想做機(jī)器人不知道怎么入手？讓老司機(jī)帶帶你吧

當(dāng)你點(diǎn)開(kāi)這篇文章，相信你一定也是個(gè)機(jī)器人愛(ài)好者。我也是，而且是一位機(jī)器人重度發(fā)燒友。在開(kāi)篇之前，請(qǐng)容許我先追憶一下往昔。第一次接觸機(jī)器人是在大一的上學(xué)期，我選修了一門(mén)課《機(jī)器人概論》，這門(mén)課可以說(shuō)是視頻賞析課，因?yàn)槔蠋熋看紊险n都只是給我們播放一些機(jī)器人相關(guān)的視頻看，卻很少講理論知識(shí)，也不用考試，所以同學(xué)們都非常喜歡這門(mén)課。我也喜歡，但是，我和他們不一樣，這些視頻中的機(jī)器人深深地吸引著我，每節(jié)課都讓我心潮澎湃，熱血沸騰。終于有一天，我再也忍不住了，我要自己做機(jī)器人!多年以后，回想當(dāng)初的經(jīng)歷，我覺(jué)得應(yīng)該為那些想玩機(jī)器人或初玩機(jī)器人的愛(ài)好者們寫(xiě)一篇機(jī)器人制作指南，引導(dǎo)他們更輕松的入門(mén)機(jī)器人制作。

平臺(tái)選擇

言歸正傳，這篇入門(mén)攻略并不是簡(jiǎn)單的演示制作機(jī)器人的過(guò)程，而是系統(tǒng)的為你普及機(jī)器人制作入門(mén)所需要了解的各方面知識(shí)和技巧?？傮w分為：平臺(tái)環(huán)境篇，軟件篇，硬件篇，機(jī)械篇等。每一篇我都會(huì)著重于引導(dǎo)新手如何入門(mén)以及告訴你應(yīng)該去學(xué)習(xí)哪些知識(shí)。下面我們先來(lái)介紹一下機(jī)器人制作入門(mén)如何選擇合適的平臺(tái)。

首先，平臺(tái)的選擇與個(gè)人的文化水平、經(jīng)濟(jì)能力、動(dòng)手能力等直接相關(guān)，合理選擇平臺(tái)可以讓你更輕松的入門(mén)機(jī)器人制作。針對(duì)平臺(tái)的選擇，大致分為以下三類：

一 年齡較小，學(xué)習(xí)能力有限的機(jī)器人愛(ài)好者

針對(duì)這類愛(ài)好者，推薦使用樂(lè)高EV3的機(jī)器人制作套件。這個(gè)套件主要包括控制器、大型電機(jī)、中型電機(jī)、超聲波傳感器、顏色傳感器、觸動(dòng)傳感器、陀螺儀等核心器件以及許多樂(lè)高結(jié)構(gòu)零件。

EV3機(jī)器人套件

EV3機(jī)器人實(shí)例

上面兩張圖片分別是樂(lè)高EV3的套件以及搭建實(shí)例，可見(jiàn)樂(lè)高提供豐富的零件，在搭建方面是非常便捷的，同時(shí)樂(lè)高還配套圖形化編程軟件，直接拖動(dòng)圖形模塊進(jìn)行編程，非常適合高中小學(xué)生入門(mén)。

二 專業(yè)水平較低的愛(ài)好者

針對(duì)這類愛(ài)好者，推薦使用Ardunio，Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開(kāi)源電子原型平臺(tái)。包含硬件(各種型號(hào)的Arduino板)和軟件(Arduino IDE)。這個(gè)平臺(tái)為愛(ài)好者免去了硬件開(kāi)發(fā)的過(guò)程，并簡(jiǎn)化了程序的編寫(xiě)，比較方便初學(xué)者入門(mén)，使得初學(xué)者更關(guān)注創(chuàng)意與實(shí)現(xiàn)，更快的完成自己的機(jī)器人制作，大大節(jié)約了學(xué)習(xí)的成本，縮短了開(kāi)發(fā)的周期。

Arduino主板

三 熱衷自主開(kāi)發(fā)的愛(ài)好者

有一種機(jī)器人愛(ài)好者，他們熱衷于完全自主制作機(jī)器人，他們享受著制作機(jī)器人每一個(gè)環(huán)節(jié)所帶來(lái)的樂(lè)趣。他們有嚴(yán)重的潔癖，難以忍受自己制作的機(jī)器人摻雜著過(guò)多別人的成果;不管是軟件、硬件還是機(jī)械，他們都要自己動(dòng)手完成。恰巧我就是這類人，接下來(lái)的幾篇文章也是專門(mén)為這類初學(xué)者而寫(xiě)的，希望能夠引導(dǎo)初學(xué)者更輕松的入門(mén)機(jī)器人制作，下面提前預(yù)告一下每一篇的內(nèi)容。

硬件篇主要涉及到單片機(jī)的選型，電路設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)路線，電路設(shè)計(jì)的工具等內(nèi)容。

軟件篇主要涉及到編程語(yǔ)言的選擇，編程語(yǔ)言的學(xué)習(xí)路線，軟件設(shè)計(jì)的工具等內(nèi)容。

機(jī)械篇主要涉及到機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，機(jī)械繪圖軟件的選擇，機(jī)械機(jī)構(gòu)制作的幾種方法，機(jī)械加工技巧，機(jī)械加工工具等內(nèi)容。

硬件入門(mén)指導(dǎo)

當(dāng)我為了制作機(jī)器人而開(kāi)始學(xué)習(xí)電子技術(shù)的時(shí)候，我發(fā)現(xiàn)我成為了一名電子愛(ài)好者。每當(dāng)我站在圖書(shū)館的書(shū)架前，看著一排排電子技術(shù)書(shū)籍，我都會(huì)熱血沸騰，渴望著把所有的書(shū)都帶回去學(xué)習(xí)，這種感覺(jué)太奇妙，現(xiàn)在都很詫異當(dāng)初為什么會(huì)這么的狂熱。相信你也會(huì)和我一樣，成為一名狂熱的電子愛(ài)好者。

我將硬件入門(mén)學(xué)習(xí)分成三個(gè)部分來(lái)講: 單片機(jī)，電子技術(shù)，電路設(shè)計(jì)與制作。

一 單片機(jī)

眾所周知，機(jī)器人需要像人類一樣擁有會(huì)思考的大腦，而單片機(jī)非常適合是作為機(jī)器人的大腦。所謂單片機(jī)，就是一個(gè)微型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的運(yùn)算處理，我們通過(guò)對(duì)它進(jìn)行編程來(lái)控制機(jī)器人執(zhí)行各種動(dòng)作。單片機(jī)的型號(hào)種類有很多，初學(xué)者往往難以抉擇，推薦從AVR系列單片機(jī)Atmega8入門(mén)，它的內(nèi)部資源比較豐富，片上外設(shè)功能齊全，機(jī)器人制作中常用的定時(shí)/計(jì)數(shù)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換、UART、I2C等外設(shè)均有。單片機(jī)的學(xué)習(xí)搭配著編程語(yǔ)言的學(xué)習(xí)才美妙，所以這一部分我會(huì)在軟件篇中詳細(xì)介紹關(guān)于單片機(jī)和編程語(yǔ)言的入門(mén)學(xué)習(xí)方法。

單片機(jī)

二 電子技術(shù)

電子技術(shù)包括模擬電路和數(shù)字電路兩部分，對(duì)于初學(xué)者而言，自學(xué)電子技術(shù)有一定難度，需要投入一些精力去學(xué)習(xí)。推薦清華大學(xué)華成英老師的模電和數(shù)電視頻教程，網(wǎng)上資源很多，請(qǐng)自行搜索。

工欲善其事必先利其器，這里強(qiáng)烈推薦一款手機(jī)APP，EveryCircuit，這是專為電子信息技術(shù)專業(yè)的人士所打造的軟件。它能夠讓你輕松的了解到電路究竟是如何進(jìn)行工作的，我們只要在軟件中繪制出電路原理圖，就可以仿真電路以及驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的正確性，在運(yùn)行過(guò)程中，可以動(dòng)態(tài)顯示線路的電壓波形和電流走向，還能動(dòng)態(tài)顯示每一個(gè)器件的瞬態(tài)變化(這一點(diǎn)不同于其他電路仿真軟件)，有利于透徹了解各種元器件的工作方式，利用好這個(gè)工具絕對(duì)可以讓你事半功倍。

EveryCircuit

為了讓初學(xué)者能夠更快的入門(mén)機(jī)器人制作，我再簡(jiǎn)單介紹一些比較重要的電子元器件，自學(xué)時(shí)請(qǐng)重點(diǎn)學(xué)習(xí)。

電阻，了解串并聯(lián)計(jì)算，分壓、限流以及上拉電阻、下拉電阻的含義等。

電容，了解串并聯(lián)計(jì)算，了解電容具有濾波、去耦、耦合、隔直等作用;電容的種類很多，了解鋁電解電容、鉭電容、瓷片電容、獨(dú)石電容等特點(diǎn)以及在什么場(chǎng)景下使用。

二極管，了解其單向?qū)ㄐ缘奶攸c(diǎn)，二極管種類有很多，了解發(fā)光二極管、穩(wěn)壓二極管、肖特基二極管、續(xù)流二極管等特點(diǎn)以及在什么場(chǎng)景下使用。

三極管，具有NPN和PNP兩種類型，具有電流放大的作用，在機(jī)器人的相關(guān)電路中通常讓它工作在飽和、截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)做電子開(kāi)關(guān)使用。

場(chǎng)效應(yīng)管，具有N溝道和P溝道兩種類型，同樣具有放大作用，在機(jī)器人制作中也常被用作開(kāi)關(guān)，例如我在設(shè)計(jì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)中就使用到了場(chǎng)效應(yīng)管的開(kāi)關(guān)作用。這個(gè)器件在機(jī)器人制作中很重要，請(qǐng)重點(diǎn)學(xué)習(xí)。

電源穩(wěn)壓芯片，常用的有線性穩(wěn)壓芯片和開(kāi)關(guān)電源芯片，了解這兩種電源芯片的各自特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景。

當(dāng)具備一些電路基礎(chǔ)和電子元器件知識(shí)，我們就可以為機(jī)器人搭建一套完整的硬件系統(tǒng)。在設(shè)計(jì)時(shí)一般按照功能來(lái)劃分模塊，如電源管理模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外傳感器模塊、超聲波傳感器模塊、IO接口模塊等等。這里簡(jiǎn)單介紹幾個(gè)模塊：

電源管理模塊，一般機(jī)器人的供電電源只有一路輸入，例如12V輸入電壓，但是在整個(gè)硬件系統(tǒng)中，可能需要使用到2.5V、3.3V或者5V等等，那么就需要設(shè)計(jì)一個(gè)電源管理電路，將12V轉(zhuǎn)化為需要的電壓，這里面可能會(huì)用到多個(gè)電源芯片，也可能只用到一個(gè)電源芯片，根據(jù)實(shí)際情況而定。

直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，機(jī)器人制作中經(jīng)常用到直流電機(jī)，那么如何來(lái)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)、調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速以及制動(dòng)呢?因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)需要比較大的電流，單片機(jī)無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)候就需要設(shè)計(jì)一個(gè)用于單片機(jī)控制直流電機(jī)的電路，我們叫它電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。

傳感器模塊，機(jī)器人和人類一樣，需要感官器件去感知周圍環(huán)境信息，這時(shí)候就需要使用各種傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)這些功能，但是傳感器輸出的信號(hào)各種各樣，有些信號(hào)單片機(jī)是無(wú)法直接識(shí)別的，必須經(jīng)過(guò)處理(如放大，比較等)才能被單片機(jī)識(shí)別，所以我們需要為這些傳感器設(shè)計(jì)合適的接口電路。

好了，電路模塊設(shè)計(jì)就先簡(jiǎn)單介紹這幾個(gè)，以后我寫(xiě)一些專題文章來(lái)講解的機(jī)器人制作常用電路設(shè)計(jì)。

三 電路設(shè)計(jì)與制作

通常我們?cè)谝豢铍娐吩O(shè)計(jì)軟件上設(shè)計(jì)電路原理圖，然后再根據(jù)原理圖設(shè)計(jì)電路板生產(chǎn)文件(PCB文件)。這種電路設(shè)計(jì)軟件的種類有很多，例如Protel99SE、AltiumDesigner、PADS、Cadence等等，我推薦學(xué)習(xí)使用AltiumDesigner，功能齊全，操作方便，容易上手，是初學(xué)者的最佳選擇。

學(xué)習(xí)電子技術(shù)最好的方式是動(dòng)手制作，利用所學(xué)的電路知識(shí)設(shè)計(jì)出有趣的小制作，然后搭建出來(lái)進(jìn)行調(diào)試改進(jìn)。這里給初學(xué)者推薦兩個(gè)搭建電路的方法：

第一種 使用面包板和杜邦線配合元器件進(jìn)行電路搭建，這種方法在前期學(xué)習(xí)中，最方便高效，初學(xué)時(shí)強(qiáng)烈推薦。缺點(diǎn)是杜邦線容易脫落。

面包板

第二種，使用萬(wàn)用板，將元器件和導(dǎo)線焊接到萬(wàn)用板上進(jìn)行電路搭建，這種方法需要使用電烙鐵，所以要好好練習(xí)焊接技術(shù)。

萬(wàn)用板

如果愛(ài)好者對(duì)電路設(shè)計(jì)以及電路板設(shè)計(jì)掌握到一定程度后，也可以嘗試尋找電路板加工廠商直接加工電路板。

對(duì)于在電路設(shè)計(jì)、制作、調(diào)試等過(guò)程中經(jīng)常用到的工具羅列如下，初學(xué)者可根據(jù)自身情況配備(電子元器件根據(jù)自己的學(xué)習(xí)情況進(jìn)行采購(gòu))。

電烙鐵、焊錫絲、助焊劑

萬(wàn)用板、耐高溫導(dǎo)線

面包板、杜邦線

萬(wàn)用表

剝線鉗、斜口鉗

吸錫器

鑷子