用户∶  密码∶   

最新信息

当前位置: 首页 >> 国防教育 >> 国防课程 >> 校本课程 >> 正文

机器人制作与应用

发布时间:2018-01-07  |  发文作者:  |  点击数:[]

序言

 

致同学们:

 

“机器人是本世纪自动控制最有说服力的成就,是当代最高意义的自动化”,这是著名科学家宋健院士对于机器人在20世纪所取得成就的精辟概括。今天,机器人广泛地活跃在人类生产、生活的方方面面,已经成为我们的忠实助手和朋友。

 

随着人的价值及其社会影响得到更多的关注,人员伤亡在现代战争中所占的代价比越来越高,所以现代化战争必定走向一个趋势,人实体参与战争的机会越来越少,而蓬勃发展的机器人在战争将中发挥更多的作用。

 

各个国家都很注重现代军事机器人的研究,降低战争中人员伤亡代价。即使现在社会背景下发生大型战争的几率越来越小,但世界各国仍然对军事机器人在不遗余力的研究地研究。

 

军事机器人集中了机械、电子、控制、计算机、人工智能等多学科的知识,已成为高科技的代名词。很多青少年都憧憬着能亲手设计、制作自己的军事机器人。本书将帮同学们圆这个梦。

 

本书将向大家介绍有关机器人机械结构、控制系统和程序编写等方面的知识,指导大家运用这些知识来设计制作简易的军事机器人。

   

机器人教育是中小学教育改革的一次全新尝试,尽管我们也力求用同学们熟悉的语言和形式,深入浅出地讲述机器人中包含的种种问题,但由于自身水平有限,书中一定存在不少错误或不妥之处。希望同学们将学习中发现的问题向你们的老师或直接向我们指出,我们一定会虚心听取同学们和老师们的意见,让这本教材在不断修订过程中日臻完善。

 

2016年,我校获批成为“江苏省国防教育课程基地”。希望能够通过本教材提高同学们对信息技术和国防知识的理解和运用。



第一章                  初识机器人

现在,智能机器人已广泛应用在社会的各个领域。下面请大家以小组合作的形式通过互联网查找、学习在军事领域中应用了哪些机器人?它们的用途是什么?并填写表格1-2。  

1)成立小组,分工合作,制定活动计划。  

姓名

特长

任务

 上网搜索

 查找相关资料

 逻辑思维强

 分析归纳

 文字表达

 形成书面材料

1:小组成员分工表  

2)确定活动的探索主题,构建问题框架。  

机器人名称

应用领域

关键词

用途

资料来源

2:机器人应用情况调查表  

3)评价要求  

通过自评和互评的方式进行评价,标准如下:  

评价项目

星级

探究主题

较明确

明确

明确且有新意

关键词

定位欠准确

基本切中主题

定位准确

信息检索

与主题关联少

与主题有一定关系

与主题密切相关

合作学习

有简单工作计划,分工不明确

工作计划较详细,分工基本明确

工作计划详细,分工明确,小组协作好

评语

根据学生搜集资料归纳整理完成如下内容。

想一想:

        1、什么是机器人?

        2、机器人应具备哪些最基本的特征?

        3、你能举出身边的几种机器人吗?

第一节、军用机器人的发展及其应用

一、现代机器人的内涵  

现代机器人是利用先进人工智能技术开发出的能够在无人操作情况下完成智能化任务的设备。例如,无人驾驶战车、无人飞行器、无人潜航器和太空遥控作业机器人等。机器人出现于20世纪60年代后期,根据功能,至今已发展到第4代。第l代为固定程序和可编程序机器人,主要用于搬运、点焊等繁重的重复性劳动。第2代是具有感知外界信息能力的机器人,它们已具有视觉、触觉、听觉等传感功能,能进行产品装配、电弧焊等这类比较复杂的加工作业。第3代机器人,通常称为“智能机器人”,已具有一定人的智能,它们能按环境              的变化或按人的指令进行学习、推理、决策、规划等工作;从80年代中后期至目前,该代机器人已进入特定领域专用机器入的高级发展阶段,例如,在动态环境下进行复杂作业的多传感器机器人,在危险环境下作业的遥控式机器人,以核工业为背景的遥控移动式机器人,用于精密仪器装配作业的装配机器人,用于特定壁面作业的多足爬壁机器人,以及用于空中、地面、水下侦察、监视等军事目的的机器人。这代机器人,已成为美、日、俄、德等国机器人发展的重点,它们的智能与人的智能之间的差距正在日益缩小。第4代为具有人类感情、能思维的机器人正在研究中,我们着重讨论和研究的为发展已成熟的第三代机器人。

二、现代军用机器人的分类  

军用机器人可以按照传统部队编制来分类,如按 陆、海、空、天等分类;也可按照机器人设计功能进行分类,如分为作战与攻击、侦察与探险、排雷与排爆、防御与保安、后勤与维修、防化与防辐射等。  

三、现代机器人的作用

1. 地面军用机器人:主要是指智能或遥控的轮式 和履带式车辆。它又可分为自主车辆和半自主车辆。自主车辆依靠自身的智能自主导航,躲避障碍物,独立完成各种战斗任务;半自主车辆可在人的监视下自主行使,在遇到困难时操作人员可以进行遥控干预。

2. 空中无人飞行器:是一种有动力的飞行器,它不载有操作人员,由空气动力装置提供提升动力,采用自主飞行或遥控驾驶方式,可以一次性使用或重复使用,并能够携带各种任务载荷。广义的军用无人机系统不仅仅指一个飞行平台,它是一种复杂的综合系统设备,主要由飞行器、任务载荷、数据传输、通信系统和地站等4个部分组成。

3. 水下军用机器人:即无人潜水器。它是一个水下高技术仪器设备的集成体,除集成有水下机器人载体的推进、控制、动力电源、导航等仪器、设备外,还需根据应用目的的不同,配备声、光、电等不同类型的探测仪器。它可适于长时间、大范围的侦察、维修、攻击和排险等军事任务。由于全球化战争,海洋上的战争将成为战场的焦点。无人水下机器人可以进行地形的勘测及其对海域敌军目标动态的跟踪和搜寻,能最快地捕获到敌方目标,以便更好更快地做出军事应对措施。

4. 太空机器人:是一种轻型遥控机器人。可在行星的大气环境中导航及飞行。它能在一个不断变化的三维环境中运动并自主导航,能够实时确定空间的位置及状态,需要对它的垂直运动进行控制,并要为它的星际飞行预测及规划路径。太空领域的争夺将成为未来战争的焦点,控制了太空就将获得了更多更快的打击能力,通过对空间卫星的破坏,能有效的摧毁敌方的侦测和定位系统,还能阻止信息的传输等等。

第二节  机器人常用的传感器

  人类通过五官来获取外界信息。与此类似地,机器人只有具备了感知能力,才能象智能生物一样根据环境的变化作出相应的反应和动作,成为名副其实的机器人。没有感觉的机器人仅仅是一台机械设备,只能机械地执行预先设定好的动作。 

机器人获取外部环境信息靠的是传感器。传感器是一种电子元器件,它具有类似于人类五官的感觉功能,可以将外部环境信息转换成电信号。除了人的五官感觉功能之外,传感器还能感知流量、加速度、扭距等物理量。我们身边的摄像机、电视机、打印机、自动门、报警器等日常用品中,都有传感器的踪影。路面上奔驰的汽车,更有多达数十种的传感器来保证驾驶的综合效率。可以说,传感器及检测技术的水平已经成为一个国家科技实力的重要标志之一。

传感器有触觉传感器、视觉传感器、温度传感器、力传感器、角度传感器、测距传感器、加速度传感器等。下面重点给大家介绍几种最常用的传感器:接触传感器、寻迹传感器、红外测障传感器。

一、接触传感器

   接触传感器又叫碰撞传感器,它属于开关量传感器。在机器人中,它的应用场合一般有以下几种: 

1.  判断接触:检查机器人是否与其他物体发生接触或碰撞,如撞到墙壁,或机械手抓握到物体。

2.  行程开关:检测相对运动部件是否到达行程终点。

3.  机械式编码器:设法在转轴上安装一个触发装置,转轴每旋转一周,接触开关被触发一次。软件将触发次数和相应时间记录下来,便可知道轴旋转的圈数及相应的平均转速。

   接触传感器的接口线可连接于机器人控制器的任何端口(马达端口除外)。 

二、灰度传感器

   灰度传感器又叫寻迹传感器或者光电判读器,分为对射式和反射式两种,其中反射式灰度传感器是简易机器人最常用的一种有源传感器。在这里我们重点对其进行介绍,本教材中凡未加说明的均指反射式灰度传感器。灰度传感器的典型用途如下: 

1.  检测表面特征:灰度传感器很适宜检测场地或物体表面的颜色或其他标记特征,例如白纸上的黑线。

2.  墙面跟踪:墙面是连续的障碍物,精度比较高的灰度传感器能简单地测量小级别的距离,就能让机器人与墙面保持一定距离行进、跟踪墙面。

   为了减低环境光造成的影响,灰度传感器一般使用红外线。灰度传感器的输出分为模拟量和开关式两种,本书只介绍前者。它的原理是发光元件发出红外线,接收元件检测反射光,根据反射光的强弱,输出由小到大的模拟电平。 

   有一点要特别说明,灰度传感器的工作距离有限,如果反射物较远,即使是白色物体,传感器接收的反射光也会较弱,导致无法识别出白色。这点我们在今后的使用中应该特别注意。当然,增大发光管的功率,工作距离也会相应增大。一般来说,灰度传感器的工作距离较近。 

灰度传感器的接口线可连接于机器人控制器的任何模拟端口。

三、红外测障传感器

红外测障传感器也是借助红外线的发射与接收来工作的,不过它的红外线一般都经过调制和解调处理,因此有效工作距离要远的多,通常可达到10厘米以上,而且抗干扰能力更强。红外线测障传感器属于非接触式,更适合机器人避障。

红外测障传感器的接口线可连接于简易机器人控制器的任何数字端口。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第三节  机器人的组成

一、搭建机器人的身体

机器人的身体应该是一种物理形态,它的外形取决于人们想让它做什么样的工作,其功能设定决定了机器人的大小、形状、材质和特征等等。

为了便于将机器人身体的设计思想尽快体现出来,我们选择采用积木块来搭建机器人的身体,积木块的形状如图1-1所示;

乐高积木1-1  积木块

二、编程控制机器人的大脑

 

图形化程序大脑就是控制机器人的程序或指令组。当机器人接收到传感器的信息后,能够遵循人们编写的程序指令,自动执行并完成一系列的动作。  

RCX-我们使用图形化编程软件ROBOLAB软件来编写机器人的程序,上面的图1-2就是机器人在桌面行走到桌边自动后退的程序。该程序编写好后可以下载到RCXRobotics  Control  X机器人控制指令系统)微型电脑中,如图1-3所示,它就可以像大脑一样控制和指挥机器人动作。

三、机器人完成一定的动作

动作就是机器人的各种运动状况,任何机器人在程序的指令下要执行某项工作,必定是靠动作来完成的,有时即使机器人根本不动,这也是它的一种动作表现。

归纳小结

 

机器人通常具有三个基本特征。是不是机器人,只需分析一下它是否具备以下三个特征:

1.有身体:是一种物理状态,具有一定的形态。
2
.有大脑: 控制机器人的程序 。
3
.有动作: 任何机器人都有一定的动作表现。

问题讨论

 

下面的设备是机器人吗?(是则打“ √ ”)

取款机、复印机、寻呼机、自动售票机、售货机、烟雾检测器、红绿灯、电动门、录像机、微波炉,自动洒水系统、洗衣机、电话、风向标、玩具机器人或手表

参考答案:后3种肯定不是,电话要分是否有自动接听等功能,机器人应是“能自动工作的机器”。

课后问题:

1.制作机器人需要解决的问题有哪些?

1)制作出有感觉和动作的机器人身体(需要机械、电子知识);

2)编写出控制机器人动作的电脑程序(需要电脑和各类综合知识)。

3

2.设计制作机器人需要哪些能力和习惯配合?

 

 

参考资料

1.http://www.jssjqr.com/江苏省机器人网 

2. ROBOLAB 2.5编程者指南

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第二章  简易机器人的机械系统

人的运动系统由躯体、四肢、骨骼、肌肉、筋腱等组成,完成站立、行走、奔跑、跳跃等动作;类似地,积木零件和机械本体两大部分组成了机器人的机械系统。在控制系统的指挥下,机器人的机械系统完成移动、转向、抓放等运动功能,以便胜任寻线、搬运等作业任务。

想一想:1、制作机器人需要有哪些过程?

        2、制作机器人需要准备哪些硬件和软件知识?

 

第一节  千变万化的积木

积木种类非常丰富,有一千多种。要提醒大家的是,相同形状的积木常常有很多种颜色,所以认识的时候不要只注意颜色,而要注意积木的形状、特点和用途。

看似千差万别的积木,实际上都遵循着统一的尺寸标准—标准单位来设计、生产,蕴涵着独特的几何设计,而且积木都是可兼容的,保证了所有积木之间的连接纵横交错、变化无穷。

零件构建关系3

4-1

4-1中的积木是一个基本颗粒,所有的零件、部件都以它为基本单位,任何复杂的搭建结构都和它有着倍数关系。

一、尺寸和单位

长、宽、高是识别积木的最基本属性,所以我们通常用长度、宽度和高度3个数字表示积木的尺寸。长度按照习惯指的是水平方向上的两个尺寸中较长的一个,宽度则是另外较短的一个。长度和宽度的表示单位可以用标准单位来表述。 高度是指积木的底部到顶部间的距离。这样,我们就可以描述大多数积木的尺寸了。

当然,你也可以不用标准单位来表示积木的尺寸,而是采用公制(米制)单位。两个凸点圆心间的宽度是8mm,一块积木的厚度(不包括凸点的高度)是9.6mm。,1标准单位实际上就等于8mm。能否记住这些数据并不重要,重要的是要知道它们之间的数值比:9.68等于1.2,也就是垂直方向的单位长度是水平方向单位长度的1.2倍,换算成整数比就是6:5,这个比值非常重要,在下一节我们将会研究这一比值的关联。

4-2中的积木我们称为“砖”,它实际上并不是立方体。 

http://www.semia.com/images/class/rob/001/new_pa2.jpg  

4-2 

有一类积木的高度是积木砖高度的1/3。这类积木中最常见的就是,这些板中大多数是矩形,少数具有特殊形状。将3块板叠在一起,它的高度就相当于积木砖的高度(如图4-3)。

积木

4-3

4-4中所示的积木我们称为“梁”,梁的高度与砖一样,它其实就是单排带孔的砖。这些孔可以让轴穿过,也可以通过销子将梁互相连接起来。

14梁

4-4

使用积木搭建的一般方法是嵌入式”。在搭建时,要充分考虑积木的长宽高,巧妙地利用积木的特点——梁、块、板和孔之间的关系,可以让你搭建出完美的结构。

二、搭建技巧

1. 垂直支撑

梁的用处非常广泛,可以在结构中用来连接、固定等。梁上的孔可以让轴穿过来固定齿轮等,也可以通过各种销子将梁互相连接起来。梁上的孔与凸点以相同的间距排列,但孔与凸点之间以4mm交错排列,如图4-5所示。

4-5

假如你要在垂直位置装一根梁,用来加固两层或者更多层水平位置的梁,你必须记住6:5这个比值。因为梁的高度并不等于水平方向上两孔的间距,所以当我们把两根梁嵌在一起时,水平方向上两孔的间距(8mm)并不等于垂直方向两孔的间距(9.6mm),这样垂直梁上的孔不能够与叠嵌在一起的梁上的孔相配合,至少不是所有的孔都能吻合。但让我们仔细观察一下图4-6,图中叠嵌在一起的6根梁中,第1根和第6根梁上的孔和与之正交的垂直的梁上的孔是重合的。换句话说,以最底下的那根梁为参照点(不做计算),第5根梁的孔才能和与之正交的垂直的梁上的孔重合,这正是由于6:5的比值关系,5根梁的高度48mm9.6mm×5)等于一根梁上6个孔的距离(8mm×6)。

梁1         梁3

4-6                          4-7

这种交叉梁的技巧非常重要,可以使我们搭建出坚固的模型。但麻烦的是需要将6根梁叠在一起,才能用一根竖直的梁将它们锁住。有没有其它更好的方法呢?回想一下,板的高度是梁的1/3,如图4-7所示,2根梁和2块板叠嵌在一起,它们上下梁上的孔正好与垂直梁上的孔可以很好的配合,因为1根梁加上2层板的高度16mm9.6mm×(1+2/3))等于一根梁上2个孔的距离(8mm×2)。由此可见,只要多根梁和板的高度和垂直梁上的孔间距离相等,它们就可以很好的配合固定,如图4-8、图4-9、图4-10所示,就是很好地利用了板和梁的配合来固定。

梁06

梁04

梁03

4-8

4-9

4-10

当然,配合的方式有很多,请不要局限于这几种,发挥想象,你可以找到很多方法。而且,并不是只有垂直梁才能用来加固。4-11所示的,就是使用半梁(图4-11侧面的连接件)来固定梁。之所以称为半梁,是因为它的厚度只有梁的一半。

http://www.semia.com/class/rob/images/image040.jpg

4-11

尽管固定梁非常重要性,但我们还是要用最少的部件来搭出最稳定的结构。因为在设计机器人时,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,由于机器人自身惯性以及马达的轴所能承受的摩擦力等诸多原因,重量的增大,将导致机器人各方面性能的降低。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4-12所示的结构就比图4-13所示的结构好,因为相对来说,前一个结构比后一个结构使用的组件少,重量更轻。

http://www.semia.com/class/rob/images/image042.jpg

4-12                             4-13

 

2. 斜支撑

使用积木可以很容易地搭建方形物体,它同样也可以进行斜连接。我们已经知道了梁和板的比例关系,也知道了如何用一根垂直的梁去固定多根梁和板。但如何用一根梁斜支撑水平梁?

http://www.semia.com/images/class/rob/001/new_pa9.jpg

4-14

4-14中,用梁和板叠嵌成一个长方形,再用梁倾斜固定,斜梁和左边、底边组成了一个直角三角形。连接各边两头孔的中心点,测算一下,你可以发现斜边长度是10个单位,底边长度是6个单位,高度是8个单位,62+82=102,这符合几何里面的三角形勾股定理,而三角形可以让你的结构更加稳固。

3. 水平固定

要想搭建出坚固的模型,使用垂直梁或斜梁来固定是很有用的。那在水平方向,我们该如何来固定呢?其实,在之前的搭建中,你已经尝试过了,那就在通过连接积木的凸点来实现水平方向上的固定。图4-15,就是使用了各种不同长度的砖、板、梁来实现水平方向上的固定。

梁板

4-15

梁上的孔都以相同间距排列,两个凸点与两个孔的长度是相等的,而且孔与凸点是交错排列的,每个梁上的孔总比凸点少一个。但也有两种积木例外,那就是图4-16所示的带1孔的1×1的梁和带两孔的1×2的梁,它们是很有用的。

http://www.semia.com/images/class/rob/001/new_pa10.jpg          梁5 

4-16                        4-17

在这两种短梁中,孔刚好位于凸点下,而不是在两个凸点中间,所以当与标准梁一起使用时,可以得到半个孔的增量,如图4-17所示。这半个孔的增量有时是很有用的,在讲齿轮的应用时我们会学到的。

还有一种可以实现同样功能的积木,即只有一个凸点的1×2的板,如图4-18所示,我们可以用它来调整半个凸点的距离,方便做一些特殊的固定。

                   板

4-18                         4-19

   请你多花点时间,熟悉各种积木的尺寸和固定方法,相信对你的搭建会非常有帮助。 

第二节齿轮传动机构

齿轮是机械中很重要的部件,它几乎是机械的象征。在这一节,我们将进入神奇的齿轮世界,去探索齿轮的一些非常有用的特性。

请准备一些齿轮、梁和轴来模仿搭建这一节中简单的装置,自己动手搭建比看那些说明更有效。

一、齿轮的使用

1. 齿轮的基本属性

齿轮是根据齿数分类的,齿数是齿轮的重要属性之一。齿数英文Tooth的缩写T就代表它的名字,例如8齿齿轮可以缩写为8t

齿轮2

4-23

齿轮单独使用几乎没有实际的用处,一般使用时至少需要两个齿轮。图4-23中,就是两个普通的齿轮的配合,左边的是8齿齿轮,右边的是24齿齿轮。

齿轮使用时,有四个基本特性:

① 通过齿轴配合,可以将运动从一根轴传递到其它轴上(转动一根轴时,另外的轴也同时转动);

② 齿轮间配合紧凑,摩擦力很小(转动不费力);

③ 齿轮相邻两根轴的转动方向相反(一个顺时针,一个逆时针);

④ 不同齿数齿轮所在轴的旋转速度不同(直接啮合的两个齿轮,齿数少的转速快,齿数多的转速慢)。

请你参照图4-23所示,把8齿和24齿的两个齿轮用轴分别固定在一根梁上(两个齿轮相互啮合),然后你一手抓梁,一手慢慢转动任意轴,深入理解齿轮使用的四个基本属性。

2. 加速和减速传动

在齿轮传动系统中,通过不同齿数的齿轮相互啮合可以实现传动加速和减速:大齿轮带动小齿轮可起到加速作用,小齿轮带动大齿轮可起到减速作用。

仔细观察图4-23的例子,你会发现,24齿斜齿轮旋转1圈时,与它啮合的8齿齿轮共转过24个齿,正好旋转了3圈,这是上面特性中提到的“不同齿数齿轮所在轴的旋转速度不同”的原因。这个结构产生了31的加速传动:输入齿轮转动1圈,输出齿轮转动3圈。反过来,当8齿齿轮旋转3圈时,24齿齿轮正好旋转1圈,这样又得到了13的减速传动。

但遗憾的是,有得必有失:获得了速度,就减少了扭矩(即转动力矩)。根据物理学公式P=FV,我们可以知道:当马达的输出功率相同时,速度增加,扭矩就会减少,也就是说力量上的损失会转化为速度。

齿轮还有一个有趣的特性,就是扭矩和速度的转换是对称的。你可以将速度转换成扭矩,也可以将扭矩转换成速度。利用齿轮的这个特性,我们经常减小速度来增大扭矩,让小车能爬上斜坡,或者让机器人可以举起重物。

力学中能量转换是有损耗的。在4-23的例子中,它的损耗是由摩擦力引起的,虽然摩擦力是无法避免的,但我们应该尽量减小摩擦力,因为摩擦力在转换过程中会抵消一部分扭矩。

3. 多级变速传动

  齿轮家族中最小的齿轮是8齿齿轮,最大的齿轮是40齿齿轮,所以如图4-24所示,使用两个齿轮传动时,可以得到的最大传动比是1:5 

齿轮1  齿轮3 

4-24                          4-25

如果你还想得到更高的传动比,可以使用多级变速,如图4-25所示。在这个装置中,转动最左边的轴,你可以发现最左边的8齿齿轮带动中间的24齿齿轮(第一级传动比为1:3),和中间24齿轮在同一根轴上(同样的转速)8齿齿轮带动最右边的24齿齿轮(第二级传动比为1:3),这样,总的传动比就是1:9。由此可见,同一根轴上两个不同齿数的齿轮和其它的齿轮连在一起,就可以组成效果明显的多级变速装置。

你可能在想,为什么要同一根轴上的两个齿轮和其他齿轮连在一起才能组成变速装置呢?能不能把多个齿轮依次啮合来变速呢?让我们来看一下图4-26,从8齿齿轮开始,第一级传动比是824,第二级传动比是24:40,两者相乘得到总的传动比为8:40;而8齿齿轮与40齿齿轮直接啮合传动也可以得到8:40的传动比。也就是说,中间的24齿齿轮的存在并没有改变传动比,所以我们称它为惰轮。那在这个装置中,惰轮是不是一点用处都没有呢?事实并非如此。请你再次慢慢地转动8齿齿轮,仔细观察,你可以发现直接啮合的两个齿轮的旋转方向是相反的,通过中间的24齿齿轮的存在,8齿齿轮和40齿齿轮的旋转方向变得一致了。这就是惰轮的一个重要作用——改变输出方向。

齿轮4

4-26

多级变速能将扭矩转化为速度,它可以产生让你惊奇的能量。你必须在搭建时不断地试验,在安全的前提下,选择合适的传动比,以获得你需要的力量或速度。因为如果出现意外,某个组件被卡住,那多级变速带来的速度和力量足以扭断轴、打破齿轮的齿等,有时虽然扭矩不大,但马达卡住能量又在继续输出的话,就可能烧坏马达。而且,在多级变速装置中,每增加一级就会产生更大的摩擦力,因此,应该尽可能地降低传动级来达到你所需的传动比。

二、特殊齿轮

在机器人套装中,你会发现一些奇怪的有齿非轮的零件,它们其实也是齿轮,是一些比较特殊的齿轮。

1. 涡轮

4-27所示的装置中带有螺旋线的圆柱体就是一种特殊的齿轮,你可以称它为蜗轮(蜗轮和所在的轴合称为蜗杆)。搭建一个如图4-27所示的装置,你缓慢转动蜗杆,可以发现蜗轮不仅可以改变传动方向,而且蜗轮每转过一圈,24齿斜齿轮刚好转过一个齿,也就是说蜗轮是1齿齿轮。当它与24齿的斜齿轮啮合时,就产生了124的减速,这是非常惊人的传动比。

齿轮7

4-27

蜗轮还有一个重要的特性就是只能单向传动,也就是可以用蜗轮带动齿轮,但其它齿轮不能带动蜗轮。图4-27中,你可以很轻松地转动与蜗轮相连接的轴,但不能转动与24齿斜齿轮相连接的的轴。这一特性也称为自锁,产生这一现象的原因是摩擦力引起的。你可以利用蜗轮的这个特性来提升重物,当马达停止时,重物就不会掉下来。器材中有一个齿轮箱,专门给蜗轮和24齿圆柱齿轮配合使用的,你可以尝试一下如何使用。

2. 离合齿轮

4-28所示的白色24齿厚齿轮,叫做离合齿轮,它也是一种比较特殊的齿轮,可以通过限制传动系统中的力来保护马达和其它TegoYapp组件。

乐高机器人鈥敵萋制

4-28

我们来做个简单的小实验:将轴的一端插入离合齿轮,将另一端插入一个普通的24齿齿轮用作旋钮。用手让后者保持适当的位置,缓慢转动离合齿轮,尽管阻力比较大,但还是可以转动。这就是它的作用:当扭矩大于额定值时,可以产生打滑来保护结构。

之前我们了解了,在减速传动中系统会产生很大的扭矩,出现意外时,这个力足以毁坏结构,有了离合齿轮就可以将传输的力限制到某个范围内,避免这种情况的发生。有时候,虽然扭矩不足以毁坏组件,但如果机构卡住,马达停转,也可能会造成马达永久损坏,因为这时马达有电流流过。离合齿轮也可以避免这种情况的损坏。

三、齿轮的配合

齿轮组件包含许多不同类型的齿轮,包括8齿、16齿、24齿、40齿齿轮等等,接下来我们就来学习如何根据它们的齿数和形状配合使用。

8齿、24齿、40齿齿轮的半径(从齿心到半齿的距离)分别为0.51.52.5个单位,当其中两者配合时,它们的距离(半径和)都是整数倍,如图4-29所示,8齿与24齿齿轮的距离正好是2个单位,24齿与40齿齿轮的距离正好是4个单位。这样配合起来就很容易,可以很方便的通过梁连接在一起。

齿轮11

4-29

16齿齿轮的半径是1个单位,两个16齿轮的距离正好是两个单位,可以配合地很好。但它与其它齿轮配合就会比较麻烦,因为16齿齿轮与其它齿轮的配合距离会产生0.5个单位(如图4-29右边),幸好有1×1梁和1×2双孔梁可以解决这个问题,如图4-30所示。当然我们也可以不求助于任何特殊部件,采用其他方法来解决,例如齿轮斜线配合,如图4-31所示。

齿轮12            http://www.semia.com/images/class/rob/002/new_pa24.jpg 

4-30                             4-31

齿轮家族中还有一种只有一面有齿、厚度为0.5个单位的齿轮,那就是斜齿轮。它虽然不能与其他标准齿轮相配合,但却有着独特的作用,那就是改变传动方向,如图4-32所示。

齿轮5

齿轮6

4-32

4-33

24齿的冠齿轮也是一种形状比较特殊的齿轮,它的前端齿向内弯曲,呈冠形。虽然长得有点奇怪,但它可以当作标准齿轮来使用,而且同斜齿轮一样可以改变传动方向,如图4-33所示。

搭建机器人的时候,你经常要用到各种齿轮,有效地利用齿轮是非常重要的,希望大家能掌握本节的搭建技巧。如果你感觉比较枯燥,或是觉得不容易理解,可以拿齿轮搭些模型出来,看看实际的传动效果,以提高你的兴趣,加深你的理解。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第三章、机器人编程初步

第一节、认识RCX的结构

一、RCXRobotics Control X 机器人控制指令系统)

1.   RCX是一块可编程积木,是所搭建模型的核心,用它来控制机器人的行动。

2.   RCX可以下载程序,用程序控制一系列输入(传感器)和输出(马达和灯等),来响应周围环境,完成一定的任务。

二、RCX结构

1.   3路输入端口(123),是RCX与传感器(如触动、光电、温度及角度传感器等)的连接点;

2.   3路输出端口(ABC),是RCX与输出器件(如马达和灯等)的连接点;

3.   4个控制按钮:红色——电源开/关,黑色——端口查看,灰色——程序选择,绿色——程序的开始/停止;

4.   1LCD显示屏;

5.   1AC(交流)适配器连接器(变压器)插口;

6.   1个红外传输(发送/接收)器。

三、RCX电源

直流9V——使用65号电池、电池盒或1个稳压直流电源。

RCX四、RCX 的编程语言

图形化编程语言——ROBOLAB语言。另外还有NQC 等,还可以通过控件使用VBVCDelphi 等语言。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第二节、ROBOLAB软件使用

软件界面一、ROBOLAB软件界面

进入编程窗口:ROBOLAB——PROGRAMMER(编程者级别)——Inventor 4(发明家级别)

打开图表区:Window(窗口)——Show diagram(显示图标区)

 

二、功能面板

打开功能面板:Window(窗口)——Show controls palette(显示功能面板)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

在图表区右击,也可以出现功能面板,单击面板外——消失。

凡矩形图块右上角右黑点的,可以继续展开。

编程时,只要选择适当的图标,将图标拉到图表窗口中,并用线按逻辑顺序连在一起,就完成了编程,通过下载,我们就可以控制我们的乐高机器人。

在图标上右击可根据提示替换或解释图标,在连线上右击可插入图标(程序)。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

工具面板三、工具面板

打开工具面板:Window(窗口)——Show tools palette(显示工具面板)

 

工具的具体功能如下:

Operate Value

操纵工具

常用于操纵面板窗口中的仪器板。在数据采集中会用到。

Position/Size/Select

定位工具

选择、定位图标,或更改图标尺寸。

Edit Text

标示工具

编辑注解或文字输入

Connect Wire

连线工具

在图表窗口中对图标进行连线。

Object shortcut menu

弹出工具

弹出快捷菜单,直接按下右键就会弹出这个菜单。

Scroll Window

滚动工具

整个画面滚动

Set/Clear Breakpoint

断点工具

设定/删除断点

Probe Data

探针工具

在连线上设定一个探针,用于调试

Color copy tool

颜色工具

取颜色

Set Color

着色工具

设定颜色

可以使用TAB 键或空格键来切换工具,TAB 键可以在Operating toolPositioningtoolLabeling toolWiring tool 这四个键之间切换。空格键可以在Positioning toolWiring tool这两个键之间切换。

猜一猜:(程序完成的动作)

1)

 

解释:

 

2)

 

 

 

 

未命名-1未命名-4解释:

未命名-5

3)

 

 

 

解释:

 

 

4)

 

 

 

 

未命名解释:

未命名-3

 

5)

 

 

 

解释:

 

 

试一试:

1.编写机器人前进至撞墙后退1秒钟停住的程序.

2. 编写机器人前进1秒后左拐90,行走1秒后再左拐90度回出发线的程序,并记录左拐90度的时间.

 

 

3.自己设计编写程序

 

 

 

 

 

 

 

参考文献

1.        乐高搭建指南

2.        ROBOLAB 2.5编程者指南

3.        TegoYapp 机器人开发系统教程

4.        http://www.jssjqr.com/江苏省机器人网 

5.        《军用机器人的发展及其应用》鞠俊

6.        《智能机器人》西安高中

7.        《机器人制作活动》南京十三中

上一条:基因武器学案 下一条:多旋翼无人机侦察

关闭

请遵守《互联网电子公告服务管理规定》及中华人民共和国其他有关法律法规。
用户需对自己在使用本站服务过程中的行为承担法律责任。
本站管理员有权保留或删除评论内容。
评论内容只代表网友个人观点,与本网站立场无关。
 匿名发布 验证码 看不清楚,换张图片
0条评论    共1页   当前第1

Copyright undefinedamp;copy; 2007-2008 by Xuzhou Wangjie Middle School http://wjzx.xze.cn All Rights Reserverd.

信箱:xzsdb@126.com 地址:徐州市铜山路73号 邮编:221004 苏ICP备10012651号  管理入口

 

 

校本课程
机器人制作与应用
2018-01-07 |  | []

序言

 

致同学们:

 

“机器人是本世纪自动控制最有说服力的成就,是当代最高意义的自动化”,这是著名科学家宋健院士对于机器人在20世纪所取得成就的精辟概括。今天,机器人广泛地活跃在人类生产、生活的方方面面,已经成为我们的忠实助手和朋友。

 

随着人的价值及其社会影响得到更多的关注,人员伤亡在现代战争中所占的代价比越来越高,所以现代化战争必定走向一个趋势,人实体参与战争的机会越来越少,而蓬勃发展的机器人在战争将中发挥更多的作用。

 

各个国家都很注重现代军事机器人的研究,降低战争中人员伤亡代价。即使现在社会背景下发生大型战争的几率越来越小,但世界各国仍然对军事机器人在不遗余力的研究地研究。

 

军事机器人集中了机械、电子、控制、计算机、人工智能等多学科的知识,已成为高科技的代名词。很多青少年都憧憬着能亲手设计、制作自己的军事机器人。本书将帮同学们圆这个梦。

 

本书将向大家介绍有关机器人机械结构、控制系统和程序编写等方面的知识,指导大家运用这些知识来设计制作简易的军事机器人。

   

机器人教育是中小学教育改革的一次全新尝试,尽管我们也力求用同学们熟悉的语言和形式,深入浅出地讲述机器人中包含的种种问题,但由于自身水平有限,书中一定存在不少错误或不妥之处。希望同学们将学习中发现的问题向你们的老师或直接向我们指出,我们一定会虚心听取同学们和老师们的意见,让这本教材在不断修订过程中日臻完善。

 

2016年,我校获批成为“江苏省国防教育课程基地”。希望能够通过本教材提高同学们对信息技术和国防知识的理解和运用。



第一章                  初识机器人

现在,智能机器人已广泛应用在社会的各个领域。下面请大家以小组合作的形式通过互联网查找、学习在军事领域中应用了哪些机器人?它们的用途是什么?并填写表格1-2。  

1)成立小组,分工合作,制定活动计划。  

姓名

特长

任务

 上网搜索

 查找相关资料

 逻辑思维强

 分析归纳

 文字表达

 形成书面材料

1:小组成员分工表  

2)确定活动的探索主题,构建问题框架。  

机器人名称

应用领域

关键词

用途

资料来源

2:机器人应用情况调查表  

3)评价要求  

通过自评和互评的方式进行评价,标准如下:  

评价项目

星级

探究主题

较明确

明确

明确且有新意

关键词

定位欠准确

基本切中主题

定位准确

信息检索

与主题关联少

与主题有一定关系

与主题密切相关

合作学习

有简单工作计划,分工不明确

工作计划较详细,分工基本明确

工作计划详细,分工明确,小组协作好

评语

根据学生搜集资料归纳整理完成如下内容。

想一想:

        1、什么是机器人?

        2、机器人应具备哪些最基本的特征?

        3、你能举出身边的几种机器人吗?

第一节、军用机器人的发展及其应用

一、现代机器人的内涵  

现代机器人是利用先进人工智能技术开发出的能够在无人操作情况下完成智能化任务的设备。例如,无人驾驶战车、无人飞行器、无人潜航器和太空遥控作业机器人等。机器人出现于20世纪60年代后期,根据功能,至今已发展到第4代。第l代为固定程序和可编程序机器人,主要用于搬运、点焊等繁重的重复性劳动。第2代是具有感知外界信息能力的机器人,它们已具有视觉、触觉、听觉等传感功能,能进行产品装配、电弧焊等这类比较复杂的加工作业。第3代机器人,通常称为“智能机器人”,已具有一定人的智能,它们能按环境              的变化或按人的指令进行学习、推理、决策、规划等工作;从80年代中后期至目前,该代机器人已进入特定领域专用机器入的高级发展阶段,例如,在动态环境下进行复杂作业的多传感器机器人,在危险环境下作业的遥控式机器人,以核工业为背景的遥控移动式机器人,用于精密仪器装配作业的装配机器人,用于特定壁面作业的多足爬壁机器人,以及用于空中、地面、水下侦察、监视等军事目的的机器人。这代机器人,已成为美、日、俄、德等国机器人发展的重点,它们的智能与人的智能之间的差距正在日益缩小。第4代为具有人类感情、能思维的机器人正在研究中,我们着重讨论和研究的为发展已成熟的第三代机器人。

二、现代军用机器人的分类  

军用机器人可以按照传统部队编制来分类,如按 陆、海、空、天等分类;也可按照机器人设计功能进行分类,如分为作战与攻击、侦察与探险、排雷与排爆、防御与保安、后勤与维修、防化与防辐射等。  

三、现代机器人的作用

1. 地面军用机器人:主要是指智能或遥控的轮式 和履带式车辆。它又可分为自主车辆和半自主车辆。自主车辆依靠自身的智能自主导航,躲避障碍物,独立完成各种战斗任务;半自主车辆可在人的监视下自主行使,在遇到困难时操作人员可以进行遥控干预。

2. 空中无人飞行器:是一种有动力的飞行器,它不载有操作人员,由空气动力装置提供提升动力,采用自主飞行或遥控驾驶方式,可以一次性使用或重复使用,并能够携带各种任务载荷。广义的军用无人机系统不仅仅指一个飞行平台,它是一种复杂的综合系统设备,主要由飞行器、任务载荷、数据传输、通信系统和地站等4个部分组成。

3. 水下军用机器人:即无人潜水器。它是一个水下高技术仪器设备的集成体,除集成有水下机器人载体的推进、控制、动力电源、导航等仪器、设备外,还需根据应用目的的不同,配备声、光、电等不同类型的探测仪器。它可适于长时间、大范围的侦察、维修、攻击和排险等军事任务。由于全球化战争,海洋上的战争将成为战场的焦点。无人水下机器人可以进行地形的勘测及其对海域敌军目标动态的跟踪和搜寻,能最快地捕获到敌方目标,以便更好更快地做出军事应对措施。

4. 太空机器人:是一种轻型遥控机器人。可在行星的大气环境中导航及飞行。它能在一个不断变化的三维环境中运动并自主导航,能够实时确定空间的位置及状态,需要对它的垂直运动进行控制,并要为它的星际飞行预测及规划路径。太空领域的争夺将成为未来战争的焦点,控制了太空就将获得了更多更快的打击能力,通过对空间卫星的破坏,能有效的摧毁敌方的侦测和定位系统,还能阻止信息的传输等等。

第二节  机器人常用的传感器

  人类通过五官来获取外界信息。与此类似地,机器人只有具备了感知能力,才能象智能生物一样根据环境的变化作出相应的反应和动作,成为名副其实的机器人。没有感觉的机器人仅仅是一台机械设备,只能机械地执行预先设定好的动作。 

机器人获取外部环境信息靠的是传感器。传感器是一种电子元器件,它具有类似于人类五官的感觉功能,可以将外部环境信息转换成电信号。除了人的五官感觉功能之外,传感器还能感知流量、加速度、扭距等物理量。我们身边的摄像机、电视机、打印机、自动门、报警器等日常用品中,都有传感器的踪影。路面上奔驰的汽车,更有多达数十种的传感器来保证驾驶的综合效率。可以说,传感器及检测技术的水平已经成为一个国家科技实力的重要标志之一。

传感器有触觉传感器、视觉传感器、温度传感器、力传感器、角度传感器、测距传感器、加速度传感器等。下面重点给大家介绍几种最常用的传感器:接触传感器、寻迹传感器、红外测障传感器。

一、接触传感器

   接触传感器又叫碰撞传感器,它属于开关量传感器。在机器人中,它的应用场合一般有以下几种: 

1.  判断接触:检查机器人是否与其他物体发生接触或碰撞,如撞到墙壁,或机械手抓握到物体。

2.  行程开关:检测相对运动部件是否到达行程终点。

3.  机械式编码器:设法在转轴上安装一个触发装置,转轴每旋转一周,接触开关被触发一次。软件将触发次数和相应时间记录下来,便可知道轴旋转的圈数及相应的平均转速。

   接触传感器的接口线可连接于机器人控制器的任何端口(马达端口除外)。 

二、灰度传感器

   灰度传感器又叫寻迹传感器或者光电判读器,分为对射式和反射式两种,其中反射式灰度传感器是简易机器人最常用的一种有源传感器。在这里我们重点对其进行介绍,本教材中凡未加说明的均指反射式灰度传感器。灰度传感器的典型用途如下: 

1.  检测表面特征:灰度传感器很适宜检测场地或物体表面的颜色或其他标记特征,例如白纸上的黑线。

2.  墙面跟踪:墙面是连续的障碍物,精度比较高的灰度传感器能简单地测量小级别的距离,就能让机器人与墙面保持一定距离行进、跟踪墙面。

   为了减低环境光造成的影响,灰度传感器一般使用红外线。灰度传感器的输出分为模拟量和开关式两种,本书只介绍前者。它的原理是发光元件发出红外线,接收元件检测反射光,根据反射光的强弱,输出由小到大的模拟电平。 

   有一点要特别说明,灰度传感器的工作距离有限,如果反射物较远,即使是白色物体,传感器接收的反射光也会较弱,导致无法识别出白色。这点我们在今后的使用中应该特别注意。当然,增大发光管的功率,工作距离也会相应增大。一般来说,灰度传感器的工作距离较近。 

灰度传感器的接口线可连接于机器人控制器的任何模拟端口。

三、红外测障传感器

红外测障传感器也是借助红外线的发射与接收来工作的,不过它的红外线一般都经过调制和解调处理,因此有效工作距离要远的多,通常可达到10厘米以上,而且抗干扰能力更强。红外线测障传感器属于非接触式,更适合机器人避障。

红外测障传感器的接口线可连接于简易机器人控制器的任何数字端口。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第三节  机器人的组成

一、搭建机器人的身体

机器人的身体应该是一种物理形态,它的外形取决于人们想让它做什么样的工作,其功能设定决定了机器人的大小、形状、材质和特征等等。

为了便于将机器人身体的设计思想尽快体现出来,我们选择采用积木块来搭建机器人的身体,积木块的形状如图1-1所示;

乐高积木1-1  积木块

二、编程控制机器人的大脑

 

图形化程序大脑就是控制机器人的程序或指令组。当机器人接收到传感器的信息后,能够遵循人们编写的程序指令,自动执行并完成一系列的动作。  

RCX-我们使用图形化编程软件ROBOLAB软件来编写机器人的程序,上面的图1-2就是机器人在桌面行走到桌边自动后退的程序。该程序编写好后可以下载到RCXRobotics  Control  X机器人控制指令系统)微型电脑中,如图1-3所示,它就可以像大脑一样控制和指挥机器人动作。

三、机器人完成一定的动作

动作就是机器人的各种运动状况,任何机器人在程序的指令下要执行某项工作,必定是靠动作来完成的,有时即使机器人根本不动,这也是它的一种动作表现。

归纳小结

 

机器人通常具有三个基本特征。是不是机器人,只需分析一下它是否具备以下三个特征:

1.有身体:是一种物理状态,具有一定的形态。
2
.有大脑: 控制机器人的程序 。
3
.有动作: 任何机器人都有一定的动作表现。

问题讨论

 

下面的设备是机器人吗?(是则打“ √ ”)

取款机、复印机、寻呼机、自动售票机、售货机、烟雾检测器、红绿灯、电动门、录像机、微波炉,自动洒水系统、洗衣机、电话、风向标、玩具机器人或手表

参考答案:后3种肯定不是,电话要分是否有自动接听等功能,机器人应是“能自动工作的机器”。

课后问题:

1.制作机器人需要解决的问题有哪些?

1)制作出有感觉和动作的机器人身体(需要机械、电子知识);

2)编写出控制机器人动作的电脑程序(需要电脑和各类综合知识)。

3

2.设计制作机器人需要哪些能力和习惯配合?

 

 

参考资料

1.http://www.jssjqr.com/江苏省机器人网 

2. ROBOLAB 2.5编程者指南

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第二章  简易机器人的机械系统

人的运动系统由躯体、四肢、骨骼、肌肉、筋腱等组成,完成站立、行走、奔跑、跳跃等动作;类似地,积木零件和机械本体两大部分组成了机器人的机械系统。在控制系统的指挥下,机器人的机械系统完成移动、转向、抓放等运动功能,以便胜任寻线、搬运等作业任务。

想一想:1、制作机器人需要有哪些过程?

        2、制作机器人需要准备哪些硬件和软件知识?

 

第一节  千变万化的积木

积木种类非常丰富,有一千多种。要提醒大家的是,相同形状的积木常常有很多种颜色,所以认识的时候不要只注意颜色,而要注意积木的形状、特点和用途。

看似千差万别的积木,实际上都遵循着统一的尺寸标准—标准单位来设计、生产,蕴涵着独特的几何设计,而且积木都是可兼容的,保证了所有积木之间的连接纵横交错、变化无穷。

零件构建关系3

4-1

4-1中的积木是一个基本颗粒,所有的零件、部件都以它为基本单位,任何复杂的搭建结构都和它有着倍数关系。

一、尺寸和单位

长、宽、高是识别积木的最基本属性,所以我们通常用长度、宽度和高度3个数字表示积木的尺寸。长度按照习惯指的是水平方向上的两个尺寸中较长的一个,宽度则是另外较短的一个。长度和宽度的表示单位可以用标准单位来表述。 高度是指积木的底部到顶部间的距离。这样,我们就可以描述大多数积木的尺寸了。

当然,你也可以不用标准单位来表示积木的尺寸,而是采用公制(米制)单位。两个凸点圆心间的宽度是8mm,一块积木的厚度(不包括凸点的高度)是9.6mm。,1标准单位实际上就等于8mm。能否记住这些数据并不重要,重要的是要知道它们之间的数值比:9.68等于1.2,也就是垂直方向的单位长度是水平方向单位长度的1.2倍,换算成整数比就是6:5,这个比值非常重要,在下一节我们将会研究这一比值的关联。

4-2中的积木我们称为“砖”,它实际上并不是立方体。 

http://www.semia.com/images/class/rob/001/new_pa2.jpg  

4-2 

有一类积木的高度是积木砖高度的1/3。这类积木中最常见的就是,这些板中大多数是矩形,少数具有特殊形状。将3块板叠在一起,它的高度就相当于积木砖的高度(如图4-3)。

积木

4-3

4-4中所示的积木我们称为“梁”,梁的高度与砖一样,它其实就是单排带孔的砖。这些孔可以让轴穿过,也可以通过销子将梁互相连接起来。

14梁

4-4

使用积木搭建的一般方法是嵌入式”。在搭建时,要充分考虑积木的长宽高,巧妙地利用积木的特点——梁、块、板和孔之间的关系,可以让你搭建出完美的结构。

二、搭建技巧

1. 垂直支撑

梁的用处非常广泛,可以在结构中用来连接、固定等。梁上的孔可以让轴穿过来固定齿轮等,也可以通过各种销子将梁互相连接起来。梁上的孔与凸点以相同的间距排列,但孔与凸点之间以4mm交错排列,如图4-5所示。

4-5

假如你要在垂直位置装一根梁,用来加固两层或者更多层水平位置的梁,你必须记住6:5这个比值。因为梁的高度并不等于水平方向上两孔的间距,所以当我们把两根梁嵌在一起时,水平方向上两孔的间距(8mm)并不等于垂直方向两孔的间距(9.6mm),这样垂直梁上的孔不能够与叠嵌在一起的梁上的孔相配合,至少不是所有的孔都能吻合。但让我们仔细观察一下图4-6,图中叠嵌在一起的6根梁中,第1根和第6根梁上的孔和与之正交的垂直的梁上的孔是重合的。换句话说,以最底下的那根梁为参照点(不做计算),第5根梁的孔才能和与之正交的垂直的梁上的孔重合,这正是由于6:5的比值关系,5根梁的高度48mm9.6mm×5)等于一根梁上6个孔的距离(8mm×6)。

梁1         梁3

4-6                          4-7

这种交叉梁的技巧非常重要,可以使我们搭建出坚固的模型。但麻烦的是需要将6根梁叠在一起,才能用一根竖直的梁将它们锁住。有没有其它更好的方法呢?回想一下,板的高度是梁的1/3,如图4-7所示,2根梁和2块板叠嵌在一起,它们上下梁上的孔正好与垂直梁上的孔可以很好的配合,因为1根梁加上2层板的高度16mm9.6mm×(1+2/3))等于一根梁上2个孔的距离(8mm×2)。由此可见,只要多根梁和板的高度和垂直梁上的孔间距离相等,它们就可以很好的配合固定,如图4-8、图4-9、图4-10所示,就是很好地利用了板和梁的配合来固定。

梁06

梁04

梁03

4-8

4-9

4-10

当然,配合的方式有很多,请不要局限于这几种,发挥想象,你可以找到很多方法。而且,并不是只有垂直梁才能用来加固。4-11所示的,就是使用半梁(图4-11侧面的连接件)来固定梁。之所以称为半梁,是因为它的厚度只有梁的一半。

http://www.semia.com/class/rob/images/image040.jpg

4-11

尽管固定梁非常重要性,但我们还是要用最少的部件来搭出最稳定的结构。因为在设计机器人时,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,由于机器人自身惯性以及马达的轴所能承受的摩擦力等诸多原因,重量的增大,将导致机器人各方面性能的降低。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4-12所示的结构就比图4-13所示的结构好,因为相对来说,前一个结构比后一个结构使用的组件少,重量更轻。

http://www.semia.com/class/rob/images/image042.jpg

4-12                             4-13

 

2. 斜支撑

使用积木可以很容易地搭建方形物体,它同样也可以进行斜连接。我们已经知道了梁和板的比例关系,也知道了如何用一根垂直的梁去固定多根梁和板。但如何用一根梁斜支撑水平梁?

http://www.semia.com/images/class/rob/001/new_pa9.jpg

4-14

4-14中,用梁和板叠嵌成一个长方形,再用梁倾斜固定,斜梁和左边、底边组成了一个直角三角形。连接各边两头孔的中心点,测算一下,你可以发现斜边长度是10个单位,底边长度是6个单位,高度是8个单位,62+82=102,这符合几何里面的三角形勾股定理,而三角形可以让你的结构更加稳固。

3. 水平固定

要想搭建出坚固的模型,使用垂直梁或斜梁来固定是很有用的。那在水平方向,我们该如何来固定呢?其实,在之前的搭建中,你已经尝试过了,那就在通过连接积木的凸点来实现水平方向上的固定。图4-15,就是使用了各种不同长度的砖、板、梁来实现水平方向上的固定。

梁板

4-15

梁上的孔都以相同间距排列,两个凸点与两个孔的长度是相等的,而且孔与凸点是交错排列的,每个梁上的孔总比凸点少一个。但也有两种积木例外,那就是图4-16所示的带1孔的1×1的梁和带两孔的1×2的梁,它们是很有用的。

http://www.semia.com/images/class/rob/001/new_pa10.jpg          梁5 

4-16                        4-17

在这两种短梁中,孔刚好位于凸点下,而不是在两个凸点中间,所以当与标准梁一起使用时,可以得到半个孔的增量,如图4-17所示。这半个孔的增量有时是很有用的,在讲齿轮的应用时我们会学到的。

还有一种可以实现同样功能的积木,即只有一个凸点的1×2的板,如图4-18所示,我们可以用它来调整半个凸点的距离,方便做一些特殊的固定。

                   板

4-18                         4-19

   请你多花点时间,熟悉各种积木的尺寸和固定方法,相信对你的搭建会非常有帮助。 

第二节齿轮传动机构

齿轮是机械中很重要的部件,它几乎是机械的象征。在这一节,我们将进入神奇的齿轮世界,去探索齿轮的一些非常有用的特性。

请准备一些齿轮、梁和轴来模仿搭建这一节中简单的装置,自己动手搭建比看那些说明更有效。

一、齿轮的使用

1. 齿轮的基本属性

齿轮是根据齿数分类的,齿数是齿轮的重要属性之一。齿数英文Tooth的缩写T就代表它的名字,例如8齿齿轮可以缩写为8t

齿轮2

4-23

齿轮单独使用几乎没有实际的用处,一般使用时至少需要两个齿轮。图4-23中,就是两个普通的齿轮的配合,左边的是8齿齿轮,右边的是24齿齿轮。

齿轮使用时,有四个基本特性:

① 通过齿轴配合,可以将运动从一根轴传递到其它轴上(转动一根轴时,另外的轴也同时转动);

② 齿轮间配合紧凑,摩擦力很小(转动不费力);

③ 齿轮相邻两根轴的转动方向相反(一个顺时针,一个逆时针);

④ 不同齿数齿轮所在轴的旋转速度不同(直接啮合的两个齿轮,齿数少的转速快,齿数多的转速慢)。

请你参照图4-23所示,把8齿和24齿的两个齿轮用轴分别固定在一根梁上(两个齿轮相互啮合),然后你一手抓梁,一手慢慢转动任意轴,深入理解齿轮使用的四个基本属性。

2. 加速和减速传动

在齿轮传动系统中,通过不同齿数的齿轮相互啮合可以实现传动加速和减速:大齿轮带动小齿轮可起到加速作用,小齿轮带动大齿轮可起到减速作用。

仔细观察图4-23的例子,你会发现,24齿斜齿轮旋转1圈时,与它啮合的8齿齿轮共转过24个齿,正好旋转了3圈,这是上面特性中提到的“不同齿数齿轮所在轴的旋转速度不同”的原因。这个结构产生了31的加速传动:输入齿轮转动1圈,输出齿轮转动3圈。反过来,当8齿齿轮旋转3圈时,24齿齿轮正好旋转1圈,这样又得到了13的减速传动。

但遗憾的是,有得必有失:获得了速度,就减少了扭矩(即转动力矩)。根据物理学公式P=FV,我们可以知道:当马达的输出功率相同时,速度增加,扭矩就会减少,也就是说力量上的损失会转化为速度。

齿轮还有一个有趣的特性,就是扭矩和速度的转换是对称的。你可以将速度转换成扭矩,也可以将扭矩转换成速度。利用齿轮的这个特性,我们经常减小速度来增大扭矩,让小车能爬上斜坡,或者让机器人可以举起重物。

力学中能量转换是有损耗的。在4-23的例子中,它的损耗是由摩擦力引起的,虽然摩擦力是无法避免的,但我们应该尽量减小摩擦力,因为摩擦力在转换过程中会抵消一部分扭矩。

3. 多级变速传动

  齿轮家族中最小的齿轮是8齿齿轮,最大的齿轮是40齿齿轮,所以如图4-24所示,使用两个齿轮传动时,可以得到的最大传动比是1:5 

齿轮1  齿轮3 

4-24                          4-25

如果你还想得到更高的传动比,可以使用多级变速,如图4-25所示。在这个装置中,转动最左边的轴,你可以发现最左边的8齿齿轮带动中间的24齿齿轮(第一级传动比为1:3),和中间24齿轮在同一根轴上(同样的转速)8齿齿轮带动最右边的24齿齿轮(第二级传动比为1:3),这样,总的传动比就是1:9。由此可见,同一根轴上两个不同齿数的齿轮和其它的齿轮连在一起,就可以组成效果明显的多级变速装置。

你可能在想,为什么要同一根轴上的两个齿轮和其他齿轮连在一起才能组成变速装置呢?能不能把多个齿轮依次啮合来变速呢?让我们来看一下图4-26,从8齿齿轮开始,第一级传动比是824,第二级传动比是24:40,两者相乘得到总的传动比为8:40;而8齿齿轮与40齿齿轮直接啮合传动也可以得到8:40的传动比。也就是说,中间的24齿齿轮的存在并没有改变传动比,所以我们称它为惰轮。那在这个装置中,惰轮是不是一点用处都没有呢?事实并非如此。请你再次慢慢地转动8齿齿轮,仔细观察,你可以发现直接啮合的两个齿轮的旋转方向是相反的,通过中间的24齿齿轮的存在,8齿齿轮和40齿齿轮的旋转方向变得一致了。这就是惰轮的一个重要作用——改变输出方向。

齿轮4

4-26

多级变速能将扭矩转化为速度,它可以产生让你惊奇的能量。你必须在搭建时不断地试验,在安全的前提下,选择合适的传动比,以获得你需要的力量或速度。因为如果出现意外,某个组件被卡住,那多级变速带来的速度和力量足以扭断轴、打破齿轮的齿等,有时虽然扭矩不大,但马达卡住能量又在继续输出的话,就可能烧坏马达。而且,在多级变速装置中,每增加一级就会产生更大的摩擦力,因此,应该尽可能地降低传动级来达到你所需的传动比。

二、特殊齿轮

在机器人套装中,你会发现一些奇怪的有齿非轮的零件,它们其实也是齿轮,是一些比较特殊的齿轮。

1. 涡轮

4-27所示的装置中带有螺旋线的圆柱体就是一种特殊的齿轮,你可以称它为蜗轮(蜗轮和所在的轴合称为蜗杆)。搭建一个如图4-27所示的装置,你缓慢转动蜗杆,可以发现蜗轮不仅可以改变传动方向,而且蜗轮每转过一圈,24齿斜齿轮刚好转过一个齿,也就是说蜗轮是1齿齿轮。当它与24齿的斜齿轮啮合时,就产生了124的减速,这是非常惊人的传动比。

齿轮7

4-27

蜗轮还有一个重要的特性就是只能单向传动,也就是可以用蜗轮带动齿轮,但其它齿轮不能带动蜗轮。图4-27中,你可以很轻松地转动与蜗轮相连接的轴,但不能转动与24齿斜齿轮相连接的的轴。这一特性也称为自锁,产生这一现象的原因是摩擦力引起的。你可以利用蜗轮的这个特性来提升重物,当马达停止时,重物就不会掉下来。器材中有一个齿轮箱,专门给蜗轮和24齿圆柱齿轮配合使用的,你可以尝试一下如何使用。

2. 离合齿轮

4-28所示的白色24齿厚齿轮,叫做离合齿轮,它也是一种比较特殊的齿轮,可以通过限制传动系统中的力来保护马达和其它TegoYapp组件。

乐高机器人鈥敵萋制

4-28

我们来做个简单的小实验:将轴的一端插入离合齿轮,将另一端插入一个普通的24齿齿轮用作旋钮。用手让后者保持适当的位置,缓慢转动离合齿轮,尽管阻力比较大,但还是可以转动。这就是它的作用:当扭矩大于额定值时,可以产生打滑来保护结构。

之前我们了解了,在减速传动中系统会产生很大的扭矩,出现意外时,这个力足以毁坏结构,有了离合齿轮就可以将传输的力限制到某个范围内,避免这种情况的发生。有时候,虽然扭矩不足以毁坏组件,但如果机构卡住,马达停转,也可能会造成马达永久损坏,因为这时马达有电流流过。离合齿轮也可以避免这种情况的损坏。

三、齿轮的配合

齿轮组件包含许多不同类型的齿轮,包括8齿、16齿、24齿、40齿齿轮等等,接下来我们就来学习如何根据它们的齿数和形状配合使用。

8齿、24齿、40齿齿轮的半径(从齿心到半齿的距离)分别为0.51.52.5个单位,当其中两者配合时,它们的距离(半径和)都是整数倍,如图4-29所示,8齿与24齿齿轮的距离正好是2个单位,24齿与40齿齿轮的距离正好是4个单位。这样配合起来就很容易,可以很方便的通过梁连接在一起。

齿轮11

4-29

16齿齿轮的半径是1个单位,两个16齿轮的距离正好是两个单位,可以配合地很好。但它与其它齿轮配合就会比较麻烦,因为16齿齿轮与其它齿轮的配合距离会产生0.5个单位(如图4-29右边),幸好有1×1梁和1×2双孔梁可以解决这个问题,如图4-30所示。当然我们也可以不求助于任何特殊部件,采用其他方法来解决,例如齿轮斜线配合,如图4-31所示。

齿轮12            http://www.semia.com/images/class/rob/002/new_pa24.jpg 

4-30                             4-31

齿轮家族中还有一种只有一面有齿、厚度为0.5个单位的齿轮,那就是斜齿轮。它虽然不能与其他标准齿轮相配合,但却有着独特的作用,那就是改变传动方向,如图4-32所示。

齿轮5

齿轮6

4-32

4-33

24齿的冠齿轮也是一种形状比较特殊的齿轮,它的前端齿向内弯曲,呈冠形。虽然长得有点奇怪,但它可以当作标准齿轮来使用,而且同斜齿轮一样可以改变传动方向,如图4-33所示。

搭建机器人的时候,你经常要用到各种齿轮,有效地利用齿轮是非常重要的,希望大家能掌握本节的搭建技巧。如果你感觉比较枯燥,或是觉得不容易理解,可以拿齿轮搭些模型出来,看看实际的传动效果,以提高你的兴趣,加深你的理解。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第三章、机器人编程初步

第一节、认识RCX的结构

一、RCXRobotics Control X 机器人控制指令系统)

1.   RCX是一块可编程积木,是所搭建模型的核心,用它来控制机器人的行动。

2.   RCX可以下载程序,用程序控制一系列输入(传感器)和输出(马达和灯等),来响应周围环境,完成一定的任务。

二、RCX结构

1.   3路输入端口(123),是RCX与传感器(如触动、光电、温度及角度传感器等)的连接点;

2.   3路输出端口(ABC),是RCX与输出器件(如马达和灯等)的连接点;

3.   4个控制按钮:红色——电源开/关,黑色——端口查看,灰色——程序选择,绿色——程序的开始/停止;

4.   1LCD显示屏;

5.   1AC(交流)适配器连接器(变压器)插口;

6.   1个红外传输(发送/接收)器。

三、RCX电源

直流9V——使用65号电池、电池盒或1个稳压直流电源。

RCX四、RCX 的编程语言

图形化编程语言——ROBOLAB语言。另外还有NQC 等,还可以通过控件使用VBVCDelphi 等语言。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第二节、ROBOLAB软件使用

软件界面一、ROBOLAB软件界面

进入编程窗口:ROBOLAB——PROGRAMMER(编程者级别)——Inventor 4(发明家级别)

打开图表区:Window(窗口)——Show diagram(显示图标区)

 

二、功能面板

打开功能面板:Window(窗口)——Show controls palette(显示功能面板)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

在图表区右击,也可以出现功能面板,单击面板外——消失。

凡矩形图块右上角右黑点的,可以继续展开。

编程时,只要选择适当的图标,将图标拉到图表窗口中,并用线按逻辑顺序连在一起,就完成了编程,通过下载,我们就可以控制我们的乐高机器人。

在图标上右击可根据提示替换或解释图标,在连线上右击可插入图标(程序)。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

工具面板三、工具面板

打开工具面板:Window(窗口)——Show tools palette(显示工具面板)

 

工具的具体功能如下:

Operate Value

操纵工具

常用于操纵面板窗口中的仪器板。在数据采集中会用到。

Position/Size/Select

定位工具

选择、定位图标,或更改图标尺寸。

Edit Text

标示工具

编辑注解或文字输入

Connect Wire

连线工具

在图表窗口中对图标进行连线。

Object shortcut menu

弹出工具

弹出快捷菜单,直接按下右键就会弹出这个菜单。

Scroll Window

滚动工具

整个画面滚动

Set/Clear Breakpoint

断点工具

设定/删除断点

Probe Data

探针工具

在连线上设定一个探针,用于调试

Color copy tool

颜色工具

取颜色

Set Color

着色工具

设定颜色

可以使用TAB 键或空格键来切换工具,TAB 键可以在Operating toolPositioningtoolLabeling toolWiring tool 这四个键之间切换。空格键可以在Positioning toolWiring tool这两个键之间切换。

猜一猜:(程序完成的动作)

1)

 

解释:

 

2)

 

 

 

 

未命名-1未命名-4解释:

未命名-5

3)

 

 

 

解释:

 

 

4)

 

 

 

 

未命名解释:

未命名-3

 

5)

 

 

 

解释:

 

 

试一试:

1.编写机器人前进至撞墙后退1秒钟停住的程序.

2. 编写机器人前进1秒后左拐90,行走1秒后再左拐90度回出发线的程序,并记录左拐90度的时间.

 

 

3.自己设计编写程序

 

 

 

 

 

 

 

参考文献

1.        乐高搭建指南

2.        ROBOLAB 2.5编程者指南

3.        TegoYapp 机器人开发系统教程

4.        http://www.jssjqr.com/江苏省机器人网 

5.        《军用机器人的发展及其应用》鞠俊

6.        《智能机器人》西安高中

7.        《机器人制作活动》南京十三中

关闭