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“万兽之王”四蹄奔 更稳更快有窍门

2016-04-01万钟

科学大众·小诺贝尔 2016年4期
关键词:摇臂电动机蚂蚁

万钟

Power Tech比赛是利用小型直流电机为动力,利用木板、冰棒棍等做出模仿动物运动方式的机器人。不同作品仿生的基本要求不同,如“万兽之王”要求机器人能够像老虎一样四脚行走;“机械战鼠”要求机器人像袋鼠一样跳跃前进;“虫虫危机”要求机器人像毛毛虫一样蠕动爬行;“蚂蚁雄兵”要求机器人能够像蚂蚁一样爬行。本期,我们先来说说“万兽之王”。

一、“万兽之王”的行走姿态

Power Tech仿生机器人可以分为两个部分:外观与机体。外观部分可以赛前准备,比赛时将作品带入赛场,而机体部分必须在比赛现场3小时之内完成。

“万兽之王”采用的是四脚前进的运动方式,它四脚之间的配合情况不是士兵的“齐步走”。仔细观察机器人的行走姿态,我们可以发现,这四只脚之间的运动情况是任意两只脚的运动方向一定相反,如图1a所示。我们试想一下乌龟四脚前进的运动方式,如图1b所示,这是安装与调试的重要参考依据,因此,安装“万兽之王”时,左右摇臂必须是相反的。

二、“万兽之王”的前进速度

1.减速箱的转速分析

Power Tech比赛使用的电动机转动速度通常是每分钟18 000转,合300转/秒,减速箱的F轴减速比为130:1。经过减速箱减速之后,F轴转速为每分钟138.5转,合2.3转/秒。但是在这样的速度下,机器人会因为行走过快而明显跳动,这个转速还是有点快。为了机器人行走稳定,可以让转速控制在每分钟60转左右,即1转/秒左右,最快不要超过1.5转/秒,这时机器人行走的跳动就能够明显减小。如果在机器人脚底加上缓冲材料,可以使机器人的前进速度明显提高。

减速箱S轴的减速比为475:1,每分钟18 000转的电动机经过S轴减速,转速为每分钟37.9转,合0.6转/秒。这个转速下,拔河时力量也不够,最好转速再慢一点。

2.“万兽之王”的步幅分析

摇臂有3个孔,最小半径为1厘米,两孔间距为0.5厘米,最大半径为2厘米。摇臂旋转一周,带动前后脚移动距离分别为2厘米、3厘米、4厘米。

3.“万兽之王”的前进速度

机器人的前进速度=机器人的步频×机器人的步伐。如果F轴转速为2.3转/秒,摇臂最大半径为2厘米,最大步伐为4厘米,这个机器人的最快速度=4厘米×2.3转/秒=9.2厘米/秒。赛道长为210厘米,实际行走距离为170厘米,如果不改变摇臂,这种“万兽之王”竞速最快需要170厘米÷9.2厘米/秒=18.5秒。endprint

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