用NE555制作尋光機(jī)器人

在日常生活和學(xué)習(xí)中充斥著高新技術(shù)的今天，“低技術(shù)”表達(dá)的是回歸自然和傳統(tǒng)，去挖掘人類早已擁有的聰明才智。低技術(shù)不要求我們一味地追求技術(shù)的尖端化，但其所展現(xiàn)的科技成果和科學(xué)理念同樣精彩。本文將通過(guò)一部尋光機(jī)器人的制作，向大家展示低技術(shù)的魅力。

　　一、低技術(shù)機(jī)器人

　　尋光機(jī)器人，相信很多機(jī)器人愛(ài)好者都曾經(jīng)研究和實(shí)際制作過(guò)。常見(jiàn)的設(shè)計(jì)思路是采用一對(duì)光電傳感器檢測(cè)環(huán)境光，傳感器的輸出信號(hào)送入單片機(jī)I/O口，或者AD口(進(jìn)行AD變換，視傳感器輸出信號(hào)而定)，經(jīng)過(guò)程序算法，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)一對(duì)減速電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)做差速運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)器人向著光線強(qiáng)的位置運(yùn)動(dòng)。這類解決方案，從機(jī)器人電子部分的造價(jià)來(lái)看，現(xiàn)在市場(chǎng)上機(jī)器人專用光電傳感器大概在20元一只;單片機(jī)，常見(jiàn)的51、AVR、PIC在5～10元，與之配套的PCB工程板在50元左右;雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293、L298在8元左右;此外還有單片機(jī)編程所需的配套軟件，下載燒錄硬件等。

　　那么，用低技術(shù)的設(shè)計(jì)思路來(lái)制作一個(gè)尋光機(jī)器人，可以把電路簡(jiǎn)化到什么程度呢?它的造價(jià)又可以做到多低呢?答案是只需要三個(gè)元件：一片NE555和一對(duì)光敏電阻。這個(gè)低技術(shù)機(jī)器人的電子部分，造價(jià)將小于1元。NE555尋光機(jī)器人的線路如圖1所示。它是由GrantM在2001年設(shè)計(jì)的。

　　從圖1中可以看出，NE555工作在雙穩(wěn)態(tài)，第2腳和6腳連接在一起構(gòu)成施密特觸發(fā)器模式。光敏電阻構(gòu)成機(jī)器人的虛擬視野，用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人前方的環(huán)境光。機(jī)器人的左眼與右減速電機(jī)、右眼與左減速電機(jī)，是彼此協(xié)同工作的，根據(jù)雙眼檢測(cè)到的環(huán)境光線的差異，由NE555驅(qū)動(dòng)兩只電機(jī)做差速運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)小車向著光線的方向前進(jìn)。從電路的角度來(lái)看，非常簡(jiǎn)單，但是其實(shí)質(zhì)上是一部可以移動(dòng)的模擬計(jì)算機(jī)，光敏電阻是這部計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備，電機(jī)是輸出設(shè)備。注意機(jī)器人在物理結(jié)構(gòu)上對(duì)兩個(gè)光敏電阻和減速電機(jī)的安裝位置有嚴(yán)格要求，圖1中所示的左右方位是從車尾向車頭看的，還需要注意兩只電機(jī)的極性不可接反，否則會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)紊亂的現(xiàn)象。

　　表1歸納了機(jī)器人在不同環(huán)境光下的運(yùn)動(dòng)特性。，受光敏電阻夾角位置，元件電氣對(duì)稱性，環(huán)境光的變化，電機(jī)和車體的結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)際機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式非常復(fù)雜。筆者制作的這只機(jī)器人，放在中廳會(huì)尋著光線自己跑到陽(yáng)臺(tái)，在陽(yáng)光下是做一種不規(guī)則的8字轉(zhuǎn)動(dòng);在無(wú)光的環(huán)境下做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。最奇妙的是，因?yàn)槲沂褂昧烁哽`敏度快速響應(yīng)的光敏元件，這部機(jī)器人甚至可以“感覺(jué)”到墻壁的反光，對(duì)墻壁，衣柜，桌子腿這些淺色高反光物體表現(xiàn)出一種避障特性(靠近墻壁會(huì)自己拐彎)。下面是我制作NE555尋光機(jī)器人的過(guò)程。

　　二、制作尋光機(jī)器人

　　業(yè)余制作機(jī)器人是一件非常有趣的事情，愛(ài)好者不光要處理好電路的問(wèn)題，還要解決機(jī)械結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。而制作一部個(gè)性十足的移動(dòng)式機(jī)器人的底盤(pán)，就需要好好動(dòng)一番腦筋了。

　　制作這個(gè)底盤(pán)的原則是在滿足功能的前提下，結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，同時(shí)兼顧一點(diǎn)藝術(shù)性。

　　從圖2中可以看到，這部機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)使用的是最常見(jiàn)，最普通的材料。輪胎、減速電機(jī)和萬(wàn)向輪是入門級(jí)小車機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)配置，在網(wǎng)上可以很容易買到。車體使用一片覆銅板邊角料加工而成。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，替換方便，電機(jī)和電池盒使用雙面膠帶粘接的方式與車體固定。NE555選用常見(jiàn)的8腳雙列直插式封裝，方便焊接。光敏電阻沒(méi)有特殊要求，可以使用能買到的任意規(guī)格的光敏元件，有的LED二極管也呈現(xiàn)出光敏特性，也可以直接拿來(lái)用。我使用的是一對(duì)直徑5mm的紅外線接收管，反相串聯(lián)在+6V電源與地之間。紅外線二極管的好處是適應(yīng)光線范圍大，響應(yīng)時(shí)間比光敏電阻快，在陽(yáng)光、燈光甚至家電遙控器下都可以靈敏的動(dòng)作。

　　我使用一片厚度1.5mm的單面環(huán)氧樹(shù)脂覆銅板作為機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖3)。覆銅板質(zhì)輕，而且有著很好的強(qiáng)度和韌性，也很容易加工。銅皮一面作為機(jī)器人的頂部兼電源地，這樣有兩個(gè)好處：一是可以在銅皮面上迅速的搭建起機(jī)器人的電子部分;二是美觀，黃銅的顏色使這部機(jī)器人看起來(lái)別具一格。

　　機(jī)器人頭部的萬(wàn)向輪使用四組M3螺釘螺母固定在主體上(見(jiàn)圖4)。需要注意在萬(wàn)向輪水平的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)要留有足夠的空間，使它在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不會(huì)碰到機(jī)器人尾部的電池倉(cāng)。為了使機(jī)器人的主體處于水平位置，可能還要根據(jù)后輪的的情況，在萬(wàn)向輪的法蘭盤(pán)上適當(dāng)加一些墊片來(lái)微調(diào)它的高度。

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