樂高機(jī)器人直線行走

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1、. n 簡單的差速驅(qū)動(dòng)裝置 n 雙差速驅(qū)動(dòng)裝置 n 制動(dòng)轉(zhuǎn)向裝置 n 轉(zhuǎn)向裝置 n 三輪裝置 n 同步驅(qū)動(dòng)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(dòng)使創(chuàng)造物獲得了生命，帶來無限的樂趣，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。 8.2簡單的差動(dòng)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(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(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

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(dòng)狀態(tài)。 圖8.1簡單差動(dòng)裝置 表8.1 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

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(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)用中這中情況不會(huì)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(dòng) 使用簡單差動(dòng)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(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(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(gè)輪子上安裝一個(gè)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(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探測障礙物，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)?3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，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

7、同速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)差動(dòng)齒輪將停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 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。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(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差動(dòng)齒輪是否轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖8.2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)來控制制動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)也需要附加傳動(dòng)系統(tǒng)簡化

8、制動(dòng)結(jié)構(gòu)。圖8.3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8.3可制動(dòng)差動(dòng)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(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，把它當(dāng)作制動(dòng)器來制動(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)，

9、差速齒轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)，差動(dòng)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(dòng)操縱環(huán)，傳動(dòng)轉(zhuǎn)變鉤 表8.2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) 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，所以機(jī)器人將不能快速轉(zhuǎn)彎，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)在轉(zhuǎn)彎時(shí)將負(fù)荷更大的重力。 使用小角輪走

10、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(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(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，

11、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8.6 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，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(dòng)裝置 雙差動(dòng)裝置是對(duì)簡單差動(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,并使用了兩個(gè)馬達(dá)(參考圖8.8)。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8.8雙差動(dòng)裝置

12、 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)齒輪延伸出來的軸上，然而在此結(jié)構(gòu)中，輪子通過齒輪連接在差動(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)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(hào)馬達(dá)帶動(dòng)40齒齒輪

13、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 8.9 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)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機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)類型

14、。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)，使用傳感器來測量運(yùn)動(dòng)的距離，當(dāng)機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)，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(dòng)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(dòng)裝置導(dǎo)致產(chǎn)生了負(fù)面影響：磨擦力。 8.4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

15、使用這種裝置的最好例子。 圖8.10展示了一個(gè)簡單的滑動(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8.11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，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8.11 帶輪滑動(dòng)掌舵裝置 履帶機(jī)器人搭建簡單且動(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)

16、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)?；瑒?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。 ■ 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)樗鼈儾荒鼙苊獗旧砭哂械娜毕荩寒a(chǎn)生滑動(dòng)。 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(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，

17、利用樂高來實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(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)一半的動(dòng)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(gè)簡單的轉(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

18、們使用了一只帶子來驅(qū)動(dòng)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(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?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

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(gè)理論說明了當(dāng)從輪子延長的線交于一點(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(duì)前輪驅(qū)動(dòng)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(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

20、件設(shè)計(jì)成一個(gè)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(gè)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(gè)光滑的表面用于齒條滑動(dòng)。 當(dāng)你建好這個(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8.15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(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8.15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€(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)

22、動(dòng)軸以同速轉(zhuǎn)動(dòng)，然后在轉(zhuǎn)彎過程中它們會(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 8.16 無滑差動(dòng)機(jī)構(gòu) 8.6搭建一個(gè)三輪裝置 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（圖8.17）。三輪驅(qū)動(dòng)裝置的獨(dú)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8.17 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)

23、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(gè)360度。 在平常使用中，轉(zhuǎn)180度就能夠活動(dòng)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(dòng)，換句話說：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)。你可用傳感器偵測轉(zhuǎn)向輪的方位。 8.7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)

24、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)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(dòng)。在圖8.19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

25、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)裝置不通過移動(dòng)而原地改變方向，為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)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(dòng)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(shí)，它只能移動(dòng)一些距離。圖8.19中的傳動(dòng)裝置使得輪子以適當(dāng)?shù)姆较蜣D(zhuǎn)動(dòng)而8.20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8.19 可行的輪胎同步驅(qū)動(dòng)裝置 圖8.20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

26、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8.21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，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8.21一個(gè)完整的同步驅(qū)動(dòng)裝置（仰視圖） 圖8.22是完整同步驅(qū)動(dòng)裝置的俯視圖。40齒大齒輪通過四對(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“

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(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8.23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(dòng)器(俯視圖) 圖8.23全方位觸動(dòng)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(dòng)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(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是通過軟件控制它的結(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 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(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)備上。 n 輪軸驅(qū)動(dòng)裝置 由無心軸輪組成的底盤組成，中間帶有一個(gè)可升降的

29、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)。 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(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(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。 .