最基礎電學電路:仿生避障機器人制作

這是一個簡單到令人發(fā)指的仿生避障機器人，僅由電池、開關、馬達組成最基礎的電學電路，就能表現(xiàn)出類似自然界生物的智能！在遇到障礙物時會掉頭，看起來有 點象一只瘋狂的小強。只要有基本的物理電學基礎就可以自行制作了，你就不想自己做一個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，簡單一點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系列機器 人的第一個項目，這里將介紹一個電路最簡單的機器人，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，完全是一個僅由電池、開關、馬達 組成的最基礎的電學電路，一般只要有基本的物理電學基礎就可以自行制作了，也正因為如此，在本PVC系列教材沒有進到深入內(nèi)容的時候就對其進行介紹。

本項目主要面向DIY機器人的初學者，可以讓大家回顧一下物理電學基礎，然后側(cè)重在練習動手制作能力，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，可以跳過本章節(jié)。

這是一個簡單的避障機器人，所謂“避障”即避開障礙物，實際上就是遇到障礙物時會轉(zhuǎn)彎掉頭。

以下為效果視頻，為了拍攝方便是放在一個小盒子里的，由于地方窄動作也比較快，看起來有點象一只瘋狂的小強，如果放在地上則會滿屋子跑，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結構：前面左右兩邊的兩個輪子是主動輪，各接一個電機作為動力；后輪是從動輪，起到平衡的作用。

1.1運動機理

控制前面兩個輪子的轉(zhuǎn)動方向就可以控制整個機器人行進的方向：

1、左右兩個前輪都向前轉(zhuǎn)，則機器人向“正前方”直線前進；

2、左右兩個前輪都向后轉(zhuǎn)，則機器人向“正后方”直線倒退；

3、左前輪向后轉(zhuǎn)，右前輪向前轉(zhuǎn)，則機器人將以后輪為軸心逆時針轉(zhuǎn)動，即實現(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)，則機器人將以后輪為軸心順時針轉(zhuǎn)動，即實現(xiàn)向“左后方”轉(zhuǎn)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碰撞開關，分別控制兩個前輪的旋轉(zhuǎn)方向。

特殊注意一下，左右觸須與對應控制的電機是交叉過來的，即：左邊的觸須連接右邊的碰撞開關，控制右邊的電機；右邊的觸須連接左邊的碰撞開關，控制左邊的電機。

（1）無障礙物

當前方都沒有障礙物，左右兩個輪子都向前正轉(zhuǎn)，則機器人向“前方”直線前進。

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

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

（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碰到障礙物，控制左右兩邊的輪子都反轉(zhuǎn)，則機器人向“正后方”倒退，從而避開障礙物。

在直線倒退持續(xù)了一會后，左右兩邊的觸須都不再碰到障礙物，則兩個輪子都正轉(zhuǎn)又變成直線前進；然后又會遇到正前方的障礙物又會直線倒退，再直線前進……如此反復變成一個死循環(huán)。

理論上會出現(xiàn)以上這樣的問題，但是實際上并不會，因為無論是左右輪的摩擦系數(shù)有所差異，還是左右兩組電機的驅(qū)動功率有所差異，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，都會導致實際上左右兩邊的觸須碰到障礙物有一個時間差，都無法做到兩邊 輪子同時反轉(zhuǎn)，也就是說向后倒退的時候不是完全的直線而是會有所偏移。而且即便第一次是直線后退，但在往復幾次碰撞之后肯定會出現(xiàn)偏移，最終解除循環(huán)避開 障礙物向新的方向前進。

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(xù)幾次反復撞上“墻壁”，最后還是會重新轉(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，就是有些時候機器人會卡在墻角停頓了好一陣，然后才轉(zhuǎn)向。這是因為有些時候由于觸須碰撞墻 壁的角度比較偏，不是正面碰撞，導致碰撞的力度不夠，觸須無法立即觸發(fā)碰撞開關響應，而機器人在電機的推動下不斷的擠向墻壁，緩慢的擠壓后才觸發(fā)了碰撞開 關控制轉(zhuǎn)向，也就是看到了機器人在墻角停頓了一會才轉(zhuǎn)向的情景。出現(xiàn)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力不足，可能會導致機 器人在墻角無力擠壓觸發(fā)碰撞開關，最終變成卡死在墻角，這個時候要么是換大功率的電機，要么就是換新電池。