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乐高机器人设计原理与实践
目录
CATALOGUE
01
设计基础概述
02
结构搭建方法
03
编程控制技术
04
传感器集成应用
05
项目案例解析
06
教育价值延伸
PART
01
设计基础概述
核心组件构成
控制器
动力组件
传感器
结构与连接件
乐高机器人中最核心的部件，负责接收传感器采集的信息并进行处理，控制机器人的动作。
用于采集环境信息，如距离、光线、颜色、声音等，并将其转化为电信号传递给控制器。
为机器人提供动力，包括电机、液压系统等，驱动机器人进行各种运动。
用于搭建机器人的基本骨架和连接各个组件，包括积木块、连杆、螺栓等。
模块化设计理念
模块独立性
每个模块具有独立的功能和结构，可以独立设计和调试，提高机器人的可维护性和可扩展性。
01
模块复用性
通过标准化设计和生产，实现模块的复用，降低机器人的成本和生产周期。
02
模块组合性
不同模块之间可以进行灵活的组合和拆分，以满足不同任务的需求，提高机器人的通用性。
03
齿轮传动
通过齿轮的啮合实现转速和扭矩的转换，常用于改变机器人的运动速度和力量。
皮带传动
利用皮带的弹性和摩擦力传递动力，适用于长距离传动和缓冲吸震的场合。
连杆传动
通过连杆的摆动和滑动实现复杂的运动轨迹，常用于模拟生物的关节运动。
蜗轮蜗杆传动
具有自锁特性，可以实现大扭矩的传递，常用于需要稳定传动的场合。
机械传动原理
PART
02
结构搭建方法
利用三角形结构稳固性强的特点，在机器人设计中大量使用三角形结构，以提高机器人的整体稳定性。
框架稳定性设计
三角形原则
合理设计支柱与横梁的强度和刚度，确保机器人能够承受各种负载和变形。
支柱与横梁
通过合理布局机器人的各个部件，使机器人的重心尽可能低，以提高机器人的稳定性。
重心控制
关节活动优化
关节类型选择
关节力矩优化
关节角度控制
根据机器人运动需求，选择合适的关节类型，如旋转关节、滑动关节等，以提高关节活动的灵活性和准确性。
通过精确的机械设计，确保机器人关节在允许范围内活动，避免因关节角度过大或过小而导致机器人运动失控。
在关节设计中，尽量减小关节力矩，降低机器人运动时的能耗和磨损。
质量分布均衡
根据机器人的结构特点和负载能力，合理评估机器人的负载能力，确保机器人在承受负载时能够保持稳定。
负载能力评估
负载动态调整
在机器人运行过程中，根据实际情况动态调整负载，使机器人始终处于最佳负载状态。
在机器人设计时，尽可能使机器人的质量分布均匀，避免出现局部过载或卸载现象。
负载均衡配置
PART
03
编程控制技术
图形化编程基础
通过拖拽程序块进行编程，降低编程难度，提高编程效率。
拖拽式编程
通过流程图的方式展示程序逻辑，更加直观易懂。
流程图编程
图形化编程界面能够实时反馈程序运行状态，方便调试。
实时反馈
逻辑算法设计
顺序结构
按照程序执行顺序，依次执行各个程序块。
01
分支结构
根据条件判断，选择执行不同的程序块。
02
循环结构
重复执行某一程序块，直到满足特定条件。
03
递归算法
通过函数调用自身的方式，解决复杂问题。
04
多任务处理机制
6px
6px
6px
多个任务同时执行，提高程序运行效率。
并行执行
确保多个任务之间的数据同步，避免数据冲突。
同步机制
通过任务调度算法，合理分配系统资源，保证任务高效执行。
任务调度
01
03
02
根据任务紧急程度，动态调整任务优先级，确保重要任务优先执行。
优先级管理
04
PART
04
传感器集成应用
运动传感器功能实现
通过陀螺仪和加速度计等传感器，实时检测机器人的姿态信息，如倾斜角度、旋转角度等，从而进行精确的运动控制。
姿态检测
利用光电编码器、激光测距仪等传感器，精确测量机器人的位置和位移，实现定位、导航等功能。
结合传感器数据和先进的控制算法，实现机器人自主运动、路径规划、避障等功能。
位置与位移检测
通过速度传感器或加速度传感器，实时监测机器人的运动速度和加速度，确保机器人运动的平稳性和安全性。
速度及加速度测量
01
02
04
03
运动控制算法
视觉识别场景适配
物体识别与定位
通过摄像头等视觉传感器，实现对物体的识别与定位，以便机器人进行抓取、搬运等操作。
视觉跟踪与监控
通过视觉传感器实现对目标物体的实时跟踪和监控，确保机器人能够持续关注目标并做出相应反应。
场景理解与构建
利用视觉传感器获取环境信息，构建地图或模型，帮助机器人更好地理解复杂场景，实现自主导航和路径规划。
图像处理技术
运用图像处理技术对传感器获取的图像信息进行预处理、特征提取、识别等操作，提高视觉识别的准确性和稳定性。
接触觉传感器
利用触觉传感器感知机器人与环境的接触信息，如接触位置、力度等，为机器人提供触觉反馈。
碰撞检测与响应
通