最基礎(chǔ)電學(xué)電路:仿生避障機器人制作(多圖) - 全文

這是一個簡單到令人發(fā)指的仿生避障機器人，僅由電池、開關(guān)、馬達(dá)組成最基礎(chǔ)的電學(xué)電路，就能表現(xiàn)出類似自然界生物的智能！在遇到障礙物時會掉頭，看起來有點象一只瘋狂的小強。只要有基本的物理電學(xué)基礎(chǔ)就可以自行制作了，你就不想自己做一個在朋友面前炫耀一下 "這就是我做的智能機器人"么？

一般智能的機器人都是用單片機芯片（MCU微處理器）做控制，簡單一點的也需要由一些電阻、電容之類的電子元件組成的電子電路做控制。作為PVC系列機器人的第一個項目，這里將介紹一個電路最簡單的機器人，其不僅不需要單片機芯片，就連最普通的電阻、電容等電子元件也不用，完全是一個僅由電池、開關(guān)、馬達(dá)組成的最基礎(chǔ)的電學(xué)電路，一般只要有基本的物理電學(xué)基礎(chǔ)就可以自行制作了，也正因為如此，在本PVC系列教材沒有進到深入內(nèi)容的時候就對其進行介紹。

本項目主要面向DIY機器人的初學(xué)者，可以讓大家回顧一下物理電學(xué)基礎(chǔ)，然后側(cè)重在練習(xí)動手制作能力，包括基本的機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作，以及基本的電路連接技能。如果是對此已經(jīng)非常熟悉的朋友，可以跳過本章節(jié)。

這是一個簡單的避障機器人，所謂“避障”即避開障礙物，實際上就是遇到障礙物時會轉(zhuǎn)彎掉頭。

以下為效果視頻，為了拍攝方便是放在一個小盒子里的，由于地方窄動作也比較快，看起來有點象一只瘋狂的小強，如果放在地上則會滿屋子跑，追都追不上。

在此，我給本項目的避障機器人再起一個外號——瘋狂的小強，呵呵。

1???基本原理

本項目的避障機器人采用三輪傳動結(jié)構(gòu)：前面左右兩邊的兩個輪子是主動輪，各接一個電機作為動力；后輪是從動輪，起到平衡的作用。

1.1???運動機理

控制前面兩個輪子的轉(zhuǎn)動方向就可以控制整個機器人行進的方向：

1、左右兩個前輪都向前轉(zhuǎn)，則機器人向“正前方”直線前進；

2、左右兩個前輪都向后轉(zhuǎn)，則機器人向“正后方”直線倒退；

3、左前輪向后轉(zhuǎn)，右前輪向前轉(zhuǎn)，則機器人將以后輪為軸心逆時針轉(zhuǎn)動，即實現(xiàn)向“右后方”轉(zhuǎn)彎倒退；

4、左前輪向前轉(zhuǎn)，右前輪向后轉(zhuǎn)，則機器人將以后輪為軸心順時針轉(zhuǎn)動，即實現(xiàn)向“左后方”轉(zhuǎn)彎倒退。

1.2???控制原理

在機器人的頭部用鋼絲做兩根觸須，一左一右各連接到一個碰撞開關(guān)，分別控制兩個前輪的旋轉(zhuǎn)方向。

特殊注意一下，左右觸須與對應(yīng)控制的電機是交叉過來的，即：左邊的觸須連接右邊的碰撞開關(guān)，控制右邊的電機；右邊的觸須連接左邊的碰撞開關(guān)，控制左邊的電機。

（1）無障礙物

當(dāng)前方都沒有障礙物，左右兩個輪子都向前正轉(zhuǎn)，則機器人向“前方”直線前進。

（2）左前方有障礙物

當(dāng)左前方有障礙物，在左邊觸須碰到障礙物時，控制右邊的輪子反轉(zhuǎn)，則機器人向“左后方”倒退并轉(zhuǎn)彎，即方向轉(zhuǎn)向了障礙物的右邊，從而避開了左邊的障礙物。

向后倒退轉(zhuǎn)彎會持續(xù)一會，在完成轉(zhuǎn)彎之后，左邊觸須不再碰到障礙物，則兩個輪子都正轉(zhuǎn)，機器人繼續(xù)向新的沒有障礙物的“前方”直線前進。

（3）右前方有障礙物

當(dāng)右前方有障礙物，在右邊觸須碰到障礙物時，控制左邊的輪子反轉(zhuǎn)，則機器人向“右后方”倒退并轉(zhuǎn)彎，即方向轉(zhuǎn)向了障礙物的左邊，從而避開了右邊的障礙物。

向后倒退轉(zhuǎn)彎會持續(xù)一會，在完成轉(zhuǎn)彎之后，右邊觸須不再碰到障礙物，則兩個輪子都正轉(zhuǎn)，機器人繼續(xù)向新的沒有障礙物的“前方”直線前進。

（4）正前方有障礙物

當(dāng)正前方有障礙物，左右兩邊的觸須都會碰到障礙物，控制左右兩邊的輪子都反轉(zhuǎn)，則機器人向“正后方”倒退，從而避開障礙物。

在直線倒退持續(xù)了一會后，左右兩邊的觸須都不再碰到障礙物，則兩個輪子都正轉(zhuǎn)又變成直線前進；然后又會遇到正前方的障礙物又會直線倒退，再直線前進……如此反復(fù)變成一個死循環(huán)。

理論上會出現(xiàn)以上這樣的問題，但是實際上并不會，因為無論是左右輪的摩擦系數(shù)有所差異，還是左右兩組電機的驅(qū)動功率有所差異，或是左 右兩組電機的電源的電量有所差異，又或是障礙物左右兩部分表面的光滑程度有所差異，都會導(dǎo)致實際上左右兩邊的觸須碰到障礙物有一個時間差，都無法做到兩邊 輪子同時反轉(zhuǎn)，也就是說向后倒退的時候不是完全的直線而是會有所偏移。而且即便第一次是直線后退，但在往復(fù)幾次碰撞之后肯定會出現(xiàn)偏移，最終解除循環(huán)避開 障礙物向新的方向前進。

在以上視頻中，我們也可以看到這一有趣的一幕，機器人連續(xù)幾次反復(fù)撞上“墻壁”，最后還是會重新轉(zhuǎn)向另外的方向。

從視頻中，我們除了看到以上這種特殊情況外，另外還有一種情況，就是有些時候機器人會卡在墻角停頓了好一陣，然后才轉(zhuǎn)向。這是因為有些時候由于觸須碰撞墻壁的角度比較偏，不是正面碰撞，導(dǎo)致碰撞的力度不夠，觸須無法立即觸發(fā)碰撞開關(guān)響應(yīng)，而機器人在電機的推動下不斷的擠向墻壁，緩慢的擠壓后才觸發(fā)了碰撞開關(guān)控制轉(zhuǎn)向，也就是看到了機器人在墻角停頓了一會才轉(zhuǎn)向的情景。出現(xiàn)這情況，如果電機的輸出功率不足，或是由于電池的電量下降導(dǎo)致動力不足，可能會導(dǎo)致機器人在墻角無力擠壓觸發(fā)碰撞開關(guān)，最終變成卡死在墻角，這個時候要么是換大功率的電機，要么就是換新電池。

1.3???電路原理

本項目的電路非常簡單，由一個最基本的電學(xué)電路組成。

1、機器人的動力是由兩個直流電機提供的，眾所周知，直流電機的兩個電極連接直流電源，通過改變兩個電極所連接電源的正負(fù)極，可以改變電機的旋轉(zhuǎn)方向（順時針或逆時針）。

2、電源為兩節(jié)7號電池，每節(jié)電池作為一個獨立的供電單元，每個電機某一時刻只有一節(jié)電池為其供電。如果前進時是一節(jié)電池供電，后退時則是另外一節(jié)電池以相反電流的方式供電。

3、通過三引腳的碰撞開關(guān)，可以控制電機采用哪一單元的電池進行供電，而碰撞開關(guān)則連接觸須，觸須被擠壓則碰撞開關(guān)被觸發(fā)。 下圖為其中一個電機的控制原理。

4、機器人頭部有兩根鋼絲作的觸須，觸須分別連接在兩個碰撞開關(guān)上（注意兩根鋼絲對應(yīng)的碰撞開關(guān)是交叉的，即：“左—右”鋼絲，對應(yīng)“右—左”碰撞開關(guān)）。

（1）沒有障礙物時，觸須沒有被擠壓，不觸發(fā)碰撞開關(guān)，碰撞開關(guān)默認(rèn)的通路，給電機供給一個“正方向”的電流，電機于是“順時針方向”旋轉(zhuǎn)。

（2）有障礙物時，觸須被擠壓，觸發(fā)碰撞開關(guān)，碰撞開關(guān)斷開默認(rèn)通路，連接另外的一組通路，給電機供一個“反方向”的電流，電機于是“逆時針方向”旋轉(zhuǎn)。

這里給出完整的電路原理圖：

為了方便大家，這里再給出實物電路接線圖供參考。

2???準(zhǔn)備工作

本項目需要的器材比較簡單，主要包括：PVC線槽、小電機、電池/電池盒、碰撞開關(guān)、撥動開關(guān)、曲別針、螺絲、小齒輪/滑輪等。

以下列出本項目主要器材，其中的采購預(yù)算，由于有些器材采購時一般是批量的，而本項目中實際使用用不了那么多（剩下的可以留在以后的其他項目上），所以另外加了一項成本折算。

主要的器材都可以從網(wǎng)上購買，我列出了一些淘寶上的網(wǎng)址，基本上我也是通過這個渠道進行采購的，供大家參考。

3???制作過程

本項目為避障機器人，外號“瘋狂的小強”，由此對機器人的各組成部分作一個劃分，分別包括：上身、腹部、觸須、前腳、后輪、電池、電機。

以下將按照加工的順序，全程介紹本項目機器人的制作過程。

3.1???上身結(jié)構(gòu)

首先加工上身部分，主要是上身的外殼。

拿一段PVC線槽的凹槽部分，用剪刀先大概剪下一截（大于４厘米），準(zhǔn)備進一步加工。

在剪下的一截PVC線槽上，用鋼尺量出4厘米長度，用筆換好要剪裁的痕跡。

用剪刀對著筆的痕跡精確的剪裁。

再用筆在線槽的一邊槽壁上作一個痕跡，大概保留2毫米的槽壁高度。

用剪刀沿著做好的痕跡精確剪裁。

得出如下這個形狀的部件，即上身的外殼結(jié)構(gòu)。

3.2???前腳結(jié)構(gòu)

接下來是前腳的結(jié)構(gòu)。

拿一截PVC線槽的頂蓋部分，長度要大于14厘米。

用剪刀沿著頂蓋槽的邊上大概進行裁剪。

得到一片平整的PVC長條。用鋼尺量出一塊長14厘米，寬1厘米的矩形條，并用筆做好痕跡。

用剪刀沿則筆做好的痕跡精確的剪裁。

得到一塊長14厘米，寬1厘米的矩形條，在上面５厘米和9厘米處用筆做好折痕標(biāo)記。

同樣按照以上步驟，再裁一塊長15厘米，寬1厘米的矩形條，并在6厘米和9厘米處用筆做好折痕標(biāo)記。

用尖嘴鉗沿著做好的折痕標(biāo)志，彎折兩條矩形條，角度大約是45度左右。

得到以下兩個打折的矩形條，也就是機器人前腳的結(jié)構(gòu)。

3.3???腹部結(jié)構(gòu)

拿一段PVC線槽的凹槽部分，用鋼尺量出9厘米的一段，并用筆做好痕跡記。

用剪刀沿著筆做好的痕跡剪裁，得到以下部件。

在把凹槽兩邊的槽壁，留2毫米的高度，做好痕跡后用剪刀精確剪裁。

得到以下兩側(cè)帶折邊的PVC矩形條。之所以要保留兩邊的折邊，是因為這樣的結(jié)構(gòu)比純粹的片狀結(jié)構(gòu)強度更高，不容易彎曲。

如果用剪刀剪裁時折邊接口上不夠平整，則可以用銼刀打磨光滑。

3.4???組合上身與前腳

接下來是把上身部分和前腳部分的結(jié)構(gòu)組裝起來。

把之前做好的兩條前腳結(jié)構(gòu)，選擇在5厘米和9厘米做好標(biāo)志的那條。用筆在中間部分里折痕大約２毫米的地方做兩個圓點標(biāo)志。

小電站取1毫米左右直徑鉆頭，對用筆做好的圓點標(biāo)志進行打孔。

把打了孔的前腳結(jié)構(gòu)按下圖的樣子按在上身結(jié)構(gòu)上，前腳結(jié)構(gòu)已經(jīng)打好了孔，用筆透過打好的孔對著下面的上身結(jié)構(gòu)做標(biāo)記。也就是為在上身結(jié)構(gòu)上打孔作準(zhǔn)備。

據(jù)筆做好的痕跡，用小電鉆對好進行打孔。

把前腳和上身組裝在一起，并用M1.2*5的螺絲上好。

注意，如果小電鉆的鉆頭直徑過小，直接打出來的孔可能無法上螺絲，這個時候可以用小錐子把孔撐大。

3.5???組合上身與腹部

接下來把上身結(jié)構(gòu)和腹部結(jié)構(gòu)組裝起來。

按照下圖所示，把在上身結(jié)構(gòu)中折邊低的那一側(cè)，對著腹部結(jié)構(gòu)的寬度（大概2.5厘米），用筆做好痕跡。

用刻刀（或裁紙刀），對著筆做好的痕跡，把中間的折邊部分去掉。

并用銼刀進行打磨平整。

然后可以把腹部結(jié)構(gòu)如下圖那樣安置，并且與上身結(jié)構(gòu)部分能夠貼合得比較好。 同時可以把前腳結(jié)構(gòu)與上身結(jié)構(gòu)的螺絲上好螺母固定起來。

如圖所示在腹部結(jié)構(gòu)與上身結(jié)構(gòu)的結(jié)合部位，用小電鉆打好三個小孔。

然后在三個小孔上用M1.2*5的螺絲螺母固定好。

于是把上身結(jié)構(gòu)與腹部結(jié)構(gòu)組裝在一起。

3.6???電池盒

安裝電池盒。

把電池盒如下圖所示放置在腹部結(jié)構(gòu)的下面，并用筆對著電池盒上原有的小孔作好標(biāo)記。

小電鉆換上2毫米直接的鉆頭，對著筆做好的標(biāo)記進行打孔。

因為腹部結(jié)構(gòu)的兩側(cè)有折邊，所以如果直接把電池盒放置在腹部面上無法貼合緊密，所以在打好的孔上再放置墊片。

把電池盒貼合在腹部底上，用M2*5的平頭螺絲以及螺母固定好。這里之所以用平頭螺絲，主要是防止螺絲頭太高頂出來影響到放置電池。

3.7???前腳組裝

這里安裝完善前腳結(jié)構(gòu)。

如下圖所示，在已經(jīng)與上身結(jié)構(gòu)組裝在一起的前腳結(jié)構(gòu)上面，疊上另外一條前腳結(jié)構(gòu)的矩形條。

如圖所示，用手握住前腳結(jié)構(gòu)的一只腳，把兩條矩形條疊在一起，并且把前端對齊（小手指頂住的那邊）。

對齊前腳前端，大概里前端5厘米處用1毫米直徑的小電鉆打孔，并用M1.2*5的小螺絲固定好。

如下圖所示的前腳結(jié)構(gòu)組裝完成。只要兩條前腳矩形條的兩側(cè)前端都是對齊的，則可以確保兩條矩形條之間有一段如拱橋一樣的空隙，下面可以用于安裝碰撞開關(guān)。

3.8???觸須

觸須作為探測前方障礙物的傳感器，是實現(xiàn)本機器人的關(guān)鍵部件。

觸須分為左右兩邊，各由一組碰撞開關(guān)、鋼絲、插簧接線端子組成。

為了在較小的空間內(nèi)把碰撞開關(guān)安裝上，需要用尖嘴鉗把如下圖所示的碰撞開關(guān)的一只引腳折彎。按以上的尺寸設(shè)計如果不折彎的左右兩邊的碰撞開關(guān)可能會頂在一起裝不下。

用尖嘴鉗把一段鋼絲折出如下圖所示的弧度，弧寬度大概在10-13厘米左右，這個寬度決定了機器人探測目標(biāo)的范圍。越寬的話正面探測的范圍就越大。

折好一條觸須后，把鋼絲沿著做好的觸須并在一起，再用尖嘴鉗折成另一邊觸須。如此可以確保兩邊的觸須基本保持一致。

觸須的外端是一個大弧鉤，避免鉤住障礙物；而內(nèi)端則是一個小折鉤，主要用來固定。

外端大弧鉤和內(nèi)端小折鉤的平面方向必須是互相垂直的，即把大弧鉤平整在桌面上時，則小折鉤應(yīng)該是垂直于桌面的，這主要是因為觸須所連接的碰撞開關(guān)是垂直桌面安裝的，而觸須延展的平面應(yīng)該是平行桌面的。

原來接線端子的插口比較寬，需要改小。

先用剪刀把接線端子的插口沿邊緣剪掉一截。

然后再用尖嘴鉗重新把接線端子的插口改小，要求正好能夠插入碰撞開關(guān)的搖臂。（以下最左邊為原來的接線端子，中間為改小之后的端子，右邊為碰撞開關(guān)）

把鋼絲觸須的內(nèi)端小折鉤套上接線端子細(xì)的一頭，應(yīng)該正好能夠套上，如果不合適可以適當(dāng)調(diào)整觸須小折鉤的彎曲程度 ，然后把接線端子的折扣用尖嘴鉗夾緊。

把接線端子粗的一頭，如下圖所示套上碰撞開關(guān)。

用尖嘴鉗夾緊接線端子的折口，把觸須與碰撞開關(guān)連接起來。

在上身結(jié)構(gòu)部分，中間三顆固定螺絲兩側(cè)，如下圖所示用2毫米左右的鉆頭各打上一個小孔。注意小孔不要頂住腹部的電池盒，要錯開偏外側(cè)一點。

碰撞開關(guān)上有兩個固定用的小孔，把碰撞開關(guān)如下圖所示安裝在上身結(jié)構(gòu)上，并用M2*10的螺絲以及螺母固定好。注意兩個碰撞開關(guān)之間夾角大概是90度左右。把螺母擰緊之后，則一個螺絲就可以把碰撞開關(guān)的位置固定好，而不需要把碰撞開關(guān)的兩個固定小孔都上螺絲（即便想要上兩顆螺絲也不行，因為內(nèi)側(cè)那個固定小孔的位置下面正好對著腹部安裝的電池盒，無法再上螺絲）。

安裝好觸須和碰撞開關(guān)。

調(diào)整好觸須的位置，左右兩邊盡可能的一樣。

3.9???電機

這里選的電機是微型的低電壓電機（具體見之前的器材列表）。

電機的軸徑只有１毫米，電機軸套上一個小齒輪（內(nèi)徑0.95毫米）作為車輪。

如果直接小齒輪作的車輪，走在稍微光滑的地面會打滑，則考慮在小齒輪外面再套上用自行車氣門芯膠管制作的輪胎，以增大車輪接地的摩擦力。

剪一小截自行車氣門芯膠管，套在小齒輪上。

量一下電機的尺寸，調(diào)整前腳的長度，可以把電機放置到前腳上對比一下，大約留出比電機主體（不含軸）長度再多出5毫米的位置開始裁減前腳。

以我選擇微型電機（見器材列表）來看，大概需要裁掉前腳的前端開始2.5厘米左右的一段。這里之所以開始準(zhǔn)備前腳的結(jié)構(gòu)時沒有直接是裁好，主要是考慮可能各人選擇電機不同導(dǎo)致實際所需的尺寸也不一樣，大家這個可以在制作過程中根據(jù)實際選擇的電機，對應(yīng)好電機的尺寸再確定要裁掉多少多余的前腳部分。

在裁好后的前腳的前端部分再打孔，然后用M1.2*5的螺絲固定好，這樣整個前腳就有兩層PVC材料構(gòu)成，即堅固也不是韌性（有彈性）。

因為一旦把電機固定上前腳之后就不好接線，可以先把電機的電極引線焊好。我選擇的這款電機（見器材列表）的電機上會有一個電極的標(biāo)記（有個＋號） ，為便于區(qū)別可以用紅黑兩色的電線作為電機的引線，紅的代表＋號的一級。

把電機如下圖所示安裝好，用透明膠布包好固定住。

我這里選擇的電機是方形的，可以直接固定在前腳結(jié)構(gòu)上。如果選擇了圓形的電機，則可以考慮先用硬泡沫做墊子，裝在電機與前腳結(jié)合面電機的兩側(cè)，即把空隙先填住，然后再用透明膠布才能固定穩(wěn)。

3.10???后輪

后輪的支架用曲別針來制作，后輪這里我用的是一個皮帶輪的滑輪，也可以用一個小珠子（具體參考前面的器材列表）。

用尖嘴鉗把曲別針展開，并套入滑輪。

把曲別針折成如下圖所示的支架。

沿著腹部，對應(yīng)好腹部凹槽部分的寬度調(diào)整后輪支架。

把支架直接插入腹部與電池盒之間空隙（腹部這一側(cè)是由凹槽的，所以腹部與電池盒之間是空的），用筆作標(biāo)記準(zhǔn)備裁掉多余的部分結(jié)構(gòu)，大約從腹部后端開始約3厘米左右的一段。

用剪刀裁掉腹部多余的一截，并且沿著支架的樣式把腹部末端剪成梯形樣式。

用502 膠水把后輪支架固定好。

安裝好后輪。

3.11???整機調(diào)試

參照電路原理圖，把電機、碰撞開關(guān)、撥動開關(guān)、電池等都用電線連接好。

按照之前的控制原理的說明進行調(diào)試電路，看線路是否連接正確，特別是注意電機的電機是否正確，即電機的控制效果是正確的：

1、打開撥動開關(guān)后，沒有障礙物時，兩個電機都是往前轉(zhuǎn)動的；

2、左邊觸須被按壓，則右邊的電機反轉(zhuǎn)；

3、右邊觸須被按壓，則左邊的電機反轉(zhuǎn)；

4、兩個觸須都被按壓，則兩個電機都反轉(zhuǎn)。

電池盒的中間引線直接焊在電池盒的兩節(jié)電池的連接一極。注意焊接的時間不要過長，否則會熱掉電池盒的塑料導(dǎo)致電極彈片脫落。

在腹部末端固定上撥動開關(guān)。為了貼合緊密，波動開關(guān)的一側(cè)用銼刀打磨粗糙一點，然后再用502膠水固定。特別小心502膠水不要涂太多，否則有可能會滲進波動開關(guān)內(nèi)部，導(dǎo)致開關(guān)失效。

電路連接調(diào)試沒有問題，則重新調(diào)整電線的長度，縮短一點剛好合適焊接而不會多出來。

以下為制作好的PVC-Robot １號機器人。

3.12???最終展示

4???項目總結(jié)

本項目向大家展示了一個簡單的智能機器人的制作過程。對于剛?cè)腴T或者準(zhǔn)備入門的朋友，可以通過這個項目了解該機器人基本的運動機理和控制原理，可以溫習(xí)一下電學(xué)基礎(chǔ)，如果能夠跟著實踐一下，還可以練習(xí)一下動手能力，包括基本的機械結(jié)構(gòu)制作以及基本的電路連接。

本項目機器人的機械結(jié)構(gòu)相對來說是一種非常簡單但又是很實用的設(shè)計，后續(xù)將要深入介紹的其他機器人有一些也將會繼續(xù)采用該機械結(jié)構(gòu)，只是到 時候會把介紹的內(nèi)容重點轉(zhuǎn)向其他如電子、計算機等方面，所以為了后續(xù)的內(nèi)容理解上更順暢一點，希望對于本項目有條件的還是可以實踐一下，真正動手了體會才 會深刻。