科技制作方案機(jī)器人制作太陽能陀螺

1、機(jī)器人制作：太陽能陀螺 機(jī)器人的制作一直是電子愛好者感興趣的話題，本文將通過一段我自己從興趣到入門的親身經(jīng)歷，由淺入深的介紹一組小型機(jī)器人的制作過程。本文寫給對機(jī)械電子裝置有濃厚興趣的愛好者。如果你是一名機(jī)電專業(yè)的學(xué)生，看完本文也會有所啟發(fā)。首先從一只入門級的微型機(jī)器人-太陽能陀螺開始。它將實(shí)現(xiàn)以下的功能：1，在陽光下自動運(yùn)轉(zhuǎn);2，碰到障礙物后轉(zhuǎn)向;3，在無光環(huán)境下靜默。這是一只最簡單的全自動機(jī)器人，它不像居家電器一樣需要電源開關(guān)，也不需要人來維護(hù)，可以7*24小時運(yùn)轉(zhuǎn)。它的壽命取決于運(yùn)轉(zhuǎn)環(huán)境和機(jī)件磨損。太陽能電池的設(shè)計(jì)壽命一般為六年，電解電容一般為三年;電機(jī)的磨損，潮濕的環(huán)境的侵蝕，都會使電

2、子部分失效。制作這個機(jī)器人所需要的大部分材料可以從廢家電里面獲得，如果使用較高品質(zhì)的材料來制做，造價也不會超過一頓午餐。一，工具和材料工具的選擇是一門學(xué)問，使用正確的工具可以事半工倍。下列是必要的基礎(chǔ)工具：名稱 市價(元)20W內(nèi)熱烙鐵 15剪刀 5尖嘴鉗 20偏口鉗 20以上都是常用工具，可以在本地電子市場或者淘寶網(wǎng)購。為了保證操作安全，電烙鐵還需要配一個專用的烙鐵架。國產(chǎn)工具良莠不齊，不順手的工具會讓你完全沒有制作心情。選購工具盡量多問問業(yè)內(nèi)人士，網(wǎng)購要做好功課再下單。為了增加制作樂趣，建議盡量搜集身邊的材料，實(shí)在沒有再去買。廢電腦、電話、手機(jī)、游戲機(jī)里面都可以拆出有利用價值的材料。我認(rèn)為

3、，搜集材料的樂趣等同于創(chuàng)作的樂趣。太陽能陀螺所需的材料見下表：名稱 數(shù)量曲別針 6枚微型電機(jī) 1只2200uf電解 3只NPN三極管 1只PNP三極管 1只2.2K電阻 1只閃光LED 1只導(dǎo)線 若干電壓4V以上，電流10ma以上小型太陽能電池板 1片洞洞板 1片焊錫絲 若干三極管可以使用常見的小功率塑封管，比如8050,8550對管。電機(jī)是光驅(qū)倉門機(jī)構(gòu)里常見的那種。在市面上有一種環(huán)氧纖維材質(zhì)的薄洞洞板，可以用剪刀直接裁剪，強(qiáng)度好，重量輕。建議大家去買一些回來，后續(xù)的制作我們都要用到這種洞洞板。機(jī)器人的線路圖：這是一個經(jīng)典的BEAM機(jī)器人太陽能引擎，網(wǎng)上可以找到很多相關(guān)資料，這里不再鰲述。特別

4、值得一提的是這個太陽能引擎類似神經(jīng)元的特性：實(shí)體化以后的裝置是一個基于隨機(jī)振蕩器的閥值設(shè)備，電路有一個觸發(fā)電壓的上限閾值和關(guān)閉電壓的下限閥值，觸發(fā)和關(guān)閉的周期直接受電機(jī)負(fù)載的影響。在關(guān)閉狀態(tài)，電路又受太陽能電池板所接收到的環(huán)境光的影響。它與環(huán)境是一種動態(tài)方式的衰變關(guān)系?，F(xiàn)在開始制作太陽能陀螺的機(jī)械部分。機(jī)器人不同于純電子線路，它是一個電子和機(jī)械的結(jié)合體。機(jī)械部分的制作比較考驗(yàn)手工和空間想象能力，這部分是最有趣的，我們的目標(biāo)是在滿足功能的基礎(chǔ)上兼顧美觀。用上述的材料，發(fā)動你的頭腦，拼出一只獨(dú)一無二的機(jī)器人骨架吧。首先把洞洞板剪切成一片等邊三角形。要求三角形外切圓里面可以放得下三只2200uf電解

5、和微型電機(jī)，放置在中心的電機(jī)和外面包圍的三只電解之間有一定距離，如下圖A所示：把三根曲別針拉直，首尾銜接彎成一個圓型外框。圓環(huán)內(nèi)放置儲能電解、電機(jī)和電子部分，太陽能電池安置在三角形洞洞板上。這個圓環(huán)有三個作用：第一是三只儲能電解負(fù)極的匯流母線;第二是保護(hù)環(huán)內(nèi)的電子核心;第三是利用碰撞造成的重心變化改變機(jī)器人的運(yùn)動方向。下一步是在洞洞板上焊接電子部分，三只電解的負(fù)極向外輻射延伸出來，與前面提到的圓環(huán)焊接在一起。如圖B：用余下的三根曲別針，彎成三個固定電機(jī)的框架，把電機(jī)包在架子里。注意曲別針卡入電機(jī)螺絲孔里的那一端不要留太長，否則會阻礙電機(jī)轉(zhuǎn)子的運(yùn)轉(zhuǎn)。如下圖C,D,E所示：剩下的工作是最后的總裝。

6、用膠條或者尼龍?jiān)鷰Ч潭ê冒鼑姍C(jī)外框的曲別針，利用這三根曲別針把電機(jī)和電容線路板結(jié)合到一起。這里可以不管電機(jī)的極性，只是最后正反轉(zhuǎn)的區(qū)別。注意電機(jī)軸和電容頂部接觸地面不是在一條水平線上，把制好的骨架平放在桌面上，圓環(huán)應(yīng)該和桌面有一個傾斜角度，除了電機(jī)主軸，還有兩只電容著地。這樣電路觸發(fā)電機(jī)啟動的時候，機(jī)器人是做弧形運(yùn)動的;當(dāng)圓環(huán)在運(yùn)動的方向碰到障礙物的時候，機(jī)器人傾斜的方向就會改變，著地的電容就會改變，弧形運(yùn)動的方向就跟著改變了。倉門電機(jī)的軸比較細(xì)，可以用電線剝下的塑料外皮套在軸上，增加和地面的摩擦力。在每只電容頂部接觸地面的地方，用雙面膠貼上一個塑料片，起到保護(hù)電容和減少運(yùn)動阻力的作用。如下

7、圖F,G,H：下圖是最后完成的樣子，為了讓這只機(jī)器人看起來更像一臺機(jī)器，我去除了三只電解電容外面的塑料皮，銀光閃閃的很養(yǎng)眼。調(diào)整技巧，電路和骨架都裝配完畢以后，在陽光下測試。正常的情況是LED閃動幾下以后，電機(jī)帶動整個骨架旋轉(zhuǎn)。以下是幾個可能出現(xiàn)的問題和解決辦法：1，電機(jī)轉(zhuǎn)一下就停止，電路不再觸發(fā)。電機(jī)靈敏度太高，嘗試在電機(jī)兩端并聯(lián)一根幾十歐姆的電阻。2，電機(jī)不轉(zhuǎn)，LED也不閃。太陽能電池板的電壓太低;接線錯誤。3，LED常亮，不閃，電路不觸發(fā)。嘗試用不透明膠布活熱縮管包裹LED。4，電機(jī)嘶嘶響，但是不轉(zhuǎn)。儲能電容容量過大，嘗試減小儲能電容的容量。經(jīng)過我的實(shí)驗(yàn)，耐壓高，體積大的儲能電容用在這個

8、機(jī)器人上效果最好。如果你的太陽能板和電容都比較大，三根曲別針圈不下它，那么可以增加曲別針的數(shù)量，把外框制成六邊形或者八邊形。圓環(huán)的材料也不一定就是曲別針，其他外觀好看，焊接方便的材料都可以用。也可以用蝶形金屬片、硬盤片來做外框。模擬計(jì)算機(jī)循線小車循線小車的制作可以說是機(jī)器人愛好者的一門必修課。但是我們常看到的文章大都基于單片機(jī)架構(gòu)，要完整制作出一臺這樣的小車，需要掌握單片機(jī)、程序語言、開發(fā)環(huán)境、算法、編譯環(huán)境、燒錄軟件、下載器等一系列軟硬件知識。這對于沒有系統(tǒng)學(xué)習(xí)過單片機(jī)的愛好者來說有一定難度。本文介紹一部由模擬計(jì)算機(jī)控制的循線小車，它由傳感器和線性比例器構(gòu)成，原理簡單易懂，無需編程。只要具備

9、模擬電路知識就可以上手制作。下面開始，我們的口號是DO IT ALL THE WAY!一，制作小車底盤。材料清單：名稱數(shù)量瓶蓋2只微型減速電機(jī)2只工業(yè)端子排1條通孔珠子1個曲別針 1個M3螺絲螺母 若干洞洞板 若干M3套管4個M3銅柱若干4AAA電池倉1個雙面膠帶適量從工業(yè)端子排里面拆出兩套銅芯，作為軸連器，用來連接車輪和電機(jī)。我是用的是380V10A的端子排，銅芯內(nèi)徑是3MM，連接3MM的螺絲和電機(jī)輸出軸非常合適。這種端子排在一般的五金燈具市場都可以買到，有的吸頂式節(jié)能燈的鎮(zhèn)流器里面也有這樣的銅芯。如下圖A。下圖是準(zhǔn)備好的材料，很簡單吧?除了電機(jī)，其他材料都是生活中常見的。瓶蓋用來做車輪，要

10、選擇直徑比電機(jī)大一些，這樣小車下面的電池倉距離地面有一定高度，不會蹭底盤。蓋子邊緣厚一些，可以增加摩擦力，小車走起來不會打滑。我用的是嬰兒食品的金屬蓋子，鐵灰色，比較耐看。如下圖B。在瓶蓋的中心打一個3MM的孔，借助一顆3MM的螺絲和軸連器，連接好電機(jī)和車輪。用曲別針穿上珠子，彎成下圖C形狀，做小車的尾輪。把減速電機(jī)稍微靠前，固定在一片洞洞板上。這里電機(jī)是用鐵絲纏繞并焊接固定的，簡單點(diǎn)也可以用熱熔膠固定，或者用薄鐵皮做一對箍子，配合螺絲固定好電機(jī)。如下圖D。尾輪靠后用螺絲固定在電路板下方。電池倉直接用雙面膠貼在洞洞板下面。如下圖E。我是用的是5X7厘米的預(yù)制洞洞板，四角有安裝孔，借助銅螺絲可以

11、很方便的一片片疊加起來。把電機(jī)和電源都單獨(dú)引出接頭，方便將來和上面控制板的連接。如下圖F。這樣，一個基礎(chǔ)小車的底盤就做好了。5X7厘米的洞洞板上有足夠數(shù)量的焊盤，將來還可以用它做單片機(jī)小車，換不同的控制板，實(shí)現(xiàn)不同的用途。很方便吧?二，制作循線控制板 這臺循線小車是由模擬計(jì)算機(jī)控制的。模擬計(jì)算機(jī)是用電流、電壓等連續(xù)變化的物理量直接進(jìn)行運(yùn)算的計(jì)算機(jī)，由運(yùn)算放大器構(gòu)成核心器件，運(yùn)算過程不存在模數(shù)-數(shù)模轉(zhuǎn)換和編程算法的問題。線路圖：芯片接線圖：元件清單：型號 數(shù)量ITR20001-T紅外線光電開關(guān) 274HC240配插座 15V小型繼電器 24.3K電阻 210K電阻 1100歐姆電阻 2

12、網(wǎng)線芯 若干洞洞板 若干LED 1細(xì)導(dǎo)線 若干  小車每側(cè)的車輪由兩只反相器組成的比例器控制，通過繼電器帶動減速電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。這里使用的是一片八路反相驅(qū)動芯片74HC240作為模擬計(jì)算機(jī)的核心。讀者也可以使用通用運(yùn)算放大器接成反相器來替代，控制效果是一樣的。  以下是小車運(yùn)行狀態(tài)的分析： 1， 當(dāng)比例器輸入端的紅外線光電開關(guān)檢測到黑線的時候，紅外線接收管接收到的反射光減小，接收管呈高阻狀態(tài)，比例器輸入和輸出都是高電平，驅(qū)動繼電器吸合，與之相應(yīng)的減速電機(jī)帶動車輪轉(zhuǎn)動。  2， 當(dāng)左右兩只光電開關(guān)都檢測到黑線，兩只繼電器同時吸合，小

13、車全速直行。當(dāng)黑線終止的時候，兩個光電開關(guān)發(fā)射管發(fā)出的光線經(jīng)地面反射至接收管，接收管接收到的入射光增加，比例器輸入電平降低，輸出電平跟著降低，兩只繼電器釋放，小車停駛。  3， 由此不難分析出小車拐彎時的狀態(tài)：以小車為第一視角，行駛中遇到順時針彎道，左側(cè)光電開關(guān)首先脫離黑線，繼電器J1釋放，右輪停轉(zhuǎn);左輪帶動小車做順時針轉(zhuǎn)動，直至左側(cè)光電開關(guān)回復(fù)到黑線上方。  4， 逆時針彎道的轉(zhuǎn)向狀態(tài)與上面相反。  5， 避障控制是利用74HC240的使能端來實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)小車前方?jīng)]有障礙物的時候，74HC240的1腳，11腳因?yàn)?0K下拉電阻的作用，

14、保持在低電平，對應(yīng)的四只反相器U1,U2，U3，U4為使能狀態(tài)。9腳為高電平，LED燈亮，小車按設(shè)計(jì)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)遇到障礙物的時候，1腳和11腳為高電平，四組反相器為關(guān)斷狀態(tài)，LED燈滅，小車靜默。避障開關(guān)的優(yōu)先級高于光電開關(guān)，無論小車在那種運(yùn)行狀態(tài)，只要避障開關(guān)動作，都會強(qiáng)制小車進(jìn)入靜默狀態(tài)。  總結(jié)起來如下表所示：狀態(tài) 避障開關(guān) 右光電開關(guān) 左光電開關(guān) 繼電器J1 繼電器J2 右輪 左輪 小車1 斷 黑 黑 吸和 吸和 轉(zhuǎn) 轉(zhuǎn) 前進(jìn)2 斷 黑線 白 釋放 吸和 停 轉(zhuǎn) 順時針3 斷 白 黑線 吸和 釋放 轉(zhuǎn) 停 逆時針4 斷 白 白 釋放 釋放 停 停 停5 通 任意 任意

15、釋放 釋放 停 停 停  下圖是光電開關(guān)的安裝示意。兩只紅外線光電開關(guān)焊接在一片裁剪成條形的洞洞板上，要求模塊間距略小于路面黑線的寬度。也就是當(dāng)小車直線行駛的時候，兩只模塊同時位于黑線上方。  用兩根曲別針彎一對L型的支架，把傳感器板固定在小車前部。鐵質(zhì)曲別針很好定型，使得微調(diào)光電開關(guān)與路面間距變得很簡單。線路圖里面的電阻數(shù)值是配合ITR20001-T型紅外線光電開關(guān)，經(jīng)過實(shí)際試驗(yàn)決定的。當(dāng)傳感器距離路面5MM的情況下，可以準(zhǔn)確動作。如果愛好者使用其他型號的光電開關(guān)，電阻數(shù)值需要做適當(dāng)調(diào)整。 下圖所示為避障開關(guān)的做法。簡單到只需要一根電阻腿，一

16、段網(wǎng)線。  用電阻腿彎一個圓圈焊在洞洞板上，做為開關(guān)的定片;網(wǎng)線剝皮穿過圓圈焊在洞洞板上，與圓圈保持微小的間距，做為開關(guān)的動片。在網(wǎng)線碰到物體的時候，定片和動片接觸，觸發(fā)電路動作。  因?yàn)?4HC系列的芯片為CMOS器件，輸入阻抗很高，這里可以忽略開關(guān)的接觸電阻，即使有幾百歐姆的接觸電阻也不會影響電路的正常動作，實(shí)際上這個簡陋的土制開關(guān)動作非常靈敏。 因?yàn)殡娐繁容^簡單，控制板的焊接過程不再做過多說明。5X7厘米的洞洞板空間很大，我把光電開關(guān)的電阻用串并聯(lián)的方式焊在的電路板上，這樣有兩個好處：一是可以很方便的通過短路個別電阻來調(diào)整傳感器靈敏度，二

17、是分散的電阻布局使得線路板看上去不會顯得太空，外觀上比較美觀。  下面幾張圖是制成的小車。   后話： 從自動控制系統(tǒng)的角度來分析，本文所制作的循線小車(包括其他文章介紹的單片機(jī)循線小車)是一個隨動系統(tǒng)，隨動系統(tǒng)的輸入信號是一個隨時間變化的函數(shù)，系統(tǒng)的任務(wù)是在存在擾動的情況下，保證輸出量以一定的精度跟隨輸入信號的變化。  隨動系統(tǒng)在工業(yè)、交通和國防等部門都有著廣泛的應(yīng)用，比如機(jī)床的自動控制，車輛的智能轉(zhuǎn)向，火炮的控制和衛(wèi)星導(dǎo)航等。機(jī)器人愛好者制作的循線小車可以說是一臺小中見大的模型，分析和改善它的不足，對深入了解大

18、型的系統(tǒng)亦會有很大幫助。  比如，這臺循線小車使用繼電器來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，電磁式繼電器具有吸合電壓高于釋放電壓的特性，相當(dāng)于在控制系統(tǒng)中加入了積分環(huán)節(jié)。微型電機(jī)的減速箱，存在齒輪傳動間隙。這些因素都會增大系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，直觀的結(jié)果是小車遇到弧度比較小的黑線軌道時轉(zhuǎn)彎效果不好，會出現(xiàn)車體來不及響應(yīng)運(yùn)算指令，傳感器同時脫離黑線的情況。而在從弧線進(jìn)入直線的時候，因?yàn)辇X輪間隙造成光電開關(guān)的位移誤差，使左右兩邊的繼電器頻繁動作。   以下有幾個改進(jìn)的辦法供大家探討： 1，使用快速響應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動電路，比如在單片機(jī)小車?yán)锩娼?jīng)常采用的L293D，L29

19、8N等電機(jī)驅(qū)動芯片。  2，增加光電開關(guān)的數(shù)量，這個方法在單片機(jī)循線小車?yán)镆矎V泛采用，原理是相通的。  3，在光電開關(guān)與比例器之間加入由阻容器件構(gòu)成的串聯(lián)超前校正網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的補(bǔ)償放大器。比例加微分控制(PD)就是一種超前校正，可以提高小車運(yùn)行的穩(wěn)定性和快速性。  還可以對光電開關(guān)和避障開關(guān)進(jìn)行改進(jìn)。如使用經(jīng)過調(diào)制的信號來驅(qū)動光電開關(guān)的紅外線發(fā)射管，接收管輸出信號經(jīng)過濾波器再進(jìn)入模擬計(jì)算機(jī)，以避免外界雜散光線的干擾。避障開關(guān)也可以使用紅外線或者超聲波模塊改成非接觸式的。  下圖是改進(jìn)版的線路圖，擴(kuò)展了光電模塊，使用了L293D驅(qū)動芯片。注意這個線路還沒有經(jīng)過測試，僅供參考。 隨著科技的發(fā)