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      1. 機器人DIY,你也可以Cooperation

        機器人DIY,你也可以

        機器人DIY,你也可以


        2015世界機器人大會已經成功閉幕機器人成了這幾天最火熱的詞匯之一。

        時至當下,機器人早已在不知不覺中走進了千家萬戶,大到可以照顧老人的陪護機器人,小到機器人吸塵器,甚至電影《超能陸戰隊》中憨態可掬、呆萌至極的“大白”那樣的健康機器人顧問也是存在的。

        在享受機器人技術帶來的福利同時,恐怕不少人同時也有著一個自兒時起就有的夢想——制作一個屬于自己的小機器人。

        圖1 《超能陸戰隊》劇照

        圖1 《超能陸戰隊》劇照


        其實,以如今科技的發展,這樣的想法是不難實現的。直接購買可組裝的機器人是一種簡單便利的捷徑,但是這樣機器人往往限制就比較多,而且需要另外的程序設定。

        若要隨心所欲地制作機器人,3D打印的開源項目是另一種不錯的嘗試,不過其對于動手能力和編程水準 就有著更高的要求。一般人可以遵從著指導說明來完成一個機器人的制作,但如果要在此基礎上繼續發揮就有難度了。那么有沒一種更加簡便的機器人制作方法呢? 答案是有的,這就是另一種簡潔的機器人制作手段——BEAM機器人。

        BEAM機器人一般譯作仿生機器人,開頭的英文字母并不是“光柱”的意思,而是由4個英文單詞 Biology、Electronics、Aesthetics、Mechanics的首字母組合而成,翻成中文分別是“仿生”“電子”“美學”和“機 械”,BEAM機器人就是結合了這些技術的要點而制作出來的機器人。

        早在1988年,Mark Tilden就提出了BEAM機器人的概念,并制作出了第1臺基于此概念的機器人。其初衷是為了仿照生物的一些生理結構或是動作行為來簡化控制過程,并以 此作為設計思路來制作出了一種包含控制元件的電路,這種電路被稱為神經元。這種控制方法可以模擬生物的應激過程,神經元使用的是電路開關,從而避免了制作 相應的程序。

        圖2 Mark Tilden

        圖2 Mark Tilden


        圖3 一塊神經元電路

        圖3 一塊神經元電路


        隨著技術的發展,普通人也越來越容易制作機器人了。隨著這種思路逐漸被大眾所接受,BEAM機器人也就逐漸形成了一種公認的規范,目前大家所公認的基本要求有以下3點:

        1.盡可能使用最少的電子元件;

        2.采用回收材料以及廢料來制作;

        3.使用輻射能作為動力來源(大多數情況下就是太陽能)。

        由此可見,BEAM機器人非常適合那些有想法有創意卻苦于自己沒有編程方面特長的人群,基本上只要懂焊接,并具備基本的動手能力,都可以在這種理念下做出屬于自己的BEAM機器人。


        神經元電路入門——太陽能引擎

        雖然BEAM機器人的原理簡單,而且少了編程這一環節,但是電路上的工夫還是要下的。而且也因為少 了編程,控制方面就必須由電路開關來接替。雖然所用電子元件不多,但是電路上的基本知識和一些技巧還是必須要有的。BEAM機器人的神經元電路有著很多巧 妙的設計,需要大家在不斷學習和摸索中逐漸領會,這里就以BEAM機器人的一個入門級經典電路——太陽能引擎作為例子,讓大家先熟悉電路的制作。

        太陽能引擎是多數BEAM機器人的心臟設備,它為機器人提供動力。傳統太陽能引擎的電力輸出往往不 盡如人意,于是BEAM機器人的愛好者Ben Hitchcock在此基礎上改進出了一個效率更高的引擎。這個太陽能引擎可以給出一個電脈沖到電機上,從而驅動電機運動,也可以將電機改成其他設備來達 到不同的需求。作為最基本的神經元電路單位,可以在此基礎上做出各種機器人作品。

        由于不同類型的機器人受其體積和功能的影響,這里的電子元件不需要都焊在電路板上,可以根據實際情況巧妙布局和連線,這就要考驗大家的想象力以及動手能力了。


        BEAM機器人實例——太陽能蟋蟀機器人的制作

        學會了制作太陽能引擎,就可以在此基礎上制作一些機器人了。

        這里將介紹一個相對簡單的作品——太陽能蟋蟀機器人的制作方法。太陽能蟋蟀機器人及其衍生的作品是網絡上最多的BEAM機器人種類,不僅小巧有趣也相對容易制作,簡單的結構以及一定的擴展空間是其吸引愛好者們的關鍵。


        圖4 太陽能蟋蟀機器人

        圖4 太陽能蟋蟀機器人


        制作這個太陽能蟋蟀機器人需要如下材料,可自行采購:

        NPN型小功率三極管×2、PNP型小功率三極管×2、單閃LED(配黑色熱縮管)×2、10kΩ 多圈電位器×1、微型電機(4V以下大小適當就好,但功率不要太。2只、3.3kΩ/0.25W電阻×2、33kΩ/0.25W電阻×2、1μF /50V電解電容×2、3300μF/10V電解電容×1、太陽能電池(不低于4V)×1。另外還需要結構基座的制作材料和若干長度的雙色單芯導線一段。

        準備這些材料后,就可以開始制作蟋蟀機器人了。

        首先是制作結構基座,用來連接電力部分和驅動部分。這里使用廢電源插座里拆出的一塊銅片,改裝成一個基座,中間部分是用來連接3300μF儲能電容,兩邊的卡箍是用來固定電機的。結構件可用的材料隨意性比較大,可以使用任何手邊能找到的可用材料,只要能滿足需求即可。


        圖5 基座的制作

        圖5 基座的制作


        基座完成后,把3300μF儲能電容的負極焊在基座中間的部分,注意負極引腳留出一段不要剪掉,用 來連接控制用的電子部分。在兩邊卡箍里套進兩只微型電機,電機軸向下。儲能電容的頂部著地,與兩只電機軸形成三點支撐。通過改變兩只電機之間的夾角,可以 微調機器人跑動的速度。而調整電容與電機夾角度,可以調節機器人的重心。這樣機器人的基礎結構部分就做好了。

        太陽能蟋蟀的驅動控制是由4只三極管構成,用以提供穩定的脈沖電流,它們組成了機器人的“心臟”。 制作這類小機器人的技巧就是首先完成核心部分的制作,其他元件將圍繞著這個核心環環相扣地進行搭建,這樣整體結構就顯得緊湊。把4只三極管管腳朝上兩兩并 列,上方是兩只PNP型三極管,NPN型三極管在下面。這里使用的三極管是2N3906和2N3904,如果用其他型號的管子替換,需要仔細核對管腳順序 是否與圖中一致。

        接下來先焊接下方的兩只NPN型三極管。把兩只管子的發射極向外展開,左側管子的發射極向斜下方彎 折,與右側管子的發射極焊接在一起。用鑷子把相應三極管的引腳彎折到指定位置。注意在彎折引腳時,距離根部留出1-2mm距離,防止引腳折斷。然后繼續焊 接上方的兩只PNP型三極管。把兩只管子中間的基極向外展開,右側管子的發射極向斜上方彎折,與左側管子的發射極焊在一起。最后把4只管子焊接在一起,分 別連接好左右兩側管子的集電極和基極。


        圖6. 4只三極管的排列與連接

        圖6. 4只三極管的排列與連接


        完成“心臟”部分的制作后就要開始向外面焊接其他元件。把兩只1μF電容的正極彎成如圖所示的形 狀,分別與上方PNP管子向外展開的基極焊接在一起。然后把兩只3.3kΩ電阻一端打個彎,套在1μF電容的正極上,另一端折成90°直角,向外展開。在 兩側1μF電容的負極,各焊接上一只33kΩ電阻。電阻的另一端與3.3kΩ電阻的直角和NPN型管子向外展開的集電極焊接在一起。

        圖7

        圖7

        圖8

        圖8

        圖9

        圖9

        圖10

        圖10


        為了精確的控制兩只電機的運轉,可以加入一只調零元件。這里使用了一只10kΩ多圈電位器作為一個 分壓器,串聯在兩部引擎的單閃LED負極與地之間。電位器的作用是調節引擎的觸發導通的時間,最佳的情形是兩部引擎同時觸發。因為蟋蟀體積小、重量輕,兩 只電機同時運轉,就可以帶動整部機器人“跳躍”著前進。把多圈電位器中間的管腳與NPN型三極管的發射極焊接在一起,兩側的管腳向外展開成直角。


        圖11

        圖11


        接下來焊接上兩只單閃LED。LED負極焊接在多圈電位器兩側展開的管腳上,正極焊接在1μF電容的負極一端。把LED的引腳留出一定長度,為的是在總裝以后彎折出一個藝術造型。

        圖12

        圖12


        再把電子部分的地端和儲能電容預留好的負極焊接在一起。儲能電容的正極貫穿過4只三極管,與兩只 PNP管發射極預留好的V+焊接在一起。為了防止短路,要給電容正極套上一段絕緣管。使用導線把兩只微型電機連接到電路中,注意左右電機的正負極不要搞 錯,否則機器人運動的方向是反的。最后安裝上太陽能電池再做一些修飾就大功告成了。

        圖13

        圖13

        圖14

        圖14

        這個太陽能蟋蟀的電路比較簡單,而且不涉及編程,只用到17個電子元件和1個結構件,對于新手來說是一個不錯的練手嘗試。

        雖然這個作品不算很智能,與機器人大會上那些效果酷炫、甚至和真人相似的高級機器人相差很遠,但自 己制作,畢竟是邁出了第一步。等你學會更高深的電路和編程知識后,就可以將學到的東西自由發揮,做出真正屬于自己的機器人了,說不定某天你的作品也會登上 世界機器人大會的舞臺。


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