1、樂高機器人教程3 HYPERLINK /blog/ l m=0&t=1&c=fks_081070080087089075082094074070092080088074085084081 o 默認分類 默認分類 2023-06-24 21:53:56 閱讀676 評論0 字號：大中小訂閱 控制馬達 在機器人系統中，我們已經介紹了動力傳輸系統結構是如何傳遞力的，接下來，我們要討論動力源馬達，包括各種馬達的安裝固定，以及馬達的使用技巧，如，怎么獲得更大的動力輸出？同時簡單介紹怎樣并聯馬達，如何控制其工作等內容。 本章包含的內容: HYPERLINK /class/rob/003.htm l 2 微

2、馬達、低速馬達、高速馬達 HYPERLINK /class/rob/003.htm l 3 安裝馬達 HYPERLINK /class/rob/003.htm l 4 馬達導線連接 HYPERLINK /class/rob/003.htm l 5 控制能量 HYPERLINK /class/rob/003.htm l 6 連接馬達 3.1簡介： 馬達是機器人的主要動力源，它可以使機器人執行移動、載重，控制手臂，抓取物體，抽氣等其它需要動力源的動作。馬達有不同的種類，但都有一個共同點：將電能轉換為機械能。在這一章，我們要討論不同的樂高馬達及其使用、安裝、連接。 在講解馬達之前，我們先介紹一下有關

3、電子學的理論。我們知道，電流分為直流電DC和交流電AC。家里使用的就是交流電，而電池是一種最常用的直流電源，所有樂高的電動組件包括馬達都使用直流電源。 為了更好地理解什么是直流電，我們可以把它想象成從山上流下的一股泉水。流過導線的電流與之類似：當你將電池與燈或者馬達連接時，電流的流動差不多像水流。我們知道電池有正負極，它表示電流的流動方向：從負極流向正極，就好似負極在山頂。在溪流中放一個水車就能把水的能量轉化為機械能，同樣，馬達可以將電流轉變成運動。假設改變水流的方向，水車會發生什么情況呢？它會改變旋轉方向。直流馬達也是如此。每一個馬達都有兩個接頭，一個接到負極，另一個接到直流電源的正極。你可

4、以想象的到電流從電池的負極流入馬達，使馬達運動，然后電流又流回到正極。如果將馬達與電池之間的導線變換方向，馬達的旋轉方向也隨之改變了。 那么，如何來描述在溪流中流過的水量呢？它由兩個因素決定：水的流速，水流的寬度，兩者對水車的工作狀態都有影響。在電流里，流動的速度稱為電壓，它的寬度強度稱為電流。它們的單位分別可以用伏特V和安培A來表達，還有比它小的單位：毫伏mV和毫安mA。這兩者的乘積就稱為功率，用瓦特W來衡量它的大小。 每個馬達都有額定電壓，當然，電壓低于額定電壓時馬達也能工作，只是會轉得慢一些；但如果超過額定電壓，馬達就有可能燒掉。 電流還有其它特性：電流的變化是根據馬達的工作狀態改變的：

5、負載越高，電流就越大。當馬達與RCX連接使用時，如果有力阻礙它旋轉，必須停止馬達。因為馬達會把電流不斷的轉變成能量來抵抗阻力，如果不成功，所有流過馬達的電流就會轉變成了熱能而不是機械能，這對馬達來說很危險。第二章討論過的離合齒輪在這里就起作用了，它限制了最大的扭距，防止馬達卡住的這種情況發生。在以后的章節中你會知道RCX對保護馬達也有積極的作用。 3.2微型馬達、低速馬達、高速馬達 每一個馬達都含有一個或更多的鐵心和磁鐵，用來將電能轉化為機械能，但你不需要知道這個轉化的過程。作為一個搭建者，你所要記住的是每個馬達都有一個輸入能量的接頭，一根輸出軸，目前樂高套裝提供了三種9V直流馬達如圖3.1：

6、高速馬達a、低速馬達b和微馬達c。還有比擬特殊的馬達，如train馬達、帶有電池箱的馬達和Micro Scout馬達等，但這些馬達不常用，通用性不如前三種好，因此在這里我們就不測試它們了，表3.1中總結了前三種馬達的一些屬性。 屬性 高速馬達 低速馬達 微馬達 最大電壓 9VDC 9VDC 9VDC 最小電流無負載 100mA 10Ma 5mA 最大電流stall 450mA 250mA 90mA 最大速度無負載 4000rpm 300rpm 30rpm 在一般負載下的速度 2500rpm 200rpm 25rpm 圖3.1 樂高馬達 無傳動鏈馬達是樂高技術系列套裝的標準馬達，它的軸是內部馬達

7、軸的延長，因此我們稱它為高速馬達，它的轉速非常高轉速可高達4000rpm。在大多數實際應用中，它都需要非常高的減速傳動比，從而需要非常復雜的傳動鏈，而且還會消耗大量的電流。 在本書中的例子中，沒有涉及到高速馬達的使用，你可以平安地使用它，不會損壞RCX且自身也不會損壞，唯一的缺點就是消耗電池。 本書中我們提到的馬達一般為低速馬達。它有一個內置多級減速傳動鏈，無負載時的轉速為350rpm一般負載的轉速為200/250rpm，它的特點是高效率、低能耗。它也用了復雜的傳動鏈，在機器人挑戰套裝中有兩個馬達。 方法和技巧 如何解除微馬達被卡住情況： 微馬達是很容易卡住的，此時，你只需按以下步驟進行： 1

8、 盡快關掉馬達，將馬達與其它組件別離或關閉電源，否那么將會永久性的損壞馬達。2 把馬達與它連接的齒輪、皮帶等脫離以減小震動，在馬達軸上留下小滑輪。3. 用手指握住馬達，輕輕轉動滑輪，但轉動方向必須與馬達卡住時的轉動方向一致，同時將滑輪拔出，當聽到咔的一聲，說明馬達沒有損壞。假設不知道馬達卡住時的轉動方向，兩個方向都試一下。這幾個步驟通常很有效，如果不行，試著使用小電流脈沖朝兩個方向驅動馬達，同時執行第3步。微馬達也是一個帶有傳動鏈的馬達。它的輸出軸的轉速大約是30rpm，扭矩也相當低小于1Ncm，它的噪音比擬大而且很容易卡死。你可能想知道為什么要使用這種馬達，答案就在于它的名字：因為它的體積小

9、，在有些情況下，馬達的大小比所需的扭矩和速度有更多的限制。使用它時要使用一些特殊的支架和連接馬達軸的小滑輪如圖3.1c 3.3固定馬達 樂高馬達的寬度和長度都是4個樂高單位，馬達的頂部形狀是不規那么的，低處的高度為2.8個樂高單位，高處的高度是3.6個樂高單位。馬達的底部也是不規那么的，因為它有一塊22大小的凸起區域，因此直接將馬達固定在規那么外表上是不可能的，所以，固定馬達需要一定的技巧。下面我們將介紹一些常見的技巧。 盡管它的形狀不規那么，但它與標準的積木塊配合得很好。如圖3.2，使用兩根梁以4個孔的間距可以將馬達低處局部固定。在一個穩固的結構中，馬達的固定是很重要的，否那么當馬達承受負載

10、時結構就會散架。在圖中你還可看到距離梁的底部是一個樂高單位，這樣就可以與前一章講過的齒輪8齒和24齒，16齒和16齒配合，在第二個例子如圖3.3也是一個鞏固裝置，這里延長了馬達的輸出軸以便于在上面固定一個蝸輪。這個裝置適合低速高扭矩應用。圖3.2 用梁固定馬達 圖3.3 與渦輪連接的馬達 注意：這幾幅圖片重點說明它們之間的關系和距離，因此，為了能看到內部結構，我們沒有在兩邊固定馬達，在實際的應用中，應該兩邊固定馬達并調整將梁調整為適宜的長度。 在樂高機器人挑戰套裝中有8塊帶有導軌的12板，是專門用于固定馬達如圖3.4的。圖3.5顯示了固定馬達的一個小巧且穩固的結構，更重要的是，此裝置不需要拆散

11、就能移除馬達：移除馬達后面的兩塊26板，不需要調整其余組件就可直接將馬達拆下，用于其他模型的搭建。 馬達是樂高組件中較貴的組件，因此，同時搭建多個機器人模型時，應該考慮重復利用馬達。圖3.4 帶有導軌的12的板便于固定馬達 圖3.5 可方便撤除馬達的裝置 注意：我們建議固定馬達時要保證連接導線能自由移除，不要與馬達一起固定，除非確定結構不會改變，且不需要其它長度的導線。 如圖3.6是固定馬達的最后一個例子，我們看到了如何使用兩個滑輪與一根皮帶解決了遠距離傳遞動力的問題。馬達沒有用垂直梁來固定，因為軸上的扭矩不會很大滑輪打滑可以限制扭矩，同時，皮帶保證了馬達不會從底座上掉下來。 圖3.6 皮帶傳

12、動不需要固定結構3.4馬達導線的連接 LEGO馬達的導線連接是很容易的。導線兩端是222/3的接線柱，與標準積木塊連接一樣容易，使用它不需要特殊的知識。本章曾介紹過，樂高馬達是直流馬達，因此它受接線柱極性的影響，也就是說，接線柱的極性決定了馬達的正反轉，但你不用擔憂這個，因為可以通過程序來控制它的轉向，并且樂高接線頭的設計很巧妙，它不僅能防止馬達或電池短路，而且通過旋轉接線頭180度，可以改變它的極性。 有很多種方法不通過編程就能測試馬達。具體如下： RCX微型電腦 按RCX微型電腦的View按扭，直到與馬達相連的端口上出現小箭頭，但不松開該按扭，同時按下Prgm或Run，朝你期望的方向驅動馬

13、達。 軟件 你可以上網找到并下載許多免費程序，通過PC機直接控制馬達，一點鼠標就可以讓馬達運行。 外部電池箱 一些樂高套裝里有1個電池箱如圖3.7，使用這個電池箱，不需要RCX就可測試馬達。 圖3.7 樂高電池箱 遙控器 機器人挑戰套裝中沒有這個工具。它可以同時控制三個輸出端口，在搭建過程中測試機器人是很有用的。 其它資源 樂高所有9V的電動部件都是互相兼容的， 如果你有一個樂高的速度調節器，就能平安使用馬達，不要使用與樂高不配套的電源，否那么會損壞馬達。 3.8樂高遙控器 在某些情況下，你可以利用同一個端口控制多個馬達，而且對RCX和馬達是平安的，需要指出的是RCX在端口的反面有一個限流裝置

14、，它可以防止在卡住停轉情況下強電流造成的損壞。當兩個馬達連接到同一端口時，它們平分了最大的有效電流，從而限制了馬達的運行效率，但有時利用它來分擔負載是很有效的。 還有一種避開限流電路來實現的方法：間接控制，不是通過RCX端口來控制馬達，而是通過轉動一個馬達來翻開一個開關，從而起到控制其它馬達的作用。你只需一些額外的部件：一個極性開關和一個電池箱，如圖3.9。用樂高馬達和滑輪驅動極性開關，使用皮帶連接可以減少時間控制的限制，假設偶爾驅動馬達時間過長，皮帶打滑，馬達就不會失速了。 極性開關具有三種狀態：前進，停，倒退。其中一邊控制馬達運行，中間位置控制馬達停止，另一邊控制馬達反轉。這個裝置只能控制

15、兩種狀態不要依靠定時將極性開關定位在中心位置，因此你必須選擇一個開/關或前進/后退裝置。 電池箱沒有限流的特性，因此這個連接不能防止因過載引起的馬達失速情況，從而會造成馬達永久損壞。 圖3.9 間接控制馬達 3.5控制馬達動力 我們知道程序能控制馬達動力輸出，事實上，某些特殊的指令還可以設置0-7的動力級范圍一些固件如legOS，提供了0-255的動力級，但是，當你改變這些數值時，會發生什么情況呢，我們為什么要關心這些數據？ 有兩種方法可以控制馬達的動力。樂高的齒輪組速度調節器通過電壓控制動力：電壓越高，動力越大。RCX使用了另外的方法，稱為脈沖寬度調制法PWM。 為了解釋它的工作原理，假設你

16、連續、快速地開關馬達，馬達產生的能量是由馬達在一定時間間隔內馬達翻開的時間長度來決定的，慢速釋放電流比快速低負載釋放電流更有效。如果你在一秒內快速地開關馬達100次，會看到馬達正常的旋轉；但在有負載的情況下，速度會減慢，是由于馬達提供的動力降低了如圖3.10。 這個工作實際上都是RCX做的，它內部的馬達控制器飛快地開關馬達每毫秒開1次開關，同時開和關之間改變了比例。在0能量級上，馬達開占了周期的1/8；在能量級1上，它占了2/8，到能量級7，馬達就一直翻開8/8。 3.10 能量級的脈沖寬度調制 我們為什么要關心這個技術問題呢？因為你實際控制的不是速度而是能量。樂高馬達是非常有效的，當馬達沒有

17、負載或只有少量負載時，降低能量級速度不會減少很多。在更大的負載下，你會看到能量級也會影響合成速度。 3.5.1馬達制動 必要時，可以通過控制馬達的能量級來制動馬達，RCX具有一種電子制動器。我們通過實驗來說明它的工作原理。實驗需要1個馬達、1根導線、1個24齒的齒輪。將這三個組件按圖3.11所示裝配。注意導線連接的方法：導線的一端接在另一端上。現在用手轉動齒輪：齒輪平穩地轉起來了，手停止轉動后，它仍持續旋轉了一會兒。 然后移掉導線，按圖3.12所示連接：導線的兩端同一方向連接到馬達上，這樣就使馬達短路了。短路聽起來比擬可怕，但在這個例子中，只表示回路關閉，現在試著去轉動齒輪，此時馬達產生阻力，

18、手一停轉動，齒輪也停止轉動。 為什么會發生這種情況呢？樂高馬達不僅能把電能轉換成運動，反之，它也能將運動轉換成電能，因此可以當作發電機。在這個例子中，產生的電流流回到馬達，產生阻力抵抗馬達的運動，這個RCX實現制動馬達的裝置雖然簡單但很有效：當你將他們設置成關閉，RCX不僅將能量關閉，還可以短路端口，從而制動馬達。 圖3.11 馬達可以自由轉動 圖3.12電流制動裝置 還有一種情況，稱為float模式，RCX只是斷開與馬達的連接，而沒有產生任何制動。在這種情況下，能量源移除后，馬達會繼續旋轉幾秒鐘。 方法與技巧 用馬達當發電機 假設你不確信馬達能否當作發電機的話，請做下面這個簡單的實驗。用1根導線將兩個馬達連接起來，在每個馬達的軸上放1個24齒齒輪。用手拿住其中一個齒輪并轉動它，同時觀察另外一個馬達。發生了什么情況？.第一個馬達將手的機械運動轉變成了電流，從而使第二個馬達也轉動起來。3.6并接馬達 前面討論過把兩個馬達連接到同一端口。假設在一項任務中需要足夠動力，那你就需要機械地并接馬達，也就是說讓多個馬達共同控制某個機構，平分負載。理論上這個方法是有效的，但連接到RCX上的馬達只能平分某個端口輸出的最大電流，如圖3.13。兩個馬達共同帶動40齒齒輪，這樣會不會產生什么問題呢？