1、第3章 MT-U智能机器人的系统结构3.1 概述vMT-U智能机器人的系统结构可以概括为控制部分、传感器部分以及执行部分，主要结构如图3-1所示。橡胶轮子主体后碰撞环主控制盒无线通信模块扩展支架灭火风扇组件扩展接口电路板传感器支架盘球装置发光足球前碰撞环MT-U智能机器人另一种结构就是四轮驱动的履带式机器人，其履带底盘结构如图3-2所示。3.2 MT-U智能机器人系统构成v3.2.1 控制部分控制部分v控制部分是MT-U智能机器人的核心组成部分，集成在一个主板盒里面，主板盒外观如图3-3所示。作为控制核心的主板盒上各个功能模块、按键及插接口的位置和名称如图3-4所示。电动机控制输出按键 指示灯
2、传声器液晶屏控制按键扬声器 开关、插座、电源及下载口v作为控制核心的主板盒上各个功能模块、按键及插接口的位置和名称如图3-4所示。a)正上方视图 b)左侧视图 c)右侧视图 d)前侧视图 e)后侧视图v1.主板v位于MT-U智能机器人中心部位的控制部件是MT-U智能机器人的大脑主板，它被安装在主板盒里面，由很多电子元器件组成，跟人的大脑一样，主要完成接收信息、处理信息、发出指令等一系列过程。vMT-U智能机器人的记忆功能，主要由主板上的内存来实现，至于“大脑”的分析、判断、决断功能则由主板上的众多芯片共同完成。v2.控制按键v位于MT-U智能机器人主板盒上的众多控制按键、指示灯等等，是MT-U
3、智能机器人运行控制部件，它的组成和主要的控制功能在前面第1章“2.3 MT-U智能机器人的控制按键”一节中，我们已进行了介绍，这里就不再重复。v3.扩展接口电路板v位于MT-U智能机器人前端的扩展接口电路板提供了心脏（主板盒）与眼睛（各种传感器）及手脚（各种执行机构）之间的信息传达桥梁，并给执行机构及各种传感器提供动力。MT-U智能机器人可以根据用户不同的创新设计安装不同的扩展接口电路板，机械连接甚至在理论上可以无限扩展。图3-5所示为扩展三块电路板的安装方式示意图。3.2.2 传感器部分传感器部分MT-U智能机器人的传感器如图3-6所示，主要有以下7种传感器：灭火风扇支架可安装红外发射、接收
4、传感器，光敏传感器等传感器支架可安装红外发射、接收传感器，光敏传感器a)传感器安装示意图b)碰撞传感器结构示意图c)光电耦合器 d)码盘 e)碰撞开关 f)红外发射、接收传感器 g)光敏传感器 h)灰度传感器v1.碰撞传感器vMT-U智能机器人的前后挡板上放置了碰撞系统，保证MT-U智能机器人的正常活动。MT-U智能机器人的碰撞机构能够检测到来自前后各120范围内物体的碰撞，使MT-U智能机器人遭遇到来自不同方向的碰撞后，能够转弯避开并保持正常活动。前后的碰撞系统各由一个被弹性固定到机器人主体上的半环状金属片和碰撞开关组成。来自不同方向的碰撞将使不同的碰撞开关闭合，从而可以判断出障碍物的方向，
5、进而进行避障。由图3-1中可以看出前后碰撞环的安装位置。v2.红外线传感器vMT-U智能机器人的红外线传感器共包含两种器件：红外发射管和红外接收管，看图3-1或者图3-6就可以发现红外接收管可以安装于MT-U智能机器人的正前方，两只红外发射管安装于红外接收管的两侧；同时红外发射管也可以安装于MT-U智能机器人的正前方，两只红外接受管安装于红外发射管两侧。它们也可以安装到灭火风扇支架上面，可以说MT-U智能机器人给用户提供了更多的自主创新空间去发挥。v红外发射管可以发出红外线，红外线在遇到障碍后被反射回来，红外接收管接收到被反射回来的红外线以后，通过A-D转换送入CPU进行处理。MT-U智能机器
6、人的红外线传感器能够看到前方1080cm，90范围内的比210mm 150mm面积大的障碍物，如果障碍物太小太细、或者在它的可视范围以外，它可就没法看到了。v在MT-U智能机器人的可视范围内，可以调整它的可视距离，具体参见“4.2 MT-U智能机器人的传感器及其处理电路”一节。v3.光敏传感器v光敏传感器是由两个光敏电阻组成，它可以安装在机器人的传感器支架、灭火风扇支架上的任意位置。v光敏传感器能够探测光线，我们在MT-U智能机器人的光敏传感器上罩了一层滤光纸，通过滤纸的颜色来决定MT-U智能机器人所能探测到的光线颜色，使它能看见的颜色特定化。v4.传声器vMT-U智能机器人的传声器可以感受到
7、声音的强弱。我们知道我们自己的耳朵并不是所有声音都可以听见的，当声音的频率在一定范围内时我们才能听见，MT-U智能机器人的“耳朵”也是这样，它的功能较强，能听见的声音频率范围跟人能听到的范围大致是一样的，是1620000Hz的机械波。vMT-U智能机器人在听到你的声音命令后，会根据你的指示（由程序事先输入）采取行动。vMT-U智能机器人传声器，在主板盒上面的右上方，如图3-3所示。v5.光电编码器v在MT-U智能机器人里装有码盘和光耦（光电编码器）。光电编码器主要用于产生控制的反馈信号。码盘随轮轴一起转动，光耦通过对码盘转动角度的测定，得出轮子所转动的圈数，从而测定距离，如图3-6所示。v6.
8、地面灰度传感器v地面灰度传感器也叫寻迹传感器，它由一个红外光发射管和一个红外接受管组成。地面的灰度不同，接收管接收到的反射信号也不同，从而可以得到地面上灰度的信息。v7.金属接近开关v金属接近开关为一种反射式接近传感器，可以探测到一定距离内的金属物体，其安装方式如图3-7所示。金属接近开关安装支架金属接近开关图3-7 金属接近开关及其安装3.2.3 执行部分执行部分MT-U智能机器人的执行部分是机器人执行具体功能时所要用到的部件，如图3-8所示，MT-U智能机器人的执行部分共有以下五种：液晶屏扬声器从动轮主动轮齿轮减速箱直流电动机v1.扬声器vMT-U智能机器人可以通过扬声器发出一定频率的声音
9、，可以通过编程让机器人演奏歌曲。v2.LCDvMT-U智能机器人上有一块12864点阵LCD，可以显示中文以及各种字符。利用LCD可以显示程序运行的中间结果。v3.主动轮及其驱动机构vMT-U智能机器人有两只金属铝芯、橡胶外胎的主动轮，能够完成向前直走，向后转弯，左转，右转，这些平地上的技术动作；驱动机构由直流电动机和减速比约为30 1的齿轮箱构成，齿轮减速箱将直流电动机输出的扭矩和转速转化为MT-U智能机器人需要的扭矩和转速。动力强，效率高，噪声小。v4.从动轮vMT-U智能机器人有1只从动轮。众所周知，三点支撑结构是最稳定的结构，从动轮和两只主动轮形成三角形稳定地支撑着机器人的身体。从动轮
10、方向的改变是随着主动轮的方向改变的。v5.直流电动机v在MT-U智能机器人上有两个高速直流电动机。3.2.4 MT-U智能机器人的供电部分智能机器人的供电部分将MT-U智能机器人头朝下翻过来，就能够看到它的底盘下安装有一个盒体，这就是电池盒，电池盒里面装着电池。拿掉主板盒，就可以看见电池，如图3-9 所示，MT-U智能机器人的能量就来自于这个电池。电池电池盒3.3 MT-U智能机器人的传动机构v3.3.1 齿轮传动机构齿轮传动机构v齿轮传动机构就是齿轮作为主要传动件的传动机构。工作时，一只主动轮先转动起来，进而带动与之相邻的从动轮的转动，转动过程如此继续，这样运动在齿轮间传递，即齿轮的啮合传动
11、。v齿轮的种类很多，它们通过不同的配合可以实现不同的传动类型，传动类型示意图如图3-10所示。a）b）c）图3-10a所示的传动类型能够改变运动的形式，齿轮是旋转运动，下方的齿条则是直线运动；图3-10b所示传动类型能够改变了旋转运动的速度；图3-10c所示传动类型不仅改变了运动的速度而且改变了旋转运动的轴线方向。v3.3.2 MT-U智能机器人的齿轮箱v对于改变速度的传动形式来说，就有一个传动比的概念。对于齿轮传动，传动比可以用两个齿轮的齿数来定义：v I=Z1/Z2 v式中，Z1为主动齿轮的齿数；Z2为被动齿轮的齿数。v输出的速度可表达为v V输出V动力源Iv我们在MT-U智能机器人上用到
12、的齿轮箱展开图（注：为了能看的更清楚，我们将齿轮箱展开，实际情况会略有不同），所图3-11所示。vMT-U智能机器人除了齿轮箱以外，还有其他的部件来充当机器人的脚，轴就是其中一个关键的部件。v轴在日常生活中是比较常见的，它依靠轴孔、轴承配合支撑带孔的零件（如齿轮、涡轮等）并与之一起旋转以传递运动、扭矩或转矩的机械零件。v观察图3-11，我们可以发现在齿轮头里有三根轴，它们是齿轮的支架，在整个齿轮传动中，我们根据轴的功能将轴分为三种：v1）输入轴直接与动力源的输出轴联接；v2）输出轴直接与其他的相关传动件联接的轴；v3）中间轴齿轮传动中仅作为齿轮支架的轴。3.4 MT-U智能机器人的动力与驱动v
13、3.4.1 MT-U智能机器人的动力智能机器人的动力vMT-U智能机器人的动力来源于位于MT-U智能机器人底盘内的电池。v电池提供电能，而机器人运动需要的是动能，这两种能量是怎么转化的呢？v电能转化为动能是利用了一种专门的设备电动机，这种设备是现代工业必不可少的，是工业电气化的标志。v3.4.2 MT-U智能机器人中的直流电动机智能机器人中的直流电动机v电动机是把电能转化为机械能的装置，如果是依靠直流电源工作，则称为直流电动机。v在MT-U智能机器人中，直流电动机将轴的旋转运动输入到齿轮箱，然后齿轮箱的输出轴控制轮子转动，从而驱动整个机器人的运动。v直流电动机上的电压大小影响它的转速和扭矩。v
14、直流电动机在一定电压下工作，其TN曲线如图3-12所示，在图中12V特性线上取两个点J、K，很明显，Jn Kn,JTn2，这样就可实现电动机的调速。T（转矩）u=12vu=6vKTJT一定转矩时KJJnKnn（转矩）图3-12 直流电动机T-N图vMT-U智能机器人正是采用改变电动机电压的方式来改变电动机的转速，叫做脉宽调制。vMT-U智能机器人电动机上得到的信号是方波，不同的方波的平均电压不同，如图3-13所示。我们就利用这一点来进行MT-U智能机器人的速度控制。采用不同的脉宽调节平均电压的高低，进而调节电动机的转速，即脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）。MT-
15、U智能机器人上通过主板发出脉宽调制信号，通过改变脉冲宽度来调节输入到电动机的平均电压。vMT-U智能机器人的电动机是经过减速器将转动传给轮子，将高速转化为低速。MT-U智能机器人通过三级直齿轮传动减速，来满足MT-U智能机器人运行的速度和转矩。tVtVtV脉宽调制tontperiod图3-13 不同宽度的方波实现PWM 控制v3.4.3 MT-U智能机器人的驱动方式智能机器人的驱动方式vMT-U智能机器人采用差动驱动方式。v差动方式是指将两个有差异的独立的运动合成为一个运动。当我们把两个电动机的运动合成为一个运动时，这就成了差动驱动。v仔细观察智能机器人的底盘，你会发现机器人有两个一样的齿轮头
16、，每个齿轮头都包括一个直流电动机。这样两个直流电动机分别独立控制1个驱动轮，在运行时，我们可以分别确定两个电动机各自的转速，组合起来就能实现机器人的各种运动方式，如直行、转弯等，这就是差动驱动方式的实现。v现在动动脑筋，思考表3-1中MT-U智能机器人的各个动作如何实现。v首先，想一想，我们的MT-U智能机器人是差动方式驱动的，由两个直流电动机分别控制。那么，MT-U智能机器人能走出多少种不同的路线来呢？试填写表3-1的第一列。v刚刚想出来的动作是否都能实现呢？在现实方式上可不可以采用多种方式呢？v这里我们以C语言代码编程为例，这样可以更深刻的理解电动机控制库函数的意义及其应用。v在这里要实现
17、各种动作，就主要涉及到了有关库函数的问题。用到的库函数有move()。表3-1 MT-U智能机器人的各个动作v库函数move（L,R,E）应用时应注意：v1）库函数可以控制三个的电动机转速；v2）库函数有三个参数L、R、E，且都是整数型的；v3）库函数中L指定是左轮转速,R是右轮转速，E指扩展电动机转速；v4）库函数中L、R、E的取值范围是-1000+1000。v现在我们来举一个例子：v我们要让智能机器人走一个圆，那么动作就应是“走圆”，实现方式我们采用“顺时针”，利用的语句可以是move（），如：move（100,200,0）。注意，参数的不同可以使得所走的轨迹大小不同。这时，我们就可以填写表3-1中第一行了，填完如表3-2所示。表3-2 MT-U智能机器人完成第一行动作好了，自己独立完成表3-1吧！在本书的第7章会尝试用机器人完成各种项目，我们通过做活动的形式，介绍了对MT-U智能机器人不同的驱动方式，你可以自己尝试做一做。习题v1.MT-U智能机器人的系统结构有哪几部分？v2齿轮传动机构有什么作用？v3.MT-U智能机器人采用什么样的驱动方式？v4.用流程图的图形化编程界面实现表3-1 MT-U智能机器人的各个动作。
