) 1號(hào)馬達(dá)帶動(dòng) 40齒齒輪 A轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 2 號(hào)馬達(dá)使齒輪 B保持靜止， 運(yùn)動(dòng)沿著虛線傳遞 （由圖示 ） 。兩個(gè)差動(dòng)裝置同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)， 機(jī)器人沿直線 向前，另一方面， 1 號(hào)馬達(dá)停止，則齒輪停止，當(dāng) 2 號(hào)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng) B將動(dòng)力沿著實(shí)線傳遞。 差動(dòng)裝置同速不同向旋轉(zhuǎn)，結(jié)果是機(jī)器人在原地轉(zhuǎn)動(dòng) 圖 雙差動(dòng)裝置剖面圖 通常不同時(shí)使用兩個(gè)馬達(dá)， 一個(gè)馬達(dá)用于走直線， 另一個(gè)馬達(dá)用于轉(zhuǎn)彎， 如果根據(jù)馬達(dá)的方向同 時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)馬達(dá)也沒關(guān)系， 因?yàn)閮蓚€(gè)差動(dòng)齒其中一個(gè)

14、會(huì)抵消兩個(gè)相反的輸入， 保持靜止， 而另外 一個(gè)差動(dòng)齒對(duì)兩個(gè)輸入進(jìn)行相加，從而使得速度提高一倍，此時(shí)，機(jī)器人繞著靜止輪轉(zhuǎn)動(dòng)。 雙差動(dòng)裝置一個(gè)非常好的特性是使用一個(gè)角度傳感器就可以精確的檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)類型。 將傳 感器連接到其中一個(gè)輪上， 當(dāng)機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)時(shí)， 使用傳感器來(lái)測(cè)量運(yùn)動(dòng)的距離， 當(dāng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎 時(shí)，用傳感器測(cè)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(shuō)， 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(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)建簡(jiǎn)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

15、動(dòng)裝置導(dǎo)致產(chǎn)生了 負(fù)面影響：磨擦力。 搭建滑動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置 滑動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置是差動(dòng)裝置的一種變化形式， 通常用于履帶式車輛， 但有時(shí)也用于四個(gè)或六個(gè)輪子 的形式。對(duì)于履帶的車輛，唯一的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)就是滑動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置。 在現(xiàn)實(shí)生活中， 挖土機(jī)和一些除 草機(jī)是使用這種裝置的最好例子。 圖展示了一個(gè)簡(jiǎn)單的滑動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置，每一個(gè)履帶都由單獨(dú)馬達(dá)提供能量，由一個(gè) 8 齒輪與一個(gè) 24 齒輪嚙合，并連接在履帶輪上，履帶前輪不需驅(qū)動(dòng)。 帶輪滑動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置需要一個(gè)有效的裝置， 將動(dòng)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。 圖中的模型每側(cè)使用五個(gè) 24 齒輪嚙合， 它們像履帶那樣從每個(gè)馬達(dá)那里獲得動(dòng)力

16、， 每一個(gè)輪軸用于安裝齒輪，這些齒輪都被用于傳遞運(yùn)動(dòng)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 帶輪滑動(dòng)掌舵裝置 履帶機(jī)器人搭建簡(jiǎn)單且動(dòng)作有趣，因此，許多樂高愛好者都采用此結(jié)構(gòu)。與差動(dòng)裝置比較而言， 當(dāng)兩條履帶以同向運(yùn)行時(shí)機(jī)器人向前行進(jìn)， 方向或速度上有差別就會(huì)使機(jī)器人轉(zhuǎn)彎， 原地轉(zhuǎn)彎也 有可能實(shí)現(xiàn)。滑動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置也具有差動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)機(jī)器人走直線所具有的缺點(diǎn)。 最后總結(jié)滑動(dòng)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(dòng)力。 ■

17、在利用機(jī)器人運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定位時(shí)，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?本身具有的缺陷：產(chǎn)生滑動(dòng)。 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(gè)前轉(zhuǎn)向輪和兩個(gè)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(dòng)后輪或者前輪或者是四只輪子， 利用樂高來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)方法非常簡(jiǎn)單， 這也 是為什么要介紹它的原因。 盡管它比差動(dòng)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(shí)， 只有一個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)輪子， 因?yàn)槟阈枰渌难b置轉(zhuǎn)動(dòng)前 輪，因此你的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置需要有差動(dòng)機(jī)構(gòu)一

18、半的動(dòng)力，才能使你的機(jī)器人良好的沿直線行走。 圖、展示了二個(gè)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，除動(dòng)作細(xì)節(jié)外，這兩個(gè)模型具有相同的結(jié)構(gòu)特性。例如：后輪 都是通過(guò)一只差動(dòng)齒輪與驅(qū)動(dòng)馬達(dá)相連， 在第二章中我們闡述過(guò)如果想讓機(jī)器人轉(zhuǎn)彎， 就必須使 用差動(dòng)。輔助馬達(dá)掌握前輪控制機(jī)器人的行進(jìn)方向。注意我們使用了一只帶子來(lái)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)， 主要是利用它的極限扭轉(zhuǎn)來(lái)避免能力過(guò)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(cè)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(dòng)時(shí)至少也要一只觸動(dòng)傳感器。 在轉(zhuǎn)完后 你可使用定時(shí)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 轉(zhuǎn)向裝置

19、 圖另一種轉(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?cè)谇懊嬖O(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向輪轉(zhuǎn)動(dòng)的角度相同，但這個(gè)機(jī)構(gòu)就不是這樣的，在轉(zhuǎn)彎 時(shí)，內(nèi)輪的轉(zhuǎn)角比外輪的大。里面的輪子比外部的輪轉(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(gè)理論說(shuō)明了當(dāng)從輪 子延長(zhǎng)的線交于一點(diǎn)時(shí)，車就能平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動(dòng)并且始終圍繞這一交點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng) （ 圖 圖 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

20、高搭建建阿克慢結(jié)構(gòu)是可行的，在 14 章將有對(duì)前輪驅(qū)動(dòng)更進(jìn)一步的說(shuō)明。 圖與中兩種模型都使用了 齒輪齒條 轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)， 一個(gè) 8 齒齒輪 （小齒輪） 與一個(gè)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(gè)轉(zhuǎn)向臂和兩 塊光滑平板。 將這些組件設(shè)計(jì)成一個(gè)組合部件， 創(chuàng)造出一種使用更簡(jiǎn)易的使用在許多樂高工藝車、 2x8 的板替換 1*10 卡車模型上的轉(zhuǎn)向裝置。模型只使用了機(jī)器人套裝的基本部件，必須要使用 板，用自制的去替換轉(zhuǎn)向臂。 此結(jié)構(gòu)整個(gè)前面部分都是由梁搭建起來(lái)的， 用于支撐輪子和轉(zhuǎn)向機(jī) 構(gòu)，但通常還需要一個(gè)光滑的表面用于齒條滑動(dòng)。 當(dāng)你

21、建好這個(gè)裝置后， 把輪子移到樞軸后面變成一個(gè)自定心轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu) （在很多情況下的一種明顯 的特性）。在圖中的 a 圖，輪子裝在樞軸下面，這樣不會(huì)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(dòng)態(tài)向前運(yùn)動(dòng)從而推動(dòng)輪子向后運(yùn)動(dòng)， 產(chǎn)生自定心的動(dòng)作。 觀察購(gòu)物車 的結(jié)構(gòu)你就知輪子為什么裝在中軸上，把輪子越往樞軸后面移動(dòng)，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(huì)引起轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不穩(wěn)定。事實(shí)上，輪子會(huì)向后走使 你的車子自然轉(zhuǎn)彎。 圖移動(dòng)中軸線上的輪子 我們鼓勵(lì)你去嘗試這些方案，自己搭建一個(gè)簡(jiǎn)單的底盤去探索圖中各種結(jié)構(gòu)的特性。 轉(zhuǎn)向裝置十分適用于粗糙的表

22、面， 因?yàn)樗兴膫€(gè)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(gè)驅(qū)動(dòng)輪會(huì)長(zhǎng)期離地， 否則差動(dòng)機(jī)構(gòu)將會(huì)把所有動(dòng)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(dòng)。 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(gè)無(wú)滑差動(dòng)機(jī)構(gòu)能夠大大減少上述的 問題。 皮帶能夠保持驅(qū)動(dòng)軸以同速轉(zhuǎn)動(dòng)， 然后在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中它們會(huì)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(huì)將大部分能量傳遞到其它輪子上。 圖 無(wú)滑差動(dòng)機(jī)構(gòu) 搭建一個(gè)三輪裝置 圖） 。三輪驅(qū)動(dòng)裝置的 三輪裝置由一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)彎的前輪及兩個(gè)保持穩(wěn)定的獨(dú)立后輪組成 獨(dú)

23、特之處在：前輪既作為驅(qū)動(dòng)又作為轉(zhuǎn)向裝置，使機(jī)器人的活動(dòng)更靈活。 圖 三輪裝置 你也許認(rèn)為把后輪作為驅(qū)動(dòng)輪也會(huì)得到與前輪作為驅(qū)動(dòng)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(shí)，你最終會(huì)發(fā)現(xiàn)一個(gè)情況：后輪不能再把動(dòng)力轉(zhuǎn)換成運(yùn)動(dòng)。 這個(gè)裝置的最大轉(zhuǎn)角是當(dāng)外輪可以沿著內(nèi)輪畫一個(gè)圓，另一方面，前驅(qū)動(dòng)輪可以控制任何轉(zhuǎn)角， 甚至是前輪與后輪的運(yùn)動(dòng)方向成垂直角度時(shí)。 理論上， 驅(qū)動(dòng)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(gè)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

24、轉(zhuǎn)一個(gè) 360 度。 在平常使用中， 轉(zhuǎn) 180 度就能夠活動(dòng)自如。 因?yàn)樵?180 度到 360 等的范圍等同與 0 度到 180 度向 反向運(yùn)動(dòng)， 換句話說(shuō)： 210 度馬達(dá)向前運(yùn)動(dòng)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(cè)轉(zhuǎn)向輪的方位。 搭建同步驅(qū)動(dòng)裝置 同步驅(qū)動(dòng)裝置使用三個(gè)或更多的輪子，他們都作為轉(zhuǎn)向與驅(qū)動(dòng)裝置。它們同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)并保持一致， 因此機(jī)器人改變運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(cuò)的同步驅(qū)

25、動(dòng)裝置。 制作 360 度同步驅(qū)動(dòng)裝置并且避免任何轉(zhuǎn)動(dòng)的極限， 關(guān)鍵是沿著每一個(gè)輪子的樞軸傳遞運(yùn)動(dòng)。 最 簡(jiǎn)單的方法需要一個(gè)叫轉(zhuǎn)盤的特殊部件， 應(yīng)用于樂高模型中的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)， 支持起重機(jī)或挖土機(jī) （ 圖 圖 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(lái)驅(qū)動(dòng)。 在圖展示出一個(gè)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動(dòng)一起轉(zhuǎn)動(dòng)， 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(dòng)裝置不通過(guò)移動(dòng)而原地改變方向， 為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)方法， 圖、兩裝置相似， 但不可互換， 圖中的轉(zhuǎn)盤的底部能順利轉(zhuǎn)動(dòng)但圖不可以。 這是因?yàn)閳D中的輪沒有與忠心軸連接所

26、以當(dāng)它轉(zhuǎn)向時(shí)， 它只能移動(dòng)一些距離。 圖中的傳動(dòng)裝置使得輪子以適當(dāng)?shù)姆较蜣D(zhuǎn)動(dòng)而中的傳動(dòng)裝 置使輪子反對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)， 我們描述的是一個(gè)精細(xì)的差異。 我們?cè)俅窝?qǐng)你親自動(dòng)手搭建這兩個(gè)結(jié)構(gòu)并 看一看它們?cè)鯓庸ぷ鞯摹? 圖 可行的輪胎同步驅(qū)動(dòng)裝置 圖錯(cuò)誤的輪胎同步驅(qū)動(dòng)裝置 建造一個(gè)完整的同步驅(qū)動(dòng)裝置你至少需要三個(gè)上述的轉(zhuǎn)盤然后把它們連接在一起用一個(gè)馬達(dá)同 時(shí)驅(qū)動(dòng)所有的軸然而其余的馬達(dá)可以同時(shí)旋轉(zhuǎn)所有的軸。 圖你看到是四輪同步驅(qū)動(dòng)裝置的仰視圖。 注意我們用 8 齒的齒輪把轉(zhuǎn)盤連接起來(lái)， 實(shí)現(xiàn)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。 驅(qū)動(dòng)任何一只 8 齒輪都 會(huì)使機(jī)器人改變方向。 圖一個(gè)完整的同步驅(qū)動(dòng)裝置（仰視圖） 圖是完整同步驅(qū)

27、動(dòng)裝置的俯視圖。 40 齒大齒輪通過(guò)四對(duì)斜齒輪驅(qū)動(dòng)輪子， 其他 40- 齒輪負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)彎， 對(duì)一個(gè)完整的同步驅(qū)動(dòng)裝置，你必須加二個(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng) A 和 B，可以使用 8 齒獲得一個(gè)比較高的傳 動(dòng)比。 任何人都會(huì)對(duì)同步驅(qū)動(dòng)裝置的動(dòng)作會(huì)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(gè)緩沖裝置。同步驅(qū)動(dòng)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(jī)器人有四 面，沒必要在在四面使用四個(gè)端口連接四個(gè)傳感器 （RCX只有三個(gè)輸入 ） ，你可以在相同的端口連 出四個(gè)觸動(dòng)傳感器， 使用并接的方式， 任何

28、一個(gè)傳感器被按下， 就會(huì)反饋給 RCX一個(gè)“ on“狀態(tài)。 或者只用一個(gè)單獨(dú)的全方位的傳感器（如圖所示） ；觸動(dòng)傳感器被正常關(guān)閉， 然而任何時(shí)間打開 后上面的軸將脫離初始值 （通過(guò)橡皮帶保持 ） 用管或軸把佻的機(jī)器人包起來(lái)把此環(huán)連接到全方位 傳感器上就可以了。 圖 完全同步驅(qū)動(dòng)器 （ 俯視圖 ） 圖全方位觸動(dòng)傳感器 其他結(jié)構(gòu) 我們的介紹并沒有完全包括所有活動(dòng)結(jié)構(gòu)，有其它更多的好的獨(dú)特的類型： 多自由角度車型簡(jiǎn)稱 （MDOF） MDOF車有三個(gè)或更多輪子或一組輪子，獨(dú)立的轉(zhuǎn) 彎與驅(qū)動(dòng)裝置， 想象同步驅(qū)動(dòng)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(dòng) 裝置裝置裝置或同步裝置

29、是通過(guò)軟件控制它的結(jié)構(gòu)。 雖然它們?cè)诖罱ㄅc控制上有很大的區(qū)別， 但 在使用上，對(duì)學(xué)習(xí)有利，且具有多用性，事實(shí)上他們運(yùn)動(dòng)并不相同 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(guò)一個(gè)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 輪軸驅(qū)動(dòng)裝置 由無(wú)心軸輪組成的底盤組成，中間帶有一個(gè)可升降的平臺(tái)，當(dāng) 平臺(tái)升起時(shí)， 機(jī)器人完全按照輪子的方向直線運(yùn)動(dòng)。 當(dāng)轉(zhuǎn)彎時(shí)， 機(jī)器人停止并降低平臺(tái)直到輪子 不再觸到地面。此時(shí)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)以改變方向，然后再升起平臺(tái)繼續(xù)直線運(yùn)動(dòng)。 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(gè)“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(gè)輪子， 每三個(gè)作為一個(gè) “輪子” 當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)并且三角形就好像大輪子轉(zhuǎn)動(dòng)一樣。 常規(guī)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 每個(gè)三角形的兩個(gè)輪子觸地， 但當(dāng) 一個(gè)輪子碰到障礙物時(shí)， 一個(gè)復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)傳遞運(yùn)動(dòng)給三角形結(jié)構(gòu)， 它能轉(zhuǎn)動(dòng)并將它上面的輪 子越過(guò)障礙物，雖然很復(fù)雜但很有趣 我們希望通過(guò)這些結(jié)構(gòu)可以滿足你的好奇心， 同時(shí)鼓勵(lì)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(lái)建造