[如何製作機器人 2] 選擇機器人平台

這次推薦的是另一系列非常經典的製作機器人入門教學文章 。一共分成十個單元,每單元介紹一個主題 。我們將陸陸續續和各位分享!

課程目錄

第1課 - 入門
第2課 - 選擇機器人平台
第3課 - 了解制動器
第4課 - 了解微控制器
第5課 - 選擇馬達控制器
第6課 - 控制你的機器人
第7課 - 使用感知器
第8課 - 使用正確的工具
第9課 - 機器人組裝
第10課 - 機器人控制程式編寫

第2課 – 選擇機器人平台

在讀過第一課之後,你應該對什麼是機器人和機器人可以做些什麼已有基本的認識。現在,該是決定你機器人類型的時候了。自製的機器人設計通常從機器人的外觀和它將要做什麼這兩個"願景"開始。機器人有無限多可能的類型,通常較受歡迎的包含下面幾種類型:

  • 輪式,履帶和使用腿行走的機器人
  • 飛機,直升機和飛艇
  • 船艇,潛艦和游泳機器人
  • 另類和綜合型機器人
  • 固定機器手臂和執行機構

這一個章節的目的是協助您決定要製做那種類型的機器人, 並達成您希望他執行的任務。既然您在腦力激盪後已經決定它需要完成什麼任務(在閱讀第一課之後),現在可以來決定最適合您需求的類型的機器人了。下文為常見機器人類型的描述。

地面

在地面上移動的機器人,特別是輪式機器人,是初學者最常接觸到的機器人類型,這類機器人可以讓我們觀察到機器人特性而且比較起其他類型的機器人花費最低。另一方面,最複雜的類型是人形機器人(類似於人類),因為它需要許多自由度, 並且需要在多顆馬達和傳感器之間取得很好的協調。

輪式機器人

mobile-wheeled-robot

時至今日, 輪子是提供機器人移動最常被使用的方法,它可以被應用來推動許多不同尺寸的機器人和機器人平台。車輪幾乎可以是任何大小,從數公分到30公分或更大。桌上型機器人通常使用最小的輪子,直徑通常小於5公分。機器人可以使用任何數量的輪子,雖然3和4個輪子是最常見的。通常一個三輪機器人主動力來自兩個輪子並在另一端配置腳輪。更複雜的兩輪機器人可以使用陀螺儀來保持平衡。輪式機器人通常都是採用輪子的速度差(滑移轉彎)的方式來達到轉彎的目的(類似於坦克)。若要使用類似汽車的齒輪齒條式轉向設計需要太多的零件而且它的複雜性和成本都將遠超過它的優點。
四輪和六輪機器人的優點是使用多個驅動馬達(每個車輪都連接一個馬達),它可以減少滑移。此外,萬向輪(omni-directional wheel)或螃蟹輪(mecanum wheel),若使用得當,可以加強機器人移動的靈活程度。關於製作輪式機器人最常見的誤解是: 大顆又便宜的直流馬達一定可以拖得動中型尺寸的機器人。我們會在這篇文章後段提到,除了馬達外其實還有很多參數需要納入考量, 才有辦法讓機器人順利移動。

優點

  • 通常與其他方法相比成本較低
  • 容易設計和製作
  • 豐富的選擇
  • 六輪或萬向輪型
  • 非常適合初學者

缺點

  • 可能失去牽引力(滑動)
  • 小接觸面積(只有每個車輪下方一個小矩形或線與地面接觸)

履帶機器人

mobile-tracked-robot

所謂履帶就是坦克車使用的履帶。雖然履帶不提供附加的"力"(扭矩),但它們能減少滑移並平均分佈機器人的重量在地面上,使得它們可以在諸如沙地及鬆軟的地面上移動。此外,履帶系統可非常適合應用在凹凸不平的表面上。最後,許多人也會同意坦克履帶也為機器人添加了"積極"的外觀。

優點

  • 與地面接觸面積大防止可能發生的車輪滑動
  • 可讓重量均勻分佈有助於機器人在各種表面上移動
  • 可用有效地提高機器人和地面間距,而無需使用更大的輪子

缺點

  • 當轉彎時,會有一個作用在地面上的側向力; 這可能會破壞被履帶壓過的地面,並且磨損履帶tank-track-damage-300x216
  • 沒有太多的履帶可以選擇(機器人設計通常要遷就履帶的限制)
  • 驅動履帶的齒輪可能會限制可使用馬達的數量。
  • 增加機構設計和電路連接的複雜性(惰輪位置和數量,鏈接數量)

越來越多的機器人使用腿來移動。對於必須在崎嶇的地形上移動的機器人來說,腿通常是首選。大多數業餘機器人設計具有六條腿,可以讓機器人隨時都保持在靜態平衡的狀態(隨時要有3條腿同時接觸地面來維持平衡; 腿少的機器人較困難達到平衡。後者需要維持"動態穩定",這意味著如果機器人在移動過程突然被停止,它很可能會跌倒。研究人員已經嘗試過用獨腳(一個獨腿"跳躍")設計,不過常見的應用是兩足(兩條腿),四足(四條腿),和六足(六條腿)。

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優點

  • 更接近有機或自然界運動
  • 可以克服大型的障礙物和在崎嶇的地形上移動

缺點

  • 增加機械,電子和控制程式編寫複雜性(不容易入門)。
  • 儘管電源需求增加,但可以應用的電池體積較小(續電量較少)
  • 更高的製作成本

空中

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自動控制無人機(無人機/AUAV)非常吸引機器人玩家, 也容易上手。尤其對初學者來說,製作無人機的優勢是失敗的風險低。當考慮飛行器時,大多數愛好者會考慮市場上販售的遙控飛機。這樣的技術也已在專業領域被應用,例如已在美軍服役的的獵食者無人機(Predator)。

優點

  • 遙控飛機已經存在了數十年(有龐大的社群,在機構部分)
  • 非常適合用來監視

缺點

  • 整個投資可能在一次失事中泡湯。
  • 有限的社群能為自主控制提供幫助

水中

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越來越多的玩家,機構和公司投入開發無人水下航行器。正由於目前仍有許多障礙有待克服,這也使得水下機器人近幾年吸引廣泛的機器人社群的注意和興趣,其中有幾家公司已經將清潔游泳池的"機器人"商業化了。水下的載具可以使用沉浮艙(壓縮空氣和充填水的隔間),推進器,尾部和翼片甚至翼部來潛入水中。其它水中機器人,如游泳池清潔機器人是非常實用的商業產品。

優點

  • 我們的星球大部分被水覆蓋,有很多的應用值得進一步探索和發現
  • 設計出來的產品幾乎保證是獨一無二的
  • 可在池中使用和/或測試

缺點

  • 讓機器人報銷的方式有很多(沉船,洩漏,糾纏…)
  • 大多數電子部件不喜歡水(還要考慮在使用後, 維修機器人時電子零件可能因滲水而造成故障)
  • 超過10米或以上的深度需要投入大量的研究和投資金額
  • 非常有限的機器人社群能提供幫助
  • 有限的無線通信選項

另類和綜合型態機器人

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你的機器人的功能可能不一定能被歸類在上述的類別內,或可能同時涵蓋了幾個不同類型的功能。這系列教學課程目標是製作可移動機器人,而不是固定設計(機器人手臂和夾具除外)。在製作綜合功能的設計時,可以考慮使用模組化設計(每部分的功能都可以分開測試)。這類設計包括了像是氣墊船,蛇狀設計,砲塔等等。

優點

  • 滿足特定需求而設計和製造
  • 多功能並且可以由模組組成
  • 可以提高功能和多種應用的可能性

缺點

  • 可能增加複雜性和成本
  • 通常,零件必須要客製化的設計和製造

機器手臂和夾取機構

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雖然這不能被歸類為可移動的機器人,這個類別的機器人基本上由手臂和終端夾取機構所組成(附加到機械臂端部的裝置,如夾持器,電磁鐵等)。機器手臂和夾取機構是機器人與週邊環境進行互動的最佳方式。簡單的機器人手臂可以只執行一個單純的運動,而更複雜的手臂可以有十幾個甚至更獨特的自由度。

優點

  • 設計可以由非常簡單到非常複雜
  • 易於製作3或4個自由度的機器人手臂(兩個關節和轉動底座)

缺點

  • 無法移動,除非安裝在移動平台上
  • 製作成本與功能成正比

實際示例

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接下來,我們來挑選一個機器人來製作,我們要盡可能的將他機器人的特性發揮到極致。可以用來安裝多個傳感器和夾持機構的可程式控制履帶平台看起來非常適用,尤其是履帶看起來比輪子酷多了。

為了降低成本,我們選擇製作一個能夠在室內和桌面上移動的小型桌面機器人。我們也考慮到沒有太多履帶可供選用的事實,為了保持簡單,我們只考慮使用一個驅動齒輪和一個惰輪鏈輪系統,因為機器人的重量很輕所以驅動起來不會有問題。

下面的初步CAD總結了到目前為止描述的特徵。

接下來,我們將為您的機器人選擇合適的驅動器(如馬達)。

原著: Coleman Benson/譯者: 阿里哥

文章出處: RobotShop

目錄連結:
第1課 - 入門
第2課 - 選擇機器人平台
第3課 - 了解制動器
第4課 - 了解微控制器
第5課 - 選擇馬達控制器
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