樂高積木幾何原理

樂高積木的幾何原理樂高積木的幾何原理樂高積木的幾何原理僅供個人參照高木的幾何原理：我看到好多同學(xué)機(jī)器人小，他第一會最適用的少木把小搭好，致勃勃地寫好程序、下，但是一松手，小散了??但其實(shí)不影響他的情，他會不停地改，直到小能松跑完滿程??在個程中，他已開始依照高木的各樣特色，運(yùn)用構(gòu)、機(jī)械原理來完滿模型的構(gòu)，然他其實(shí)不是很清楚高木的何學(xué)原理，也沒有被指怎么做。高木什么能很密地接合在一起？能圓滿地仿真？不在于它有兩千多個各樣形狀的木件，有足的部件你完成你的想，更重要的是，些木件都按同一準(zhǔn)格、生，全部木都是可兼容的。它依照的準(zhǔn)就是高位，而且木有格的量保持，高木模具公差0.000005米。怎巧妙地利用高木的特色——梁、、板和孔之的關(guān)系——完滿你的構(gòu)，完成你唯一無二的？本章包括的內(nèi)容:尺寸和單位的表示方形的樂高世界垂直支撐傾斜的樂高世界斜支撐水平方向的尺寸和單位的表示鉸鏈的支撐1.1簡介在你入高機(jī)器人間界從前，希望你能先掌握那些高木中涉及的基本幾何學(xué)原理。不用擔(dān)憂，我其實(shí)不是要你行復(fù)的方程式和三角法的，一些特其他見解和解一些常用的，，在入段便能夠更簡單地搭建出的模型。在本章，你將會高好者使用什么位來表示尺寸，怎樣來表示木的面，怎樣將木從不一樣的方向接合起來。我們激勵你使用手里的樂高組件比較本章的例子自己搭建一遍。把機(jī)器人套裝放在手邊，以便隨時優(yōu)選必要的積木，但是這一章節(jié)中的例子多數(shù)都只用到一些塊和板。若是由于某種原因，這部分資料對你來說過于復(fù)雜，你不用強(qiáng)求自己掌握，能夠跳過這一章直接進(jìn)入到其他部分。在你需要的時候，你都能夠回過來將這一章節(jié)看作術(shù)語表來使用。1.2尺寸和單位高好者平常按次用3個數(shù)字表示高木的尺寸：度、度和厚度。使用高木的一般方法是：“嵌入式“，當(dāng)表示木的尺寸，都要考種方向，不是將木倒是在3空旋。高度是木的最基本的屬性，它是指木的底部到部之的距離。度依照我指的是水平方向上的兩個尺寸中短的一個（度就是其他一不得用于商業(yè)用途僅供個人參照個）。長度和寬度的表示單位是用“凸點(diǎn)”來表述的，也叫作“樂高單位”。這樣，我們能夠描述絕大多數(shù)積木的尺寸。樂高單位在1949年第一次被使用，是一個2??的積木塊（如圖1所示）。也能夠不用樂高單位來表示樂高積木的尺寸，而采用公制（米制）單位，兩個突點(diǎn)圓心間的寬度相當(dāng)于8mm，一塊積木的厚度（不包括突點(diǎn)的高度）相當(dāng)于9.6mm?？煞裼涀∵@些數(shù)據(jù)其實(shí)不重要——重要的是要知道它們有不一樣的數(shù)值，也就是說你需要兩個不一樣的單位來注明高度和長度。它們之間的數(shù)值比就相當(dāng)重要了：9.6除8得1.2（垂直方向的單位長度是水平方向的單位長度的1.2倍。這個比值很簡單記住，若是換算成整數(shù)比就是6:5。在下一章節(jié)我們將會研究這一比值的關(guān)系。圖1.1一塊樂高積木磚的尺寸圖1.2顯示的是最小的樂高積木磚，用樂高單位來表示是1??。實(shí)質(zhì)上這個樂高“立方體”根本不是立方體。圖1.2尺寸為111的樂高積木磚的比率關(guān)系在樂高組件中，有一類積木的厚度是塊狀積木厚度1/3。其中最重要的組件就是“板”，這些板中大多數(shù)是矩形，少量擁有特別形狀。將3塊板疊在一起，它的厚度就相當(dāng)于一塊標(biāo)準(zhǔn)的積木塊的厚度（見圖1.3）。圖1.3三塊板的高度等于一塊磚的高度1.3方形的樂高世界：垂直的支撐不得用于商業(yè)用途僅供個人參照我什么要關(guān)心些關(guān)系呢？要回答個，就要追想到70多年前，高TECHNIC生生的候。從那起，就和使用高來搭建由水平成的物體：把木和板合適的合到一起。每個孩子都會很快知道3板的厚度等于1的厚度，也是他所需要知道的全部西。但是在1977年，高決定以年更大的客象，引一系列新的生：LEGOTECHNIC。它共同的特色是孔的1蚇的木，我稱之TECHNIC木，也許叫作梁（1.4）。些孔能夠穿，也能夠通子將梁相互接起來，就造了一個圓滿的高世界。1.4高LEGOTECHNIC梁假你要在垂直地址裝一根梁，用來支撐兩也許更多的水平川址的梁：里我必住6：5個比。梁上的孔與凸點(diǎn)一都以同樣的距排列，但它與凸點(diǎn)是以半個凸點(diǎn)距交排列的。，當(dāng)我把兩根梁嵌在一起，水平方向兩孔的距不等于垂直方向兩孔的距，從而，不一樣面上的孔就不能夠與之配合。句，由于6:5的尺寸關(guān)系，一根垂直的梁上的孔不能夠與一疊嵌在一起的梁上的孔相當(dāng)合。最少不是全部的孔都能切合。但我仔察一下：用6的倍數(shù)（6、12、18、24、30??）來算垂直方向的位，并用5的倍數(shù)（5、10、15、20、25??）來水平方向的位。不要數(shù)開始的木和開始的孔，因它是你的參照點(diǎn)；你量的就是距離個點(diǎn)的度。當(dāng)你數(shù)到5個垂直位的度達(dá)到了30，當(dāng)你數(shù)到6個水平方向位，度也達(dá)到了同樣的數(shù)（1.5）。從中我們獲取了一個定理：在疊嵌在一起的梁中，第5根梁的孔是和與之正交的垂直的梁上的孔重合的。1.5水平的梁與垂直的梁的配合在你能夠用梁搭建一堵，爾后用一根的梁來固定它，從而個。若是你把一根放第一個通的孔中，爾后將第二根放接下不得用于商業(yè)用途僅供個人參照去的孔里，你會發(fā)現(xiàn)在開始的積木上加上5根梁和10根梁，交叉的梁上的孔才是連通的（見圖1.6）。這類交叉的梁的技巧是特別重要的。它能夠使我們搭建出牢固的模型，垂直的梁將與之連接的兩根水平梁之間的積木鎖住。遺憾的是需要將6根梁搭建在一起，才能用一根橫貫的梁將它們鎖住。可否能夠采用其他更好的方法呢？記得垂直單位有一個子單位——樂高板的高度。3塊板組成一塊磚，我們能夠這樣計算板的高度。高度以2個單位的倍數(shù)而不是6個單位（2是6的1/3）。高度的級數(shù)就變成2、4、6、8、10。5塊垂直的板的高度就為10。這個高度值恰巧等于水平方向上孔的間距，所以我們的最后得出的結(jié)論是：每5塊板的高度，垂直梁的孔恰巧能夠配合。圖1.65塊梁的高度恰巧與孔配合不幸的是，板不能夠用于連接垂直梁，原因十分簡單，板沒有孔！但是一根梁與3塊板的高度是一樣的，知道這些，我們便能夠在計算上做以下規(guī)定：從梁的底部開始，每加一塊板就增加一個單位，每加一塊梁增加3個單位，并要保證最少一根梁在頂部，若是結(jié)果是5的倍數(shù)，孔就能與垂直梁配合。最簡短的設(shè)計如圖1.17所示用一根垂直梁固定水平層：一根梁和兩塊板的高度相當(dāng)于5塊板。連接垂直梁的唯一方法就是使用5塊板產(chǎn)生兩孔的距離。在樂高工程師設(shè)計的模型中都使用這類方法。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照圖1.17最緊湊的固定結(jié)構(gòu)隨著連接距離的增加，連接的方式也增加了，下一步就是連接10塊板/4孔的間距，但連接同樣10塊板的高度，能夠有好多方法。如圖1.18圖1.8標(biāo)準(zhǔn)柵格結(jié)構(gòu)圖1.18c中所示的連接是比較常用的，它是基于圖1.7中的設(shè)計結(jié)構(gòu)的。由于在中間地址固定了梁，當(dāng)你搭建模型時，1塊梁+2塊板+1塊梁+2塊板的連接方式能夠讓你搭建更牢固：間隔一個孔連接，在EricBrok的網(wǎng)站上稱它為標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)（見附錄A），它能夠使連接最優(yōu)化。你必然要限制于使用這類連接方式嗎？不要拘束自己的想象力！這可是一些小技巧，在好多狀況下，特別是當(dāng)你不知道怎樣去做時，這些技巧對你很適用。在好多應(yīng)用中我們使用了不一樣的設(shè)計結(jié)構(gòu)，對你同樣也同樣有幫助。1.4傾斜樂高世界——斜支撐樂高梁可否是只好垂直連接呢？樂高最大的特色是搭建方形的物體，但斜連接同樣能夠，它能夠使我們的世界更加豐富多彩，同時又供應(yīng)了一個有力的解決問題的工具。你現(xiàn)在知道怎樣用一根垂直梁去連接一堆梁和板，而且你也知道了它們的數(shù)字關(guān)系。但怎樣用一根斜梁支撐水平梁？這根斜梁看起來就像直角三角形的斜邊。搭建一個如圖1.9所示的模型，現(xiàn)在測量它們的各邊，記住不要去計算第一個孔，由于我們是依照孔之間的距離來測量長度的，三不得用于商業(yè)用途僅供個人參照角形的底邊有6個孔，高度有8個孔：記住在標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)中它們間的距離為底部的梁到上邊的梁兩孔間的距離（在圖中我們放置了一根垂直梁，幫助你計算孔的數(shù)目。直角三角形的斜邊長度為個孔）。在這里我們介紹一下由古希臘哲學(xué)家、數(shù)學(xué)家畢達(dá)哥加斯加創(chuàng)辦的勾股定理，這是一個特別出名的數(shù)學(xué)定理。定理證了然直角三角形的直角邊與斜邊的數(shù)學(xué)關(guān)系，假設(shè)組成直角的兩邊稱為A、B，三角形斜邊為C。它們間的關(guān)系就是：A2+B2=C2現(xiàn)在我們將數(shù)字代入上邊的公式獲?。?2+82=102將上式張開：(6x6)+(8x8)=(10x10)36+64=100100=100圖1.9勾股定理的應(yīng)用值得必然的是，這個例子不是有時的，而是應(yīng)用了勾股定理，逆用這個定理，若是知道底邊和高度的值，便能夠算出斜邊的值。只有當(dāng)兩個數(shù)字的平方和恰巧等于另一個數(shù)字的平方時，公式才成立，如表1.1所示：A(底邊)B（高）A*AB*BA2+B2說明56253661不能夠立3896473不能夠立3491625成立，25=5×515822564289也成立，誠然289=17×17，它能夠得不得用于商業(yè)用途僅供個人參照出一個大的三角形145不是整數(shù)的平方，但它湊近144988164145（12x12），由于梁的配合贊同有1%的誤差，所以斜梁也能夠配合?，F(xiàn)在，你可能會問，在玩積木時，可否要在桌上放一個小計算器，而且還需要重心復(fù)習(xí)一下高中數(shù)學(xué)？其實(shí)你不用擔(dān)憂。由于：你不會經(jīng)常使用斜梁。而最常用的三角形連接都是基于3-4-5三條邊長的（如表1.1第三行），若是將三角形各邊長同時擴(kuò)大一個整數(shù)倍，又會獲取一個有效3邊長。如擴(kuò)大2倍獲取：6-8-10，擴(kuò)大3倍獲取：9-12-15等等。這些都是適用而且是很簡單記住的邊長。我們在附錄B中供應(yīng)了包括好多合用的邊長列表，還有一些等式雖不能夠立但特別湊近正確的數(shù)值，能夠配合得很好，而不會對積木塊惹起任何的損壞。我們建議你花一些時間研究三角形，試著使用一下使用不一樣邊長的連接方式來檢驗(yàn)它的剛度。這些知識對你今后搭建復(fù)雜的模型是特別適用的。1.5水平尺寸和單位的表示到現(xiàn)在為止，我們素來都在談?wù)摯怪逼矫?，由于使用垂直梁來固定層的技術(shù)對搭建出牢固的模型是特別重要的，自然牢固的模型是塑料的。在水平方向上使用積木還有特別有效的方法，那就是：連接凸點(diǎn)。前面介紹過，測量長度的單位是凸點(diǎn)，也就是說，只要數(shù)出積木的凸點(diǎn)數(shù)，就能計算積木的長度。梁上的孔都以同樣間距排列，實(shí)質(zhì)上，3個凸點(diǎn)的長度與3個孔的長度是相等的。觀察梁，會注意到孔與凸點(diǎn)是交叉排列的，每個梁上的孔總比凸點(diǎn)少一個。但也有兩種例外：帶1孔的1×1梁，帶兩孔的1×2的梁（如圖1.10），機(jī)器人套裝中沒有這兩種積木，但它們是很適用的。圖1.11帶1孔的1×1梁和帶兩孔的1×2的梁在這些短梁中，孔恰巧排列在凸點(diǎn)下，而不在它們之間，而且當(dāng)與標(biāo)準(zhǔn)梁一起使用時，能夠獲取半個孔的增量（如圖1.11）。在下一章講到齒輪時將會看到這兩種梁的實(shí)質(zhì)應(yīng)用。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照圖1.11獲取半個孔的間距還有一種能夠?qū)崿F(xiàn)同樣功能的積木，即帶一個凸點(diǎn)的1×2的板。在機(jī)器人套裝中也沒有這個積木塊，但也很簡單找到。如圖1.12所示，調(diào)整半個凸點(diǎn)的距離時是很適用的。在模型中，這有助于調(diào)整觸動傳感器的地址，我們在這本書中將會看到一些這方面的實(shí)例。圖1.12單凸點(diǎn)1×2的板1.6鉸鏈支撐在結(jié)束本章從前，我們再回到三角形支撐，你現(xiàn)在擁有了能夠輕易解決問題的全部工具了。這里也沒有新的內(nèi)容，可是前面理論的不一樣應(yīng)用。這項(xiàng)技術(shù)你可能用不到，但為了完滿起見，我們這里合仍介紹一下。第一需要介紹一個特其他部件：鉸鏈（如圖1.13）。使用這類鉸鏈能搭建好多不一樣的三角形，但還是針對直角三角形的，由于它們是到當(dāng)前為止最適用的三角形連接部件。鉸鏈的兩端能夠與板或梁的上基層連接，同時供應(yīng)了好多與其他結(jié)構(gòu)整合的方法。圖1.13樂高鉸鏈樂高鉸鏈能夠旋轉(zhuǎn)連接的梁，保證它們的內(nèi)角向來接觸。所以，使用3個鉸鏈，就能獲取一個三角形，它的垂直邊集中在鉸鏈的旋轉(zhuǎn)中心上，內(nèi)部邊長就等于梁的長度（如圖1.14）。關(guān)于直角三角形，你已對勾股定理比較熟悉了，它也同樣能夠應(yīng)用在這里，我們已經(jīng)看到的同樣的連接在這里也成立：3-4-5，6-8-10等等。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照1.14使用成直角三角形?。耗銓W(xué)幾何學(xué)？若是基熟悉，學(xué)起來就不會困了。第一，它有助于依照它之的比率去確定木，通凸點(diǎn)算它的度和度。并了垂直位與水平位的比率是6：5。有了個的比率，你能夠著去將或插入垂直梁的孔中來固定構(gòu)；你知道了每5木的高度，垂直梁的孔好與之相當(dāng)合；同，由于3板的高度好等于一木，最湊的固定構(gòu)就是使用2片板和1加起來的高度，因它好是5的倍數(shù)，若是此你能靈便用，每一件事都會的很簡單：1，2板，1，2板??了配合一根斜梁，使用了勾股定理。基于3-4-5的接能夠成一簡單住的來做成一個三角形。但也有其他方法，有的也是基于個原理，是去看一下附B供應(yīng)的表吧。有效利地用傳動原理，能夠起到事半功倍的收效。但是，好多人其實(shí)不是專業(yè)人士，不用然特別認(rèn)識機(jī)械結(jié)構(gòu)原理，即使生活中的機(jī)械結(jié)構(gòu)無處不在，平常我們也很少去注意它們是怎么工作的，以及為什么要使用這些機(jī)械。但是，在機(jī)器人的設(shè)計中，機(jī)械結(jié)構(gòu)是完滿系統(tǒng)的一個重要要素。這里經(jīng)過簡易的例子，和你一起著手設(shè)計，能夠讓你在一小時內(nèi)，認(rèn)識各樣各樣的傳動機(jī)構(gòu)，認(rèn)識其工作原理及其優(yōu)弊端，什么時候用哪一種傳動系統(tǒng)最有效等，幫你設(shè)計出優(yōu)異的機(jī)器人系統(tǒng)。本章包括的內(nèi)容:數(shù)的算加速及減速限制扭矩-離合的配合不得用于商業(yè)用途僅供個人參照使用滑輪、皮帶、鏈條差速齒——產(chǎn)生不一樣的速度2.1簡介齒輪是機(jī)器中很重要的部件，它幾乎是機(jī)器的象征。只要一看到齒輪，我們就會聯(lián)想到機(jī)器。在這一章，我們將進(jìn)入奇怪的齒輪世界，去研究齒輪的一種特別適用的特色：將一種力魔法般的變換成其他一種力。而且介紹一些新的見解——速度、力、扭矩、摩擦力；還有一些簡單的機(jī)械理論基礎(chǔ)，這些見解沒有你想象的那么復(fù)雜。本章將指導(dǎo)你認(rèn)識齒輪和簡單杠桿之間的相像點(diǎn)。準(zhǔn)備一些齒輪，梁和軸來模擬搭建這一章中簡單的裝置，自己著手搭建比看那些說明更有效。2.2齒數(shù)的計算齒輪獨(dú)自使用幾乎沒有實(shí)質(zhì)的用途（特別狀況除外）。一般用中最少需要兩個齒輪，如圖2.1所示，為兩個一般的樂高齒輪：左邊是8齒齒輪，右邊是24齒齒輪。齒輪的最重要屬性就是它的齒數(shù)。齒輪是依照齒數(shù)分類的：它的英文縮寫就代表它的名字，比方24齒的齒輪能夠表示為24t。圖2.1一個8齒和24齒的齒輪回到例子中，我們使用了8齒和24齒的兩個齒輪，分別固定在一根軸上。兩軸與一帶孔梁相當(dāng)合，兩孔間距兩個樂高單位（一個樂高單位就相當(dāng)于相鄰兩孔間距），現(xiàn)在一手拿住梁，另一手輕輕地轉(zhuǎn)動其中一根軸，注意到的第一個特色：當(dāng)轉(zhuǎn)動其中一根軸時，另一軸也同時轉(zhuǎn)動，所以，齒輪的基本屬性就是能夠?qū)⑦\(yùn)動從一根軸傳到其他軸上。第二個特色是你不需要用很大的力去轉(zhuǎn)動它們，由于齒輪間配合相當(dāng)緊湊，摩擦力很小，這也是樂高工藝系統(tǒng)大特色之一：部件之間配合精度高。第三個特色是兩根軸反向轉(zhuǎn)動：一個順時針，一個逆時針。第四個特色：也是最重要的特色，就是兩根軸的旋轉(zhuǎn)速度不一樣。當(dāng)轉(zhuǎn)動8齒齒輪時，24齒齒輪轉(zhuǎn)動得很慢；而24齒的齒輪轉(zhuǎn)動時，8齒齒輪轉(zhuǎn)動得很快。2.3加速和減速傳動在上邊的例子中，我們先轉(zhuǎn)動大齒輪（24齒），它的每一個齒都與8齒的兩個齒嚙合的很好。當(dāng)轉(zhuǎn)動24齒，每一次在齒輪的接觸面一個新齒取代前一個齒時，8齒也恰巧轉(zhuǎn)過一個齒，所以，大齒輪轉(zhuǎn)過8個齒（24齒的齒輪）便能夠讓小齒輪轉(zhuǎn)過一圈（360度）。當(dāng)大齒輪再轉(zhuǎn)過8個齒時，小齒輪又轉(zhuǎn)了一圈。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照在你轉(zhuǎn)動24齒齒輪的最后8個齒時，8齒齒輪轉(zhuǎn)過第三圈。這也是兩軸產(chǎn)生不一樣速度的原因：24齒齒輪轉(zhuǎn)動一圈，8齒齒輪轉(zhuǎn)動了三圈！我們用兩個齒輪齒數(shù)之比來表示兩者的關(guān)系：24比8。經(jīng)過簡化，獲取3:1。從數(shù)字來看，24齒齒輪1轉(zhuǎn)就相當(dāng)與8齒齒輪的3轉(zhuǎn)。由此，我們獲取一種加速的方法（從技術(shù)角度來將應(yīng)稱為角速度，而不是速度）。這時候你可能會想到在競速小車上使用巨大的傳動比。遺憾的是，在力學(xué)中有得必有失，獲取了速度，同時就減少了扭矩，簡單的說，就是在力量上的損失會轉(zhuǎn)變成速度——速度越快，扭矩就越小。比率也同樣：若是獲取了三倍的角速度，你的扭矩會減小到原來的1/3。齒輪有一個幽默的特色：扭矩和速度的變換是對稱的，你能夠?qū)⑴ぞ刈儞Q成速度，反之亦然。當(dāng)系統(tǒng)增加快度而減小扭矩時，我們稱為加速，反之我們稱為減速。技巧與提示：什么是扭矩？當(dāng)你用扳手轉(zhuǎn)動螺釘上的螺母時，即產(chǎn)生扭矩。扳手動時，螺母產(chǎn)生抵阻力，你握手柄的地方離螺母越遠(yuǎn)，你需要施加的力就越小。實(shí)質(zhì)上，力矩是兩個參數(shù)的乘積：距離和力。增加其中一個量，便能夠增加扭矩。力矩的胸襟單位就是力的單位和距離的單位，國際單位表示為牛頓米（Nm）也許是牛頓厘米（Ncm）。若是熟悉杠桿，你會認(rèn)識到它們之間的相像性。關(guān)于杠桿，合力的大小依賴施力點(diǎn)和支點(diǎn)的距離，距離越大，力就越大。你能夠把齒輪看作杠桿，它的支點(diǎn)就在軸上，施力點(diǎn)在齒輪的齒上，將同樣的力施加到更大的齒輪上，扭矩就增加了。什么時候應(yīng)該加速或減速傳動，經(jīng)驗(yàn)會告訴你?？偟膩碚f，減速傳動用的比加速傳動要多，由于馬達(dá)會產(chǎn)生很高的速度，但扭矩很小。在多數(shù)時候，常減小速度來提高扭矩，讓小車能爬上斜坡，也許讓機(jī)器人的手臂舉起物體。在你不需要大扭矩時，能夠減小速度來精確定位。力學(xué)中能量變換是有耗費(fèi)的。在上邊的例子中，它的耗費(fèi)是由摩擦力惹起的，盡管摩擦力是沒法防范的，但我們應(yīng)盡量減小摩擦力，由于摩擦力在變換過程中會抵消一部分扭矩。2.4齒輪傳動機(jī)構(gòu)最大的樂高齒輪是40齒的，而最小的是8齒的。這樣，使用兩個齒輪傳動時，最大能夠獲取1：5的傳動比。(如圖2.2)不得用于商業(yè)用途僅供個人參照2.21:5傳動比若是還想獲取更高的傳動比，應(yīng)該使用多級變速系統(tǒng)（加速或減速），我們稱它為齒輪傳動鏈，如圖2.3。在這個裝置中，第一級傳動比為3：1，第二級傳動比為3：1，這樣，總的傳動比就為9:1。2.39:1的傳動比齒輪傳動鏈可能會產(chǎn)生讓你難以置信的能量，由于它能將扭矩轉(zhuǎn)變成角速度，兩個1：5的傳動比產(chǎn)生1：25的傳動比，3個1：5的傳動比產(chǎn)生1：125的傳動比。但必定小心使用，由于樂高組件可能由于機(jī)器人不能夠產(chǎn)生某種動作而損壞。換句話說，若是某同樣組件卡住了，樂高馬達(dá)的速度乘上125產(chǎn)生的速度足以扭曲梁，扭斷軸也許打破齒輪的齒。技巧與提示：選擇合適的傳動比建議你在選擇傳動比從前先做一些實(shí)驗(yàn)，不要等到搭好機(jī)器人的時候才察覺傳動機(jī)構(gòu)沒有正確地工作。先搭建一個粗糙的模型也許是一個特其他子模型，調(diào)試傳動比，直到你滿意為止，搭建的模型不需要很牢固，也不需要很完滿，重點(diǎn)是可否正確地模擬某一個詳細(xì)的動作以及能辦理實(shí)質(zhì)的載重。比方，若是你準(zhǔn)備搭建一個爬斜坡（50%坡度）的機(jī)器人，第一必定計算模型所要承受的全部重量：執(zhí)行其他任務(wù)的馬達(dá)、RCX、額外的組件等。不能夠無負(fù)載測試，否則機(jī)器人將沒法正常工作。注意：記住，在多級減速過程中，每增加一級就會產(chǎn)生更大的摩擦力，所以，若是想獲取最大的傳動效率，應(yīng)該盡可能地降低傳動級來達(dá)到你所需的傳動比。2.5渦輪在機(jī)器人套裝中，你會發(fā)現(xiàn)其他一種奇怪的黑色齒輪，近似帶有螺旋線的圓柱體。它也是一種齒輪，但由于它的形狀特別，這里要特別介紹。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照在圖2.4中，渦輪與常用的24齒齒輪嚙合，經(jīng)過搭建這個簡單的裝置，能夠發(fā)現(xiàn)渦輪的好多特色。用手試著去轉(zhuǎn)動齒輪，你能輕易的轉(zhuǎn)動與渦輪相連接的軸，但不能夠轉(zhuǎn)動與24齒相連接的的軸。所以渦輪的第一個重要的屬性是：它能產(chǎn)生單向傳動系統(tǒng)。也就是說，你能用渦輪帶動其他齒輪，但不能夠被其他齒輪帶動，產(chǎn)生這個現(xiàn)象的原因又是摩擦力惹起的。這個屬性能夠用于特其他用途。圖2.4渦輪裝置你可能也注意到了其他一種狀況：兩根軸是正交的，使用渦輪時，傳動方向必然會改變。現(xiàn)在再往返到齒輪：我們已經(jīng)很熟悉怎樣計算一般齒輪的傳動比。你可否想知道渦輪所產(chǎn)生的傳動比呢？我們暫不談?wù)撛?，先做一個實(shí)驗(yàn)：搭建圖2.4中的裝置，緩慢轉(zhuǎn)動渦輪軸一圈，同時觀察24齒齒輪。能夠觀察到渦輪每轉(zhuǎn)過一圈，24齒齒輪恰巧轉(zhuǎn)過一個齒，我們獲取一個結(jié)論：渦輪是1齒齒輪，我們在裝置中使用了一級傳動就獲取了24：1的傳動比。使用40齒的齒輪能夠?qū)鲃颖忍岣叩?0：1。前面談?wù)摰倪@個不對稱的渦輪裝置主要應(yīng)用在減速和增加扭矩，前面我們已經(jīng)講解過，這個特其他裝置的摩擦力極大以致沒法被其他齒輪帶動。同樣，這么大的摩擦力也會使它的效率大大降低，由于在這過程中會耗費(fèi)好多扭矩。但如前面談?wù)摰?，這一特別其實(shí)不代表它不好。在某些狀況下，我們特別需要這類不對稱的裝置。比方，我們設(shè)計的機(jī)器人用手臂提起物體。若是使用標(biāo)準(zhǔn)齒輪產(chǎn)生25：1的傳動比：當(dāng)手臂提起物體并停止時會發(fā)生什么狀況呢？這個對稱裝置把物體的重量（勢能）轉(zhuǎn)變成扭矩，扭矩轉(zhuǎn)變成角速度，馬達(dá)就自行輾轉(zhuǎn)使得手臂回落下來。在近似這類狀況中，便能夠使用渦輪來解決這一問題。渦輪的自鎖功能使馬達(dá)不能夠輾轉(zhuǎn)。由此我們能夠知道：當(dāng)你希望帶有負(fù)載的裝置正確、牢固地定位時，或是想獲取一個很高的減速傳動比，渦輪會特別適用。2.6離合齒輪接下來，我們介紹另一個特別組件：白色的24齒厚齒輪，在它的表面山上有奇怪的花紋（如圖2.5），它的名字叫做離合齒輪，在接下來的部分我們將談?wù)撍窃鯓庸ぷ鞯摹２坏糜糜谏虡I(yè)用途僅供個人參照圖2.5離合齒輪實(shí)驗(yàn)很簡單：將軸的一端插入離合齒輪，將另一端插入24齒齒輪用作旋鈕。用手讓后者保持合適的地址，緩慢轉(zhuǎn)動離合齒輪，盡管阻力很大，但還是轉(zhuǎn)動了。這就是它的作用：當(dāng)扭矩大于額定值時，將產(chǎn)生打滑來保護(hù)結(jié)構(gòu)。離合齒輪經(jīng)過限制傳動系統(tǒng)中的力來保護(hù)馬達(dá)、組件并解決某些困難的狀況?？淘谏线叺?.5-5Ncm（前面講解過Ncm代表牛頓厘米，扭矩的單位）表示這個齒輪能夠傳輸大概2.5-5Ncm的扭矩，高出這個范圍，它內(nèi)部的離合結(jié)構(gòu)就開始打滑。離合有什么用途呢？我們知道，在減速傳動中系統(tǒng)會產(chǎn)生很大的扭矩，出現(xiàn)不測時，這個力足以損壞機(jī)構(gòu)，離合齒輪能夠防范這類狀況的發(fā)生：將傳輸?shù)牧ο拗频侥硞€值內(nèi)。還有一種狀況：齒輪降速很小，且扭矩不足以損壞樂高組件。但若是機(jī)構(gòu)卡住，馬達(dá)停轉(zhuǎn)，這類狀況很麻煩，由于這時馬達(dá)有電流流過，可能會造成馬達(dá)永遠(yuǎn)損壞。離合齒輪防范了這類損壞：當(dāng)扭矩變大時，齒輪就走開馬達(dá)。在某些狀況下，離合齒輪甚至能夠減少傳感器的使用。假設(shè)你搭建一個能夠完成某些動作的動力裝置，比方使某個子機(jī)構(gòu)（手臂、控制桿、傳動裝置）處于兩種狀態(tài)：打開或關(guān)閉，向右或向左，嚙合或走開嚙合，你需要打開馬達(dá)一準(zhǔn)時間，將機(jī)構(gòu)從一種狀態(tài)變到另一種狀態(tài)。但不幸的是，很難精確控制馬達(dá)執(zhí)行某個動作的時間（更壞的是，若是負(fù)載變化，時間也要隨之改變），若是時間很短，系統(tǒng)就會產(chǎn)生中間狀態(tài)，若是時間太長，馬達(dá)就有可能損壞。此時，你能夠使用一個傳感器來檢查裝置的狀態(tài)可否達(dá)到；但是，若是你在傳動鏈的某處使用一個離合齒輪，你能夠大概設(shè)置一個時間，使你的馬達(dá)轉(zhuǎn)動到最大負(fù)載地址時，即使設(shè)置時間稍長，離合齒輪打滑，會保護(hù)你的機(jī)器人和馬達(dá)?，F(xiàn)在，我們要談?wù)撟詈笠粋€問題：在傳動鏈的哪個地方放入離合齒輪。我們知道，離合齒輪有24齒且能傳達(dá)5Ncm的最大扭矩，所以你能夠應(yīng)用學(xué)過的齒輪傳動比計算方法。若是你在40齒的齒輪前面放一個離合齒輪，傳動比是40：24，大概是1.67：1。最大的扭矩是1.67×5，即8.35Ncm。圖2.6中比較復(fù)雜的傳動鏈中，傳動比分別是3：5和1：3，則總傳動比為5：1，那么最大扭矩是25Ncm；一個有25Ncm扭矩輸出的系統(tǒng)能夠產(chǎn)生的力是5Ncm所產(chǎn)生力的5倍，換句話說，它能提起一個5倍于它的重物重量。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照圖2.6傳動鏈中的離合齒輪從這些例子能夠推斷出與混雜有離合齒輪的傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的最大的扭矩是由離合齒輪的最大的扭矩乘上它后邊傳動級的傳動比。當(dāng)減速時，輸出的扭矩越大，在傳動鏈中離合齒輪離動力源就必定越近。相反的，當(dāng)你減小角速度時，不是獲取扭矩而是想獲取更精確的定位，你要把離合齒輪放在傳動鏈的最后一級，這樣會讓最后的扭矩最小化。聽起來好象有點(diǎn)復(fù)雜，建議你邊學(xué)邊做，搭建模型是一個很好的學(xué)習(xí)過程。搭建一些簡單的模型，試驗(yàn)離合齒輪在不一樣地址時的傳動收效。2.7齒輪的配合樂高齒輪組件包括好多不一樣種類的齒輪，前面已介紹了8齒、24齒、40齒的齒輪，現(xiàn)在我們認(rèn)識其他種類的齒輪，談?wù)撛鯓右勒账鼈兊某叽绾托螤顏硎褂谩?齒、24齒、40齒的齒輪的半徑分別為0.5、1.5、2.5個樂高單位（從齒心到半齒的距離），當(dāng)兩者配合時，連接兩齒輪軸的距離就等于它們半徑之和，能夠看到這三種齒輪之間配合的距離都是整數(shù)倍，這樣能夠配合得很好。8齒與24齒齒輪的距離是2個樂高單位，8齒與40齒齒輪的距離是3個樂高單位，24齒40齒齒輪的距離是4個樂高單位，這類配合很簡單與標(biāo)準(zhǔn)柵格結(jié)構(gòu)上的其他組件連接，由于每一層為兩個樂高單位（圖2.7所示）。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照圖2.7垂直齒輪配合另一個一般齒輪是16齒齒輪(如圖2.8)，它的半徑是1個樂高單位，兩個這樣的齒輪以兩個樂高單位的距離能夠配合地很好。但與其他齒輪配合會有一點(diǎn)問題，由于它與其他齒輪的配合距離會產(chǎn)生半個樂高單位，但是有一種特其他梁（1×1帶孔梁，1×2帶孔梁）能夠解決這個問題（如圖2.9）。圖2.816齒齒輪圖2.916齒齒輪與24齒齒輪的配合惰輪我們來談?wù)撘灰韵铝袌D2.7所示的惰輪，圖中傳動鏈的比率是多少呢？從8齒齒輪開始，第一級傳動比是24：8，第二級傳動比為40：24，兩者相乘，獲取40：8也許5：1。8齒齒輪與40齒齒輪直接傳動也可獲取5：1的傳動比，那么，中間的24齒就是一個惰輪，它不影響傳動比。惰輪在機(jī)械中使用特別寬泛，它有助于連接遠(yuǎn)處的軸。那么，惰輪在系統(tǒng)中可否不起作用呢？不是的，它們有一個特別重要的作用：改變輸出方向。我們已說過，標(biāo)準(zhǔn)柵格的使用特別靈便，能夠用多種方式解決問題，而不需求助于特別部件。如圖2.10所示不得用于商業(yè)用途僅供個人參照圖2.10對角線配合當(dāng)我們使用一對16齒齒輪時，傳動比是1：1。對角速度或扭矩都不會有影響（除一小部分被變換摩擦力外），但在某些應(yīng)用中的確需要使用一對16齒齒輪，比方，當(dāng)你只要要把運(yùn)動從一根軸傳到另一根軸上時，這也是齒輪常用功能。還有一種特其他齒輪，能夠把運(yùn)動從一根軸傳到與之垂直的軸上，這類齒輪稱為斜齒輪。技巧與方法：齒隙水平配合和垂直配合比對角線配合更精確。對角線配合時嚙合齒輪的兩齒的縫隙較大，多出的縫隙稱為齒隙，即一個齒輪在不影響與它的嚙合的齒輪的狀況下能夠承受的震動。當(dāng)加速傳動時齒隙會變大，減速傳動時會減小。總之，它對系統(tǒng)會產(chǎn)生不良的作用：減小了輸出軸的精度，所以要盡量少用。齒輪家族中最一般的成員是12齒的斜齒輪，而且只有一種使用方式，如圖2.11。它不能夠與我們前面談?wù)撨^的標(biāo)準(zhǔn)齒輪配合。但是它有一個特別適用的功能——改變傳動方向，戰(zhàn)用空間很少。還有一種與這類齒輪同樣設(shè)計的20齒傘齒輪（如圖2.12）。這兩種斜齒輪的厚度是半個樂高單位，其他的都是1個樂高單位。圖2.11垂直配合的斜齒輪圖2.1220齒斜齒輪其他，24齒的齒輪還有一種形狀——冠形。它的前端齒比較特別，但能夠看作標(biāo)準(zhǔn)齒來使用，能夠與其他標(biāo)準(zhǔn)齒輪在正交方向傳輸運(yùn)動（圖2.13）。為了總結(jié)我們談?wù)撨^的齒輪，先簡單的介紹一種新齒輪，樂高機(jī)器人挑戰(zhàn)套裝沒有這類齒輪，但你在其他套裝里可能會找到它：圖2.14所示的雙面斜齒輪（12齒和20齒，半徑分別為0.75和1,25），它們以兩個樂高單位配合。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照圖2.13垂直配合的冠齒輪圖2.14雙面斜齒輪若是將兩種同樣的雙面斜齒輪配合就有點(diǎn)麻煩，由于距離變成1.5或2.5了。與其他的齒輪配合就更復(fù)雜了，它們配合的距離甚至可能包括1/4或3/4個樂高單位。這類齒輪更合適垂直安裝（如圖2.15）。圖2.15垂直配合的雙面斜齒輪2.8滑輪、皮帶、鏈條的使用在樂高機(jī)器人挑戰(zhàn)套裝中還有一些滑輪、皮帶，它們的工作原理與齒輪功能相像，這里說相像，說明還是有區(qū)其他?；嗊€有一些特色，下面我們會介紹到。樂高機(jī)器人挑戰(zhàn)套裝基本組件中沒有鏈條，若是需要，可獨(dú)自購買。鏈條在機(jī)構(gòu)連接中與齒輪和皮帶輪系統(tǒng)有一些共同的特色。2.8.1滑輪和皮帶滑輪就像在直徑端帶有凹槽（座圈）的輪子。LEGOTECHNIC套裝中包括了4種滑輪（如圖2.16）2.16滑輪最小的滑輪（a）實(shí)質(zhì)上就是半個軸套，經(jīng)常用來固定軸，以防范軸前后滑動，由于它也有座圈，也稱其為滑輪。它的半徑是1個樂高單位，厚度是半個樂不得用于商業(yè)用途僅供個人參照高單位。（b）中的滑輪厚度為1個樂高單位，寬1.5個樂高單位。它兩面不對稱，所以它的凹槽也不在中心地址。在帶有橡皮圈的軸孔的一端能夠與微馬達(dá)連接。（c）中的滑輪直徑是3個樂高單位，厚度也是半個樂高單位。（d）中大滑輪的直徑是4.5個樂高單位，厚度為1個樂高單位。樂高皮帶是近似于橡皮筋的橡膠環(huán)，樂高機(jī)器人挑戰(zhàn)套裝中有3種不一樣顏色（對應(yīng)不一樣長度）的皮帶：白色、藍(lán)色、黃色（其他套裝里還有其他一種長度的紅色皮帶），樂高皮帶與一般橡膠帶（套裝里黑色的那種）不一樣，一般膠帶彈性大，不合適用于連接兩個滑輪并傳達(dá)運(yùn)動。而樂高皮帶是用來連接滑輪的，樂高設(shè)計的皮帶能夠很好的與滑輪的凹槽配合。我們看一下皮帶連接兩滑輪的裝置（如圖2.17）。皮帶將運(yùn)動從一個滑輪傳達(dá)到另一個滑輪上，特別近似一對齒輪。那怎樣計算它們的傳動比呢？滑輪沒有齒，我們經(jīng)過計算機(jī)滑輪的半徑比來確定其傳動比（這個規(guī)則民樣合適齒輪傳動比的計算，只但是齒輪的圓周上平均地分布著齒，依照齒數(shù)來計算傳動比要方便得多）。計算直徑時應(yīng)從座圈內(nèi)部開始計算，由于槽壁是為了防范皮帶從滑輪上掉下來的，不應(yīng)算入直徑。圖2.17皮帶與滑輪連接由于皮帶很簡單打滑，所以不合適傳達(dá)大扭矩?；茢?shù)目也很難預(yù)計，由于它取決于多種要素，包括扭矩和速度、皮帶的張力、皮帶和滑輪之間的摩擦力、皮帶的彈性等。綜合這些要素，我們更需要在給定的條件下用實(shí)驗(yàn)方法來測量不同滑輪組合的傳動比，如表2.1測試的結(jié)果。半軸套小滑輪中滑輪大滑輪半軸套1:11:21:41:6小滑輪1:21:11:2.51:4.1中滑輪4:12.5:11:11:1.8大滑輪6:14.1:11.8:11:1方法與技巧：計算滑輪之間的傳動比不得用于商業(yè)用途僅供個人參照怎樣判斷滑輪之間的傳動比呢？只要用皮帶連接兩個滑輪，轉(zhuǎn)動其中的一個，帶動另一個滑輪，爾后比較他們轉(zhuǎn)動的次數(shù)。但用手轉(zhuǎn)動滑輪是相當(dāng)麻煩、耗時的工作，有可能會數(shù)錯。使用RCX便能夠完成這項(xiàng)工作，在RCX上安裝一個馬達(dá)和兩個角度傳感器？我們先搭建一個簡單的裝置：將滑輪連接到馬達(dá)上，軸上再連接上第一個角度傳感器，第二個滑輪放置在近處，軸上連接第二個角度傳感器。盡量減小摩擦力，保持皮帶在皮帶輪的各部分的張力同樣。啟動馬達(dá)后，RCX開始計算角度。幾秒后停止馬達(dá)，讀取角度傳感器的值，將兩個值一比就獲取了表2.1中的比率了。在有負(fù)載的狀況下，這些值就顯的重要了。由于在低扭矩的系統(tǒng)中，能夠把這個比率看作傳動比?？傊跍p速傳動系統(tǒng)中第一級傳動經(jīng)常使用滑輪，這樣就提高了角速度，但扭矩降低了。你可能在好多應(yīng)用中看到滑輪打滑現(xiàn)象，它所起的作用就是限制扭矩，與我們前面談?wù)撨^的離合齒輪的作用是同樣的?；喤c齒輪對照，還有一個優(yōu)勢，就是配合距離是沒有嚴(yán)格的限制?；喣軌蚪?jīng)過使用長皮帶將運(yùn)動傳達(dá)到遠(yuǎn)處的軸上（如圖2.18），而且在高速狀態(tài)下，滑輪傳動比齒輪傳動產(chǎn)生更低的噪音——有時這個特色特別適用。圖2.18滑輪長距離傳達(dá)運(yùn)動鏈條樂高鏈條有兩種：鏈節(jié)鏈條和履帶式鏈條（如圖2.19），這兩種鏈條采用同一種傳動原理，能夠拼接成隨意長度。跟皮帶連接滑輪近似，鏈條用于連接齒輪，它們有一些同樣點(diǎn)：兩種裝置都是連接平行軸，都能夠連接間距較大的軸。最大的差別就是：鏈條不會打滑，所以它就不會損失扭矩（鏈條能傳達(dá)的最大扭矩是由單個鏈節(jié)的阻力決定的，樂高鏈節(jié)的阻力很小）。另一點(diǎn)差別是：鏈條傳動會產(chǎn)生很大的摩擦力，所以比齒輪直接嚙合傳動效率要低。在低速狀況下使用鏈條在間隔較遠(yuǎn)的軸上傳達(dá)運(yùn)動特別有效。鏈條傳動的傳動比與齒輪直接嚙合傳動的傳動比是同樣的：不得用于商業(yè)用途僅供個人參照圖2.19鏈條2.9差速器這里再給大家介紹一種特其他裝置：差速器。你可能知道汽車都有一個差速器，但不用然知道它的作用。讓我們做一個實(shí)驗(yàn)：在樂高機(jī)器人挑戰(zhàn)套裝中拿兩個最大的輪胎，用最長的軸連接輪轂（如圖2.20）?，F(xiàn)在將輪胎放到桌上，并輕輕推進(jìn)它：輪胎平直前進(jìn)。用手指拿住軸的中間，想法讓它們改變方向，可否是有些困難？圖2.20相連的兩個輪子做直線運(yùn)動原因是：當(dāng)兩個平行輪拐彎時，它們的運(yùn)動路徑的長度是不一樣的，外面的輪子運(yùn)動的路徑長度比里面的要長（如圖2.21）。例子中的兩個輪子是剛性連接的，轉(zhuǎn)動時，它們的行程同樣，所以在一個輪子不打滑的狀況下是沒有方法讓其轉(zhuǎn)彎的。圖2.21轉(zhuǎn)彎時兩只輪子行走的距離不一樣接下來我們搭建如圖2.22所示的裝置。這個裝置包括配有3個12齒斜輪的差速器，兩根長度為6個樂高單位的軸，固定組件的兩根梁和兩塊板。將輪子再放到桌上并推進(jìn)它，發(fā)現(xiàn)它能夠平穩(wěn)地朝各個方向轉(zhuǎn)動。仔細(xì)觀察差速器內(nèi)的斜齒輪：當(dāng)輪子前進(jìn)時，差速器轉(zhuǎn)動了而斜齒輪沒有轉(zhuǎn)動。若是在原地轉(zhuǎn)動，差速器停止轉(zhuǎn)動而斜齒輪轉(zhuǎn)動了。還有一種中間狀態(tài)，它們兩個以同樣的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動。差速器供應(yīng)了一種在沒有單一固定軸的限制下將動能輸出給兩個輪子的方法。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照圖2.22差速器的簡單的應(yīng)用要在車輛上安裝差速器，只要將動力傳給差速器主輪（它的兩邊各一個24齒和16齒的輪緣）。差速器還有其他重要的應(yīng)用。能夠?qū)⑺醋鳈C(jī)械加/減裝置。將圖2.22的裝置放到桌上，轉(zhuǎn)動其中一個輪子；若是想讓另一個輪子保持不動，差速器的角速度是輪子的一半。若是在原地轉(zhuǎn)動這個裝置，差速器不會轉(zhuǎn)動，當(dāng)兩個輪子同時轉(zhuǎn)動時，差速器轉(zhuǎn)動的速度與輪子同樣。由此得出：（lav1+lav2）/2=OavOav代表輸出角速度（差速器），lav1和lav2代表輸入角速度（兩個輪子）。使用這個公式時，輸入角速度的大小有正負(fù)之分，也就是說，兩根輸入軸的旋轉(zhuǎn)方向相反，其中一個角速度要使用負(fù)數(shù)。舉個例子，右軸的轉(zhuǎn)速是100rpm（每分鐘旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)），左軸旋轉(zhuǎn)速度是50rpm，得出差速齒的角速度：（100rpm+50rpm）/2=75還有一種狀況，使用一個惰輪，使其中一個輪子反轉(zhuǎn)，讓差速器產(chǎn)生一個速度差而不是兩者的和。反轉(zhuǎn)輸入軸就是讓其中一根軸的角速度為負(fù)。當(dāng)兩輪的速度同樣時，差速器的速度會有什么變化：(100rpm–100rpm)/2=0rpm表示差速器沒動，將兩輪的速度變成不一樣，差速器的速度就邊為兩輪速度差的一半。(100rpm–98rpm)/2=1rpm當(dāng)你想確認(rèn)兩個輪子運(yùn)動的速度和距離可否同樣時，這個技巧就很適用：觀察差速器，其實(shí)不停減低左或右輪的速度來保持差速器靜止（參看第八章關(guān)于這個技巧的一個詳細(xì)應(yīng)用）。小結(jié)不得用于商業(yè)用途僅供個人參照包括機(jī)器人在內(nèi)，很少找到?jīng)]有齒輪的機(jī)器，所以有效利用齒輪特別適用。本章我們介紹了一些很重要的見解：齒輪齒數(shù)比、角速度、力、扭矩以及摩擦力。扭矩使機(jī)器人能執(zhí)行某個帶有壓力和重力的動作，像舉物體、抓物體或爬坡。能夠犧牲角速度以提高扭矩。這與杠桿理論很近似：距離支撐點(diǎn)越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的力就越大。若是沒有正確地控制系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)也許系統(tǒng)自己發(fā)生故障，輸出的扭矩都有可能損壞樂高組件，離合齒輪能夠控制最大扭矩的輸出以達(dá)到保護(hù)組件的目的。不但齒輪能夠傳輸動力，皮帶-滑輪裝置和鏈條也能夠傳輸力，并能夠遠(yuǎn)距離傳達(dá)動力。皮帶擁有限制扭距的功能，特別在高速低扭矩狀態(tài)下能夠更好地工作。鏈條不會限制扭距，但能夠增加摩擦力，所以更合適在低速狀態(tài)下傳達(dá)動力。最后我們談?wù)摿瞬钏倨鞯囊恍┨厣苓B接兩個輪子，能夠使輪子獨(dú)自轉(zhuǎn)動。差速器還有其他方面的應(yīng)用，由于它的工作原理更像加減法器，能夠返回輸入值的代數(shù)和。若是你對這些比較陌生，建議你在搭建第一個機(jī)器人從前先熟悉一下這些組件的使用方法，拿一些齒輪和軸，對它們隨意連接以認(rèn)識它們的性能。這樣還能夠夠讓你把第一章學(xué)過的固定垂直梁的見解應(yīng)用到這里，使結(jié)構(gòu)更牢固。隨著練習(xí)與興趣的增加，今后你便能夠搭建出更復(fù)雜的模型在機(jī)器人系統(tǒng)中，我們已經(jīng)介紹了動力傳輸系統(tǒng)——結(jié)構(gòu)是怎樣傳達(dá)力的，接下來，我們要談?wù)搫恿υ础R達(dá)，包括各樣馬達(dá)的安裝固定，以及馬達(dá)的使用技巧，如，怎么獲取更大的動力輸出？同時簡單介紹怎樣并聯(lián)馬達(dá)，怎樣控制其工作等內(nèi)容。本章包括的內(nèi)容:微馬達(dá)、低速馬達(dá)、高速馬達(dá)安裝馬達(dá)馬達(dá)導(dǎo)線連接控制能量連接馬達(dá)3.1簡介：馬達(dá)是機(jī)器人的主要動力源，它能夠使機(jī)器人執(zhí)行搬動、載重，控制手臂，抓取物體，抽氣等其他需要動力源的動作。馬達(dá)有不一樣的種類，但都有一個共同點(diǎn)：將電能變換為機(jī)械能。在這一章，我們要談?wù)摬灰粯拥臉犯唏R達(dá)及其使用、安裝、連接。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照在講解馬達(dá)從前，我們先介紹一下相關(guān)電子學(xué)的理論。我們知道，電流分為直流電（DC）和溝通電（AC）。家里使用的就是溝通電，而電池是一種最常用的直流電源，全部樂高的電動組件包括馬達(dá)都使用直流電源。為了更好地理解什么是直流電，我們能夠把它想象成從山上流下的一股泉水。流過導(dǎo)線的電流與之近似：當(dāng)你將電池與燈也許馬達(dá)連接時，電流的流動差不多像水流。我們知道電池有正負(fù)極，它表示電流的流動方向：從負(fù)極流向正極，就憂如負(fù)極在山頂。在溪流中放一個水車就能把水的能量轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，同樣，馬達(dá)能夠?qū)㈦娏鬓D(zhuǎn)變成運(yùn)動。若是改變水流的方向，水車會發(fā)生什么狀況呢？它會改變旋轉(zhuǎn)方向。直流馬達(dá)也是這樣。每一個馬達(dá)都有兩個接頭，一個接到負(fù)極，另一個接到直流電源的正極。你能夠想象的到電流從電池的負(fù)極流入馬達(dá)，使馬達(dá)運(yùn)動，爾后電流又流回到正極。若是將馬達(dá)與電池之間的導(dǎo)線變換方向，馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向也隨之改變了。那么，怎樣來描述在溪流中流過的水量呢？它由兩個要素決定：水的流速，水流的寬度，兩者對水車的工作狀態(tài)都有影響。在電流里，流動的速度稱為電壓，它的寬度（強(qiáng)度）稱為電流。它們的單位分別能夠用伏特（V）和安培（A）來表達(dá)，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(dá)都有額定電壓，自然，電壓低于額定電壓時馬達(dá)也能工作，可是會轉(zhuǎn)得慢一些；但若是高出額定電壓，馬達(dá)就有可能燒掉。電流還有其他特色：電流的變化是依照馬達(dá)的工作狀態(tài)改變的：負(fù)載越高，電流就越大。當(dāng)馬達(dá)與RCX連接使用時，若是有力阻攔它旋轉(zhuǎn)，必定停止馬達(dá)。由于馬達(dá)會把電流不停的轉(zhuǎn)變成能量來抵抗阻力，若是不能夠功，全部流過馬達(dá)的電流就會轉(zhuǎn)變成了熱能而不是機(jī)械能，這對馬達(dá)來說很危險。第二章談?wù)撨^的離合齒輪在這里就起作用了，它限制了最大的扭距，防范馬達(dá)卡住的這類狀況發(fā)生。在今后的章節(jié)中你會知道RCX對保護(hù)馬達(dá)也有積極的作用。3.2微型馬達(dá)、低速馬達(dá)、高速馬達(dá)每一個馬達(dá)都含有一個或更多的斷念和磁鐵，用來將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，但你不需要知道這個轉(zhuǎn)變的過程。作為一個搭建者，你所要記住的是每個馬達(dá)都有一個輸入能量的接頭，一根輸出軸，當(dāng)前樂高套裝供應(yīng)了三種9V直流馬達(dá)（如圖3.1）：高速馬達(dá)（a）、低速馬達(dá)（b）和微馬達(dá)（c）。還有比較特其他馬達(dá)，如train馬達(dá)、帶有電池箱的馬達(dá)和MicroScout馬達(dá)等，但這些馬達(dá)不常用，通用性不如前三種好，所以在這里我們就不測試它們了，表3.1中總結(jié)了前三種馬達(dá)的一些屬性。屬性高速馬達(dá)低速馬達(dá)微馬達(dá)最大電壓9VDC9VDC9VDC最小電流（無負(fù)載）100mA10Ma5mA最大電流（stall）450mA250mA90mA最大速度（無負(fù)載）4000rpm300rpm30rpm在一般負(fù)載下的速度2500rpm200rpm25rpm不得用于商業(yè)用途僅供個人參照圖3.1樂高馬達(dá)無傳動鏈馬達(dá)是樂高技術(shù)系列套裝的標(biāo)準(zhǔn)馬達(dá)，它的軸是內(nèi)部馬達(dá)軸的延長，所以我們稱它為高速馬達(dá)，它的轉(zhuǎn)速特別高（轉(zhuǎn)速可高達(dá)4000rpm）。在大多數(shù)實(shí)質(zhì)應(yīng)用中，它都需要特別高的減速傳動比，從而需要特別復(fù)雜的傳動鏈，而且還會耗資大量的電流。在本書中的例子中，沒有涉及到高速馬達(dá)的使用，你能夠安全地使用它，不會損壞RCX且自己也不會損壞，唯一的弊端就是耗資電池。本書中我們提到的馬達(dá)一般為低速馬達(dá)。它有一個內(nèi)置多級減速傳動鏈，無負(fù)載時的轉(zhuǎn)速為350rpm（一般負(fù)載的轉(zhuǎn)速為200/250rpm），它的特色是高效率、低能耗。它也用了復(fù)雜的傳動鏈，在機(jī)器人挑戰(zhàn)套裝中有兩個馬達(dá)。方法和技巧怎樣清除微馬達(dá)被卡住狀況：微馬達(dá)是很簡單卡住的，此時，你只要按以下步驟進(jìn)行：1．趕忙關(guān)掉馬達(dá)，將馬達(dá)與其他組件分別或關(guān)閉電源，否則將會永遠(yuǎn)性的損壞馬達(dá)。2．把馬達(dá)與它連接的齒輪、皮帶等走開以減小震動，在馬達(dá)軸上留下小滑輪。用手指握住馬達(dá)，輕輕轉(zhuǎn)動滑輪，但轉(zhuǎn)動方向必定與馬達(dá)卡住時的轉(zhuǎn)動方向一致，同時將滑輪拔出，當(dāng)聽到咔的一聲，說明馬達(dá)沒有損壞。若是不知道馬達(dá)卡住時的轉(zhuǎn)動方向，兩個方向都試一試看。這幾個步驟平常很有效，若是不能夠，試著使用小電流脈沖朝兩個方向驅(qū)動馬達(dá)，同時執(zhí)行第3步。微馬達(dá)也是一個帶有傳動鏈的馬達(dá)。它的輸出軸的轉(zhuǎn)速大概是30rpm，扭矩也相當(dāng)?shù)停ㄐ∮?Ncm），它的噪音比較大而且很簡單卡死。你可能想知道為什么要使用這類馬達(dá)，答案就在于它的名字：由于它的體積小，在有些狀況下，馬達(dá)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其他支架和連接馬達(dá)軸的小滑輪（如圖3.1c）3.3固定馬達(dá)不得用于商業(yè)用途僅供個人參照樂高馬達(dá)的寬度和長度都是4個樂高單位，馬達(dá)的頂部形狀是不規(guī)則的，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(dá)的底部也是不規(guī)則的，由于它有一塊2×2大小的突出地域，所以直接將馬達(dá)固定在規(guī)則表面上是不能夠能的，所以，固定馬達(dá)需要必然的技巧。下面我們將介紹一些常有的技巧。盡管它的形狀不規(guī)則，但它與標(biāo)準(zhǔn)的積木塊配合得很好。如圖3.2，使用兩根梁以4個孔的間距能夠?qū)ⅠR達(dá)低處部分固定。在一個牢固的結(jié)構(gòu)中，馬達(dá)的固定是很重要的，否則當(dāng)馬達(dá)承受負(fù)載時結(jié)構(gòu)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，這樣便能夠與前一章講過的齒輪（8齒和24齒，16齒16齒）配合，在第二個例子（如圖3.3）也是一個牢固裝置，這里延伸了馬達(dá)的輸出軸以便于在上邊固定一個蝸輪。這個裝置合適低速高扭矩應(yīng)用。圖3.2用梁固定馬達(dá)圖3.3與渦輪連接的馬達(dá)注意：這幾幅圖片重點(diǎn)說明它們之間的關(guān)系和距離，所以，為了能看到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們沒有在兩邊固定馬達(dá)，在實(shí)質(zhì)的應(yīng)用中，應(yīng)該兩邊固定馬達(dá)并調(diào)整將梁調(diào)整為合適的長度。在樂高機(jī)器人挑戰(zhàn)套裝中有8塊帶有導(dǎo)軌的1×2板，是特地用于固定馬達(dá)（如圖3.4）的。圖3.5顯示了固定馬達(dá)的一個小巧且牢固的結(jié)構(gòu)，更重要的是，此裝置不需要打開就能移除馬達(dá)：移除馬達(dá)后邊的兩塊2×6板，不需要調(diào)整其他組件即可直接將馬達(dá)拆下，用于其他模型的搭建。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照馬達(dá)是樂高組件中較貴的組件，所以，同時搭建多個機(jī)器人模型時，應(yīng)該考慮重復(fù)利用馬達(dá)。圖3.4帶有導(dǎo)軌的1×2的板便于固定馬達(dá)圖3.5可方便拆掉馬達(dá)的裝置注意：我們建議固定馬達(dá)時要保證連接導(dǎo)線能自由移除，不要與馬達(dá)一起固定，除非確定結(jié)構(gòu)不會改變，且不需要其他長度的導(dǎo)線。如圖3.6是固定馬達(dá)的最后一個例子，我們看到了怎樣使用兩個滑輪與一根皮帶解決了遠(yuǎn)距離傳達(dá)動力的問題。馬達(dá)沒適用垂直梁來固定，由于軸上的扭矩不會很大（滑輪打滑能夠限制扭矩），同時，皮帶保證了馬達(dá)不會從底座上掉下來。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照圖3.6皮帶傳動不需要固定結(jié)構(gòu)3.4馬達(dá)導(dǎo)線的連接LEGO馬達(dá)的導(dǎo)線連接是很簡單的。導(dǎo)線兩端是2×2×2/3的接線柱，與標(biāo)準(zhǔn)積木塊連接同樣簡單，使用它不需要特其他知識。本章曾介紹過，樂高馬達(dá)是直流馬達(dá)，所以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(dá)的正反轉(zhuǎn)，但你不用擔(dān)憂這個，由于能夠經(jīng)過程序來控制它的轉(zhuǎn)向，而且樂高接線頭的設(shè)計很巧妙，它不但能防范馬達(dá)或電池短路，而且經(jīng)過旋轉(zhuǎn)接線頭180度，能夠改變它的極性。有好多種方法不經(jīng)過編程就能測試馬達(dá)。詳細(xì)以下：RCX微型電腦按RCX微型電腦的View按扭，直到與馬達(dá)相連的端口上出現(xiàn)小箭頭，但不松開該按扭，同時按下Prgm或Run，朝你希望的方向驅(qū)動馬達(dá)。軟件你能夠上網(wǎng)找到并下載好多免費(fèi)程序，經(jīng)過PC機(jī)直接控制馬達(dá)，一點(diǎn)鼠標(biāo)便能夠讓馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)。外面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即可測試馬達(dá)。圖3.7樂高電池箱遙控器機(jī)器人挑戰(zhàn)套裝中沒有這個工具。它能夠同時控制三個輸出端口，在搭建過程中測試機(jī)器人是很適用的。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照其他資源樂高全部9V的電動部件都是相互兼容的，若是你有一個樂高的速度調(diào)治器，就能安全使用馬達(dá)，不要使用與樂高不配套的電源，否則會損壞馬達(dá)。3.8樂高遙控器在某些狀況下，你能夠利用同一個端口控制多個馬達(dá)，而且對RCX和馬達(dá)是安全的，需要指出的是RCX在端口的反面有一個限流裝置，它能夠防范在卡住停轉(zhuǎn)狀況下強(qiáng)電流造成的損壞。當(dāng)兩個馬達(dá)連接到同一端口時，它們均分了最大的有效電流，從而限制了馬達(dá)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，但有時利用它來分擔(dān)負(fù)載是很有效的。還有一種避開限流電路來實(shí)現(xiàn)的方法：間接控制，不是經(jīng)過RCX端口來控制馬達(dá)，而是經(jīng)過轉(zhuǎn)動一個馬達(dá)來打開一個開關(guān)，從而起到控制其他馬達(dá)的作用。你只要一些額外的部件：一個極性開關(guān)和一個電池箱，如圖3.9。用樂高馬達(dá)和滑輪驅(qū)動極性開關(guān)，使用皮帶連接能夠減少時間控制的限制，若是有時驅(qū)動馬達(dá)時間過長，皮帶打滑，馬達(dá)就不會失速了。極性開關(guān)擁有三種狀態(tài)：前進(jìn)，停，倒退。其中一邊控制馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，中間位置控制馬達(dá)停止，另一邊控制馬達(dá)反轉(zhuǎn)。這個裝置只好控制兩種狀態(tài)（不要依賴準(zhǔn)時將極性開關(guān)定位在中心地址），所以你必定選擇一個開/關(guān)或前進(jìn)/退后裝置。電池箱沒有限流的特色，所以這個連接不能夠防范因過載惹起的馬達(dá)失速狀況，從而會造成馬達(dá)永遠(yuǎn)損壞。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照圖3.9間接控制馬達(dá)3.5控制馬達(dá)動力我們知道程序能控制馬達(dá)動力輸出，事實(shí)上，某些特其他指令還能夠夠設(shè)置0-7的動力級范圍（一些固件如legOS，供應(yīng)了0-255的動力級），但是，當(dāng)你改變這些數(shù)值時，會發(fā)生什么狀況呢，我們?yōu)槭裁匆P(guān)心這些數(shù)據(jù)？有兩種方法能夠控制馬達(dá)的動力。樂高的齒輪組速度調(diào)治器經(jīng)過電壓控制動力：電壓越高，動力越大。RCX使用了其他的方法，稱為脈沖寬度調(diào)制法（PWM）。為認(rèn)識釋它的工作原理，若是你連續(xù)、迅速地開關(guān)馬達(dá)，馬達(dá)產(chǎn)生的能量是由馬達(dá)在一準(zhǔn)時間間隔內(nèi)馬達(dá)打開的時間長度來決定的，慢速釋放電流比迅速（低負(fù)載）釋放電流更有效。若是你在一秒內(nèi)迅速地開關(guān)馬達(dá)100次，會看到馬達(dá)正常的旋轉(zhuǎn)；但在有負(fù)載的狀況下，速度會減慢，是由于馬達(dá)供應(yīng)的動力降低了（如圖3.10）。這個工作實(shí)質(zhì)上都是RCX做的，它內(nèi)部的馬達(dá)控制器飛快地開關(guān)馬達(dá)（每毫秒開1次開關(guān)），同時開和關(guān)之間改變了比率。在0能量級上，馬達(dá)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(dá)就素來打開（8/8）。3.10能量級的脈沖寬度調(diào)制我們?yōu)槭裁匆P(guān)心這個技術(shù)問題呢？由于你實(shí)質(zhì)控制的不是速度而是能量。樂高馬達(dá)是特別有效的，當(dāng)馬達(dá)沒有負(fù)載或只有少量負(fù)載時，降低能量級速度不會減少好多。在更大的負(fù)載下，你會看到能量級也會影響合成速度。3.5.1馬達(dá)制動必要時，能夠經(jīng)過控制馬達(dá)的能量級來制動馬達(dá)，RCX擁有一種電子制動器。我們經(jīng)過實(shí)驗(yàn)來說明它的工作原理。實(shí)驗(yàn)需要1個馬達(dá)、1根導(dǎo)線、1個24齒的齒輪。將這三個組件按圖3.11所示裝置。注意導(dǎo)線連接的方法：導(dǎo)線的一端接在另一端上?，F(xiàn)在用手轉(zhuǎn)動齒輪：齒輪平穩(wěn)地轉(zhuǎn)起來了，手停止轉(zhuǎn)動后，它仍連續(xù)旋轉(zhuǎn)了一會兒。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照爾后移掉導(dǎo)線，按圖3.12所示連接：導(dǎo)線的兩端同一方向連接到馬達(dá)上，這樣就使馬達(dá)短路了。短路聽起來比較可怕，但在這個例子中，只表示回路關(guān)閉，現(xiàn)在試著去轉(zhuǎn)動齒輪，此時馬達(dá)產(chǎn)生阻力，手一停轉(zhuǎn)動，齒輪也停止轉(zhuǎn)動。為什么會發(fā)生這類狀況呢？樂高馬達(dá)不但能把電能變換成運(yùn)動，反之，它也能將運(yùn)動變換成電能，所以能夠看作發(fā)電機(jī)。在這個例子中，產(chǎn)生的電流流回到馬達(dá)，產(chǎn)生阻力抵抗馬達(dá)的運(yùn)動，這個RCX實(shí)現(xiàn)制動馬達(dá)的裝置誠然簡單但很有效：當(dāng)你將他們設(shè)置成關(guān)閉，RCX不但將能量關(guān)閉，還能夠夠短路端口，從而制動馬達(dá)。圖3.11馬達(dá)能夠自由轉(zhuǎn)動圖3.12電流制動裝置還有一種狀況，稱為float模式，RCX可是斷開與馬達(dá)的連接，而沒有產(chǎn)生任何制動。在這類狀況下，能量源移除后，馬達(dá)會連續(xù)旋轉(zhuǎn)幾秒鐘。方法與技巧用馬達(dá)當(dāng)發(fā)電機(jī)若是你不確信馬達(dá)可否看作發(fā)電機(jī)的話，請做下面這個簡單的實(shí)驗(yàn)。用1根導(dǎo)線將兩個馬達(dá)連接起來，在每個馬達(dá)的軸上放1個24齒齒輪。用手拿住其中一個齒輪并轉(zhuǎn)動它，同時觀察其他一個馬達(dá)。發(fā)生了什么狀況？.第一個馬達(dá)將手的機(jī)械運(yùn)動轉(zhuǎn)變成了電流，從而使第二個馬達(dá)也轉(zhuǎn)動起來。3.6并接馬達(dá)不得用于商業(yè)用途僅供個人參照前面談?wù)撨^把兩個馬達(dá)連接到同一端口。若是在一項(xiàng)任務(wù)中需要足夠動力，那你就需要機(jī)械地并接馬達(dá)，也就是說讓多個馬達(dá)共同控制某個機(jī)構(gòu)，均分負(fù)載。理論上這個方法是有效的，但連接到RCX上的馬達(dá)只好均分某個端口輸出的最大電流，如圖3.13。兩個馬達(dá)共同帶動40齒齒輪，這樣會不會產(chǎn)生什么問題呢？不會，若是馬達(dá)失速一小段時間，不會損壞馬達(dá)。在3.13的應(yīng)用中，你必定確信兩馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)方向一致。建議你在并接馬達(dá)從前屢次檢查馬達(dá)的連接和旋轉(zhuǎn)方向，沒有兩個馬達(dá)旋轉(zhuǎn)的速度和輸出的扭矩是同樣的，但這樣不會產(chǎn)生什么矛盾。馬達(dá)其實(shí)不會知道還有一個馬達(dá)正在與它操作同樣的任務(wù)，它可是依照負(fù)載的反響來調(diào)整速度。即使馬達(dá)是不一樣類的，能量級、傳動比也不同樣也能夠正常工作。3.13并接馬達(dá)若是你不確信這一點(diǎn)，以為一輛簡單的小車能被一個獨(dú)自的馬達(dá)驅(qū)動，當(dāng)路徑變的陡峭時，馬達(dá)的負(fù)載就增加了，同時速度減慢。原來，馬達(dá)調(diào)整自己來適應(yīng)負(fù)載。同樣的狀況，兩個馬達(dá)一起工作時，均分負(fù)載并能夠調(diào)整自己。小結(jié)樂高馬達(dá)易用而且安全，但也要一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)來防范馬達(dá)的損壞。最重要的是不要讓馬達(dá)長時間失速，失速時要趕忙關(guān)閉電源。從第二章中認(rèn)識到離合齒輪能夠防范這類狀況發(fā)生。RCX能夠限制最大的電流防范馬達(dá)的損壞。用導(dǎo)線連接馬達(dá)是很簡單的，這個特其他接頭能夠防范短路而且能改變它的旋轉(zhuǎn)方向。與齒輪的固定同樣，不一樣的固定選擇是需要必然實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的，不要忘記用第一章講過的用垂直梁來固定馬達(dá)：若是裝置不夠牢固，它們產(chǎn)生的扭矩足以讓它們散架！并接馬達(dá)是很適用的方法，特別需要分擔(dān)負(fù)載時。唯一要記住的是你必定在同一端口控制它們，這樣能夠防范兩馬達(dá)反向時發(fā)生的矛盾。總之，我們建議你隨時測試模型，不要等抵完成機(jī)器人時才發(fā)現(xiàn)馬達(dá)裝錯了地址，也許不能夠正確傳動，要在整個過程中隨時調(diào)試，即使發(fā)現(xiàn)問題。本章所包括的內(nèi)容：不得用于商業(yè)用途僅供個人參照觸動傳感器光電傳感器角度傳感器溫度傳感器傳感器的使用方法與技巧其他傳感器4.1簡介馬達(dá)經(jīng)過齒輪和滑輪傳動，能夠讓你搭建的機(jī)器人動起來，他們就憂如是搬動機(jī)器人腿和手臂的肌肉。同時，你還能夠夠使用傳感器來裝備你的機(jī)器人，它們就憂如是機(jī)器人的眼睛、耳朵和手指。機(jī)器人套裝中包括兩種傳感器：觸動傳感器（兩種）和光電傳感器。在本章中，我們主要是描述它們的特色，關(guān)于其他的傳感器你能夠獨(dú)自購買，如：角度傳感器和溫度傳感器。每一個設(shè)備都有其特定的作用，你將會由于它們的功能富強(qiáng)和所能涉及的范圍之廣而感覺驚訝。自然也包括這類狀況,能夠用一種傳感器仿效另一種傳感器，以用來取代不能夠使用的傳感器。利用RCX上的紅外光電，使用一些小技巧，你能夠把把你的光電傳感器變成一個雷達(dá)。在閱讀本章的過程中，我們希望你能把機(jī)器人套裝放在身邊,這樣你能夠隨從我們的例子親自著手去做。為了保持其完滿性，我們還會講一些機(jī)器人套裝的擴(kuò)展套裝和技術(shù)套裝的內(nèi)容。若你現(xiàn)在還沒有這些也不要擔(dān)憂，這不會影響到你搭建體積較大的機(jī)器人。4.2觸動傳感器觸動傳感器（圖4.1）是樂高傳感器大家庭中最簡單、最直觀的一種。它的工作方式特別像是你家門鈴上的按鈕：當(dāng)它被按下時，電路接通，電流就會經(jīng)過，RCX便能夠檢測到這個數(shù)據(jù)流，你的程序就會讀取觸動傳感器的當(dāng)前狀態(tài)：開也許關(guān)。圖4.1觸動傳感器若是你已經(jīng)開始使用機(jī)器人套裝，閱讀了Constructopedia，并搭建了一些模型，你可能對傳感器的一般用途比較熟悉，如緩沖器。緩沖器是與周圍環(huán)境相互作用的一種簡單方式，當(dāng)你的機(jī)器人碰到阻攔物時，能夠用它們來進(jìn)行檢測，并由此而改變運(yùn)動狀態(tài)。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照典型的緩沖器是一個重量較輕的可搬動裝置，事實(shí)上，當(dāng)它碰到阻攔物時會把沖擊力傳達(dá)給觸動傳感器并使之關(guān)閉。你也能夠發(fā)明出好多種緩沖器，但它們的外形應(yīng)該能夠反響機(jī)器人的外形，而且還能夠反響出環(huán)境中阻攔物的外形。如圖4.2中所示一個特別簡單的緩沖器，能夠很簡單發(fā)現(xiàn)墻壁，若是房間里有像椅子同樣樣復(fù)雜阻攔物，它的收效就不好了。在這類狀況下，我們建議你經(jīng)過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行。為機(jī)器人設(shè)計一個緩沖器，在房間的周圍離地板合適高度的地方搬動它，檢查它可否能夠發(fā)現(xiàn)全部可能的碰撞點(diǎn)。若是你的緩沖結(jié)構(gòu)較大，當(dāng)它用最正確部位撞擊到阻攔物并按下觸動傳感器時，不要以為這就是正確的。圖例4.2是一個不太好的緩沖器，由于當(dāng)碰撞發(fā)生時，它幾乎不能夠用橫軸的邊緣來關(guān)閉觸動傳感器，說它是一個不好的緩沖器是由于它把整個碰撞產(chǎn)生的力直線傳輸給了傳感器，也就是說，在機(jī)器人身上安裝一個特別牢固的支架對傳感器的安裝是特別有必要的。圖4.2簡單的緩沖器依照經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)該試一試不一樣的碰撞來看看緩沖器在各個地址可否能很好的工作。你能夠編寫一個無量循環(huán)的小程序，當(dāng)傳感器被按下時，發(fā)出一聲蜂鳴聲用來測試你的緩沖器。談起緩沖器，人們經(jīng)常會想到當(dāng)碰到阻攔物時開關(guān)會被按下。這樣說憂若有點(diǎn)絕對，在發(fā)生碰撞的時候同樣能夠松開開關(guān)。看一以下列圖4.3，橡膠皮筋能夠使積木輕壓著傳感器，當(dāng)緩沖器的前面部分接觸到物體時，開關(guān)就會被釋放。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照圖4.3平常壓下的緩沖器實(shí)質(zhì)上，向你介紹這類緩沖器有這樣幾個重要的原因：沖擊力不能夠能直接傳達(dá)給傳感器，傳感器與標(biāo)準(zhǔn)的樂高積木對照更簡單受損壞，所以應(yīng)防范不用要的撞擊。橡皮圈能夠吸取撞擊力，這對你的傳感器和機(jī)器人來說都會起到保護(hù)作用，當(dāng)你的機(jī)器人速度特別快，也許重量大，也許反響比較慢，也許具備其中的一個要素時，這類保護(hù)作用顯得特別重要。緩沖器是一個特別重要的裝置，而且觸動傳感器的應(yīng)用也特別寬泛。當(dāng)你想告之RCX一個事件發(fā)生時，你能夠使用按鈕同樣人為的把它按下去。你能想象出近似的狀況嗎？事實(shí)上，有好多。比方說，你能夠按下銨鈕告訴RCX”現(xiàn)在讀取光電傳感器的值”，從而進(jìn)行讀取校準(zhǔn)（我們將在今后的部分進(jìn)行談?wù)摚?。另一個常用的作用就是把觸動傳感器作為一個地址控制器來用。如圖4.4，機(jī)器人向前看時（圖4.4b）就關(guān)閉了頭部（圖4.4a）的觸動傳感器。經(jīng)過編程能夠在水平面上實(shí)時的控制頭部的旋轉(zhuǎn)（向左或向右），當(dāng)傳感器被按下時，機(jī)器人的頭部就能轉(zhuǎn)回到正確的地址，值的注意的是，我們在這個例子中用到的凸齒輪在與觸動傳感器相當(dāng)合時是特其他適用，你能夠讓軸經(jīng)過三個十字孔其中的一個來選擇合適的距走開關(guān)閉觸動傳感器。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照圖4.4用觸動傳感器定位在本書的第三部分我們還會介紹地址控制的其他一些應(yīng)用。事實(shí)上，在搭建你的機(jī)器人之前需要你去研究一些不一樣的方法。我們再舉幾個事例來說明傳感器的應(yīng)用。若是你想搭建一個電梯。你希望電梯能夠在任何一層都能停下。第一你會想到在每一層布置一個觸動傳感器，當(dāng)按下其中一個時，電梯室會在那一層停下。這是一個好方法，但這里有一個小問題；你僅有兩個觸動傳感器，對你來說，一個電梯僅有二層不是特別實(shí)質(zhì)，你能夠再買一個觸動傳感器，但這只好再加高一層,并沒有解決實(shí)質(zhì)性的問題。此時，RCX的三個輸入端口已經(jīng)全部被占用。突然，你會想到一個方法：為什么不把傳感器放在電梯廂上而不是外面呢？在電梯廂上固定一個傳感器，這樣只要一個傳感器便能夠加高更不得用于商業(yè)用途僅供個人參照多的樓層了。從最初的方案到現(xiàn)在更好的方案，兩個系統(tǒng)是完滿同樣的嗎？答案可否定的。第一，你需要決定廂的絕對地址，當(dāng)它在第二層時，你僅是能夠知道它的相對地址。那么，你需要一個初始點(diǎn)，從初步點(diǎn)開始計算便能夠推斷出廂的地址.也許程序運(yùn)轉(zhuǎn)時，需要廂體在一個特定的位置，也許用第二個傳感器來探測一個特定的樓層。比方，在最基層放置一個傳感器，所以程序一開始就降下電梯到最基層。那樣便能夠計算出廂體的絕對地址了。現(xiàn)在，電梯便能夠正確的起落了。但你還有最后一個問題需要解決：怎樣告訴你的電梯它應(yīng)該去哪一層呢？在每一樓層放置一個傳感器去提示電梯是不符合實(shí)質(zhì)的。在RCX上只剩下一個輸入端口了。你要用這一個觸動傳感器來做什么呢？你還能夠夠采用從前的方法嗎？能夠，你能夠計算一個觸動傳感器被按下的次數(shù)。比方說，被按下三次表示是三樓，依次類推?，F(xiàn)在你便能夠去搭建你的電梯了。方法與技巧計算按下次數(shù)下面這個例子是用偽代碼來編寫的，一個代碼其實(shí)不與實(shí)質(zhì)編寫語言相對應(yīng)，而是界于程序語言和機(jī)器語言之間。使用偽代碼編程在專業(yè)程序員中是一種特別寬泛的做法。計算觸動傳感器被按下多少次需要一些小竊門。若是你寫了一些簡單的代碼，以下：Counter=0repeatifSensor1isonthenCounter=Counter+1endifendrepeat當(dāng)你保持觸動傳感器被按下很短的間隔內(nèi)，你的程序代碼就會在你的RCX上飛快的執(zhí)行。但是，在記錄下一個新的按下從前，需要松開觸動傳感器：Counter=0repeatifSensor1isonthenCounter=Counter+1waituntilSensor1isoff不得用于商業(yè)用途僅供個人參照endifendrepeat現(xiàn)在，你編寫的代碼正確地記錄了從斷開到閉合的變化。在你的代碼中，有一個重要的特色需要介紹一下：當(dāng)它在一段時間內(nèi)接收不到觸動信息時，你希望你的計數(shù)程序停止。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，你需要使用一個計時器用來測量前一次按下時間與最后一次時間的間隔：Counter=0interval=<apropervalve>resetTimerrepeatifSensor1isonthenCounter=Counter+1waituntilSensor1isofforuntilTimerifgreaterthenIntervalresetTimerendifuntilTimerisgreaterthenInterval若是你的時間間隔是兩秒。當(dāng)計數(shù)程序開始時，計時器和計數(shù)器第一復(fù)位為0，爾后開始檢測傳感器的狀態(tài)。若是兩秒內(nèi)沒有按下觸動傳感器，它仍將保持復(fù)位狀態(tài)，若是有觸動傳感器被按下，此動作將被記下并等待使用者釋放按鈕，計時器復(fù)位為零，在程序停止運(yùn)轉(zhuǎn)從前，使用者能夠在兩秒內(nèi)第二次按下觸動傳感器。4.3光電傳感器用”看”來形容光電傳感器的功能有點(diǎn)夸張其辭。實(shí)質(zhì)上它可是用來檢測光并測量其強(qiáng)度。盡管受到限制，但其應(yīng)用范圍仍比較廣。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照圖4.5光電傳感器光電傳感器和觸動傳感器的最大差別是，后者返回的是一些數(shù)值而不是單純的開/關(guān)狀態(tài)。你所讀到的數(shù)值由光電傳感器在那個時候所檢測到的光強(qiáng)所決定。這些數(shù)值以0至100的百分?jǐn)?shù)的形式返回，光值越大，百分?jǐn)?shù)就越大。你能夠用光電傳感器來做什么呢？你能夠用它搭建一個由光電傳感器所驅(qū)動的機(jī)器人，我們稱之為光的追隨者，它能夠檢測周圍的環(huán)境，找到一個強(qiáng)光源（或者是最亮的）并朝著它前進(jìn)。在一間足夠暗的房間里進(jìn)行，省得產(chǎn)生攪亂，你也能夠用手電筒來控制你的機(jī)器人。檢測外面光源的功能是特別幽默的，但是也許你不能夠用它來做最令人驚詫的事情。我們介紹一下光電傳感器的另一個用途：它不但能夠用來檢測光強(qiáng)，而且還能夠夠自己發(fā)光。供應(yīng)牢固光源的是一個紅色的發(fā)光二極管，所以你能夠用來測量反射光并傳給傳感器。當(dāng)你用來測量反射光時，你必定去防范一些來自其他光源的攪亂。需要注意的是光電傳感器對IR所發(fā)出的光也特別敏感，像典型的遠(yuǎn)距離控制器發(fā)出的紅外光，如攝像機(jī)；也許是樂高紅外發(fā)射器。設(shè)計與計劃讀取周圍的光值樂高光電傳感器其實(shí)不合適于測量外面光源來說，由于其矯捷度比較弱。紅色發(fā)光二極管所所發(fā)出的光太湊近檢光器以致于過多的影響了光值的讀取。若是你想測外面光源，你應(yīng)該考慮盡可能的去減少紅色發(fā)光二極管的影響。一個簡單的方法就是在光電傳感器的前部放一個1×2的單孔積木塊，.更多的卓有收效的方法需要你對光電傳感器有些細(xì)微的變動。在RalphHempel的網(wǎng)站中，他提到了怎樣對光電傳感器作更正，既不是永遠(yuǎn)的改變也不會損害你的光電傳感器。（見附錄A）光在表面的反射率取決于好多要素，主若是表面的顏色，質(zhì)地和它距光源的遠(yuǎn)近。黑色物體的反射能力要弱于白色物體；黑色圓滑表面的反射能力要強(qiáng)于黑色不圓滑表面。其他，距離光電傳感器越遠(yuǎn)，光電傳感器所檢測到的反射光就會越少。不得用于商業(yè)用途僅供個人參照些要素都是相互依的，通光感取的，其實(shí)不能夠明是由哪個要素惹起的。但你能夠保持其他要素不便，而一個化，便能夠通取的數(shù)來推斷出境的一些化。比方，如果你的光感器常著同一個物體，也許同樣地和色的物體，你能用它去出它的相距離。另一方面，你能夠把不一樣的物體放置在光感器的前面，在恒定的距離內(nèi)分辨出它的色。4.3.1量反射光了例明量反射光的原理，我來做一個。拿一個RCX并打開其源，在隨意一個入端口接一個光感器，在你的程序中正確的置其端口（色光二極管光）。準(zhǔn)一光暗的房，RCX有個控制模式，能夠看光感取的。按RCX上的VIEW，當(dāng)小箭正確示在感器所接的入端口地址。在示屏上會示出取的光。接下去你把光感放到桌上，在桌上以必然隔（0.5cm,1cm,1.5cm）并排放置不一樣色的木,保木之的距相等?？磾?shù)據(jù)，獲取的是不一樣色的木反射的光是不一樣的。再行第二個：將白色的木快慢慢的移向光感，爾后再慢慢的移開，察示屏上的數(shù)據(jù)，能夠當(dāng)光感與木的距離加大數(shù)將減小。我的目的就是了明光感是不能夠同判斷出距離和色的。我重點(diǎn)在你使用光感盡量防范外界光的干。方法與技巧理解原始的見解認(rèn)識原始是很關(guān)的，于熟的使用機(jī)器人套裝其實(shí)不是必的。但從另一個方面，它能夠幫助你理解感器是怎樣工作的。RCX把來自感器（無論是什么型）的信號全部成范在0至1023之的數(shù)字信號，我稱之原始數(shù)。在程序中，你在一個端口上置了一個特定的感器，RCX會自定感器的原始數(shù)范，比方，從觸感器取的數(shù)范是1也許0，代表開也許關(guān)，當(dāng)從溫度感器取就會成氏溫度或氏溫度。同地，光感器取就會通下面的方程式成一個百分?jǐn)?shù)：百分?jǐn)?shù)=146-原始數(shù)/7什么我需要知道種呢？于大多數(shù)用程序來，通RCX返回的光感的百分?jǐn)?shù)形式更加有效，但也有種狀況，你需要全部光感動而百分?jǐn)?shù)形式卻不能夠體出光感的一些化。我用一個例子來做一下明。假會有兩種不一樣的狀況，光感器取707和713兩個不一樣的數(shù)。把兩個數(shù)成百分?jǐn)?shù)，因RCX只使用整數(shù),需要將除的果行整。146-(707/7)=146-101=45146-(713/7)=146-101=45在第二個方程式中數(shù)101上是101.857?，去掉小數(shù)部分101.就看部不出兩個是不一樣的。我知道在大多狀況下數(shù)的小數(shù)部分是不重要的。但也會有其他狀況需要用到一個微不得用于商業(yè)用途僅供個人參照小的變化的數(shù)據(jù)若是你用LEGO圖形化的編程環(huán)境為RCX編寫程序，你必定接受它的刻度值，否則沒法辦理原始數(shù)值。若是你選擇其他的編程語言，則能夠直接手理沒有辦理過的原始數(shù)值，在必定的時候，利用其優(yōu)勢，可能會有更好的解決方案。鑒別不一樣的顏色是光電傳感器一個特別一般的應(yīng)用。我們曾說過，光電傳感器實(shí)質(zhì)上其實(shí)不是用來鑒別顏色的，而是用來讀取反射光值。所以，它很難把黑色和藍(lán)色的積木塊差別開。但當(dāng)前來說，我們?nèi)哉f它能鑒別顏色，在讀完此后您會理解真實(shí)的意思是什么。4.3.2沿線走當(dāng)前，光電傳感器最寬泛的使用方法就是用它搭建一個沿線走的機(jī)器人。這個項(xiàng)目的設(shè)置是很簡單的，這也是之所以流行的一個原因。盡管其外觀簡單，這項(xiàng)工作仍需要惹起足夠的重視，并需要你仔細(xì)設(shè)計和仔細(xì)編程。我們將在第二部分詳細(xì)的談?wù)撨@個主題的細(xì)節(jié)內(nèi)容。當(dāng)光電傳感器在輕質(zhì)地面上讀取一條黑線時，你要注意有什么事情發(fā)生。當(dāng)把光電傳感器放在地板上時，假設(shè)說讀取的數(shù)值為百分之七十，黑線為百分之三十。若是你想讓機(jī)器人緩慢的從地板搬動到黑線也許是有污點(diǎn)的地方.你會注意到，數(shù)值不是從一個值突然跳到另一個值，而是會出現(xiàn)一系列的中間值。原因是光電傳感器不是讀取一個點(diǎn)，而是光電傳感器前部的一個小地域。所以當(dāng)光電傳感器穿過線的邊緣時，它所讀取的是地板和黑線的界線值并返回一其中間值。這個功能適用嗎？自然，有時適用，有時沒適用。特別當(dāng)我們涉及到沿線走時，它是適用的。實(shí)質(zhì)上，你能夠（也許說應(yīng)該）編寫一段程序讓你的機(jī)器人沿著界線走而不是實(shí)質(zhì)的黑線。這樣當(dāng)機(jī)器人需要改變它的前進(jìn)路線時，它知道往哪個方向轉(zhuǎn)身：若是所讀取的值太”暗”，它應(yīng)該向亮的地域前進(jìn)，或有污點(diǎn)的地域。技巧與提示校準(zhǔn)讀取值有時，你其實(shí)不能夠起初知道光電傳感器實(shí)質(zhì)上所讀取的數(shù)值是多少。若是你要參加一個沿線走的競賽：你其實(shí)不能夠確定你的傳感器所返回的地板和黑線的數(shù)值。在這類狀況下，一般的習(xí)慣是，在你的程序中不寫入預(yù)期的常數(shù)值是比較好的。但能夠讓你的機(jī)器人經(jīng)過一個簡單的測量程序來讀取這些數(shù)值。連續(xù)我們沿線走的例子,你能夠?qū)ＴO(shè)一個空的輸入端口用來接入一個觸動傳感器，當(dāng)你把機(jī)器人放在地板上時手動按下觸動傳感器，爾后再放在黑線上，