最基礎(chǔ)電學(xué)電路:仿生避障機(jī)器人制作

這是一個(gè)簡單到令人發(fā)指的仿生避障機(jī)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(shí)會(huì)掉頭，看起來有 點(diǎn)象一只瘋狂的小強(qiáng)。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(gè)在朋友面前炫耀一下 這就是我做的智能機(jī)器人么？

一般智能的機(jī)器人都是用單片機(jī)芯片（MCU微處理器）做控制，簡單一點(diǎn)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(jī)器 人的第一個(gè)項(xiàng)目，這里將介紹一個(gè)電路最簡單的機(jī)器人，其不僅不需要單片機(jī)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(gè)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?yàn)槿绱?，在本PVC系列教材沒有進(jìn)到深入內(nèi)容的時(shí)候就對(duì)其進(jìn)行介紹。

本項(xiàng)目主要面向DIY機(jī)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(dòng)手制作能力，包括基本的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作，以及基本的電路連接技能。如果是對(duì)此已經(jīng)非常熟悉的朋友，可以跳過本章節(jié)。

這是一個(gè)簡單的避障機(jī)器人，所謂“避障”即避開障礙物，實(shí)際上就是遇到障礙物時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)彎掉頭。

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

在此，我給本項(xiàng)目的避障機(jī)器人再起一個(gè)外號(hào)——瘋狂的小強(qiáng)，呵呵。

1基本原理

本項(xiàng)目的避障機(jī)器人采用三輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)：前面左右兩邊的兩個(gè)輪子是主動(dòng)輪，各接一個(gè)電機(jī)作為動(dòng)力；后輪是從動(dòng)輪，起到平衡的作用。

1.1運(yùn)動(dòng)機(jī)理

控制前面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向就可以控制整個(gè)機(jī)器人行進(jìn)的方向：

1、左右兩個(gè)前輪都向前轉(zhuǎn)，則機(jī)器人向“正前方”直線前進(jìn)；

2、左右兩個(gè)前輪都向后轉(zhuǎn)，則機(jī)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(jī)器人將以后輪為軸心逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，即實(shí)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(jī)器人將以后輪為軸心順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，即實(shí)現(xiàn)向“左后方”轉(zhuǎn)彎倒退。

1.2控制原理

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

特殊注意一下，左右觸須與對(duì)應(yīng)控制的電機(jī)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(jī)；右邊的觸須連接左邊的碰撞開關(guān)，控制左邊的電機(jī)。

（1）無障礙物

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

（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(shí)，控制右邊的輪子反轉(zhuǎn)，則機(jī)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(huì)持續(xù)一會(huì)，在完成轉(zhuǎn)彎之后，左邊觸須不再碰到障礙物，則兩個(gè)輪子都正轉(zhuǎn)，機(jī)器人繼續(xù)向新的沒有障礙物的“前方”直線前進(jìn)。

（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(shí)，控制左邊的輪子反轉(zhuǎn)，則機(jī)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(huì)持續(xù)一會(huì)，在完成轉(zhuǎn)彎之后，右邊觸須不再碰到障礙物，則兩個(gè)輪子都正轉(zhuǎn)，機(jī)器人繼續(xù)向新的沒有障礙物的“前方”直線前進(jìn)。

（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(huì)碰到障礙物，控制左右兩邊的輪子都反轉(zhuǎn)，則機(jī)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(huì)后，左右兩邊的觸須都不再碰到障礙物，則兩個(gè)輪子都正轉(zhuǎn)又變成直線前進(jìn)；然后又會(huì)遇到正前方的障礙物又會(huì)直線倒退，再直線前進(jìn)……如此反復(fù)變成一個(gè)死循環(huán)。

理論上會(huì)出現(xiàn)以上這樣的問題，但是實(shí)際上并不會(huì)，因?yàn)闊o論是左右輪的摩擦系數(shù)有所差異，還是左右兩組電機(jī)的驅(qū)動(dòng)功率有所差異，或是左 右兩組電機(jī)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(huì)導(dǎo)致實(shí)際上左右兩邊的觸須碰到障礙物有一個(gè)時(shí)間差，都無法做到兩邊 輪子同時(shí)反轉(zhuǎn)，也就是說向后倒退的時(shí)候不是完全的直線而是會(huì)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(huì)出現(xiàn)偏移，最終解除循環(huán)避開 障礙物向新的方向前進(jìn)。

在以上視頻中，我們也可以看到這一有趣的一幕，機(jī)器人連續(xù)幾次反復(fù)撞上“墻壁”，最后還是會(huì)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(shí)候機(jī)器人會(huì)卡在墻角停頓了好一陣，然后才轉(zhuǎn)向。這是因?yàn)橛行r(shí)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(jī)器人在電機(jī)的推動(dòng)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(jī)器人在墻角停頓了一會(huì)才轉(zhuǎn)向的情景。出現(xiàn)這情況，如果電機(jī)的輸出功率不足，或是由于電池的電量下降導(dǎo)致動(dòng)力不足，可能會(huì)導(dǎo)致機(jī) 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(gè)時(shí)候要么是換大功率的電機(jī)，要么就是換新電池。