機(jī)器烏龜制作詳解

機(jī)器人制作欄目，制作一個會尋光的機(jī)器烏龜

1949年，為了模仿自然生命，英國科學(xué)家Grey Walter設(shè)計(jì)制作了一對名叫Elmer和Elise的機(jī)器人，因?yàn)樗麄兊耐庑魏鸵苿铀俣榷碱愃谱匀唤绲呐佬旋?，也稱為機(jī)器龜。這是公認(rèn)最早的真正意義上的移動式機(jī)器人。

Walter機(jī)器龜?shù)暮诵氖怯?a href="http://www.wenjunhu.com/article/ic/" target="_blank">電子管、阻容器件和繼電器構(gòu)成的一個簡單的單細(xì)胞“大腦”。頭部的光電管和外殼上的碰撞開關(guān)作為與外界溝通的傳感器，兩只電機(jī)分別負(fù)責(zé)機(jī)器龜?shù)囊苿雍皖^部光電管的轉(zhuǎn)動與機(jī)體的拐彎。每臺機(jī)器龜前部都裝有一個燈，充電站里面也有一個導(dǎo)航燈。這就使機(jī)器龜、充電站、外界環(huán)境之間建立了一定的聯(lián)系。光電管使機(jī)器龜具有趨光性，可以對外界的光線發(fā)生反應(yīng)，安置在每只機(jī)器龜前部的光源，使機(jī)器龜之間亦有一定的互動性。有趣的是機(jī)器龜在鏡子前看到自己時(shí)，也會產(chǎn)生行為反應(yīng)，Walter形容為“這是機(jī)器龜存在某種自我意識的證據(jù)”。龜殼上的碰撞開關(guān)使他們在碰到障礙物的時(shí)候會自己跑開。當(dāng)電池電量降低的時(shí)候還可以自己循著充電站的導(dǎo)航燈光源進(jìn)去充電。

對機(jī)器龜?shù)难芯孔C明了少量腦細(xì)胞之間以不同方式的連接可能會引起很復(fù)雜的行為。我這次要用現(xiàn)代的材料和制作工藝來重現(xiàn)這個經(jīng)典的起源型機(jī)器人。時(shí)隔60多年，電子技術(shù)已經(jīng)發(fā)生了革命性的發(fā)展，即使作為一名業(yè)余愛好者，手頭的元器件對當(dāng)年的科學(xué)家來說也絕對是重量級的了。我的任務(wù)會因此變得簡單嗎？請繼續(xù)往下看。

現(xiàn)在開始，記住，我們的口號是DO IT ALL THE WAY！

一、制作機(jī)器龜?shù)囊苿悠脚_

材料清單：

名稱數(shù)量

減速電機(jī)2只

配套輪胎2只

鐵或鋁板適量

尼龍萬向輪1個

M3螺絲螺母若干

M3套管若干

M3銅柱若干

保鮮盒1個

4AA電池倉1個

小彈簧2個

雙面膠帶適量

一臺運(yùn)轉(zhuǎn)靈活的機(jī)器人在制作過程中一定會涉及到機(jī)加工環(huán)節(jié)，廠家預(yù)置的通用五金件可以節(jié)省你的時(shí)間，但是不能解決所有問題，如果想制作出個性化的外觀，復(fù)雜的功能，就一定要自己動手了。筆者自己就很喜歡金工和機(jī)械設(shè)計(jì)，對于業(yè)余制作來說，材料的選擇和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以天馬行空，一旦將注意力集中在這些沒有人解決過的問題上，創(chuàng)意就開始奔涌而出，這是我們的優(yōu)勢，要好好加以利用。我鼓勵大家多做做這方面的功課，就從移動平臺、基礎(chǔ)小車開始，嘗試自己設(shè)計(jì)，自己加工;以后慢慢過渡到自制舵機(jī)框架、搖臂、云臺或者更復(fù)雜的機(jī)器臂、機(jī)器手、多足機(jī)器人就得心應(yīng)手了。

搭建這個平臺所使用的電機(jī)和輪胎是機(jī)器人基礎(chǔ)小車?yán)锍Ｓ玫男吞?。我使?mm厚度的5052鋁板做了一個T字型骨架。整個車體只有兩個五金件，用鐵剪刀下料、電鉆打孔、臺鉗折邊可以很快加工出來。大家也可以使用手邊材料，如廢光驅(qū)外殼來制作骨架，如果覺得鐵皮比較軟，可以折一下邊沿增加強(qiáng)度。

圖一至圖六是我加工這個小車平臺的過程和做好的實(shí)物。

保鮮盒通過兩根彈簧，以“懸浮”的方式，罩在移動平臺外面，做為機(jī)器龜?shù)耐鈿?。盒子的里面固定有一只水銀開關(guān)，負(fù)責(zé)檢測外界的碰撞。這個結(jié)構(gòu)，即使龜殼受到微小撞擊，也會確保水銀開關(guān)被觸發(fā)動作。見下圖七：

第二步、制作機(jī)器龜?shù)碾娮幽X

與機(jī)器龜同一時(shí)期，馮。諾依曼已經(jīng)提出了二進(jìn)制和程序內(nèi)存的思想，這是當(dāng)今數(shù)字計(jì)算機(jī)的主流結(jié)構(gòu)。但是Walter仍然在他的研究里強(qiáng)調(diào)用純模擬線路來模擬生物大腦的重要性。Walter的這種思想啟發(fā)了隨后幾代的機(jī)器人研究者，其中最著名的就是Mark Tilden和他的BEAM（仿生-電子-藝術(shù)-機(jī)械）機(jī)器人。

這里我使用一片四異或門電路74HC86，來制造機(jī)器龜?shù)碾娮幽X，這只機(jī)器龜也是一部比較高級的BEAM機(jī)器人。

線路圖如下：

元器件清單：

型號數(shù)量

74HC861

74HC2452

光敏二極管2

1N41481

1M電阻4

100K電阻1

0.33uf電容2

10uf電解電容4

工業(yè)冷壓端子3

0.8mm鋼絲若干

細(xì)導(dǎo)線若干

熱縮管若干

洞洞板一片

機(jī)器龜?shù)难劬τ蓛芍还饷舳O管構(gòu)成，向左右兩側(cè)分開適當(dāng)角度排列，檢測環(huán)境光。當(dāng)兩眼入射光線不同的時(shí)候，光敏二極管回路里正反方向?qū)Ξ惢蜷T的輸入電阻是不同的，電路驅(qū)動兩只電機(jī)做差速運(yùn)轉(zhuǎn)，使機(jī)器龜總是向著光線最強(qiáng)的方向運(yùn)動。

水銀開關(guān)和三只觸須開關(guān)負(fù)責(zé)感知外界環(huán)境，使得機(jī)器龜可以對外界的物體做出一定的反應(yīng)，它們的執(zhí)行優(yōu)先級要高于光敏二極管。這四組開關(guān)的執(zhí)行時(shí)間取決于線路圖中RC的時(shí)間常數(shù)，1M電阻和10uf電解電容為參考值，可能需要根據(jù)機(jī)器實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況做適當(dāng)調(diào)整。

機(jī)器龜?shù)男袨槟Ｊ綒w納如下：

編號左眼右眼左碰撞右碰撞回轉(zhuǎn)水銀動作

1任意任意觸發(fā)無無無順時(shí)針

2任意任意無觸發(fā)無無逆時(shí)針

3亮暗無無無無逆時(shí)針

4暗亮無無無無順時(shí)針

5任意任意任意任意任意觸發(fā)假死

6任意任意無無觸發(fā)無后退

電路部分較簡單，用一小片洞洞板就可以焊起來，不再占過多篇幅描述。有幾點(diǎn)需要注意的問題：

1， 電路和機(jī)械部分需要協(xié)調(diào)工作才能達(dá)到最佳效果。線路圖中的光敏二極管、觸須、電機(jī)這些對安裝方位有要求的器件，一定要事先規(guī)劃好。

2，用不透光材料包裹好光敏二極管，只使它的前部透光，我用的是黑色熱縮管。兩只光敏二極管需要呈一定夾角排列，形成機(jī)器龜?shù)奶摂M視野。光敏二極管周圍盡量清空，方便以后調(diào)整夾角。如下圖八。

3，74HC245構(gòu)成電機(jī)的雙向驅(qū)動，需要根據(jù)電機(jī)的規(guī)格來疊加芯片，以獲得足夠的驅(qū)動電流。兩片疊加起來，驅(qū)動橋每臂可以輸出140ma的電流，足夠驅(qū)動普通小型電機(jī)了。疊加的芯片最好焊接在一起，防止個別管腳接觸不良導(dǎo)致電路工作不正常，使能跳線也可以直接焊接在芯片上，形成一個獨(dú)立的功能模塊。如下圖九。

4， 觸須開關(guān)的制作如下所述：

拆出工業(yè)冷壓端子的銅芯，其實(shí)就是一個細(xì)銅管，讀者也可以找其他適合的材料替代。見圖十。

用細(xì)鋼絲彎成觸須，觸須的末端，套一節(jié)絕緣管，插入細(xì)銅管里，再與相對應(yīng)的電路節(jié)點(diǎn)連接。調(diào)節(jié)絕緣管與細(xì)銅管的配合，就可以微調(diào)這個開關(guān)的靈敏度。經(jīng)過試驗(yàn)，我發(fā)現(xiàn)鋼絲是無法焊接的，最后使用電線里面抽出的細(xì)銅絲把它捆綁在節(jié)點(diǎn)上，外面堆焊錫固定的方式，實(shí)際效果還可以。如圖十一，圖十二。

第三步、總體裝配和調(diào)整

把電路部分裝配在移動平臺上，如下圖十三、十四、十五、十六：

與制作好的機(jī)器龜相處一段時(shí)間，觀察它的行為模式，我發(fā)現(xiàn)它有一些脫離開設(shè)計(jì)意圖的隨機(jī)行為。這歸因于控制電路和移動平臺的不精確性。我對它的看法也逐漸改變：它不是一臺機(jī)器，而是一只人造電子生物。

按照Mark Tilden制定的BEAM機(jī)器人三大守則：

1） A robot must protect its existence at all costs.

機(jī)器人必須保護(hù)自己。

2） A robot must obtain and maintain access to a power source.

機(jī)器人必須維持運(yùn)轉(zhuǎn)。

3） A robot must continually search for better power sources.

機(jī)器人必須尋找能源。

這只機(jī)器龜已經(jīng)具備了一定的躲避障礙的能力，并且可以尋找光源。如果把光源作為維持它運(yùn)轉(zhuǎn)的能源的話，我們可以做如下改進(jìn)：

1，電池倉里換用可充電電池，或者單塊鋰電池。

2，在機(jī)器龜?shù)耐鈿ろ敳堪惭b適量的太陽能電池板。

3，加入電池電壓檢測電路，當(dāng)電壓跌落到一定數(shù)值的時(shí)候，讓機(jī)器龜處于靜默狀態(tài)，同時(shí)切換太陽能電池板給電池充電;電池充滿后恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。電路可以采用電壓比較器加繼電器的結(jié)構(gòu)，很簡單的實(shí)現(xiàn)。

4，加入環(huán)境光檢測電路，在暗環(huán)境下強(qiáng)制機(jī)器龜進(jìn)入休眠狀態(tài)，當(dāng)光線充足的時(shí)候恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)。太陽能電池板可以兼顧環(huán)境光傳感器，同樣采用電壓比較器和繼電器的結(jié)構(gòu)，與外殼里面的水銀開關(guān)并聯(lián)工作。