18、PushBot：规划与设计

PushBot：规划与设计

在机器人设计的领域中，每一次新的挑战都意味着要构思全新的解决方案。这次我们面临的任务是设计一个能够将雕像推到指定位置的机器人，也就是 PushBot。

任务背景

在一个充满机关陷阱的环境里，有几个雕像需要被推到黑色黑曜石压力板上，最后还要把一个国王雕像推上斜坡放到石棺顶部的压力板上，以解除地板上的大型压力板陷阱，从而安全进入墓室。此前设计的 GrabberBot 是通过提升动作完成任务，而这次的 PushBot 则采用推动的方式，这样做是为了让雕像始终与地面接触，避免掉落，同时降低因雕像过重导致机器人翻倒的风险。

规划与设计流程

1. 设计前期准备
   • 拿出空白的设计日志页面和笔，在“机器人名称”框中写下 PushBot 或其他你为新机器人取的名字，然后开始撰写描述。在还未完全了解机器人可能遇到的问题时，描述应尽量通用，避免指定具体使用的组件。
   • 例如，当前的机器人描述很笼统，没有说明如何检测雕像、怎样推动雕像以及如何判断雕像是否到达黑色压力板。但随着对描述语句的深入思考，能逐渐明确一些传感器的使用方式。
2. 机器人描述分析
   • “PushBot 将从基座出发，向第一个雕像（最左边的雕像）移动”：由于能看到第一个雕像的位置，可以利用这一点让机器人顺利起步。
   • “机器人必须检测到雕像，且不能将其撞到或碰倒到后墙（压力板）”：为了让机器人在不接触雕像的情况下检测到它，需要使用红外传感器。
   • “机器人必须将雕像推到黑色压力板上，且不能使雕像翻倒”：推动雕像时，从雕像底部推动能降低翻倒风险，但仍有可能向机器人方向倾倒，所以机器人需要缓慢推动，还可以考虑设计一个笼子或其他结构来防止雕像前后倾倒。
3. 任务列表制定
   • 移动到第一个雕像 ：已知基座边缘到第一个雕像的距离，可编程让机器人先移动特定距离，再开始检测雕像。
   • 检测并推动雕像到压力板 ：红外传感器可用于检测雕像，而在雕像被检测到后，要停止推动使其不超出压力板，可考虑使用触摸传感器、颜色传感器或红外遥控器，但目前暂不做决定，待开始构建时再确定。
   • 反向移动到第二个雕像 ：根据已知的雕像间距离，通过编程让机器人做出正确转弯，到达剩余雕像前。

以下是 PushBot 的任务列表：
| 任务序号 | 任务内容 |
| ---- | ---- |
| 1 | 从基座移动到第一个雕像，不触碰它 |
| 2 | 检测到雕像并将其推到压力板上 |
| 3 | 反向移动到第二个雕像 |
| 4 | 检测到雕像并将其推到压力板上 |
| 5 | 反向移动到第三个雕像 |
| 6 | 检测到雕像并将其推到压力板上 |
| 7 | 移动到斜坡底部的雕像 |
| 8 | 将斜坡底部的雕像推上斜坡放到压力板上 |

限制与约束

在设计 PushBot 时，需要考虑以下限制和约束：
1. 尺寸限制 ：机器人宽度必须小于 2 英尺，以适应斜坡。虽然对高度没有明确限制，但为降低机器人在斜坡上翻倒的风险，应尽量降低其高度。
2. 测量误差 ：测量数据并非 100%精确，雕像间距离约为 2 英尺，要确保机器人有足够的空间转弯和移动，避免碰撞其他雕像。
3. 重量限制 ：成年蜘蛛猴的最大重量约为 10 磅，此前设计的机器人都未超过该重量，这次也要保证 PushBot 的重量在此范围内，否则会触发地板压力板陷阱。

这些限制和约束会对机器人的最终设计产生影响，在后续的设计过程中需要充分考虑。

设计思路启发（Mindstorm）

1. 位置编程 ：通过编程设定机器人的移动距离，使其能准确到达每个雕像前，且在到达最大距离前停止，然后后退一定距离，为安全转弯和导航到下一个雕像留出空间。
2. 颜色检测 ：由于机器人是将雕像推到黑色黑曜石压力板上，可以使用颜色传感器检测颜色变化，就像在 SnapShotBot 中使用的方法一样。需要将颜色传感器放置在笼子机构上或附近，以便快速检测到黑色压力板。
3. 避免碰撞 ：将笼子机构放在机器人后部，直到需要时再旋转机器人去接近雕像。当红外传感器检测到雕像时，机器人停止（可能后退一点），旋转后缓慢接近。可以使用红外遥控器辅助机器人在雕像附近正确定位，当机器人到达合适位置时，按下遥控器按钮，机器人关闭笼子并继续推动雕像，直到颜色传感器检测到黑色压力板。

以下是 PushBot 设计的流程图：

graph LR
    A[开始] --> B[设计前期准备]
    B --> C[撰写机器人描述]
    C --> D[制定任务列表]
    D --> E[考虑限制与约束]
    E --> F[Mindstorm 设计思路启发]
    F --> G[绘制草图]
    G --> H[开始构建和测试]
    H --> I[完成 PushBot 设计]

通过以上步骤，我们对 PushBot 的规划与设计有了清晰的思路，接下来将根据这些思路进行草图绘制，然后开始构建和测试，逐步完善 PushBot 的设计。

PushBot：规划与设计（续）

草图绘制

在完成前面的规划和设计思路梳理后，接下来要进行草图绘制，这有助于我们更直观地呈现 PushBot 的大致形状和各组件的布局。

由于 PushBot 可能会用到颜色传感器、红外传感器、触摸传感器，还会使用三个电机并构建笼子机构，这使得它的形状可能比较独特。通过绘制草图，用基本形状代表电机、控制模块（Brick）和传感器，能初步形成一个“目标形状”，虽然最终设计可能与草图不完全一致，但整体形状应该相近。

以下是一些关于组件布局的初步想法：
- 传感器 ：颜色传感器要放置在笼子机构上或附近，以便及时检测黑色压力板的颜色变化；红外传感器用于检测雕像，其位置需保证能有效探测到前方雕像；触摸传感器可作为启动按钮，放置在便于操作的位置。
- 电机 ：三个电机要合理分布，以提供机器人移动、推动雕像和笼子机构开合所需的动力。
- 笼子机构 ：考虑到避免碰撞其他雕像，将其初始位置设置在机器人后部，并且要保证其能够灵活开合，包围住雕像。

构建与测试

完成草图绘制后，就可以开始实际的构建和测试工作了。这是将设计想法转化为实际机器人的关键阶段。
1. 构建步骤
- 准备材料 ：收集所需的乐高积木、传感器、电机和控制模块等组件。
- 搭建框架 ：根据草图，搭建机器人的基本框架，确保其结构稳定。
- 安装组件 ：按照设计思路，依次安装传感器、电机和笼子机构等组件，并连接好线路。
- 调试程序 ：根据任务列表和 Mindstorm 中的设计思路，编写并调试机器人的控制程序。
2. 测试要点
- 移动测试 ：测试机器人从基座到雕像的移动是否准确，能否按照预设距离停止和转弯。
- 检测测试 ：检查红外传感器和颜色传感器是否能正常工作，能否准确检测到雕像和黑色压力板。
- 推动测试 ：测试机器人推动雕像时，是否能保持雕像稳定，不发生翻倒，并且能否准确将雕像推到压力板上。
- 整体测试 ：进行多次整体测试，模拟实际场景，检查机器人在完成一系列任务时是否顺畅，是否能应对各种可能出现的情况。

优化与完善

在构建和测试过程中，可能会发现一些问题和不足之处，需要对 PushBot 进行优化和完善。
1. 性能优化
- 速度调整 ：根据测试结果，调整机器人的移动速度和推动速度，确保既能高效完成任务，又能保证雕像的安全。
- 传感器精度 ：对传感器的灵敏度进行微调，提高检测的准确性。
2. 结构改进
- 笼子机构 ：如果发现笼子机构在开合或包围雕像时存在问题，对其结构进行改进，使其更加灵活和稳定。
- 整体布局 ：根据实际情况，对机器人的整体布局进行调整，优化各组件的位置，提高机器人的平衡性和稳定性。
3. 程序优化
- 代码简化 ：对控制程序进行优化，简化代码结构，提高程序的运行效率。
- 错误处理 ：增加错误处理机制，使机器人在遇到异常情况时能够自动调整或发出警报。

以下是 PushBot 优化与完善的表格：
| 优化方面 | 具体措施 |
| ---- | ---- |
| 性能优化 | 调整移动和推动速度，微调传感器灵敏度 |
| 结构改进 | 改进笼子机构，调整整体布局 |
| 程序优化 | 简化代码，增加错误处理机制 |

总结

通过对 PushBot 的规划、设计、构建、测试和优化等一系列工作，我们逐步完成了一个能够完成特定任务的机器人设计。在整个过程中，充分考虑了任务需求、各种限制和约束，运用了合理的设计思路和方法，并且通过不断的测试和优化，提高了机器人的性能和稳定性。

设计机器人是一个充满挑战和创意的过程，每一个环节都需要精心思考和实践。希望通过本文的介绍，能为大家在机器人设计方面提供一些有益的参考和启发。

以下是 PushBot 设计的完整流程图：

graph LR
    A[开始] --> B[设计前期准备]
    B --> C[撰写机器人描述]
    C --> D[制定任务列表]
    D --> E[考虑限制与约束]
    E --> F[Mindstorm 设计思路启发]
    F --> G[绘制草图]
    G --> H[开始构建和测试]
    H --> I{测试是否通过}
    I -- 是 --> J[完成 PushBot 设计]
    I -- 否 --> K[优化与完善]
    K --> H

通过这个流程图，我们可以清晰地看到 PushBot 设计的整个过程，从最初的规划到最终的完成，每个环节都紧密相连，相互影响。只有经过不断的迭代和优化，才能设计出一个满足需求的优秀机器人。