18、PushBot：规划与设计全解析

PushBot：规划与设计全解析

在解决复杂任务时，设计一款合适的机器人至关重要。本文将详细介绍 PushBot 的规划与设计过程，帮助你了解如何打造一款能够完成特定任务的机器人。

任务背景与 PushBot 设计初衷

在面对一系列挑战时，我们需要一款机器人来完成特定任务。之前的 GrabberBot 通过提升并带回卷轴来完成任务，而这次的新挑战需要一款能够将小雕像推到合适位置的机器人，即 PushBot。选择推的方式，是为了让小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。

PushBot 设计前期准备

在开始设计 PushBot 之前，我们需要准备一张空白的设计日志页面和一支笔。在机器人名称框中，写下 PushBot 或你为新机器人取的其他名称，然后进入描述部分。

机器人描述部分需要保持通用性，因为在更好地理解机器人将遇到的问题之前，很难具体说明会使用哪些传感器。以下是一些描述句子的详细分析：
- “PushBot 将从基座开始，向第一个小雕像（最左边的小雕像）移动。”：由于我们能看到第一个小雕像的方向，可利用这一优势让机器人顺利启动。
- “机器人必须检测到小雕像，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小雕像的情况下检测到它，需要使用红外传感器。
- “机器人必须将小雕像推到黑色压力板上，且不能让小雕像翻倒。”：推小雕像时，从底部推能降低翻倒风险，但不能完全避免。这意味着机器人需要缓慢推动，并且可以考虑设计一种笼子或其他结构来防止小雕像前后翻倒。

PushBot 任务列表

将 PushBot 要执行的步骤整理成有序的任务列表，有助于后续编程。以下是部分重要任务的详细说明：
| 任务序号 | 任务内容 | 详细说明 |
| ---- | ---- | ---- |
| 1 | 从基座移动到第一个小雕像，不接触它 | 已知基座边缘到第一个小雕像的距离，可编程让机器人先向前移动特定距离，再开始检测小雕像 |
| 2 | 检测到小雕像并将其推到压力板上 | 红外传感器可用于检测小雕像，检测到后，需要某种方式让机器人停止推动，可选择触摸传感器、颜色传感器或红外遥控器，但目前无需决定，可在构建时再做选择 |
| 3 | 反向移动到第二个小雕像 | 虽然需要仔细编程，但已知小雕像之间的距离，可让机器人做出正确转弯，到达剩余两个小雕像前 |

PushBot 面临的限制和约束

在设计 PushBot 时，需要考虑以下限制和约束：
- 宽度限制 ：机器人需要能在斜坡上移动，因此宽度必须小于 2 英尺。
- 高度建议 ：虽然没有明确的高度限制，但为了降低机器人在斜坡上翻倒的风险，应尽量降低其高度。
- 测量误差 ：测量数据并非 100%精确，许多距离是估计值。为避免在转弯或推动小雕像时意外碰撞，要确保机器人有足够的空间转动和移动。
- 重量限制 ：成年蜘蛛猴的最大重量约为 10 磅，需确保机器人重量低于此，否则会触发地板上的压力板陷阱。

以下是 PushBot 设计流程的 mermaid 流程图：

graph LR
    A[准备设计日志页面] --> B[填写机器人名称]
    B --> C[撰写机器人描述]
    C --> D[制定任务列表]
    D --> E[考虑限制和约束]
    E --> F[进行头脑风暴]
    F --> G[绘制草图]
    G --> H[开始构建和测试]

这些限制和约束将在设计日志页面的头脑风暴部分发挥重要作用。在后续的头脑风暴中，我们将进一步探讨如何解决这些问题，为 PushBot 的最终设计奠定基础。通过合理规划和充分考虑各种因素，我们有望打造出一款能够成功完成任务的 PushBot。

PushBot：规划与设计全解析

PushBot 头脑风暴

在考虑 PushBot 的设计时，我们可以将脑海中形成的一些想法记录下来。以下是一些头脑风暴的要点及背后的推理：
- “我会为机器人编程设定移动距离，使其到达三个小雕像的位置。”：这样能让机器人准确地停在每个小雕像前，避免触碰或碰倒它们。只要按照图中所示的最大距离提前编程让机器人停止，就能保证安全。机器人还会从每个小雕像处后退一段距离，以便有足够空间安全转弯并导航到下一个小雕像。
- “由于机器人要将小雕像推到黑色黑曜石岩石上，我或许可以再次使用颜色传感器来检测颜色变化。”：这是在 SnapShotBot 中用过的可靠方法。将颜色传感器安装在或靠近打算使用的笼子机构上，当机器人将小雕像推到黑色压力板（黑色黑曜石岩石）上时，颜色传感器就能检测到颜色变化。
- “为避免碰撞小雕像，我会将笼子机构放在机器人背部，需要时再旋转机器人去接近小雕像。”：设想中的笼子机构类似一个外壳，能在移动小雕像时保护它。这个外壳需要能够开合，完全打开时会比较宽（但要小于 2 英尺，符合宽度限制）。为防止笼子机构在机器人左右转弯时碰到其他小雕像，先将其放在背部。当红外传感器检测到小雕像时，机器人停止（可能还会稍微后退），然后旋转并缓慢接近小雕像。
- “我或许可以使用红外遥控器帮助机器人在小雕像附近正确定位。”：之前在 StringBot 中用红外遥控器控制停止，这里也可以借鉴。观察机器人缓慢接近小雕像，当它到达合适位置时，喊“STOP”并按下遥控器按钮，机器人就会关闭笼子并继续将小雕像向前推，直到颜色传感器检测到黑色压力板。

PushBot 传感器、电机及机构的布局设想

这款 PushBot 似乎会用到所有类型的传感器，包括颜色传感器、红外传感器和触摸传感器（再次用于启动按钮），还会使用三个电机并构建某种笼子机构。以下是对这些部件布局的一些初步想法：
| 部件 | 布局设想 |
| ---- | ---- |
| 颜色传感器 | 安装在或靠近笼子机构，以便快速检测黑色压力板的颜色变化 |
| 红外传感器 | 用于检测小雕像，安装位置要能保证有效检测范围 |
| 触摸传感器 | 作为启动按钮，安装在便于操作的位置 |
| 电机 | 合理分布，确保机器人能够灵活移动和执行推动、旋转等动作 |
| 笼子机构 | 初始放在机器人背部，需要时可旋转到前面使用 |

PushBot 草图设计

PushBot 可能会是一个形状奇特的小机器人，但这也是构建机器人的魅力所在，每个机器人都独一无二。通过使用基本形状来代表电机、砖块和传感器，我们可以开始构思 PushBot 的形状。以下是一个简单的 mermaid 流程图展示草图设计的作用：

graph LR
    A[形成初步形状设想] --> B[用基本形状绘制草图]
    B --> C[确定目标形状]
    C --> D[实际构建参考目标形状]

草图的目的是形成一个“目标形状”，实际构建时可以以此为参考。最终设计可能与草图不完全相同，但整体形状应该相近。

迈向构建与测试阶段

完成草图设计后，就到了开始构建和测试的阶段。在后续的实践中，我们将根据前面的规划和设计，逐步搭建 PushBot，并进行各种测试，以确保它能够成功完成将小雕像推到指定位置的任务。通过不断调整和优化，让 PushBot 达到最佳性能，顺利应对各种挑战。

总之，设计 PushBot 是一个综合考虑任务需求、限制条件和技术手段的过程。从前期的规划、任务列表制定，到头脑风暴和草图设计，每一步都为最终的构建和测试奠定了基础。通过合理的布局和精心的设计，我们有信心打造出一款能够高效完成任务的 PushBot。