樂高產(chǎn)業(yè)機器人的轉(zhuǎn)體控制

樂高產(chǎn)業(yè)機器人的轉(zhuǎn)體控制

目前，中國的機器人設備和包裝工具越來越豐富。有著70多年歷史的樂高,在1998年推出了“RCX課堂機器人”系列,將樂高強大的積木式搭建系統(tǒng)、電腦編程有效地結(jié)合在一起。使用樂高器材,使用者可以有更多的機會發(fā)揮想象力來設計具有個性的機器人。樂高的積木比較零散,但也正因如此,使機器人的搭建更具靈活性。如何準確轉(zhuǎn)彎是各種類型的機器人運動過程中都要解決的問題,使用樂高機器人套裝也是如此,本文針對使用樂高器材搭建的機器人,分析比較各種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向方法和特點,以期為正在使用樂高套裝組裝機器人的朋友提供參考。一、模式2,設計了一個新的偏轉(zhuǎn)角度。根據(jù)特點提出,主要是通過控制轉(zhuǎn)速圖1是簡單的兩輪驅(qū)動的小車,為使小車能夠平衡,一般在小車前端或后端底部安裝一隨動輪,形成三點支撐。兩個輪子分別由兩只馬達控制,需要轉(zhuǎn)彎時,RCX控制一個馬達轉(zhuǎn)動,另一個馬達停止或反方向轉(zhuǎn)動即可。這種小車結(jié)構(gòu)和程序控制都很簡單,轉(zhuǎn)彎靈活,效率也很高,特別適合對轉(zhuǎn)向精度要求不高的項目,如走軌跡等等。上述結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)彎角度是通過程序控制馬達運動和停止的時間來控制的,由于兩只馬達性能不可能完全相同,加上運動中小車的狀態(tài)不同,因此僅僅借助這樣的結(jié)構(gòu)要實現(xiàn)較精確地轉(zhuǎn)過某個角度(如直角90度彎)是很困難的。而在許多項目中,需要機器人精確地轉(zhuǎn)90度的情況是很多的,比如:滅火項目中,使用行程算法來進入有燭火的房間。比賽中有許多選手使用這樣的方法來使小車轉(zhuǎn)90度:把小車的前端和后端做得平直牢固,然后在小車運行到適當位置時,轉(zhuǎn)動約90度(當然是使用控制轉(zhuǎn)彎時間的方法),然后前撞或后撞房間的墻壁,較準小車方向與墻垂直,以此消除因不確定的轉(zhuǎn)彎帶來的運動誤差。這是一個不錯的方法,但它不能應對小車需要轉(zhuǎn)過某個指定角度,比如60度這樣的情況,另外用這種方法完成項目的成功率也是有待考察的。二、關(guān)閉機回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速rs改進圖1小車結(jié)構(gòu),使之可以較精準轉(zhuǎn)彎的有效方法,是在左右兩個輪軸上安裝角度傳感器。樂高的角度傳感器精度是1/16圈,這個精度不是很高,為了提高精度可以使用齒輪傳動機構(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高這種角度傳感器的允許轉(zhuǎn)速,轉(zhuǎn)速太快會損壞角度傳感器。另外值的注意的是,當角度傳感器轉(zhuǎn)動速度太慢或太快時,RCX在精確的檢測和計數(shù)方面會受到影響。事實上,問題并不是出在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就會丟失一些數(shù)據(jù)。SteveBaker用實驗證明過,轉(zhuǎn)速在每分鐘50到300轉(zhuǎn)之間是一個比較合適的范圍,在此之內(nèi)不會有數(shù)據(jù)丟失的問題。然而,在低于12rpm或超過1400rpm的范圍內(nèi),就會有部分數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失的問題。而在12rpm至50rpm或者300rpm至1400rpm的范圍內(nèi)時,RCX也偶會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問題。在合適的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi),我們不難通過一個測試程序來確定這個小車每轉(zhuǎn)過1度,角度傳感器上取得的值n,這樣當我們需要小車轉(zhuǎn)過r度時,只要檢測角度傳感器的值到n×r,立即停止轉(zhuǎn)動即可。這個方案的轉(zhuǎn)彎精度一方面當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,如果由于隨動輪不靈活或小車負載過重而導致兩個主動輪打滑,轉(zhuǎn)角精度將變得不可控制。三、旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的使用這個結(jié)構(gòu)進一步的改進方案如圖2所示,這是利用樂高差動齒輪組裝的結(jié)構(gòu),這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可以完全消除輪子在場地上打滑對轉(zhuǎn)彎造成的影響,在四輪結(jié)構(gòu)的小車上使用這種結(jié)構(gòu)特別有用。在圖示結(jié)構(gòu)的兩個主動輪軸上各安裝一個角度傳感器來控制轉(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,也可以很容易地實現(xiàn)對小車行程的控制。然而,對于總共只有3個輸入端口的RCX來說,這是個考驗,因為現(xiàn)在你只有一個輸入端口可以使用了。四、方向改變量這種結(jié)構(gòu)看上去比較復雜,它使用了兩個樂高的差動齒輪。它的最大優(yōu)點是只使用一個角度傳感器就可以實現(xiàn)防止打滑的功能了(見圖3)。將傳感器直接或間接地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(zhuǎn)彎時,用傳感器測量方向的改變量。原理:當1號馬達帶動40齒齒輪A轉(zhuǎn)動時,2號馬達使齒輪B保持靜止,兩個差動裝置同時轉(zhuǎn)動,機器人沿直線向前;另一方面,1號馬達停止,則齒輪停止,當2號電機轉(zhuǎn)動,帶動40齒齒輪B轉(zhuǎn)動。差動裝置同速不同向旋轉(zhuǎn),結(jié)果是×機器人在原地轉(zhuǎn)動。通常不同時使用兩個馬達,而是一個馬達用于走直線,另一個馬達用于轉(zhuǎn)彎。如果根據(jù)馬達的方向同時驅(qū)動兩個馬達也沒關(guān)系,因為兩個差動齒其中一個會抵消兩個相反的輸入,保持靜止,而另外一個差動齒對兩個輸入進行相加,從而使得速度提高一倍,此時,機器人繞著靜止的一個輪子轉(zhuǎn)動。復雜的機械結(jié)構(gòu)有得也有失,這種具有獨創(chuàng)性的結(jié)構(gòu)也有它的缺點,首先是它非常復雜,復雜的傳動裝置產(chǎn)生的負面影響是磨擦力增加從而影響運行的效率,這在對抗性強的比賽中是個問題。五、樂高和晚小裝置的組合結(jié)構(gòu)見圖4所示,利用一個電機通過差速器驅(qū)動小車行進,小車后面使用一個舵輪裝置,構(gòu)成了一個“主動舵”,舵輪軸向隨動,徑向作主動運動時,又可以帶動小車轉(zhuǎn)動以改變方向。裝在舵輪上的角度傳感器很容易地可以控制轉(zhuǎn)動的角度。實踐證明該結(jié)構(gòu)小車的轉(zhuǎn)彎效果是相當高的,它可以連續(xù)走正方形的框幾圈而不走樣,缺點是行進的行程需要另外的傳感器。熟悉樂高器材的朋友會發(fā)現(xiàn),圖中所示的“舵輪”現(xiàn)在并不是標準的樂高配件,但這并不影響它和樂高的搭配。它的特點是既可以作軸向的從動,也可以作與軸的方向垂直方向上的主動運動。針對有些比賽項目,使用這個輪子會有很好的效果。如2005年江蘇省的中學組的營救比賽項目,如果使用行程算法,在行進方面,機器人只需要確準地走折線就可以了,并且每個轉(zhuǎn)彎都是直角。在省賽上,筆者觀察到這樣一個機器人:它使用8個寬胎的“舵輪”(寬胎不容易走偏),四個一組,分成兩組,方向相互垂直,兩組分別主導一個方向的運動。實踐證明,這個機器人運行得相當平穩(wěn)精準。六、輪400度轉(zhuǎn)向2.2方向運動的距離三輪裝置結(jié)構(gòu)見圖5,由一個用于驅(qū)動和轉(zhuǎn)彎的前輪及兩個保持穩(wěn)定的獨立后輪組成,該裝置的獨特之處在:前輪既作為驅(qū)動又作為轉(zhuǎn)向裝置,使機器人的活動更靈活。前驅(qū)動輪可以控制任何轉(zhuǎn)角,理論上,驅(qū)動輪可以轉(zhuǎn)360度,即可以轉(zhuǎn)向任何方向。實際上在平常應用中,轉(zhuǎn)180度就能夠活動自如。因為在180度到360度的范圍等同于0度到180度向反向運動。同上面的其它結(jié)構(gòu)一樣,你可使用角度傳感器來偵測轉(zhuǎn)向輪的方位和運動的距離。這個結(jié)構(gòu)的頭部裝置比較復雜,需要用到特別的樂高配件,組裝出一個牢固而實用的結(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馬達作為整機的驅(qū)動,在應用中動力是否足夠也是要考慮的問題。當然你可以在實際應用中進行這樣的改進:在兩個獨立的后輪上增加動力,通過程序控制小車在需要轉(zhuǎn)彎確定方向時,兩個后輪不使用動力,而在小車確定了方向之后立即驅(qū)動后輪給予助動。七、角度傳感器系統(tǒng)有意思的是,樂高最近推出的全新機器人處理器NXT及相應配件(見圖6),很好地解決了機器人轉(zhuǎn)彎中存在的問題。新套裝的NXT是32位處理器,有4個輸入口,3個輸出口,特別的是:和現(xiàn)在的機器人套裝不同,新的機器人NXT套裝里面并沒有單獨的角度傳感器。在NXT系統(tǒng)里面,角度傳感器是內(nèi)置在伺服電機里面的