最基礎電學(xué)電路:仿生避障機器人制作

這是一個(gè)簡(jiǎn)單到令人發(fā)指的仿生避障機器人，僅由電池、開(kāi)關(guān)、馬達組成最基礎的電學(xué)電路，就能表現出類(lèi)似自然界生物的智能！在遇到障礙物時(shí)會(huì )掉頭，看起來(lái)有 點(diǎn)象一只瘋狂的小強。只要有基本的物理電學(xué)基礎就可以自行制作了，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器人么？

一般智能的機器人都是用單片機芯片（MCU微處理器）做控制，簡(jiǎn)單一點(diǎn)的也需要由一些電阻、電容之類(lèi)的電子元件組成的電子電路做控制。作為PVC系列機器 人的第一個(gè)項目，這里將介紹一個(gè)電路最簡(jiǎn)單的機器人，其不僅不需要單片機芯片，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(kāi)關(guān)、馬達 組成的最基礎的電學(xué)電路，一般只要有基本的物理電學(xué)基礎就可以自行制作了，也正因為如此，在本PVC系列教材沒(méi)有進(jìn)到深入內容的時(shí)候就對其進(jìn)行介紹。

本項目主要面向DIY機器人的初學(xué)者，可以讓大家回顧一下物理電學(xué)基礎，然后側重在練習動(dòng)手制作能力，包括基本的機械結構的設計與制作，以及基本的電路連接技能。如果是對此已經(jīng)非常熟悉的朋友，可以跳過(guò)本章節。

這是一個(gè)簡(jiǎn)單的避障機器人，所謂“避障”即避開(kāi)障礙物，實(shí)際上就是遇到障礙物時(shí)會(huì )轉彎掉頭。

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(lái)有點(diǎn)象一只瘋狂的小強，如果放在地上則會(huì )滿(mǎn)屋子跑，追都追不上。

在此，我給本項目的避障機器人再起一個(gè)外號——瘋狂的小強，呵呵。

1基本原理

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

1.1運動(dòng)機理

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

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

2、左右兩個(gè)前輪都向后轉，則機器人向“正后方”直線(xiàn)倒退；

3、左前輪向后轉，右前輪向前轉，則機器人將以后輪為軸心逆時(shí)針轉動(dòng)，即實(shí)現向“右后方”轉彎倒退；

4、左前輪向前轉，右前輪向后轉，則機器人將以后輪為軸心順時(shí)針轉動(dòng)，即實(shí)現向“左后方”轉彎倒退。

1.2控制原理

在機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(kāi)關(guān)，分別控制兩個(gè)前輪的旋轉方向。

特殊注意一下，左右觸須與對應控制的電機是交叉過(guò)來(lái)的，即：左邊的觸須連接右邊的碰撞開(kāi)關(guān)，控制右邊的電機；右邊的觸須連接左邊的碰撞開(kāi)關(guān)，控制左邊的電機。

（1）無(wú)障礙物

當前方都沒(méi)有障礙物，左右兩個(gè)輪子都向前正轉，則機器人向“前方”直線(xiàn)前進(jìn)。

（2）左前方有障礙物

當左前方有障礙物，在左邊觸須碰到障礙物時(shí)，控制右邊的輪子反轉，則機器人向“左后方”倒退并轉彎，即方向轉向了障礙物的右邊，從而避開(kāi)了左邊的障礙物。

向后倒退轉彎會(huì )持續一會(huì )，在完成轉彎之后，左邊觸須不再碰到障礙物，則兩個(gè)輪子都正轉，機器人繼續向新的沒(méi)有障礙物的“前方”直線(xiàn)前進(jìn)。

（3）右前方有障礙物

當右前方有障礙物，在右邊觸須碰到障礙物時(shí)，控制左邊的輪子反轉，則機器人向“右后方”倒退并轉彎，即方向轉向了障礙物的左邊，從而避開(kāi)了右邊的障礙物。

向后倒退轉彎會(huì )持續一會(huì )，在完成轉彎之后，右邊觸須不再碰到障礙物，則兩個(gè)輪子都正轉，機器人繼續向新的沒(méi)有障礙物的“前方”直線(xiàn)前進(jìn)。

（4）正前方有障礙物

當正前方有障礙物，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，則機器人向“正后方”倒退，從而避開(kāi)障礙物。

在直線(xiàn)倒退持續了一會(huì )后，左右兩邊的觸須都不再碰到障礙物，則兩個(gè)輪子都正轉又變成直線(xiàn)前進(jìn)；然后又會(huì )遇到正前方的障礙物又會(huì )直線(xiàn)倒退，再直線(xiàn)前進(jìn)……如此反復變成一個(gè)死循環(huán)。

理論上會(huì )出現以上這樣的問(wèn)題，但是實(shí)際上并不會(huì )，因為無(wú)論是左右輪的摩擦系數有所差異，還是左右兩組電機的驅動(dòng)功率有所差異，或是左 右兩組電機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(wú)法做到兩邊 輪子同時(shí)反轉，也就是說(shuō)向后倒退的時(shí)候不是完全的直線(xiàn)而是會(huì )有所偏移。而且即便第一次是直線(xiàn)后退，但在往復幾次碰撞之后肯定會(huì )出現偏移，最終解除循環(huán)避開(kāi) 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，機器人連續幾次反復撞上“墻壁”，最后還是會(huì )重新轉向另外的方向。

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)候機器人會(huì )卡在墻角停頓了好一陣，然后才轉向。這是因為有些時(shí)候由于觸須碰撞墻 壁的角度比較偏，不是正面碰撞，導致碰撞的力度不夠，觸須無(wú)法立即觸發(fā)碰撞開(kāi)關(guān)響應，而機器人在電機的推動(dòng)下不斷的擠向墻壁，緩慢的擠壓后才觸發(fā)了碰撞開(kāi) 關(guān)控制轉向，也就是看到了機器人在墻角停頓了一會(huì )才轉向的情景。出現這情況，如果電機的輸出功率不足，或是由于電池的電量下降導致動(dòng)力不足，可能會(huì )導致機 器人在墻角無(wú)力擠壓觸發(fā)碰撞開(kāi)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，要么就是換新電池。