【正文】 輪是通過一個(gè)支架與機(jī)器人底盤連接的，這時(shí)需要在支架與底盤之間塞人厚度合適的墊片調(diào)整有問題的驅(qū)動(dòng)輪。如果機(jī)器人只是單輪驅(qū)動(dòng)，而通過另外兩個(gè)輔助車輪來支撐和轉(zhuǎn)向，那么對(duì)非驅(qū)動(dòng)車輪也要進(jìn)行同樣的檢查和調(diào)整，以免機(jī)器人出現(xiàn)錯(cuò)誤轉(zhuǎn)向的問題。2） 對(duì)稱對(duì)于雙輪驅(qū)動(dòng)系統(tǒng), 還要注意確保兩驅(qū)動(dòng)輪的軸線處于同一前后位置上, 如圖320 (a)所示。操作起來很容易, 只要在向驅(qū)動(dòng)輪安裝架鉆孔時(shí)事先做好標(biāo)記就可以了。圖320 對(duì)稱[7]對(duì)于單輪驅(qū)動(dòng),則要求驅(qū)動(dòng)輪安裝在兩輔助輪軸線的中垂線上,即如圖320(b)所示。3） 同軸當(dāng)驅(qū)動(dòng)輪與電機(jī)直接連接時(shí),還要注意驅(qū)動(dòng)輪彼此是同軸的,也就是說,驅(qū)動(dòng)輪都對(duì)準(zhǔn)正前方。如果出現(xiàn)不正確的安裝姿態(tài),如果不靠某種軟件來校正,機(jī)器人肯定不會(huì)沿著既定的路線行駛。如果電機(jī)不直接與驅(qū)動(dòng)輪相連, 事先應(yīng)當(dāng)計(jì)劃好在何處安裝電機(jī)。電機(jī)的輸出軸將經(jīng)由鏈傳動(dòng)、齒形帶、帶輪等將運(yùn)動(dòng)傳遞到車輪, 一定要計(jì)算好鏈條或皮帶的長(zhǎng)度以及張緊力,確保傳動(dòng)時(shí)不會(huì)打滑。盡管一些撓性聯(lián)軸器,比如聚乙烯管材、聯(lián)軸器成品等,容許在一定程度的錯(cuò)軸條件下傳動(dòng),但是仍然需要將這種變形限制在允許的范圍內(nèi)。 車輪的選擇選擇車輪需要考慮多種因素,如機(jī)器人的尺寸、重量、地形狀況、電機(jī)功率等等,當(dāng)然,也需要考慮到美觀。1）車輪重量與類型的關(guān)系一般來說,機(jī)器人越重,要求車輪和履帶的結(jié)構(gòu)越堅(jiān)固。小于2磅的輕型機(jī)器人,可以使用軟性泡沫塑料車輪。由于機(jī)器人的重量輕,軟性材料的變形還不至于太嚴(yán)重,而且能在摩擦力很小時(shí)工作良好。超過2磅的機(jī)器人,需要選用質(zhì)地更為堅(jiān)硬的材料做車輪,不充氣的中空橡膠輪胎能夠在6～10磅下工作。超過10磅,就要考慮實(shí)心橡膠輪胎或者充氣輪胎。而類似割草機(jī)的車輪,不管是實(shí)心的還是充氣的,在機(jī)器人的重量接近40磅的場(chǎng)合都可以成為選擇的方案。機(jī)器人超過40磅時(shí),可以考慮試用諸如小型機(jī)車輪、手推車輪,或者其他相似的高效率的充氣輪胎[15]。以上是一般性的建議,在某些特殊工作場(chǎng)合會(huì)有例外,比如通過增加靜摩擦或滾動(dòng)摩擦來換取更好的牽引效果,而又不太在意磨損的應(yīng)用場(chǎng)合。如果輕型機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率較小,便可以使用硬橡膠輪胎以減少滾動(dòng)摩擦。還有另一種例外,就是有意讓輪子和標(biāo)準(zhǔn)鉛垂面之間形成一個(gè)角度,這個(gè)措施能削弱機(jī)器人由于電機(jī)未被妥善緊固而造成的偏離行進(jìn)方向的傾向。為此輪胎的質(zhì)地需要更為堅(jiān)硬,因?yàn)榇藭r(shí)只是借助輪胎的某個(gè)側(cè)面來運(yùn)動(dòng),而非整個(gè)底面。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí),需要考慮輪胎材料以及輪胎受到的壓力和拉力。2） 地形條件與車輪材料首先觀察一下在不同路面上移動(dòng)時(shí)汽車和自行車的車輪。路面平整時(shí)常使用充氣輪胎,這時(shí)輪胎不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重變形。而駕車外出或在山路上騎車時(shí)應(yīng)減少輪胎的充氣量。一般來說,在光滑表面使用堅(jiān)硬的或充氣很足的輪胎,在崎嶇路面使用扁平的軟性輪胎以便獲得在不確定路面下良好的牽引效果。對(duì)機(jī)器人來說選用輪胎的方法與此類似,可以概括為高摩擦表面使用低摩擦性能的輪胎,低摩擦表面使用高摩擦性能的輪胎。在崎嶇的路面,車輪需要更具有附著力的輪胎面,它更能適應(yīng)地形增加摩擦力。路面光滑時(shí),使用光滑的胎面以增加車輪與路面間的接觸面積。但如果在光滑的路面上有碎屑和塵土,就需要在輪胎上做出一些特殊的紋路,以增加對(duì)運(yùn)動(dòng)表面的壓力,降低塵土對(duì)車輪的影響。路面潮濕時(shí)也要求輪胎上有凹槽,這樣既有利于排水又可以增加摩擦力,或者說對(duì)地面的附著力。有些材料在不同路面上使用時(shí)性能的差別很大,一定要仔細(xì)選擇。往往需要進(jìn)行試驗(yàn),以找到能滿足路面條件要求的最合適的材料。在同樣的路面使用不同的輪胎也會(huì)表現(xiàn)出不一樣的性能。例如沙地,接觸面狹窄時(shí),牽引力很小。接觸面積很大時(shí)它卻能獲得高的牽引力。因此在沙地上運(yùn)動(dòng)時(shí),應(yīng)該使用寬輪胎,因?yàn)檎喬?huì)陷進(jìn)去。但是寬輪胎摩擦系數(shù)更高,需要更多能量來驅(qū)動(dòng)它。為了在這對(duì)矛盾中尋求最優(yōu)解就需要進(jìn)行試驗(yàn),以獲得輪胎寬度的合適范圍。 多傳感器的配合使用 傳感器在機(jī)器人學(xué)科應(yīng)用為了檢測(cè)作業(yè)對(duì)象及環(huán)境或機(jī)器人與它們的關(guān)系，在機(jī)器人上安裝了觸覺傳感器、視覺傳感器、力覺傳感器、接近覺傳感器、超聲波傳感器和聽覺傳感器，大大改善了機(jī)器人工作狀況，使其能夠更充分地完成復(fù)雜的工作。由于外部傳感器為集多種學(xué)科于一身的產(chǎn)品，有些方面還在探索之中，隨著外部傳感器的進(jìn)一步完善，機(jī)器人的功能越來越強(qiáng)大，將在許多領(lǐng)域?yàn)槿祟愖龀龈筘暙I(xiàn)。機(jī)器人傳感器可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器兩大類。內(nèi)部傳感器是以機(jī)器人本身的坐標(biāo)軸來確定其位置，安裝在機(jī)器人自身中，用來感知機(jī)器人自己的狀態(tài)，以調(diào)整和控制機(jī)器人的行動(dòng)。內(nèi)部傳感器通常由位置、加速度、速度及壓力傳感器等組成。外部的傳感器用于機(jī)器人對(duì)周圍的環(huán)境、目標(biāo)物的狀態(tài)特征獲取信息，使機(jī)器人和環(huán)境發(fā)生相互作用，從而使機(jī)器人對(duì)環(huán)境有自校正和自適應(yīng)能力。外部傳感器通常包括觸覺、接近覺、視覺、聽覺和味覺等傳感器，機(jī)器人使用外部傳感器分類如表31：表31 機(jī)器人傳感器分類[1]傳感器檢測(cè)內(nèi)容檢測(cè)器件應(yīng)用觸覺接觸把握力荷重分布?jí)毫Χ嘣α鼗瑒?dòng)限制開關(guān)應(yīng)變計(jì)、半導(dǎo)體感、壓元件彈簧變位測(cè)量器導(dǎo)電橡膠、感壓高分子材料應(yīng)變計(jì)、半導(dǎo)體感壓元件壓阻元件、馬達(dá)電流計(jì)光學(xué)旋轉(zhuǎn)檢測(cè)器、光纖動(dòng)作順序控制把握力控制張力控制指壓控制姿勢(shì)形狀判別裝配力控制協(xié)調(diào)控制滑動(dòng)判定 接近覺接近間隔傾斜光電開關(guān)、LED、 紅外、激光光電晶體管、光電二極管電磁線圈、超聲波傳感器動(dòng)作順序控制障礙物躲避軌跡移動(dòng)控制視覺平面位置距離形狀缺陷ITV攝像機(jī)、位置傳感器測(cè)距儀線圖象傳感器面圖像傳感器位置決定控制移動(dòng)控制物體識(shí)別、判別檢查、異常檢測(cè)聽覺聲音超聲波麥克風(fēng)超聲波傳感器語言控制（人機(jī)接口）導(dǎo)航嗅覺氣體成分氣體傳感器、射線傳感器化學(xué)成分測(cè)探味覺味道離子敏感器、PH計(jì)化學(xué)成分測(cè)探傳感器匯集類型有多種，通常采用的以下兩種例子。1）競(jìng)爭(zhēng)性的：在傳感器檢測(cè)同一環(huán)境或同一物體的同一性質(zhì)時(shí)，傳感器提供的數(shù)據(jù)可能是一致的，也可能是矛盾的。若有矛盾，就需要系統(tǒng)裁決。裁決的方法有多種，如加權(quán)平均法、決策法等。在一個(gè)導(dǎo)航系統(tǒng)中，車輛位置的確定可以通過計(jì)算法定位系統(tǒng)（利用速度、方向等記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算）或陸標(biāo)（如交叉路口、人行道等參照物）觀測(cè)確定。若陸標(biāo)觀測(cè)成功，則用陸標(biāo)觀測(cè)的結(jié)果，并對(duì)計(jì)算法的值進(jìn)行修正，否則利用計(jì)算法所得的結(jié)果。2）互補(bǔ)性的：傳感器提供不同形式的數(shù)據(jù)。例如，識(shí)別三維物體的任務(wù)就說明這種類型的融合。利用彩色攝像機(jī)和激光測(cè)距儀確定一段階梯道路，彩色攝像機(jī)提供圖像（如顏色、特征），而激光測(cè)距儀提供距離信息，兩者融合即可獲得三維信息。 機(jī)器人紅外傳感器圖321 紅外反射光電傳感器原理紅外反射式光電傳感器特性與工作原理：反射式光電傳感器的光源有多種,常用的有紅外發(fā)光二極管,普通發(fā)光二極管,以及激光二極管,前兩種光源容易受到外界光源的干擾,而激光二極管發(fā)出的光的頻率較集中,傳感器只接收很窄的頻率范圍信號(hào),不容易被干擾但價(jià)格較貴。理論上光電傳感器只要位于被測(cè)區(qū)域反射表面可受到光源照射同時(shí)又能被接收管接收到的范圍就能進(jìn)行檢測(cè),然而這是一種理想的結(jié)果。因?yàn)楣獾姆瓷涫艿蕉喾N因素的影響,如反射表面的形狀、顏色、光潔度,日光、日光燈照射等不確定因素。如果直接用發(fā)射和接收管進(jìn)行測(cè)量將因?yàn)楦蓴_產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào),采用對(duì)反射光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。紅外反射光強(qiáng)法的測(cè)量原理是將發(fā)射信號(hào)經(jīng)調(diào)制后送經(jīng)紅外發(fā)光管發(fā)射,光敏管接收調(diào)制的紅外信號(hào)[1],原理如圖320所示。圖322 紅外發(fā)射接受原理反射光強(qiáng)度的輸出信號(hào)電壓Vout 是反射面與傳感器之間距離x 的函數(shù),設(shè)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時(shí),x 與Vout 的響應(yīng)曲線是非線性的,如圖323 所示。設(shè)定輸出電壓達(dá)到某一閾值時(shí)作為目標(biāo),不同的目標(biāo)距離閾值電壓是不同的。圖323 光強(qiáng)度與電壓相應(yīng)曲線表32 紅外傳感器分類紅外傳感器分類漫反射光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢 測(cè)物體經(jīng)過時(shí)，將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號(hào)。當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)，漫反射式的光電開關(guān)是首選的檢測(cè)模式。引起理想漫反射的光度分布 局部較強(qiáng)漫反射時(shí)的光度分布 　 鏡反射式光電開關(guān)亦是集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡，反射回接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過且完全阻斷光線時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)開關(guān)信號(hào)。　 對(duì)射式光電開關(guān)包含在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對(duì)放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器。當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)物體是不透明時(shí)，對(duì)射式光電開關(guān)是最可靠的檢測(cè)模式?！?槽式光電開關(guān)通常是標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)到的開關(guān)量信號(hào)。槽式光電開關(guān)比較安全可靠的適合檢測(cè)高速變化，分辨透明與半透明物體?！?光纖式光電開關(guān)采用塑料或玻璃光纖傳感器來引導(dǎo)光線，以實(shí)現(xiàn)被檢測(cè)物體不在相近區(qū)域的檢測(cè)。通常光纖傳感器分為對(duì)射式和漫反射式。實(shí)物產(chǎn)品：漫反射型光電開關(guān)（NPN三極管驅(qū)動(dòng)輸出）檢測(cè)距離：100毫米被檢測(cè)物最小直徑：5毫米指向角度：小于5度 工作電壓：10～36V直流工作電流：小于10毫安輸出驅(qū)動(dòng)電流：300毫安 溫度范圍：－25～70度 圖324 紅外光電傳感器實(shí)物 圖325 紅外光電傳感器原理電路這是一種應(yīng)用最為廣泛的光電開關(guān)，它的直徑為18毫米，固定時(shí)只要在設(shè)備外殼上打一個(gè)18毫米的圓孔就能輕松固定，長(zhǎng)度約75毫米，背后有工作指示燈，當(dāng)檢測(cè)到物體時(shí)紅色LED點(diǎn)亮，平時(shí)處于熄滅狀態(tài)，非常直觀，引線長(zhǎng)度為100毫米。 經(jīng)上述分析，擬采用以紅外漫反射光電傳感器為主，輔以微動(dòng)開關(guān)組成的碰撞傳感器和由軟件控制的靜止檢測(cè)傳感器的方案。其中碰撞傳感器是利用同機(jī)器人移動(dòng)最為相關(guān)的機(jī)器人與環(huán)境之間的交互作用力。當(dāng)機(jī)器人同環(huán)境中的某個(gè)物體發(fā)生碰撞時(shí)，這種交互作用力就會(huì)變?yōu)榉橇阒?。這種碰撞力士在機(jī)器人驅(qū)動(dòng)輪輸出傳動(dòng)力矩的作用下產(chǎn)生的。這種傳感器由微動(dòng)開關(guān)組成，當(dāng)機(jī)器鼠與墻壁相碰撞，由于場(chǎng)地與輪子間摩擦力足夠大，則可以觸動(dòng)微動(dòng)開關(guān)，給控制單元信號(hào)。這樣處理主要是針對(duì)當(dāng)紅外傳感器漏報(bào)或失效時(shí)，機(jī)器鼠與墻壁間發(fā)生碰撞，而不能正確判斷，使電機(jī)保持堵轉(zhuǎn)消耗更多能量。圖326 微動(dòng)開關(guān)實(shí)物靜止傳感器用來檢測(cè)機(jī)器人是否仍在運(yùn)動(dòng)。這種傳感器的實(shí)現(xiàn)方式有很多，使用虛擬和物理方式都能實(shí)現(xiàn)靜止傳感器。虛擬靜止傳感器的一種簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)方式是設(shè)計(jì)某個(gè)行為，該行為的主要任務(wù)實(shí)時(shí)檢測(cè)某個(gè)或多個(gè)物理傳感器的信息值是否發(fā)生變化。如果機(jī)器鼠在運(yùn)動(dòng)，碰撞傳感器、紅外傳感器都有可能改變它們的輸出信息值。而機(jī)器鼠一旦停止運(yùn)行，所有傳感器的輸出值都將保持不變。當(dāng)在拐角等地方，碰撞傳感器未能接觸時(shí)起檢測(cè)作用?？梢院团鲎矀鞲衅髋浜蟻肀苊庖?yàn)榧t外傳感器的失效，造成的行為混亂。圖327 機(jī)器鼠傳感器布局設(shè)計(jì)圖328 機(jī)器鼠傳感器安裝示意圖當(dāng)各種行為由于系統(tǒng)某種資源缺乏而存在相互競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系時(shí)，就需要利用仲裁機(jī)制來妥善處理這種關(guān)系。資源缺乏是指機(jī)器人的資源供不應(yīng)求。例如機(jī)器鼠的驅(qū)動(dòng)電機(jī)就是一個(gè)典型的缺乏性資源。在機(jī)器鼠運(yùn)行過程中，執(zhí)行沿墻行走行為和執(zhí)行轉(zhuǎn)向行為，而執(zhí)行機(jī)構(gòu)只有步進(jìn)電機(jī)。因此需要考慮仲裁機(jī)制。使用仲裁器對(duì)相比較抽象的“資源”進(jìn)行管理。各種行為都可能競(jìng)相使用機(jī)器人的某種功能[5]。在通常情況下，行為在執(zhí)行過程中只需要傳感器的信息。對(duì)于系統(tǒng)其他各個(gè)環(huán)節(jié)的狀態(tài)和情況無需得知。然而，有時(shí)當(dāng)某些行為試圖控制機(jī)器人的電機(jī)時(shí)，需要知道自己的命令是否被通過。當(dāng)轉(zhuǎn)向行為被觸發(fā)時(shí)，該行為試圖控制機(jī)器人旋轉(zhuǎn)一定角度，以避開前方障礙。那么，在行為開始時(shí)，首先應(yīng)該知道自己所發(fā)布的命令是否已經(jīng)起作用。為滿足行為的這種控制信息需要，常將仲裁器設(shè)計(jì)為帶有一定的輸出，用以表示仲裁過程的獲勝。在機(jī)器鼠中，行為可以采用同處理其他感知輸入信息完全相同的方式使用這些來自仲裁器的輸出信息。為了維持一個(gè)易于修改、擴(kuò)展和調(diào)試的系統(tǒng)，所有行為都不允許修改其他行為的內(nèi)部狀態(tài)。這點(diǎn)很重要。盡管某個(gè)行為所創(chuàng)建和擁有的局部信息可以作為變量參與另一個(gè)行為的計(jì)算過程，這樣的做法是錯(cuò)誤的，采用這樣方法完全違背了基于行為的經(jīng)典思想，更類似于自組織結(jié)構(gòu)程序。圖329 機(jī)器鼠的基本行為組件第4章 機(jī)器鼠四相步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)控制概況圖41 單路步進(jìn)電機(jī)控制的試驗(yàn)電路圖42 單片機(jī)控制電路板實(shí)物步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡(jiǎn)單。圖43 步進(jìn)電機(jī)分解圖步進(jìn)電機(jī)有如下特點(diǎn)[13]：1）可以用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開環(huán)控制,整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單廉價(jià)。 2）位移與輸入脈沖信號(hào)數(shù)相對(duì)應(yīng),步距誤差不長(zhǎng)期積累,可以組成結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng),也可在要求更高精度的組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 3）無刷,電動(dòng)機(jī)本體部件少,可靠性高。 4）易于起動(dòng),停止,正反轉(zhuǎn)及速度響應(yīng)性好。 5）停止時(shí)可有自鎖能力。 6）步距角可在大范圍內(nèi)選擇,在小步距情況下,通常可以在超低轉(zhuǎn)速下高轉(zhuǎn)矩穩(wěn)定運(yùn)行,通?？梢圆唤?jīng)減速器直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。 7）速度可在相當(dāng)寬范圍內(nèi)平滑調(diào)節(jié),同時(shí)用一臺(tái)控制器控制幾臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可使它們完全同步運(yùn)行。 8）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶慣性負(fù)載能力較