1、WORD格式樂高機器人 - 運動篇8.1 簡介靈活的思維造就出了許許多多的機器人， 運動使創造物獲得了生命， 帶來無限的樂趣，同時也對自己的創造力進展了挑戰。 大多數運動機器人都屬于輪子型與腿型機器人。雖然輪子在光滑的外表很有效，但是在凹凸不平的地面上運動，腿提供了更有力的方式。底盤構造是為了突出顯示它們的傳動系統和連接情況，因此，在實際搭建中還需對此構造加固。8.2 簡單的差動裝置機器人具有很多優點 尤其具有簡單性 ，至少在樂高的可移動機器人中常用到此構造。 差動裝置由機器人兩邊兩個平行的驅動輪構成， 單獨提供動力， 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

2、稱這個裝置為差動裝置是因為機器人的運動矢量是由兩個獨立部件產生的它與差速齒輪沒有關系，此裝置上沒有使用差速齒輪。當兩個驅動輪以一樣方向、 一樣速度轉動時， 機器人作直線運動。 如果兩個輪子轉動速度一樣，但方向相反時，機器人會繞著連接兩輪線段的中心點旋轉。根據輪子不同的轉向，表 8.1 列出了機器人的不同運動狀態。專業資料整理WORD格式圖 8.1 簡單差動裝置專業資料整理WORD格式表 8.1 輪子不同的旋轉方向產生不同的運動狀態左輪右輪機器人停頓停頓停頓停頓向前轉動繞著左輪逆時針轉動停頓向后轉動繞著左輪順時針轉動向前轉動停頓繞著右輪順時針轉動向前轉動向前轉動向前運動向前轉動向后轉動原地順時針

3、旋轉向后轉動停頓繞著右輪逆時針轉動向后轉動向前轉動原地逆時針旋轉向后轉動向后轉動向后運動組合不同方向和速度， 機器人可以做任意半徑的旋轉。 因為它的靈活性、 及原地旋轉的功能成為許多工程的教學器具。 另外，由于它很容易實現， 所以樂高有一半以上的運動機器人屬于此構造。假設你想跟蹤機器人的位置， 那差動裝置又是比較好的選擇， 僅僅需要簡單的數學知識。 這種構造只有一種弊端： 它不能保證機器人筆直的運動， 因為兩個馬達的成效總有差異， 一個輪子會比另外一個輪子轉動的快一點， 因此使得機器人略微偏左或偏右。在某些應用中這中情況不會有問題，可以通過編程來防止，比方使機器人沿線走或在迷宮中尋找路線行走，

4、 但是讓機器人在空地上走直線恐怕不行。8.2.1 直線運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。 如果你有兩個以上的馬達， 盡量找兩個速度最匹配的馬達， 這種方式也不能確保機器人走直線，但至少能減小走偏的情況。專業資料整理WORD格式另一種簡單的方法是通過軟件調整速度。 在第 3 章介紹過程序能控制每個馬達的速度，在程序中選擇最有效的能量等級直到適宜為止， 這種方法的問題在于機器人負載發生變化，兩馬達速度需重新調整。使用傳感器讓機器人直線運動讓機器人直線運動的一種更有效果的方法是在系統中參加反響裝置。從而，根據外界的變化， 使用傳感器來控制和調整每

5、一個馬達的速度， 這也是現實生活中大多數差動裝置所具有的的構造。 可以為每一個驅動輪附加計轉器 測量輪子旋轉次數裝置，以便在軟件中控制馬達功補償兩輪間的轉速差。 樂高角度傳感器在此應用中可以作為首選。 在每一個輪子上安裝一個角度傳感器并測量計數的差異，然后停頓或降低較快的輪子以保持兩個傳感器的計數一樣。 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， 如果馬達啟動但輪子不轉，可推斷機器人被某物卡住了。 另外你也可使用角度傳感器實現準確角度定位。最后，角度傳感器提供了最根本功能：使用 odometry 技術讓機器人計算出自己的位置。使用齒輪讓機器人直線運動如果你只有一個角度

6、傳感器， 可以使用驅動輪之間的速度差取代輪子的實際轉速，差速齒輪，你能使用它加或減。如果差動齒輪與驅動齒輪連在一起，它會把傳動方式傳遞給另一個齒輪。當輪子以同速轉動時差動齒輪將停頓轉動。假設兩輪的速度有任何的差異， 差動齒輪的轉動和它的方向將告知你哪一個輪子轉速快。 如圖 8.2 所示的構造， 即使你沒有角度傳感器， 也建議你搭建這種構造，因為此構造具有指導作用。 我們省略了馬達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。 右邊傳動鏈的作用是變換與差速齒輪配合軸的轉向，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動。專業資料整理WORD格式圖 8.2

7、 使用單個角度傳感器觀察左右輪速度的差異一個更根本方法是你在需要走直線時， 同時鎖住兩個輪子， 此系統非常有效的使你的機器人走直線。 它需要第三只馬達來控制制動系統， 同時也需要附加傳動系統簡化制動構造。 圖 8.3 展示了具有特殊部件制動機構的例如： 暗灰色帶離合器 16 齒齒輪，傳動驅動環和傳動轉變鉤，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動， 驅動環將被安裝在軸上。 當你把驅動環與齒輪套在一起時使用轉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 展示的構造，用馬達取代角度傳感器， 回憶第四章馬達能當作制動器使用：在馬達關閉狀態，會

8、阻止運動，在 float 狀態馬達仍無動力，但可以自由轉動。 因此不要給馬達提供動力， 把它當作制動器來制動差速齒。 在關閉狀態下制動馬達， 差速齒很難轉動， 從而使你的機器人沿直線前進， 另一方專業資料整理WORD格式面 float 狀態使用馬達， 差速齒轉動， 機器人能夠轉彎， 表 8.2 介紹了一些可行的組合。當左右馬達以不同的方向運行時， 差動齒輪鎖馬達必須處于 float 狀態圖 8.4 帶 16 齒齒輪離合器，傳動操縱環，傳動轉變鉤表 8.2 電動差動齒輪鎖機器人如何控制差動裝置左馬達右馬達差動制動馬達機器人狀態停頓停頓停頓保持靜止向前向前停頓向前運動向前向后浮動原地順時針轉動向后

9、向前浮動原地逆時針轉動向后向后停頓向后運動考慮到馬達在浮動狀態下時也存在著重大的機械阻力， 所以機器人將不能快速轉彎，驅動馬達在轉彎時將負荷更大的重力。專業資料整理WORD格式使用小角輪走直線小角輪是差動裝置平滑移動和轉彎的又一個關鍵因素， 通常我們會忽略這一點， LEGO Constructopedia 提出圖 8.5 所示的小角輪構造，但是小角輪設計上還存在著欠缺， 它在一根軸上使用了兩個輪子， 在第二章中你已經知道此構造的輪子不能獨立轉動。 按照圖表搭建此構造， 試著讓它轉一個急彎， 它的效果不是很好，為什么？事實上，除非你使其中的一個輪子打滑，否那么它就不能轉動。圖 8.5 小角輪構造

10、圖 8.6 中的小角輪的構造有了一定的改進， 左邊的構造使用了單輪徹底防止了問題的出現。 右邊的構造更可靠， 它使用了兩個自由輪允許小輪在原地轉彎防止了磨擦與打滑的問題， 兩種構造的區別在輪軸、 在左邊構造中， 軸與輪子同時旋轉，而在右邊的構造中，輪在軸上轉動。專業資料整理WORD格式圖 8.6防止打滑的角輪專業資料整理WORD格式選擇使用一個或更多角輪要根據機器人的功能， 獨角輪適用于多種場合， 而雙角輪安放在機器人的前方或后面是保持穩定性的好方法。在一些場合，當在平滑的外表上控制重量輕，構造簡單的機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角輪圖8.7 。圖 8.7圓形墊塊8.

11、3 搭建雙差動裝置雙差動裝置是對簡單差動機構的一個改進構造， 主要從機械構造上解決走直線的問題 , 并使用了兩個馬達 ( 參考圖 8.8) 。它的傳動鏈有些復雜，依靠差動齒輪 - 使用兩個更準確。專業資料整理WORD格式圖 8.8 雙差動裝置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， 然而在此構造中， 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械上對兩個獨立的運動作加或減法運算， 為了實現這個方法，用差動齒上延伸的軸作為輸入， 且差動齒輪本身將根據差動齒輪內部的代數和來運動兩個運動方向的代數疊加。在此構造中，兩個馬達為兩個差動

12、齒輪提供動力， 特點其中一個馬達同向帶動差動齒輪的輸入軸。 另一個馬達以相反的方向驅動第三根輸入軸， 要控制雙差動裝置，只需使用其中一個馬達，讓另一個馬達關閉。在圖 8.9 中所示的構造與圖 8.8 中的構造一樣， 只不過沒有馬達， 當 1 號馬達帶動 40 齒齒輪 A 轉動時， 2 號馬達使齒輪 B 保持靜止，運動沿著虛線傳遞 ( 由圖示 ) 。兩個差動裝置同時轉動，機器人沿直線向前，另一方面， 1 號馬達停頓，那么齒輪停頓， 當 2 號電機轉動， 帶動 B 將動力沿著實線傳遞。 差動裝置同速不同向旋轉，結果是機器人在原地轉動。圖 8.9雙差動裝置剖面圖通常不同時使用兩個馬達， 一個馬達用于

13、走直線， 另一個馬達用于轉彎， 如果根據馬達的方向同時驅動兩個馬達也沒關系， 因為兩個差動齒其中一個會抵消專業資料整理WORD格式兩個相反的輸入， 保持靜止，而另外一個差動齒對兩個輸入進展相加， 從而使得速度提高一倍，此時，機器人繞著靜止輪轉動。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準確的檢測機器人的運動類型。 將傳感器連接到其中一個輪上， 當機器人直線運動時， 使用傳感器來測量運動的距離，當機器人轉彎時，用傳感器測量方向的改變量。當然我們仍要牢記在機械構造有得必有失， 換句話說，這種具有獨創性的構造有它的缺點。 首先是它非常復雜， 我們展示了構造的平面圖可以更容易理解它們的配合

14、，然而你自己也可使用多種傳動機構構建簡易的機器人 ( 可能仍需一些齒輪或者是更少的 ) ，這種復雜的傳動裝置導致產生了負面影響：磨擦力4 搭建滑動轉向裝置滑動轉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， 唯一的驅動設計就是滑動轉向裝置。在現實生活中，挖土機和一些除草機是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向裝置，每一個履帶都由單獨馬達提供能量，由一個 8 齒輪與一個 24 齒輪嚙合，并連接在履帶輪上，履帶前輪不需驅動。帶輪滑動轉向裝置需要一個有效的裝置， 將動力傳到所有的輪子上， 否那么機器人不能順利轉彎或者

15、不能轉彎。圖 8.11 中的模型每側使用五個 24 齒輪嚙合，它們像履帶那樣從每個馬達那里獲得動力， 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，你可以組合成此構造，圖片中的圓形輪胎由補充套裝提供。專業資料整理WORD格式圖 8.11 帶輪滑動掌舵裝置履帶機器人搭建簡單且動作有趣， 因此，許多樂高愛好者都采用此構造。 與差動裝置比較而言， 當兩條履帶以同向運行時機器人向前行進， 方向或速度上有差異就會使機器人轉彎， 原地轉彎也有可能實現。 滑動轉向裝置也具有差動裝置驅動機器人走直線所具有的缺點。最后總結滑動轉向裝置的特點： 在粗糙的地面上履帶與

16、輪子相比，履帶更易控制然而它不太租用光滑的外表 履帶構造產生了更大的摩擦力消耗了馬達提供的局部動力。 在利用機器人運動進展定位時，這種構造的機器人是不適合定位的，因為它們不能防止本身具有的缺陷：產生滑動。8.5 搭建轉向裝置轉向裝置是用于各種車型的標準構造，由兩個前轉向輪和兩個固定后輪構成，它也適用在機器人身上使用。 你可以驅動后輪或者前輪或者是四只輪子， 利用樂高來實現這個方法非常簡單， 這也是為什么要介紹它的原因。 盡管它比差動專業資料整理WORD格式裝置的通用性要差， 并且不能在原地轉彎或急轉彎， 但此構造也有很多優點： 易實現沿直線行走，且在粗糙路面上行走具有較高穩定性。當使用機器人根

17、本套裝搭建轉向裝置時， 只有一個馬達驅動輪子， 因為你需要其它的裝置轉動前輪， 因此你的轉動裝置需要有差動機構一半的動力， 才能使你的機器人良好的沿直線行走。圖 8.12 、 8.13 展示了二個簡單的轉向機構，除動作細節外，這兩個模型具有一樣的構造特性。 例如：后輪都是通過一只差動齒輪與驅動馬達相連， 在第二章中我們闡述過如果想讓機器人轉彎， 就必須使用差動。 輔助馬達掌握前輪控制機器人的行進方向。 注意我們使用了一只帶子來驅動轉向機構， 主要是利用它的極限扭轉來防止能力過程中損傷機械構造或馬達。 你最好添加一只傳感器偵測轉向輪的位置，更好的控制機器人的方向。 當轉向裝置轉動時至少也要一只觸

18、動傳感器。在轉完后你可使用定時方式或傳感器使機器人再變為先前的行進方向。圖 8.12 轉向裝置專業資料整理WORD格式圖 8.13 另一種轉向裝置方法與技巧使用梯形轉向機構阿克曼轉向機構現實中使用轉向機構的車都是根據梯形轉向機構的原理進展設計的 ( 阿克曼為此裝置的首創人 ) 。我們在前面設計的轉向輪轉動的角度一樣，但這個機構就不是這樣的，在轉彎時，內輪的轉角比外輪的大。 里面的輪子比外部的輪轉彎急。在大半徑的轉彎中差異很小， 可忽略。在急轉彎中此差異變得相當明顯且容易使內輪鎖死。阿克曼轉向機構在設計上補償了內輪轉角的差異， 因此解決了普通轉向機構的缺點。 這個理論說明了當從輪子延長的線交于一

19、點時， 車就能平穩的轉動并且始終圍繞這一交點轉動 ( 圖 8.14)專業資料整理WORD格式圖 8.14 阿克曼轉向機構：內部輪比外部輪轉彎急專業資料整理WORD格式使用樂高搭建建阿克慢構造是可行的，在 14 章將有對前輪驅動更進一步的說明。圖 8.12 與 8.13 中兩種模型都使用了 齒輪齒條 轉向機構，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，兩個轉向臂和兩塊光滑平板。將這些組件設計成一個組合部件， 創造出一種使用更簡易的使用在許多樂高工藝車、 卡車模型上的轉向裝置。 8.12 模型只使用了機器人套裝的根本部件，必

20、須要使用2x8 的板替換 1*10 板，用自制的去替換轉向臂。 此構造整個前面局部都是由梁搭建起來的，用于支撐輪子和轉向機構，但通常還需要一個光滑的外表用于齒條滑動。當你建好這個裝置后， 把輪子移到樞軸后面變成一個自定心轉向機構 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向。 如果輪子裝在轉向柱的后面， 輪子摩擦引起車的動態向前運動從而推動輪子向后運動， 產生自定心的動作。 觀察購物車的構造你就知輪子為什么裝在中軸上，把輪子越往樞軸后面移動，如圖 B、C，就越容易產生自定心。不要把輪子裝在樞軸的前面，如圖 d，會引起轉向機構不穩定。事實上，

21、輪子會向后走使你的車子自然轉彎。圖 8.15 移動中軸線上的輪子自己搭建一個簡單的底盤去探索圖8.15 中各種構造的特性。轉向裝置十分適用于粗糙的外表， 因為它有四個輪胎非常平穩， 你可以使用其它的方法改善此構造。 另外重要一點是此構造沒有一個驅動輪會長期離地， 否專業資料整理WORD格式那么差動機構將會把所有動力傳遞到阻力最小的輪子上， 結果導致輪子打轉， 使你的機器人變得不能運動。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構能夠大大減少上述的問題。 皮帶能夠保持驅動軸以同速轉動， 然后在轉彎過程中它們會在皮帶輪上發生打滑現象以便調整輪子的速度。 將一只輪子脫離地面皮帶也

22、會將大局部能量傳遞到其它輪子上。圖 8.16無滑差動機構8.6 搭建一個三輪裝置三輪裝置由一個用于驅動和轉彎的前輪及兩個保持穩定的獨立后輪組成圖 8.17 。三輪驅動裝置的獨特之處在：前輪既作為驅動又作為轉向裝置，使機器人的活動更靈活。專業資料整理WORD格式圖 8.17 三輪裝置你也許認為把后輪作為驅動輪也會得到與前輪作為驅動輪一樣的結果， 但是只有在一定轉角內才一樣。 事實上，轉向裝置在轉急彎時， 你最終會發現一個情況：后輪不能再把動力轉換成運動。 這個裝置的最大轉角是當外輪可以沿著內輪畫一個圓，另一方面，前驅動輪可以控制任何轉角， 甚至是前輪與后輪的運動方向成垂直角度時。理論上，驅動輪可

23、以轉 360 度可以轉向任何方向， 這意味著你可以搭建一個轉位自由的機構 娛樂公園套裝中有這種構造的例子。我們圖 8.14 中的例子，能夠轉 360 度，但是由于馬達與 RCX的連接線使此機構只能轉一個 360 度。在平常使用中， 轉 180 度就能夠活動自如。 因為在 180 度到 360 等的X圍等同與 0 度到 180 度向反向運動，換句話說：210 度馬達向前運動等同于 30 度(210度 -180 度=30 度 ) 馬達向后轉。你可用傳感器偵測轉向輪的方位。8.7 搭建同步驅動裝置同步驅動裝置使用三個或更多的輪子， 他們都作為轉向與驅動裝置。 它們同時轉動并保持一致，因此機器人改變運

24、動方向但不改變它的方位。使用樂高部件組建搭建同步驅動裝置非常具有挑戰性， 在幾年以前有人嘗試但沒有人能夠成功完成。 現在，障礙被攻破了， 如果你上網你能發現許多用樂高搭建的很不錯的同步驅動裝置。制作 360 度同步驅動裝置并且防止任何轉動的極限， 關鍵是沿著每一個輪子的樞軸傳遞運動。 最簡單的方法需要一個叫轉盤的特殊部件， 應用于樂高模型中的旋轉平臺，支持起重機或挖土機 ( 圖 8.18)專業資料整理WORD格式圖 8.18 樂高轉盤你可以把輪子固定在轉盤的一邊，并且使用轉盤中心的一根軸來驅動。在圖8.19展示出一個實例，注意轉盤被顛倒，因為輪子必須與轉盤連接在一起由外齒帶動一起轉動，因此機器

25、人將完全或向下突出設計。我們想讓我們的同步驅動裝置不通過移動而原地改變方向， 為了實現這個方法，圖 8.19 、8.20 兩裝置相似，但不可互換，圖 8.19 中的轉盤的底部能順利轉動但圖 8.20 不可以。這是因為圖 8.20 中的輪沒有與忠心軸連接所以當它轉向時，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的方向轉動而 8.20 中的傳動裝置使輪子反對轉動， 我們描述的是一個精細的差異。 我們再次邀請你親自動手搭建這兩個構造并看一看它們怎樣工作的。專業資料整理WORD格式圖 8.19 可行的輪胎同步驅動裝置專業資料整理WORD格式圖 8.20 錯誤的輪胎同步驅動裝置建造一

26、個完整的同步驅動裝置你至少需要三個上述的轉盤然后把它們連接在一起用一個馬達同時驅動所有的軸然而其余的馬達可以同時旋轉所有的軸。圖 8.21 你看到是四輪同步驅動裝置的仰視圖。注意我們用 8 齒的齒輪把轉盤連接起來，實現同時轉動。驅動任何一只 8 齒輪都會使機器人改變方向。圖 8.21 一個完整的同步驅動裝置仰視圖圖 8.22 是完整同步驅動裝置的俯視圖。 40 齒大齒輪通過四對斜齒輪驅動輪子，其他 40- 齒輪負責轉彎，對一個完整的同步驅動裝置，你必須加二個馬達驅動 A 和 B，可以使用 8 齒獲得一個比較高的傳動比。專業資料整理WORD格式任何人都會對同步驅動裝置的動作會感到驚訝， 你也不例外，假設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。 同步驅動裝置中“前和“后的概念被淡化了，