机器人/设计基础/物理设计

一般设计注意事项

设计机器人需要在尺寸（主要是重量）、电机功率和电池功率之间取得平衡。这三个元素相互关联（更多电池功率会增加机器人的重量，需要更强大的电机），找到“完美”的平衡需要大量的调整和实验。尝试以输出/质量描述重型组件（例如电机：扭矩/公斤；电池：毫安时/公斤），并选择提供最高值的组件。

使用轻质材料可以显着降低重量（铝代替钢）。用轻金属制造框架，用塑料板作为表面，会比用金属板轻得多。对于小型机器人，亚克力塑料是一种很好的材料，而且易于使用。

除了切割和钻孔自己的铝板外，还有其他方法可以构建机器人。乐高科技和麦卡诺等玩具虽然价格昂贵，但当你没有能力切割和钻孔自己的零件时，它们是一个选择。特别是麦卡诺（或者更好的是：便宜的仿制品）即使你制作自己的零件，它也很有用。拥有一个带有标准孔和尺寸的零件集合非常方便。当然，如果你打算添加麦卡诺零件，你需要在正确的距离和尺寸上钻自己的孔。这些值可能（很可能）会因不同仿制品的“品牌”而异。所以当它们打折出售时，买几个盒子是个好主意。螺丝倾向于为 M5（在我见过的这套中，这是唯一一个常见的数值。孔间距很少匹配）。

另一个可以使用的好套装是来自 Radioshack 的 Vex™ 机器人设计套装。该套件中的所有零件都是金属的，每半英寸都有预钻孔。这使得更容易添加你可能已经拥有的零件。这套件为你提供了开始使用机器人的一切所需。如果你不想购买整套，你可以只购买 Vex™ 金属和硬件机器人入门套装。

当你开始你的设计时，首先决定你想要你的机器人有多大。不要考虑确切的尺寸，把它与某个物体的尺寸进行比较（“鞋盒大小”）就足够了。在获得电机和电池之后，可以“计算”出确切的值，因为这些值会对机器人的尺寸和形状产生很大的影响。

估计一下完整机器人的重量，然后选择你的电机和轮子。请记住，你需要高扭矩和低速度。裸露的直流电机具有高速和低扭矩，添加齿轮减速器可以解决这个问题。带有减速齿轮的电机也可用。电机的速度和轮子的尺寸决定了机器人的移动速度。

例如：RB-35 是一款带有 1:50 减速器的电机。它以 120 RPM 或每秒 2 转的速度运行。让我们选择一个直径为 20 厘米（半径 R = 10 厘米）的轮子。这个轮子的周长为 2 x $\pi$ x R = 2 x 3.14 x 10 = 62.8 厘米。这意味着轮子转一圈会移动 62.8 厘米。当我们将这个轮子安装在电机上时，它会每秒转两圈，因此移动 2 x 62.8 厘米 = 125.6 厘米。所以它的速度将是 125.6 厘米/秒或 1.256 米/秒。

实际上，这个速度会稍微低一些，因为电机在没有负载的情况下以 120 RPM 运行。但即使是 1 米/秒对于室内机器人来说也相当快。你可能会使用 PWM 或其他方法来减慢它的速度。

选择你的电池。确保你有足够的电量让电机和所有电子设备持续运行足够长的时间，并为未来的添加保留一些储备。比较你选择的电池和电机的重量与你原定的计划。你可能需要重新考虑这一部分（选择不同的电机和/或电池）。请记住，机器人的主体有相当大的重量。

平台

轮式平台

轮式平台可以有任意数量的轮子。最常见的是 3 轮、4 轮和 6 轮车辆（不包括用于反馈的轮子）。其他数字也是可能的，但可能难以构建，例如 1 轮或 2 轮机器人，或者有太多轮子，这会使转弯变得困难或复杂。基本上，有两种类型的轮子：动力轮和非动力轮。前者由电机驱动，用于向前（或向后）移动机器人。非动力轮用于通过提供与地面的接触点来保持机器人的平衡。

转弯

转弯可以通过多种不同的方式完成

差速转向（坦克式转向）
- 使一个轮子向前移动，另一个轮子向后移动。机器人会在一个中心位于两个动力轮之间的很小的圆圈内旋转。
- 使一个轮子的速度比另一个轮子的速度慢，机器人会朝速度较慢的轮子方向转弯。转弯的速度取决于两个速度之间的差异有多大。

阿克曼转向：这与汽车使用的转向系统相同。实现起来比较复杂，因为内轮和外轮需要转向不同的角度。

螃蟹行走：在螃蟹行走转向中，每个轮子都可以独立转弯。这可以非常灵活，但需要复杂的机械结构，要么转动整个电机/齿轮箱/车轮组件，要么从静止安装的电机传递动力。第二种选择更难构建，但可能比第一种选择有优势。

三轮平台：这些平台可以有多种形式，铰接的轮子可以是动力轮，也可以是两个固定轮子是动力轮，或者两者兼而有之。这些通常是为非常特定的目的而建造的。

全向轮：全向轮的设计基于使用一系列自由旋转的桶形滚轮，这些滚轮以交错的图案安装在更大直径的主轮的周边。为此，你需要 4 个动力轮。然而，这些轮子允许在任何方向移动而无需转弯（包括横向和对角线移动），并且可以像坦克式转向一样转弯。构建这些轮子很费时，但它是一种非常强大的转向方法。此外，廉价的全向轮在市面上有售，通常用于输送机。然而，一个缺点是缺乏横向牵引力；如果有什么东西正在向侧面推机器人，它就依赖于电机或刹车的强度来约束它。全向轮用于代替万向轮可以提供更快的响应，并且通常可以滚过更大的障碍物。

履带式平台

履带式平台使用与坦克类似的履带。这种推进方式仅在松散的沙子和泥土上有用，因为混凝土和地毯在转弯时会提供过多的水平牵引力，导致履带从导轨上脱落。

步行者

步行者是使用腿而不是轮子或履带的机器人。这些机器人比轮式机器人更难建造，对于经验丰富的建造者来说是一个不错的挑战。步行者旨在模仿动物（或人类）的移动方式。

两足步行者或双足动物

这是最难的一种步行方式。这种类型试图模仿人类的行走方式。最大的问题是平衡。

双足步行者主要用于两种目的：模仿人类和提供大量的力与牵引力。模仿人类的较高步行者很难建造，需要许多平衡电路和装置、快速运动和精确的结构。就像任何人类都知道的那样，它们也会被推倒、绊倒等等。较短、较宽的步行者可以用来搬运重物。使用步行者时，可以使用气动系统，气动系统可以提供比电机更大的力。但是，使用这种系统转弯几乎是不可能的。

四足步行者

四足步行者模仿四足动物。许多这类设计最终一次移动一条腿，而不是动物典型的两条腿运动。它需要三条腿在地上才能提供静态平衡。动态平衡同时移动两条腿可以提供更快、更流畅的运动。

六足步行者或六足机器人

这些步行者是昆虫的模仿。许多这类步行者一次移动三条腿以提供静态平衡。因为一半的腿可以在不失去静态平衡的情况下移动，所以六足步行者实际上比四足步行者更容易建造。

注意：静态平衡意味着结构始终处于平衡状态。这意味着，如果机器人随时停止移动，它不会倒下。相反，存在动态平衡。这意味着机器人只有在完成步态时才处于平衡状态。如果它在步态中途停止，它就会倒下。虽然这听起来像一件坏事，但动态平衡可以实现更快、更平稳的运动，但需要传感器来感知平衡。动物和人类都以动态平衡的方式移动。

轮足

有各种轮腿组合对不同的地形非常有用。有关详细信息，请参见[1]。

球轮

这种推进方式与经典的电脑鼠标的工作方式非常相似：一个球体安装在一个外壳中，可以自由地向任何方向旋转。两个围绕球体的轮子以 90° 的角度安装在该球体上，平行于地面。一个轮子记录上下运动，另一个轮子记录左右运动。

球轮使用相同的设置，但将内部轮子连接到电机。这样，球体可以被制作成向任何方向旋转。配备球轮的机器人可以上下左右移动，但不能绕其垂直轴旋转。使用 3 个球轮也可以旋转。

电子设备

机器人的电子设备通常分为 6 类

电机控制：控制电机、伺服电机等的运动。继电器和 PWM H 桥属于此类别。
传感器读取：读取传感器并将此信息提供给控制器。
通信：提供控制器与外部 PC、另一个机器人或遥控器之间的连接。
控制器：微控制器板、处理器板或逻辑板。这部分根据传感器输入和机器人的程序做出决策。
电源管理：提供来自电池的固定 5VDC、12VDC 或任何其他级别的部件。监控电池状态的电路。
粘合逻辑：允许所有部件相互连接的其他电子设备。一个例子是 CMOS 到 TTL 电平转换器。

并非所有机器人中都包含这些类别，也不是每个电路都完全属于一个类别。许多机器人不需要单独的传感器板，因为很多传感器都内置了电子设备，允许它们直接连接到微控制器/处理器。

一些提示

使用低功耗（或更暗）的 LED。始终如此。这大大减少了电路消耗的电流。普通 LED 消耗大约 15 mA。现代微控制器消耗大约相同。建议禁用不必要的 LED，但并不总是可行。

使用 CMOS 集成电路而不是经典的 TTL。这同样可以减少电流使用，并允许更宽松的供电电压。但在焊接它们时要注意它们对静电的敏感性。

使用高质量的集成电路插座（或者最好根本不要使用集成电路插座）。它们的价值物超所值。

避免在敏感电路（高速数字、时钟信号和模拟信号）上使用集成电路插座。移动机器人会随着时间的推移而将这些集成电路插座松动。使用电路内可编程微控制器可以消除对拔出集成电路的需求。

LED 非常实用，可以使缓慢的数字信号可见，在某些信号线上添加它们可能对测试很有趣，但是，它们确实会增加功耗。当你的电路正常工作时，将它们移除可以使其更节能（用一根导线替换 LED，用一个更高值的电阻替换电阻）。

看看你的微控制器是否可以以更低的时钟速度运行。时钟速度越高，消耗的能量就越多。

尽可能使用微控制器的休眠功能，禁用任何不需要的部分（例如片上 ADC）。

学习制作 PCB（印刷电路板）。这并不难，而且它可以使你的电子设备看起来更专业。不要扔掉你的面包板，PCB 对原型设计来说很不实用。

如果你有能力：在 PCB 上使用 SMD 元件构建你的电路。这可以减小尺寸、重量和成本。但是焊接 SMD 集成电路并不容易。SO 封装（小外形）对于有经验的制造商来说并不难。更小的封装几乎不可能手工完成。在尝试之前先准备好合适的焊接工具。对于许多现代 SMD 微控制器来说，完整的构建和测试板都是可用的。对于那些没有设备、专业知识和耐心来自己焊接这些集成电路的人来说，这可能是一个解决方案。这些板不必像大多数集成电路开发人员销售的演示板那样大，例如 BasicStamp 就是这样一个板，它的尺寸与集成电路一样。

购买一个面包板。它们对设计和测试电路非常宝贵。

如果你打算自己构建电子电路，那就投资一个双通道示波器。单通道非常限制。选择带宽尽可能高的示波器。至少是你打算使用的最高信号频率的 4 倍。

一个好的可变电源非常方便，可以测试你的电路在较低电压下（当电池放电时会发生这种情况）是如何运行的。

如果你可以在上拉电阻和下拉电阻之间选择，选择使用最少能量的那一个。如果电路输出在大部分时间内为 +5V，则使用上拉，如果为 0V 则使用下拉。请记住，当晶体管处于活动状态时，这种输出会消耗能量（当它处于非活动状态时，它会消耗少量能量：通过电阻和下一个电路的输入阻抗的漏电流）。

使用高值电阻作为上拉/下拉。但请记住，高速信号线需要更低的电阻值以最大程度地减少信号失真。

机器人上的大多数电子元件将以 5V 电源运行，需要一个 5V 稳压器。使用低压降稳压器来防止 5V 电源出现电压降。

显示

非常简单的机器人只需要几个 LED 来显示它正在“思考”的一切。

在尝试调试更复杂的机器人软件时，让机器人显示文本非常有用。一些计算器和 PDA 有 RS232 连接器或其他一些简单的方法连接到机器人。

许多机器人都有这样的计算器或 PDA 或其他显示器绑在顶部，以便向人类显示微控制器正在“思考”什么，这比试图猜测那个小硅片内部发生了什么要有效得多。

对于大型机器人，有时会在顶部绑一个全尺寸的笔记本电脑，用于这样的显示目的。

机械设计

平衡

每个人每天都会遇到平衡问题。在行走时，放下一杯水，或者在许多其他情况下，我们必须保持平衡。现在，在大多数情况下，你不需要考虑它，但在设计你的机器人时，你必须关注这个概念。对于大多数设计来说，平衡并不难实现，即使不进行计算。一些经验法则就足够了。对于更复杂的设计，例如带手臂的机器人，你只需遵循一些经验法则和一些常识，但无法保证。进行简单的计算可以清楚地表明机器人是会停留在轮子上还是会翻倒并压碎它试图拿起的东西。

如果你热衷于步行者，你需要更多地关注平衡。腿的数量越少，平衡就越重要。

简单的四轮机器人

这类机器人的平衡性很容易实现。只需将重心保持在轮子之间（想象一个穿过轮子中心的矩形），并尽可能降低。在实际应用中，这意味着将重部件（例如电池）放置在机器人的中心位置，并尽可能降低高度。

简单三轮机器人

这些设计与四轮机器人一样简单；区别在于需要将重心保持在由轮子形成的三角形的中心附近。如果你的机器人是矩形的，避免将重量放在两个不受支撑的角落。这些点容易使机器人翻倒。

带有手臂或夹持器的轮式机器人

对于手臂或夹持器的运作，在简单情况下我们需要借助步进电机，而在复杂情况下则需要使用传感器。