機器人/設計基礎/物理設計

一般設計注意事項

設計機器人需要在尺寸（主要是重量）、電機功率和電池功率之間取得平衡。這三個元素相互關聯（更多電池功率會增加機器人的重量，需要更強大的電機），找到“完美”的平衡需要大量的調整和實驗。嘗試以輸出/質量描述重型元件（例如電機：扭矩/公斤；電池：毫安時/公斤），並選擇提供最高值的元件。

使用輕質材料可以顯著降低重量（鋁代替鋼）。用輕金屬製造框架，用塑膠板作為表面，會比用金屬板輕得多。對於小型機器人，亞克力塑膠是一種很好的材料，而且易於使用。

除了切割和鑽孔自己的鋁板外，還有其他方法可以構建機器人。樂高科技和麥卡諾等玩具雖然價格昂貴，但當你沒有能力切割和鑽孔自己的零件時，它們是一個選擇。特別是麥卡諾（或者更好的是：便宜的仿製品）即使你製作自己的零件，它也很有用。擁有一個帶有標準孔和尺寸的零件集合非常方便。當然，如果你打算新增麥卡諾零件，你需要在正確的距離和尺寸上鑽自己的孔。這些值可能（很可能）會因不同仿製品的“品牌”而異。所以當它們打折出售時，買幾個盒子是個好主意。螺絲傾向於為 M5（在我見過的這套中，這是唯一一個常見的數值。孔間距很少匹配）。

另一個可以使用的好套裝是來自 Radioshack 的 Vex™ 機器人設計套裝。該套件中的所有零件都是金屬的，每半英寸都有預鑽孔。這使得更容易新增你可能已經擁有的零件。這套件為你提供了開始使用機器人的一切所需。如果你不想購買整套，你可以只購買 Vex™ 金屬和硬體機器人入門套裝。

當你開始你的設計時，首先決定你想要你的機器人有多大。不要考慮確切的尺寸，把它與某個物體的尺寸進行比較（“鞋盒大小”）就足夠了。在獲得電機和電池之後，可以“計算”出確切的值，因為這些值會對機器人的尺寸和形狀產生很大的影響。

估計一下完整機器人的重量，然後選擇你的電機和輪子。請記住，你需要高扭矩和低速度。裸露的直流電機具有高速和低扭矩，新增齒輪減速器可以解決這個問題。帶有減速齒輪的電機也可用。電機的速度和輪子的尺寸決定了機器人的移動速度。

例如：RB-35 是一款帶有 1:50 減速器的電機。它以 120 RPM 或每秒 2 轉的速度執行。讓我們選擇一個直徑為 20 釐米（半徑 R = 10 釐米）的輪子。這個輪子的周長為 2 x $\pi$ x R = 2 x 3.14 x 10 = 62.8 釐米。這意味著輪子轉一圈會移動 62.8 釐米。當我們將這個輪子安裝在電機上時，它會每秒轉兩圈，因此移動 2 x 62.8 釐米 = 125.6 釐米。所以它的速度將是 125.6 釐米/秒或 1.256 米/秒。

實際上，這個速度會稍微低一些，因為電機在沒有負載的情況下以 120 RPM 執行。但即使是 1 米/秒對於室內機器人來說也相當快。你可能會使用 PWM 或其他方法來減慢它的速度。

選擇你的電池。確保你有足夠的電量讓電機和所有電子裝置持續執行足夠長的時間，併為未來的新增保留一些儲備。比較你選擇的電池和電機的重量與你原定的計劃。你可能需要重新考慮這一部分（選擇不同的電機和/或電池）。請記住，機器人的主體有相當大的重量。

平臺

輪式平臺

輪式平臺可以有任意數量的輪子。最常見的是 3 輪、4 輪和 6 輪車輛（不包括用於反饋的輪子）。其他數字也是可能的，但可能難以構建，例如 1 輪或 2 輪機器人，或者有太多輪子，這會使轉彎變得困難或複雜。基本上，有兩種型別的輪子：動力輪和非動力輪。前者由電機驅動，用於向前（或向後）移動機器人。非動力輪用於透過提供與地面的接觸點來保持機器人的平衡。

轉彎

轉彎可以透過多種不同的方式完成

差速轉向（坦克式轉向）
- 使一個輪子向前移動，另一個輪子向後移動。機器人會在一箇中心位於兩個動力輪之間的很小的圓圈內旋轉。
- 使一個輪子的速度比另一個輪子的速度慢，機器人會朝速度較慢的輪子方向轉彎。轉彎的速度取決於兩個速度之間的差異有多大。

阿克曼轉向：這與汽車使用的轉向系統相同。實現起來比較複雜，因為內輪和外輪需要轉向不同的角度。

螃蟹行走：在螃蟹行走轉向中，每個輪子都可以獨立轉彎。這可以非常靈活，但需要複雜的機械結構，要麼轉動整個電機/齒輪箱/車輪元件，要麼從靜止安裝的電機傳遞動力。第二種選擇更難構建，但可能比第一種選擇有優勢。

三輪平臺：這些平臺可以有多種形式，鉸接的輪子可以是動力輪，也可以是兩個固定輪子是動力輪，或者兩者兼而有之。這些通常是為非常特定的目的而建造的。

全向輪：全向輪的設計基於使用一系列自由旋轉的桶形滾輪，這些滾輪以交錯的圖案安裝在更大直徑的主輪的周邊。為此，你需要 4 個動力輪。然而，這些輪子允許在任何方向移動而無需轉彎（包括橫向和對角線移動），並且可以像坦克式轉向一樣轉彎。構建這些輪子很費時，但它是一種非常強大的轉向方法。此外，廉價的全向輪在市面上有售，通常用於輸送機。然而，一個缺點是缺乏橫向牽引力；如果有什麼東西正在向側面推機器人，它就依賴於電機或剎車的強度來約束它。全向輪用於代替萬向輪可以提供更快的響應，並且通常可以滾過更大的障礙物。

履帶式平臺

履帶式平臺使用與坦克類似的履帶。這種推進方式僅在鬆散的沙子和泥土上有用，因為混凝土和地毯在轉彎時會提供過多的水平牽引力，導致履帶從導軌上脫落。

步行者

步行者是使用腿而不是輪子或履帶的機器人。這些機器人比輪式機器人更難建造，對於經驗豐富的建造者來說是一個不錯的挑戰。步行者旨在模仿動物（或人類）的移動方式。

兩足步行者或雙足動物

這是最難的一種步行方式。這種型別試圖模仿人類的行走方式。最大的問題是平衡。

雙足步行者主要用於兩種目的：模仿人類和提供大量的力與牽引力。模仿人類的較高步行者很難建造，需要許多平衡電路和裝置、快速運動和精確的結構。就像任何人類都知道的那樣，它們也會被推倒、絆倒等等。較短、較寬的步行者可以用來搬運重物。使用步行者時，可以使用氣動系統，氣動系統可以提供比電機更大的力。但是，使用這種系統轉彎幾乎是不可能的。

四足步行者

四足步行者模仿四足動物。許多這類設計最終一次移動一條腿，而不是動物典型的兩條腿運動。它需要三條腿在地上才能提供靜態平衡。動態平衡同時移動兩條腿可以提供更快、更流暢的運動。

六足步行者或六足機器人

這些步行者是昆蟲的模仿。許多這類步行者一次移動三條腿以提供靜態平衡。因為一半的腿可以在不失去靜態平衡的情況下移動，所以六足步行者實際上比四足步行者更容易建造。

注意：靜態平衡意味著結構始終處於平衡狀態。這意味著，如果機器人隨時停止移動，它不會倒下。相反，存在動態平衡。這意味著機器人只有在完成步態時才處於平衡狀態。如果它在步態中途停止，它就會倒下。雖然這聽起來像一件壞事，但動態平衡可以實現更快、更平穩的運動，但需要感測器來感知平衡。動物和人類都以動態平衡的方式移動。

輪足

有各種輪腿組合對不同的地形非常有用。有關詳細資訊，請參見[1]。

球輪

這種推進方式與經典的電腦滑鼠的工作方式非常相似：一個球體安裝在一個外殼中，可以自由地向任何方向旋轉。兩個圍繞球體的輪子以 90° 的角度安裝在該球體上，平行於地面。一個輪子記錄上下運動，另一個輪子記錄左右運動。

球輪使用相同的設定，但將內部輪子連線到電機。這樣，球體可以被製作成向任何方向旋轉。配備球輪的機器人可以上下左右移動，但不能繞其垂直軸旋轉。使用 3 個球輪也可以旋轉。

電子裝置

機器人的電子裝置通常分為 6 類

電機控制：控制電機、伺服電機等的運動。繼電器和 PWM H 橋屬於此類別。
感測器讀取：讀取感測器並將此資訊提供給控制器。
通訊：提供控制器與外部 PC、另一個機器人或遙控器之間的連線。
控制器：微控制器板、處理器板或邏輯板。這部分根據感測器輸入和機器人的程式做出決策。
電源管理：提供來自電池的固定 5VDC、12VDC 或任何其他級別的部件。監控電池狀態的電路。
粘合邏輯：允許所有部件相互連線的其他電子裝置。一個例子是 CMOS 到 TTL 電平轉換器。

並非所有機器人中都包含這些類別，也不是每個電路都完全屬於一個類別。許多機器人不需要單獨的感測器板，因為很多感測器都內建了電子裝置，允許它們直接連線到微控制器/處理器。

一些提示

使用低功耗（或更暗）的 LED。始終如此。這大大減少了電路消耗的電流。普通 LED 消耗大約 15 mA。現代微控制器消耗大約相同。建議停用不必要的 LED，但並不總是可行。

使用 CMOS 積體電路而不是經典的 TTL。這同樣可以減少電流使用，並允許更寬鬆的供電電壓。但在焊接它們時要注意它們對靜電的敏感性。

使用高質量的積體電路插座（或者最好根本不要使用積體電路插座）。它們的價值物超所值。

避免在敏感電路（高速數字、時鐘訊號和模擬訊號）上使用積體電路插座。移動機器人會隨著時間的推移而將這些積體電路插座鬆動。使用電路內可程式設計微控制器可以消除對拔出積體電路的需求。

LED 非常實用，可以使緩慢的數字訊號可見，在某些訊號線上新增它們可能對測試很有趣，但是，它們確實會增加功耗。當你的電路正常工作時，將它們移除可以使其更節能（用一根導線替換 LED，用一個更高值的電阻替換電阻）。

看看你的微控制器是否可以以更低的時鐘速度執行。時鐘速度越高，消耗的能量就越多。

儘可能使用微控制器的休眠功能，停用任何不需要的部分（例如片上 ADC）。

學習製作 PCB（印刷電路板）。這並不難，而且它可以使你的電子裝置看起來更專業。不要扔掉你的麵包板，PCB 對原型設計來說很不實用。

如果你有能力：在 PCB 上使用 SMD 元件構建你的電路。這可以減小尺寸、重量和成本。但是焊接 SMD 積體電路並不容易。SO 封裝（小外形）對於有經驗的製造商來說並不難。更小的封裝幾乎不可能手工完成。在嘗試之前先準備好合適的焊接工具。對於許多現代 SMD 微控制器來說，完整的構建和測試板都是可用的。對於那些沒有裝置、專業知識和耐心來自己焊接這些積體電路的人來說，這可能是一個解決方案。這些板不必像大多數積體電路開發人員銷售的演示板那樣大，例如 BasicStamp 就是這樣一個板，它的尺寸與積體電路一樣。

購買一個麵包板。它們對設計和測試電路非常寶貴。

如果你打算自己構建電子電路，那就投資一個雙通道示波器。單通道非常限制。選擇頻寬儘可能高的示波器。至少是你打算使用的最高訊號頻率的 4 倍。

一個好的可變電源非常方便，可以測試你的電路在較低電壓下（當電池放電時會發生這種情況）是如何執行的。

如果你可以在上拉電阻和下拉電阻之間選擇，選擇使用最少能量的那一個。如果電路輸出在大部分時間內為 +5V，則使用上拉，如果為 0V 則使用下拉。請記住，當電晶體處於活動狀態時，這種輸出會消耗能量（當它處於非活動狀態時，它會消耗少量能量：透過電阻和下一個電路的輸入阻抗的漏電流）。

使用高值電阻作為上拉/下拉。但請記住，高速訊號線需要更低的電阻值以最大程度地減少訊號失真。

機器人上的大多數電子元件將以 5V 電源執行，需要一個 5V 穩壓器。使用低壓降穩壓器來防止 5V 電源出現電壓降。

顯示

非常簡單的機器人只需要幾個 LED 來顯示它正在“思考”的一切。

在嘗試除錯更復雜的機器人軟體時，讓機器人顯示文字非常有用。一些計算器和 PDA 有 RS232 聯結器或其他一些簡單的方法連線到機器人。

許多機器人都有這樣的計算器或 PDA 或其他顯示器綁在頂部，以便向人類顯示微控制器正在“思考”什麼，這比試圖猜測那個小矽片內部發生了什麼要有效得多。

對於大型機器人，有時會在頂部綁一個全尺寸的筆記型電腦，用於這樣的顯示目的。

機械設計

平衡

每個人每天都會遇到平衡問題。在行走時，放下一杯水，或者在許多其他情況下，我們必須保持平衡。現在，在大多數情況下，你不需要考慮它，但在設計你的機器人時，你必須關注這個概念。對於大多數設計來說，平衡並不難實現，即使不進行計算。一些經驗法則就足夠了。對於更復雜的設計，例如帶手臂的機器人，你只需遵循一些經驗法則和一些常識，但無法保證。進行簡單的計算可以清楚地表明機器人是會停留在輪子上還是會翻倒並壓碎它試圖拿起的東西。

如果你熱衷於步行者，你需要更多地關注平衡。腿的數量越少，平衡就越重要。

簡單的四輪機器人

這類機器人的平衡性很容易實現。只需將重心保持在輪子之間（想象一個穿過輪子中心的矩形），並儘可能降低。在實際應用中，這意味著將重部件（例如電池）放置在機器人的中心位置，並儘可能降低高度。

簡單三輪機器人

這些設計與四輪機器人一樣簡單；區別在於需要將重心保持在由輪子形成的三角形的中心附近。如果你的機器人是矩形的，避免將重量放在兩個不受支撐的角落。這些點容易使機器人翻倒。

帶有手臂或夾持器的輪式機器人

對於手臂或夾持器的運作，在簡單情況下我們需要藉助步進電機，而在複雜情況下則需要使用感測器。