最基础电学电路:仿生避障机器人制作(多图)

这是一个简单到令人发指的仿生避障机器人，仅由电池、开关、马达组成最基础的电学电路，就能表现出类似自然界生物的智能！在遇到障碍物时会掉头，看起来有点象一只疯狂的小强。只要有基本的物理电学基础就可以自行制作了，你就不想自己做一个在朋友面前炫耀一下 "这就是我做的智能机器人"么？

一般智能的机器人都是用单片机芯片（MCU微处理器）做控制，简单一点的也需要由一些电阻、电容之类的电子元件组成的电子电路做控制。作为PVC系列机器人的第一个项目，这里将介绍一个电路最简单的机器人，其不仅不需要单片机芯片，就连最普通的电阻、电容等电子元件也不用，完全是一个仅由电池、开关、马达组成的最基础的电学电路，一般只要有基本的物理电学基础就可以自行制作了，也正因为如此，在本PVC系列教材没有进到深入内容的时候就对其进行介绍。

本项目主要面向DIY机器人的初学者，可以让大家回顾一下物理电学基础，然后侧重在练习动手制作能力，包括基本的机械结构的设计与制作，以及基本的电路连接技能。如果是对此已经非常熟悉的朋友，可以跳过本章节。

这是一个简单的避障机器人，所谓“避障”即避开障碍物，实际上就是遇到障碍物时会转弯掉头。

以下为效果视频，为了拍摄方便是放在一个小盒子里的，由于地方窄动作也比较快，看起来有点象一只疯狂的小强，如果放在地上则会满屋子跑，追都追不上。

在此，我给本项目的避障机器人再起一个外号——疯狂的小强，呵呵。

1   基本原理

本项目的避障机器人采用三轮传动结构：前面左右两边的两个轮子是主动轮，各接一个电机作为动力；后轮是从动轮，起到平衡的作用。

1.1   运动机理

控制前面两个轮子的转动方向就可以控制整个机器人行进的方向：

1、左右两个前轮都向前转，则机器人向“正前方”直线前进；

2、左右两个前轮都向后转，则机器人向“正后方”直线倒退；

3、左前轮向后转，右前轮向前转，则机器人将以后轮为轴心逆时针转动，即实现向“右后方”转弯倒退；

4、左前轮向前转，右前轮向后转，则机器人将以后轮为轴心顺时针转动，即实现向“左后方”转弯倒退。

1.2   控制原理

在机器人的头部用钢丝做两根触须，一左一右各连接到一个碰撞开关，分别控制两个前轮的旋转方向。

特殊注意一下，左右触须与对应控制的电机是交叉过来的，即：左边的触须连接右边的碰撞开关，控制右边的电机；右边的触须连接左边的碰撞开关，控制左边的电机。

（1）无障碍物

当前方都没有障碍物，左右两个轮子都向前正转，则机器人向“前方”直线前进。

（2）左前方有障碍物

当左前方有障碍物，在左边触须碰到障碍物时，控制右边的轮子反转，则机器人向“左后方”倒退并转弯，即方向转向了障碍物的右边，从而避开了左边的障碍物。

向后倒退转弯会持续一会，在完成转弯之后，左边触须不再碰到障碍物，则两个轮子都正转，机器人继续向新的没有障碍物的“前方”直线前进。

（3）右前方有障碍物

当右前方有障碍物，在右边触须碰到障碍物时，控制左边的轮子反转，则机器人向“右后方”倒退并转弯，即方向转向了障碍物的左边，从而避开了右边的障碍物。

向后倒退转弯会持续一会，在完成转弯之后，右边触须不再碰到障碍物，则两个轮子都正转，机器人继续向新的没有障碍物的“前方”直线前进。

（4）正前方有障碍物

当正前方有障碍物，左右两边的触须都会碰到障碍物，控制左右两边的轮子都反转，则机器人向“正后方”倒退，从而避开障碍物。

在直线倒退持续了一会后，左右两边的触须都不再碰到障碍物，则两个轮子都正转又变成直线前进；然后又会遇到正前方的障碍物又会直线倒退，再直线前进……如此反复变成一个死循环。

理论上会出现以上这样的问题，但是实际上并不会，因为无论是左右轮的摩擦系数有所差异，还是左右两组电机的驱动功率有所差异，或是左 右两组电机的电源的电量有所差异，又或是障碍物左右两部分表面的光滑程度有所差异，都会导致实际上左右两边的触须碰到障碍物有一个时间差，都无法做到两边 轮子同时反转，也就是说向后倒退的时候不是完全的直线而是会有所偏移。而且即便第一次是直线后退，但在往复几次碰撞之后肯定会出现偏移，最终解除循环避开 障碍物向新的方向前进。

在以上视频中，我们也可以看到这一有趣的一幕，机器人连续几次反复撞上“墙壁”，最后还是会重新转向另外的方向。

从视频中，我们除了看到以上这种特殊情况外，另外还有一种情况，就是有些时候机器人会卡在墙角停顿了好一阵，然后才转向。这是因为有些时候由于触须碰撞墙壁的角度比较偏，不是正面碰撞，导致碰撞的力度不够，触须无法立即触发碰撞开关响应，而机器人在电机的推动下不断的挤向墙壁，缓慢的挤压后才触发了碰撞开关控制转向，也就是看到了机器人在墙角停顿了一会才转向的情景。出现这情况，如果电机的输出功率不足，或是由于电池的电量下降导致动力不足，可能会导致机器人在墙角无力挤压触发碰撞开关，最终变成卡死在墙角，这个时候要么是换大功率的电机，要么就是换新电池。

1.3   电路原理

本项目的电路非常简单，由一个最基本的电学电路组成。

1、机器人的动力是由两个直流电机提供的，众所周知，直流电机的两个电极连接直流电源，通过改变两个电极所连接电源的正负极，可以改变电机的旋转方向（顺时针或逆时针）。

2、电源为两节7号电池，每节电池作为一个独立的供电单元，每个电机某一时刻只有一节电池为其供电。如果前进时是一节电池供电，后退时则是另外一节电池以相反电流的方式供电。

3、通过三引脚的碰撞开关，可以控制电机采用哪一单元的电池进行供电，而碰撞开关则连接触须，触须被挤压则碰撞开关被触发。 下图为其中一个电机的控制原理。

4、机器人头部有两根钢丝作的触须，触须分别连接在两个碰撞开关上（注意两根钢丝对应的碰撞开关是交叉的，即：“左—右”钢丝，对应“右—左”碰撞开关）。

（1）没有障碍物时，触须没有被挤压，不触发碰撞开关，碰撞开关默认的通路，给电机供给一个“正方向”的电流，电机于是“顺时针方向”旋转。

（2）有障碍物时，触须被挤压，触发碰撞开关，碰撞开关断开默认通路，连接另外的一组通路，给电机供一个“反方向”的电流，电机于是“逆时针方向”旋转。

这里给出完整的电路原理图：

为了方便大家，这里再给出实物电路接线图供参考。