樂(lè)高產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的轉(zhuǎn)體控制

樂(lè)高產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的轉(zhuǎn)體控制

目前，中國(guó)的機(jī)器人設(shè)備和包裝工具越來(lái)越豐富。有著70多年歷史的樂(lè)高,在1998年推出了“RCX課堂機(jī)器人”系列,將樂(lè)高強(qiáng)大的積木式搭建系統(tǒng)、電腦編程有效地結(jié)合在一起。使用樂(lè)高器材,使用者可以有更多的機(jī)會(huì)發(fā)揮想象力來(lái)設(shè)計(jì)具有個(gè)性的機(jī)器人。樂(lè)高的積木比較零散,但也正因如此,使機(jī)器人的搭建更具靈活性。如何準(zhǔn)確轉(zhuǎn)彎是各種類型的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過(guò)程中都要解決的問(wèn)題,使用樂(lè)高機(jī)器人套裝也是如此,本文針對(duì)使用樂(lè)高器材搭建的機(jī)器人,分析比較各種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向方法和特點(diǎn),以期為正在使用樂(lè)高套裝組裝機(jī)器人的朋友提供參考。一、模式2,設(shè)計(jì)了一個(gè)新的偏轉(zhuǎn)角度。根據(jù)特點(diǎn)提出,主要是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速圖1是簡(jiǎn)單的兩輪驅(qū)動(dòng)的小車(chē),為使小車(chē)能夠平衡,一般在小車(chē)前端或后端底部安裝一隨動(dòng)輪,形成三點(diǎn)支撐。兩個(gè)輪子分別由兩只馬達(dá)控制,需要轉(zhuǎn)彎時(shí),RCX控制一個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng),另一個(gè)馬達(dá)停止或反方向轉(zhuǎn)動(dòng)即可。這種小車(chē)結(jié)構(gòu)和程序控制都很簡(jiǎn)單,轉(zhuǎn)彎靈活,效率也很高,特別適合對(duì)轉(zhuǎn)向精度要求不高的項(xiàng)目,如走軌跡等等。上述結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)彎角度是通過(guò)程序控制馬達(dá)運(yùn)動(dòng)和停止的時(shí)間來(lái)控制的,由于兩只馬達(dá)性能不可能完全相同,加上運(yùn)動(dòng)中小車(chē)的狀態(tài)不同,因此僅僅借助這樣的結(jié)構(gòu)要實(shí)現(xiàn)較精確地轉(zhuǎn)過(guò)某個(gè)角度(如直角90度彎)是很困難的。而在許多項(xiàng)目中,需要機(jī)器人精確地轉(zhuǎn)90度的情況是很多的,比如:滅火項(xiàng)目中,使用行程算法來(lái)進(jìn)入有燭火的房間。比賽中有許多選手使用這樣的方法來(lái)使小車(chē)轉(zhuǎn)90度:把小車(chē)的前端和后端做得平直牢固,然后在小車(chē)運(yùn)行到適當(dāng)位置時(shí),轉(zhuǎn)動(dòng)約90度(當(dāng)然是使用控制轉(zhuǎn)彎時(shí)間的方法),然后前撞或后撞房間的墻壁,較準(zhǔn)小車(chē)方向與墻垂直,以此消除因不確定的轉(zhuǎn)彎帶來(lái)的運(yùn)動(dòng)誤差。這是一個(gè)不錯(cuò)的方法,但它不能應(yīng)對(duì)小車(chē)需要轉(zhuǎn)過(guò)某個(gè)指定角度,比如60度這樣的情況,另外用這種方法完成項(xiàng)目的成功率也是有待考察的。二、關(guān)閉機(jī)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速rs改進(jìn)圖1小車(chē)結(jié)構(gòu),使之可以較精準(zhǔn)轉(zhuǎn)彎的有效方法,是在左右兩個(gè)輪軸上安裝角度傳感器。樂(lè)高的角度傳感器精度是1/16圈,這個(gè)精度不是很高,為了提高精度可以使用齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu),比如使用一組3:1的齒輪組合,就可以把精度提高到1/48圈。但這樣做也要考慮樂(lè)高這種角度傳感器的允許轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速太快會(huì)損壞角度傳感器。另外值的注意的是,當(dāng)角度傳感器轉(zhuǎn)動(dòng)速度太慢或太快時(shí),RCX在精確的檢測(cè)和計(jì)數(shù)方面會(huì)受到影響。事實(shí)上,問(wèn)題并不是出在RCX身上,而是它的操作系統(tǒng),如果速度超出了其指定范圍,RCX就會(huì)丟失一些數(shù)據(jù)。SteveBaker用實(shí)驗(yàn)證明過(guò),轉(zhuǎn)速在每分鐘50到300轉(zhuǎn)之間是一個(gè)比較合適的范圍,在此之內(nèi)不會(huì)有數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題。然而,在低于12rpm或超過(guò)1400rpm的范圍內(nèi),就會(huì)有部分?jǐn)?shù)據(jù)出現(xiàn)丟失的問(wèn)題。而在12rpm至50rpm或者300rpm至1400rpm的范圍內(nèi)時(shí),RCX也偶會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問(wèn)題。在合適的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),我們不難通過(guò)一個(gè)測(cè)試程序來(lái)確定這個(gè)小車(chē)每轉(zhuǎn)過(guò)1度,角度傳感器上取得的值n,這樣當(dāng)我們需要小車(chē)轉(zhuǎn)過(guò)r度時(shí),只要檢測(cè)角度傳感器的值到n×r,立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)即可。這個(gè)方案的轉(zhuǎn)彎精度一方面當(dāng)然取決于角度傳感器結(jié)構(gòu)的精度,另一方面還取決于輪子在地面打滑的情況,如果由于隨動(dòng)輪不靈活或小車(chē)負(fù)載過(guò)重而導(dǎo)致兩個(gè)主動(dòng)輪打滑,轉(zhuǎn)角精度將變得不可控制。三、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的使用這個(gè)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步的改進(jìn)方案如圖2所示,這是利用樂(lè)高差動(dòng)齒輪組裝的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以完全消除輪子在場(chǎng)地上打滑對(duì)轉(zhuǎn)彎造成的影響,在四輪結(jié)構(gòu)的小車(chē)上使用這種結(jié)構(gòu)特別有用。在圖示結(jié)構(gòu)的兩個(gè)主動(dòng)輪軸上各安裝一個(gè)角度傳感器來(lái)控制轉(zhuǎn)彎是直觀也是行之有效的方法,它除了可以控制轉(zhuǎn)彎的角度之外,也可以很容易地實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)行程的控制。然而,對(duì)于總共只有3個(gè)輸入端口的RCX來(lái)說(shuō),這是個(gè)考驗(yàn),因?yàn)楝F(xiàn)在你只有一個(gè)輸入端口可以使用了。四、方向改變量這種結(jié)構(gòu)看上去比較復(fù)雜,它使用了兩個(gè)樂(lè)高的差動(dòng)齒輪。它的最大優(yōu)點(diǎn)是只使用一個(gè)角度傳感器就可以實(shí)現(xiàn)防止打滑的功能了(見(jiàn)圖3)。將傳感器直接或間接地連接到其中一個(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。原理: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,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)40齒齒輪B轉(zhuǎn)動(dòng)。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)。通常不同時(shí)使用兩個(gè)馬達(dá),而是一個(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(méi)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)器人繞著靜止的一個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)有得也有失,這種具有獨(dú)創(chuàng)性的結(jié)構(gòu)也有它的缺點(diǎn),首先是它非常復(fù)雜,復(fù)雜的傳動(dòng)裝置產(chǎn)生的負(fù)面影響是磨擦力增加從而影響運(yùn)行的效率,這在對(duì)抗性強(qiáng)的比賽中是個(gè)問(wèn)題。五、樂(lè)高和晚小裝置的組合結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4所示,利用一個(gè)電機(jī)通過(guò)差速器驅(qū)動(dòng)小車(chē)行進(jìn),小車(chē)后面使用一個(gè)舵輪裝置,構(gòu)成了一個(gè)“主動(dòng)舵”,舵輪軸向隨動(dòng),徑向作主動(dòng)運(yùn)動(dòng)時(shí),又可以帶動(dòng)小車(chē)轉(zhuǎn)動(dòng)以改變方向。裝在舵輪上的角度傳感器很容易地可以控制轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。實(shí)踐證明該結(jié)構(gòu)小車(chē)的轉(zhuǎn)彎效果是相當(dāng)高的,它可以連續(xù)走正方形的框幾圈而不走樣,缺點(diǎn)是行進(jìn)的行程需要另外的傳感器。熟悉樂(lè)高器材的朋友會(huì)發(fā)現(xiàn),圖中所示的“舵輪”現(xiàn)在并不是標(biāo)準(zhǔn)的樂(lè)高配件,但這并不影響它和樂(lè)高的搭配。它的特點(diǎn)是既可以作軸向的從動(dòng),也可以作與軸的方向垂直方向上的主動(dòng)運(yùn)動(dòng)。針對(duì)有些比賽項(xiàng)目,使用這個(gè)輪子會(huì)有很好的效果。如2005年江蘇省的中學(xué)組的營(yíng)救比賽項(xiàng)目,如果使用行程算法,在行進(jìn)方面,機(jī)器人只需要確準(zhǔn)地走折線就可以了,并且每個(gè)轉(zhuǎn)彎都是直角。在省賽上,筆者觀察到這樣一個(gè)機(jī)器人:它使用8個(gè)寬胎的“舵輪”(寬胎不容易走偏),四個(gè)一組,分成兩組,方向相互垂直,兩組分別主導(dǎo)一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。實(shí)踐證明,這個(gè)機(jī)器人運(yùn)行得相當(dāng)平穩(wěn)精準(zhǔn)。六、輪400度轉(zhuǎn)向2.2方向運(yùn)動(dòng)的距離三輪裝置結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5,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,該裝置的獨(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。前驅(qū)動(dòng)輪可以控制任何轉(zhuǎn)角,理論上,驅(qū)動(dòng)輪可以轉(zhuǎn)360度,即可以轉(zhuǎn)向任何方向。實(shí)際上在平常應(yīng)用中,轉(zhuǎn)180度就能夠活動(dòng)自如。因?yàn)樵?80度到360度的范圍等同于0度到180度向反向運(yùn)動(dòng)。同上面的其它結(jié)構(gòu)一樣,你可使用角度傳感器來(lái)偵測(cè)轉(zhuǎn)向輪的方位和運(yùn)動(dòng)的距離。這個(gè)結(jié)構(gòu)的頭部裝置比較復(fù)雜,需要用到特別的樂(lè)高配件,組裝出一個(gè)牢固而實(shí)用的結(jié)構(gòu)需要很好的技術(shù)和耐心。另外,由于使用頭部的一個(gè)馬達(dá)作為整機(jī)的驅(qū)動(dòng),在應(yīng)用中動(dòng)力是否足夠也是要考慮的問(wèn)題。當(dāng)然你可以在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行這樣的改進(jìn):在兩個(gè)獨(dú)立的后輪上增加動(dòng)力,通過(guò)程序控制小車(chē)在需要轉(zhuǎn)彎確定方向時(shí),兩個(gè)后輪不使用動(dòng)力,而在小車(chē)確定了方向之后立即驅(qū)動(dòng)后輪給予助動(dòng)。七、角度傳感器系統(tǒng)有意思的是,樂(lè)高最近推出的全新機(jī)器人處理器NXT及相應(yīng)配件(見(jiàn)圖6),很好地解決了機(jī)器人轉(zhuǎn)彎中存在的問(wèn)題。新套裝的NXT是32位處理器,有4個(gè)輸入口,3個(gè)輸出口,特別的是:和現(xiàn)在的機(jī)器人套裝不同,新的機(jī)器人NXT套裝里面并沒(méi)有單獨(dú)的角度傳感器。在NXT系統(tǒng)里面,角度傳感器是內(nèi)置在伺服電機(jī)里面的