机器人技术搭建技巧

机器人技术搭建技巧（1）

作者：佚名文章来源：西觅亚科技有限公司点击数：

943 更新时间：2005-4-7

内容简介：

■固定层

■模块最大化

■载重结构

■组装：底盘、模块、负载

1.简介

前面介绍了马达与传感器，几何结构与传动装置，现在该将这些组件结合起来，搭建一些更复杂的东西。我们倡导制作机器人要有创意，所以，本书不介绍什么通用规则与风格指南，因为根本就没法介绍。本章将简要介绍一些搭建技巧，在你设计自己的机器人或机器人系统时可能会有所启发，

2.固定层

我们在第一章中已经介绍过积木标准，水平与垂直梁之间的互锁是如何实现的，其顺序是：1根梁，2块板子，再一根梁，再2块板子……

我们可以利用两根梁之间加一层板的方式，将两组梁叠在一起，这样就可以得到一个很简单的底盘，如图1.所示。虽然简单，但结构非常结实。这也证明了第1章介绍用垂直梁锁定水平梁的重要性了，如果拿走4个1x6要垂直梁，结构就很容易松散掉。

图1. 一个简单的底盘

我们不必将所有的梁都沿同一方向摆放，而将板子沿另一方向摆放。可能你需要两边都需要摆梁，如图2所示结构，即在中间使用了梁。

图2. 梁与板子交叉摆放

注意：

请用黑色的销连接梁。因为黑销比灰色的销有更大摩擦力，与梁的孔配合更紧密。而灰色的锁子，适合于做可移动连接时使用，如杠杆与臂。

有时，你想用某个部件在水平梁高度内固定层，可能因为需要将板或梁嵌在水平梁上面或者下面。但垂直固定的梁可能会稍微超出水平梁结构上面或下面。此时，连接臂便显得非常有用，如图5.3所示的三个例子。

连接臂a: 两个1x5的连接板及两个标准单位的黑色锁子

连接臂b: 1个1x5的连接板及0.75标准的灰色锁子

连接臂c: 两个1x3的连接板及一端有轴的锁子

注意：

让每个乐高积木都有一个名字并不是件容易的事，一些人将连接板称为半梁，因为它只有梁的高度的一半。因此，我们选择了被大多数人接受的术语：请参考LUGNET LEGO组件表（附录A中有该网站的网址）。

图3. 使用liftarm固定梁

尽管我们强调固定梁的重要性，但我们也要用最少的部件搭出稳定的结构。如果需要固定的水平梁比较短，用一根垂直梁就可以固定。图 4 a所示的结构就比b所示的结构好，因为相对来说，a结构经b结构使用组件少，重量更轻。实际上，在设计机器人时，重量是必须考虑的一个重要因素，尤其是在设计可移动机器人时，由于物体自身的惯性及马达的轴所能承受的摩擦力等多种原因，重量的增大，将导致机器人性能的降低。

图4. 一根垂直的梁就足可以完成固定作用。

什么是惯性？

物理学上，惯性即物体所要保持原有的运动或静止状态的趋势：即原来静止的物体会倾向于保持静止状态，原来运动的物体会努力保持运动的状态、速度及方向，这是所有物体的共性。但是我们看到，外界改变其原状态需要的条件不同，这主要取决于物体的质量（物质的量）。有一种现象可以很好地说明物体质量对其惯性的影响。大家都在商场购物的经历：购物车。购物车空着时，稍用些力，我们就很容易推动它或使它停下来，或改变其前进的方向。随着里面放的货物越来越多，改变它的状态需要费的力气就会变大。这是什么原因呢？原来，物体质量增加，其惯性也随着增加了。同样，你的机器人质量越大，加速或制动时需要马达提供的力量就越大。

3.模块最大化

在搭建机器人的过程中，在没有搭建步骤图时，可能随时需要拆卸重新组装，至少会部分改装，自己设

计过程中会出现或多或少的问题，就算你是个有经验的、思路清晰老手，你在制作过程中也会不断地改进

你的想法和设计。

因此，设计机器人时，最好使机器人结构便于拆卸，确切地说，将你的机器人的结构模块化。将机器人

模块人的好处还有，你可以在需要的时候将一些组件用在其他项目上，而无需重新搭建这些结构。但也不

是常常这样，如果设计中需要结构更紧凑，就要舍弃机器人模块化地想法，而专注于系统集成。尽管如此，

这仍不失为设计乐高机器人的经验之谈，尤其是组建大的机器人时。

该原理涉及一些重要组件：马达、传感器，当然少不了RCX。如果你已经迷上了LEGO机器人，那建

议你去买一些组件来拓展你的机器人。可能你的器材很多，可以同时开展不止一个项目，或者说，当需要

搭建新的机器人时，无须拆掉以前搭建好的模型。不过，RCX、马达及传感器并不便宜，建议你最好在设

计机器人时能考虑到将来拆卸某些重要组件时无需将它整个拆散。

注意：

设计机器人结构时，起码应该考虑到需要时可以很方便地为RCX换电池。最常用的解决方式是将RCX安

装在机器人的最上端，这样，也便于按机器人按钮或读取RCX的显示。

一个可运动的机器人需承负的最小负载为300克：即1个RCX（及电池）和2个马达的重量。如果加上电缆、传感器及其他结构组件，机器人的重量很容易达到500克。你是否关心它的质量及其相关的因素？

在制作机器人时，首先要考虑的因素就是摩擦力，要尽量减小。尤其是与轮子相连的这部份结构。这是因为轮子所承受的所有的重量都是由轴传递的。轮子就象杠杆，距离它越远，作用在轴上的力就越大，这个力可能会使轴弯曲，使梁变形，在梁与轴间产生很大的摩擦力。因此，在搭建时，应尽可能使办子靠进它要支持的梁。

建议在条件允许时，尽可能不要用一根梁支持承重轴。

RCX的安放位置对移动机器人的行为影响很大。虽然整个机器人的重量决定机器人的行动，但由于RCX （及电池）是整个机器人中最重的组件，对平衡负载至关重要。为了说明为什么需要平衡负载，我们现在回忆一下”惯性”的定义。本章开头解释了任何物体都有保持原有运动状态的趋势。有时，是阻止加速。质量越大，需要改变速度的力越大。

MINDSTORMS Constructopedia所示的Acrobot模型就运用了该原理原理。如果你已经搭建过该模型，是否奇怪它为什么会翻转而不是前进？这是因为机器人的惯性使它保持在原有的状态—即稳定性。一旦为马达提供动力，轮子即试图将动力转换为运动，为机器人加速。但是，由于其惯性很大，而路面阻力很小，这样，作用力使机器人的身体翻转过来而不是使轮子转动。一旦机器人翻过来，由于机器人的前面为非驱动轮，使得它不能再转动，就只好加速了。

你大概不想让你的机器人也象Acrobot，通常，人们希望自己的机器人稳稳地停在地上。可以利用重力加速度来实现：使驱动轴远离负载远些。不需要复杂的运算，只要用机器人实践几次就行了--运行一个简单的程序：启动机器人、停止、转向，看看机器人怎么做。试着将RCX放在不同位置，直到你满意为止。

小结

本章内容可以概括为三个词：分层、模块化及平衡。这机器人结构三要素。

分层：可以使你的机器人结实，结构合理。回顾一下第一章中讲的，用梁和板子分层叠放，再用垂直的梁加固，可以得到轻巧、稳固的结构。结构的稳定不是就需要很多组件，而在于设计中的技巧。