科技制作方案機器人制作太陽能陀螺

1、機器人制作：太陽能陀螺 機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器人的制作過程。本文寫給對機械電子裝置有濃厚興趣的愛好者。如果你是一名機電專業(yè)的學生，看完本文也會有所啟發(fā)。首先從一只入門級的微型機器人-太陽能陀螺開始。它將實現(xiàn)以下的功能：1，在陽光下自動運轉(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，可以7*24小時運轉(zhuǎn)。它的壽命取決于運轉(zhuǎn)環(huán)境和機件磨損。太陽能電池的設計壽命一般為六年，電解電容一般為三年;電機的磨損，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問，使用正確的工具可以事半工倍。下列是必要的基礎工具：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，實在沒有再去買。廢電腦、電話、手機、游戲機里面都可以拆出有利用價值的材料。我認為

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 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。電機是光驅(qū)倉門機構(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。機器人的線路圖：這是一個經(jīng)典的BEAM機器人太陽能引擎，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：實體化以后的裝置是一個基于隨機振蕩器的閥值設備，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負載的影響。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械部分。機器人不同于純電子線路，它是一個電子和機械的結(jié)合體。機械部分的制作比較考驗手工和空間想象能力，這部分是最有趣的，我們的目標是在滿足功能的基礎上兼顧美觀。用上述的材料，發(fā)動你的頭腦，拼出一只獨一無二的機器人骨架吧。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，放置在中心的電機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極的匯流母線;第二是保護環(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器人的運動方向。下一步是在洞洞板上焊接電子部分，三只電解的負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，彎成三個固定電機的框架，把電機包在架子里。注意曲別針卡入電機螺絲孔里的那一端不要留太長，否則會阻礙電機轉(zhuǎn)子的運轉(zhuǎn)。如下圖C,D,E所示：剩下的工作是最后的總裝。

6、用膠條或者尼龍扎帶固定好包圍電機外框的曲別針，利用這三根曲別針把電機和電容線路板結(jié)合到一起。這里可以不管電機的極性，只是最后正反轉(zhuǎn)的區(qū)別。注意電機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)應該和桌面有一個傾斜角度，除了電機主軸，還有兩只電容著地。這樣電路觸發(fā)電機啟動的時候，機器人是做弧形運動的;當圓環(huán)在運動的方向碰到障礙物的時候，機器人傾斜的方向就會改變，著地的電容就會改變，弧形運動的方向就跟著改變了。倉門電機的軸比較細，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，起到保護電容和減少運動阻力的作用。如下

7、圖F,G,H：下圖是最后完成的樣子，為了讓這只機器人看起來更像一臺機器，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，電機轉(zhuǎn)一下就停止，電路不再觸發(fā)。電機靈敏度太高，嘗試在電機兩端并聯(lián)一根幾十歐姆的電阻。2，電機不轉(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)過我的實驗，耐壓高，體積大的儲能電容用在這個

8、機器人上效果最好。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。模擬計算機循線小車循線小車的制作可以說是機器人愛好者的一門必修課。但是我們?？吹降奈恼麓蠖蓟趩纹瑱C架構(gòu)，要完整制作出一臺這樣的小車，需要掌握單片機、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)學習過單片機的愛好者來說有一定難度。本文介紹一部由模擬計算機控制的循線小車，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。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。下圖是準備好的材料，很簡單吧?除了電機，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。把減速電機稍微靠前，固定在一片洞洞板上。這里電機是用鐵絲纏繞并焊接固定的，簡單點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。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。把電機和電源都單獨引出接頭，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小車，換不同的控制板，實現(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算機控制的。模擬計算機是用電流、電壓等連續(xù)變化的物理量直接進行運算的計算機，由運算放大器構(gòu)成核心器件，運算過程不存在模數(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細導線 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運轉(zhuǎn)。這里使用的是一片八路反相驅(qū)動芯片74HC240作為模擬計算機的核心。讀者也可以使用通用運算放大器接成反相器來替代，控制效果是一樣的。  以下是小車運行狀態(tài)的分析： 1， 當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，與之相應的減速電機帶動車輪轉(zhuǎn)動。  2， 當左右兩只光電開關(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的使能端來實現(xiàn)的。當小車前方?jīng)]有障礙物的時候，74HC240的1腳，11腳因為10K下拉電阻的作用，

14、保持在低電平，對應的四只反相器U1,U2，U3，U4為使能狀態(tài)。9腳為高電平，LED燈亮，小車按設計運轉(zhuǎn)。當遇到障礙物的時候，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)，無論小車在那種運行狀態(tài)，只要避障開關(guān)動作，都會強制小車進入靜默狀態(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)過實際試驗決定的。當傳感器距離路面5MM的情況下，可以準確動作。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。  因為74HC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，實際上這個簡陋的土制開關(guān)動作非常靈敏。 因為電路比較簡單，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用，比如機床的自動控制，車輛的智能轉(zhuǎn)向，火炮的控制和衛(wèi)星導航等。機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，相當于在控制系統(tǒng)中加入了積分環(huán)節(jié)。微型電機的減速箱，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)車體來不及響應運算指令，傳感器同時脫離黑線的情況。而在從弧線進入直線的時候，因為齒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。   以下有幾個改進的辦法供大家探討： 1，使用快速響應的電機驅(qū)動電路，比如在單片機小車里面經(jīng)常采用的L293D，L29

19、8N等電機驅(qū)動芯片。  2，增加光電開關(guān)的數(shù)量，這個方法在單片機循線小車里也廣泛采用，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)絡和相應的補償放大器。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)進行改進。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)過濾波器再進入模擬計算機，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。  下圖是改進版的線路圖，擴展了光電模塊，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)