最基础电学电路:仿生避障机器人制作

    这是一个简单到令人发指的仿生避障机器人，仅由电池、开关、马达组成最基础的电学电路，就能表现出类似自然界生物的智能！在遇到障碍物时会掉头，看起来有 点象一只疯狂的小强。只要有基本的物理电学基础就可以自行制作了，你就不想自己做一个在朋友面前炫耀一下 "这就是我做的智能机器人"么？

一般智能的机器人都是用单片机芯片（MCU微处理器）做控制，简单一点的也需要由一些电阻、电容之类的电子元件组成的电子电路做控制。作为PVC系列机器 人的第一个项目，这里将介绍一个电路最简单的机器人，其不仅不需要单片机芯片，就连最普通的电阻、电容等电子元件也不用，完全是一个仅由电池、开关、马达 组成的最基础的电学电路，一般只要有基本的物理电学基础就可以自行制作了，也正因为如此，在本PVC系列教材没有进到深入内容的时候就对其进行介绍。

本项目主要面向DIY机器人的初学者，可以让大家回顾一下物理电学基础，然后侧重在练习动手制作能力，包括基本的机械结构的设计与制作，以及基本的电路连接技能。如果是对此已经非常熟悉的朋友，可以跳过本章节。

这是一个简单的避障机器人，所谓“避障”即避开障碍物，实际上就是遇到障碍物时会转弯掉头。

以下为效果视频，为了拍摄方便是放在一个小盒子里的，由于地方窄动作也比较快，看起来有点象一只疯狂的小强，如果放在地上则会满屋子跑，追都追不上。

在此，我给本项目的避障机器人再起一个外号——疯狂的小强，呵呵。

1   基本原理

本项目的避障机器人采用三轮传动结构：前面左右两边的两个轮子是主动轮，各接一个电机作为动力；后轮是从动轮，起到平衡的作用。

1.1   运动机理

控制前面两个轮子的转动方向就可以控制整个机器人行进的方向：

1、左右两个前轮都向前转，则机器人向“正前方”直线前进；

2、左右两个前轮都向后转，则机器人向“正后方”直线倒退；

3、左前轮向后转，右前轮向前转，则机器人将以后轮为轴心逆时针转动，即实现向“右后方”转弯倒退；

4、左前轮向前转，右前轮向后转，则机器人将以后轮为轴心顺时针转动，即实现向“左后方”转弯倒退。

1.2   控制原理

在机器人的头部用钢丝做两根触须，一左一右各连接到一个碰撞开关，分别控制两个前轮的旋转方向。

特殊注意一下，左右触须与对应控制的电机是交叉过来的，即：左边的触须连接右边的碰撞开关，控制右边的电机；右边的触须连接左边的碰撞开关，控制左边的电机。

（1）无障碍物

当前方都没有障碍物，左右两个轮子都向前正转，则机器人向“前方”直线前进。

（2）左前方有障碍物

当左前方有障碍物，在左边触须碰到障碍物时，控制右边的轮子反转，则机器人向“左后方”倒退并转弯，即方向转向了障碍物的右边，从而避开了左边的障碍物。

向后倒退转弯会持续一会，在完成转弯之后，左边触须不再碰到障碍物，则两个轮子都正转，机器人继续向新的没有障碍物的“前方”直线前进。

（3）右前方有障碍物

当右前方有障碍物，在右边触须碰到障碍物时，控制左边的轮子反转，则机器人向“右后方”倒退并转弯，即方向转向了障碍物的左边，从而避开了右边的障碍物。

向后倒退转弯会持续一会，在完成转弯之后，右边触须不再碰到障碍物，则两个轮子都正转，机器人继续向新的没有障碍物的“前方”直线前进。

（4）正前方有障碍物

当正前方有障碍物，左右两边的触须都会碰到障碍物，控制左右两边的轮子都反转，则机器人向“正后方”倒退，从而避开障碍物。

在直线倒退持续了一会后，左右两边的触须都不再碰到障碍物，则两个轮子都正转又变成直线前进；然后又会遇到正前方的障碍物又会直线倒退，再直线前进……如此反复变成一个死循环。

理论上会出现以上这样的问题，但是实际上并不会，因为无论是左右轮的摩擦系数有所差异，还是左右两组电机的驱动功率有所差异，或是左 右两组电机的电源的电量有所差异，又或是障碍物左右两部分表面的光滑程度有所差异，都会导致实际上左右两边的触须碰到障碍物有一个时间差，都无法做到两边 轮子同时反转，也就是说向后倒退的时候不是完全的直线而是会有所偏移。而且即便第一次是直线后退，但在往复几次碰撞之后肯定会出现偏移，最终解除循环避开 障碍物向新的方向前进。

在以上视频中，我们也可以看到这一有趣的一幕，机器人连续几次反复撞上“墙壁”，最后还是会重新转向另外的方向。

从视频中，我们除了看到以上这种特殊情况外，另外还有一种情况，就是有些时候机器人会卡在墙角停顿了好一阵，然后才转向。这是因为有些时候由于触须碰撞墙 壁的角度比较偏，不是正面碰撞，导致碰撞的力度不够，触须无法立即触发碰撞开关响应，而机器人在电机的推动下不断的挤向墙壁，缓慢的挤压后才触发了碰撞开 关控制转向，也就是看到了机器人在墙角停顿了一会才转向的情景。出现这情况，如果电机的输出功率不足，或是由于电池的电量下降导致动力不足，可能会导致机 器人在墙角无力挤压触发碰撞开关，最终变成卡死在墙角，这个时候要么是换大功率的电机，要么就是换新电池。1.3   电路原理

本项目的电路非常简单，由一个最基本的电学电路组成。

1、机器人的动力是由两个直流电机提供的，众所周知，直流电机的两个电极连接直流电源，通过改变两个电极所连接电源的正负极，可以改变电机的旋转方向（顺时针或逆时针）。

2、电源为两节7号电池，每节电池作为一个独立的供电单元，每个电机某一时刻只有一节电池为其供电。如果前进时是一节电池供电，后退时则是另外一节电池以相反电流的方式供电。

3、通过三引脚的碰撞开关，可以控制电机采用哪一单元的电池进行供电，而碰撞开关则连接触须，触须被挤压则碰撞开关被触发。 下图为其中一个电机的控制原理。

4、机器人头部有两根钢丝作的触须，触须分别连接在两个碰撞开关上（注意两根钢丝对应的碰撞开关是交叉的，即：“左—右”钢丝，对应“右—左”碰撞开关）。

（1）没有障碍物时，触须没有被挤压，不触发碰撞开关，碰撞开关默认的通路，给电机供给一个“正方向”的电流，电机于是“顺时针方向”旋转。

（2）有障碍物时，触须被挤压，触发碰撞开关，碰撞开关断开默认通路，连接另外的一组通路，给电机供一个“反方向”的电流，电机于是“逆时针方向”旋转。

这里给出完整的电路原理图：

为了方便大家，这里再给出实物电路接线图供参考。

2   准备工作

本项目需要的器材比较简单，主要包括：PVC线槽、小电机、电池/电池盒、碰撞开关、拨动开关、曲别针、螺丝、小齿轮/滑轮等。

以下列出本项目主要器材，其中的采购预算，由于有些器材采购时一般是批量的，而本项目中实际使用用不了那么多（剩下的可以留在以后的其他项目上），所以另外加了一项成本折算。

主要的器材都可以从网上购买，我列出了一些淘宝上的网址，基本上我也是通过这个渠道进行采购的，供大家参考。

3   制作过程

本项目为避障机器人，外号“疯狂的小强”，由此对机器人的各组成部分作一个划分，分别包括：上身、腹部、触须、前脚、后轮、电池、电机。

以下将按照加工的顺序，全程介绍本项目机器人的制作过程。

3.1   上身结构

首先加工上身部分，主要是上身的外壳。

拿一段PVC线槽的凹槽部分，用剪刀先大概剪下一截（大于４厘米），准备进一步加工。

在剪下的一截PVC线槽上，用钢尺量出4厘米长度，用笔换好要剪裁的痕迹。

用剪刀对着笔的痕迹精确的剪裁。

再用笔在线槽的一边槽壁上作一个痕迹，大概保留2毫米的槽壁高度。

用剪刀沿着做好的痕迹精确剪裁。

得出如下这个形状的部件，即上身的外壳结构。

3.2   前脚结构

接下来是前脚的结构。

拿一截PVC线槽的顶盖部分，长度要大于14厘米。

用剪刀沿着顶盖槽的边上大概进行裁剪。

得到一片平整的PVC长条。用钢尺量出一块长14厘米，宽1厘米的矩形条，并用笔做好痕迹。

用剪刀沿则笔做好的痕迹精确的剪裁。

得到一块长14厘米，宽1厘米的矩形条，在上面５厘米和9厘米处用笔做好折痕标记。

同样按照以上步骤，再裁一块长15厘米，宽1厘米的矩形条，并在6厘米和9厘米处用笔做好折痕标记。

用尖嘴钳沿着做好的折痕标志，弯折两条矩形条，角度大约是45度左右。

得到以下两个打折的矩形条，也就是机器人前脚的结构。

3.3   腹部结构

拿一段PVC线槽的凹槽部分，用钢尺量出9厘米的一段，并用笔做好痕迹记。

用剪刀沿着笔做好的痕迹剪裁，得到以下部件。

在把凹槽两边的槽壁，留2毫米的高度，做好痕迹后用剪刀精确剪裁。

得到以下两侧带折边的PVC矩形条。之所以要保留两边的折边，是因为这样的结构比纯粹的片状结构强度更高，不容易弯曲。

如果用剪刀剪裁时折边接口上不够平整，则可以用锉刀打磨光滑。

3.4   组合上身与前脚

接下来是把上身部分和前脚部分的结构组装起来。

把之前做好的两条前脚结构，选择在5厘米和9厘米做好标志的那条。用笔在中间部分里折痕大约２毫米的地方做两个圆点标志。

小电站取1毫米左右直径钻头，对用笔做好的圆点标志进行打孔。

把打了孔的前脚结构按下图的样子按在上身结构上，前脚结构已经打好了孔，用笔透过打好的孔对着下面的上身结构做标记。也就是为在上身结构上打孔作准备。

据笔做好的痕迹，用小电钻对好进行打孔。

把前脚和上身组装在一起，并用M1.2*5的螺丝上好。

注意，如果小电钻的钻头直径过小，直接打出来的孔可能无法上螺丝，这个时候可以用小锥子把孔撑大。3.5   组合上身与腹部

接下来把上身结构和腹部结构组装起来。

按照下图所示，把在上身结构中折边低的那一侧，对着腹部结构的宽度（大概2.5厘米），用笔做好痕迹。

用刻刀（或裁纸刀），对着笔做好的痕迹，把中间的折边部分去掉。

并用锉刀进行打磨平整。

然后可以把腹部结构如下图那样安置，并且与上身结构部分能够贴合得比较好。 同时可以把前脚结构与上身结构的螺丝上好螺母固定起来。

如图所示在腹部结构与上身结构的结合部位，用小电钻打好三个小孔。

然后在三个小孔上用M1.2*5的螺丝螺母固定好。

于是把上身结构与腹部结构组装在一起。