第1章乐高机器人的结构 乐高机器 人的结构 虽然人工智能机器人的种类千差万别,但其系统组成是一样的,通常都是由控制器、 传感器、能源动力以及反馈系统等部分构成。通过传感器感知环境信息的变化,由中央处 理器运算、处理,最后由输出装置完成特定的任务。本书仅以乐高机器人为例,说明各部 分的功能。 1.1 控制器 .......................... 控制器是机器人的核心部分,它通过连接各种传感器获得信息,然后分析、处理,再发 出指令,控制机器人的各种运动行为。新一代的乐高机器人控制器———EV3 的按钮可以 发光,根据光的颜色可以判断EV3 的状态。它有更高分辨率的黑白显示器,内置扬声器、 USB 端口;还有一个迷你SD 读卡器、0, 四个输入端口和四个输出端口。它支持USB2. 有蓝牙和Wi-Fi 与计算机通信;还有一个编程接口,用于编程和数据日志上传、下载。它 兼容移动设备。乐高EV3 机器人控制器及其内部结构如图1-1和图1-2所示。 图1- 1 乐高EV3 机器人控制器图1- 2 EV3 内部结构 1.2 电源部分 .......................... 电源部分是机器人的能量来源,主要由电池盒与锂电池组成。在学生科技创新活动 中,可以采用太阳能电池作为机器人能源。乐高太阳能电池与EV3 充电电池如图1-3 所示。 新编乐高实战EV3 图1- 3 两种电池 1.乐高机器人常用传感器 3 ........................................ 人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。在研究自然现象和规律以及生产 活动中,单靠人们自身的感觉器官是远远不够的,因此需要有传感器。可以说,传感器是 人类五官的扩展,也是机器人和现实世界之间联系的纽带。传感器是机器人接收环境信 息的感觉器官,在接收了外界信息的基础上,才能通过中心处理器处理信息,借助不同的 传感器,机器人感觉到环境中力、热、声、光等信息的变化,为人工智能化处理提供可靠保 障。根据不同的工作特征,传感器分为光学传感器、红外传感器、声音传感器、力传感器和 位置传感器等。 对于乐高机器人来说,不仅可以使用乐高专用传感器,而且可以使用很多第三方传感 器,使得学生应用这一平台开展的科技开发和创新活动更加方便、灵活。 传感器作为机器人感官系统,通过“看”“听”“触”“嗅”等采集各种信息。常用的有光 电传感器、角度传感器、超声波传感器、触碰传感器、声音传感器、温度传感器等。 1.3.1 光电传感器 光电传感器的范围很广,有最简单的光敏电阻,即光强度的大小改变电阻的阻值,实 现对光强度的感知;也有目前最复杂的摄像头(Camera)。传感器将接收到的光值返回给 机器人,它通过光电传感器提供的信息进行颜色、距离等条件的估算。光电传感器是机器 人在运动过程中必不可少的传感器,通过它,可以获得机器人在移动过程中与障碍物之间 的距离。EV3 颜色传感器测量光的反射值(就像光电传感器那样), 也可以检测颜色。 EV3 兼容NXT 光电传感器。EV3 颜色传感器和NXT 光电传感器如图1-4所示。 1.3.2 力传感器 力传感器是用来检测触碰或者接触信号的,比如机械手的应用。当你将一个东西放 到机械手中时,机械手会自动抓住它,这时需要力传感器检测东西抓得紧不紧。典型的力 传感器是微动开关和压敏传感器。微动开关其实就是一个小开关,通过调节开关上的杠 杆长短来调节触碰开关力的大小。用来做触碰检测,这是最好不过的了。但是使用这种 传感器时,必须事先确定好力的阈值,也就是说,只能实现硬件控制。压敏传感器能根据 2 受力大小,自动调节输出电压或者电流,实现软件控制。乐高中用到的力传感器只能检测 第 1 章乐高机器人的结构 图1- 4 两种传感器 到触碰与没触碰两种状态,并不能检测力的大小。EV3 兼容NXT 触碰传感器。EV3 触 碰传感器与NXT 触碰传感器如图1-5所示。 图1- 5 两种触碰传感器 1.3.3 声音传感器 目前使用最多的声音传感器就是麦克风。对于处理 声音信号,目前有一些比较好的解决方案,可以实现对中 文语音的识别。人们可以通过对机器人发出语音指令,来 控制机器人。EV3 没有提供新的声音传感器,但兼容 NXT 声音传感器。NXT 声音传感器如图1-6所示。 1.3.4 超声波传感器 超声波传感器和红外接近传感器很像,都属于距离探测传感器,但是它能提供比红外 传感器更远的探测范围,还能提供一个范围的探测,而不是一条线的探测。超声波传感器 是目前使用得最多的距离传感器之一。 EV3 提供了标配的超声波传感器,同时兼容NXT 超声波传感器,它通过间断地发射 超声波并检测反射回来的超声波,获知前方物体的距离,测距范围为3~250cm,测量精度 为1cm 。EV3 超声波传感器与NXT 超声波传感器如图1-7所示。 图1-6NXT声音传感器 3 新编乐高实战EV3 图1- 7 两种超声波传感器 1.3.5 红外传感器 红外传感器是一种数字传感器,用于检测从固体物体反射回来的红外光,也可以检测 从远程红外信标发送来的红外光信号。该红外传感器可用于三种模式:近程模式、信标 模式和远程模式。红外传感器和远程红外信标如表1-1所示。 表1- 1 红外传感器和远程红外信标 红外传感器 远程红外信标 远程模式 信标模式 1. 近程模式 在近程模式下,红外传感器利用物体表面反射回来的光波来估计该物体与传感器之 间的距离。它使用0(很近)~100(很远)的数值来报告距离,而不是具体的厘米数或英寸 数。传感器可以检测出远至70cm 的物体,测量精度取决于物体的尺寸和形状。 4 第 1 章乐高机器人的结构 2. 信标模式 从红色频道选择器中远程红外信标的四个频道里选择一个频道。红外传感器会检测 出与程序里指定的频道相匹配的信标信号,在其面对的方向,最远的距离可达200cm 。一 旦检测到信标信号,传感器就可以估计大致方向(标头)及与信标的距离(近程)。据此,可 以对机器人编程来玩“捉迷藏”的游戏,使用远程红外信标作为搜索目标。标头值在 ~0表示信标在红外传感器正前方, -2525,近程值在0~100 。 3. 远程模式 也可以使用远程红外信标远程控制机器人。在远程模式下,红外传感器可以检测出 按压了哪个信标按钮(或哪几组信标按钮)。 远程红外信标是一个独立设备,可以手持或拼砌到另一个乐高模型里,它需要两节 7号电池。开启远程红外信标,需要按压设备顶部的“信标模式”按钮,此时绿色LED 指 示器将打开,指示设备在运行,并连续传输。再按一下“信标模式”按钮,信标将关闭(静止 1小时后,信标自动关闭)。远程红外信标的按键组合共11 种,如表1-2所示。 表1- 2 远程红外信标的按键组合 说明 0=无按钮(且信标模式关闭) 1=按钮1 2=按钮2 3=按钮3 4=按钮4 5=按钮1+ 按钮3 6=按钮1+ 按钮4 7=按钮2+ 按钮3 8=按钮2+ 按钮4 9=信标模式开启 10=按钮1+ 按钮2 11=按钮3+ 按钮4 图示 1.3.6 位置和姿态传感器 机器人在移动或者动作的时候,必须时时刻刻知道自己的姿态动作,否则将产生控制 中的开环问题,没有反馈。位置传感器和姿态传感器可以反馈这种信息。常用的有光电 编码器。机器人的执行机构一般由电机驱动,通过计算电机转的圈数,得出电机带动部件 的大致位置。编码器就是这样一种传感器,它一般和电机轴或者转动部件直接连接,电机 或者转动部件转了多少圈或者多少角度,能够通过编码器读出,控制软件根据读出的数据 进行位置估计。 在每个电机中内置角度传感器可以将测量精度精确到1°,再依靠传感器所定的方向 来确定是正向还是反向旋转。NXT 电机和EV3 电机如图1-8所示。 5 新编乐高实战EV3 图1- 8 两种电机 1.3.7 陀螺仪 陀螺仪是利用陀螺原理制作的传感器,主要测量移动机器人转过的角度和角速度等 信息,用于制作自平衡机器人,如图1-9所示。 1.3.8 温度传感器 温度是一个基本的物理量,自然界中的一切过程 无不与温度密切相关。温度传感器是最早开发、应用 的一类传感器,是各种传感器中最常用的一种。现代 的温度传感器外形非常小,广泛应用于生产实践的各 个领域,为人们的生活提供了便利。 温度传感器有四种主要类型:热电偶、热敏电阻、 电阻温度检测器(RTD)和IC 温度传感器。IC 温度传 感器又分为模拟输出和数字输出两种类型。乐高的温度传感器如图1-10 所示。 1.3.9 EV3 按钮 与NXT 按钮一样,EV3 按钮同样可以作为传感器使用,如图1-11 所示。 图1-9陀螺仪 6 图1-10 温度传感器图1-11 EV3 按钮 第 1 章乐高机器人的结构 1.乐高机器人输出设备 4 ...................................... 1.4.1 驱动器 驱动器是驱动机器人运动的部件,最常用的是电机,还有液压、气动等其他驱动方式。 机器人最主要的控制形式是控制其移动,无论是自身的移动还是手臂等关节的移动,因此 机器人驱动器最基本的作用就是控制电机及其转数,从而以控制机器人移动的距离和方 向,以及机械手臂的弯曲程度或者移动的距离等。所以,首先要解决的问题是如何让电机 按照自己的意图转动。一般来说,由专门的控制卡和控制芯片控制。将其与微控制器连 接起来,就可以用程序控制电机。驱动器的另一个作用是控制电机的速度,在机器人上的 实际表现就是机器人或者手臂的实际运动速度。机器人运动的快慢依赖于电机的转速, 因此要求控制卡对电机有速度控制。EV3 电机(见图1-12)是一个内置转动传感器,可以 返回传感器的测量值。 图1-12 EV3 电机 一般情况下,电机无法直接带动轮子或者手臂,因为力矩不够大,所以需要加上一个 减速箱来增加电机的输出力矩,代价是电机速度减小。比如一个1∶250 的齿轮箱可以使 电机的输出力矩增大250 倍,但是速度只有原来的1/250 。 1.4.2 LCD 显示屏 LCD 显示屏主要用于显示机器人实时运行的信息。机器人上安装的LCD 显示屏可 以显示两种字号的字符。显示小字符时,为22 字×13 行,整个屏幕可以显示286 个字 符;显示大字符时,为11 字×6 行,整个屏幕可以显示66 个字符。EV3 显示屏如图1-13 所示。 图1-13 EV3 显示屏 7 新编乐高实战EV3 1.4.3 蜂鸣器 蜂鸣器作为机器人的“嘴巴”,是机器人与人交互的重要设备,它可以发出各种频率的 声音。机器人在每次开机或关机时,蜂鸣器都会发出声音,提示用户。蜂鸣器如图1-14 所示。 图1-14 蜂鸣器 1.4.4 灯光 乐高机器人RCX 系列配有灯光,在NXT 和EV3 系列中可以通过转换线来使用。 灯光不仅为机器人设计增加了乐趣,而且是一种重要而方便的反馈信息。我们在编写程 序时,可以根据反馈信息及时调试机器人。 EV3 提供了按钮背光系统,可根据程序呈现不同的灯光效果,如图1-15 所示。 图1-15 乐高的外接灯光和EV3 的按钮背光系统 1.4.5 蓝牙输出 NXT 机器人已经具有蓝牙连接功能,同样EV3 也具有蓝牙输入与输出功能。EV3 机器人可以通过蓝牙通信功能与其他EV3 机器人进行通信,互相传递数据,也可以通过 蓝牙连接计算机,达到无线传输程序的目的;可以通过蓝牙连接iPhone、iPad等设备,下 载相对应的应用程序,然后通过蓝牙对其进行控制。EV3 系统中蓝牙协议的工作方式是 选择主EV3 控制器连接到从EV3 控制器。一个主EV3 控制器可以连接到多达七个从 EV3 控制器。主EV3 控制器可以向每个从EV3 控制器发送消息。但是从EV3 控制器 只能将消息发送回主EV3 控制器。从EV3 控制器不能直接向其他从EV3 控制器发送 消息。 8 第 1 章乐高机器人的结构 1.实践与思考 5 .......................... 1. 寻找我们周围的机器人 活动任务:请同学们在生活中寻找不同类型的机器人,体会机器人对人们生活和工 作的影响,然后填写表1-3。 表1- 3 身边的机器人 机器人名称形状功能对人们生活的影响 2. 搭建一个机器人小车 参照附录提供的搭建图,搭建一个机器人小车,并将乐高的传感器安装在小车上。对 于不同的传感器,安装的位置会有所不同,为什么? 9 第2章乐高的基本组件 乐高的基 本组件 创作一个能完成某种任务的机器人,合理的结构设计是一项重要内容。机器人具备 完善、合理的结构是准确、有效工作的基础。结构的缺陷会限制功能的发挥,即使程序再 完美,也不能保证达到人们期望的效果,因此,机器人的结构设计与搭建是保证其完成任 务的前提。 要想搭建具有某种功能的机器人,仅仅凭空设想是无法办到的,模仿是一个不可缺少 的过程。在模仿他人机器人作品的基础上,分析结构设计思路的合理性,探讨设计中的工 艺技巧,了解有关机械结构知识,可以让我们更快地掌握机器人的设计和搭建方法。我们 应当将力学知识应用于结构设计,通过不断动手实践与改进,获得合理和有效的结构设 计。对于已完成的机器人,要在程序运行中进行测试,了解机械结构是否稳定、安全。如 果达不到要求,要反复改进。有一些成型的结构模式,如齿轮变速、万向轮的结构与安装 方式、差速器等功能组合,在设计机器人的过程中可以直接应用。 2.乐高组件的基本尺寸 1 ...................................... 乐高突点(孔)与突点(孔)之间的距离是5/16 英寸( 大 约等于8mm), 也称为一个乐高单位(LU ) 。 乐高组件的大小常用凸点的行数乘以列数来描述。可 以用3个数字表示乐高积木的尺寸,即宽度、长度和厚度。 图2-1所示为2×2 砖的外形尺寸。图2- 1 2×2 砖的外形尺寸 每一个乐高组件都有其基本尺寸,如图2-2所示。 图2- 2 乐高零件的基本尺寸(单位:LU;图片来源:五十川芳仁《虎之卷》)