機器人制作欄目，制作一個會尋光的機器烏龜

1949年，為了模仿自然生命，英國科學家Grey Walter設計制作了一對名叫Elmer和Elise的機器人，因為他們的外形和移動速度都類似自然界的爬行龜，也稱為機器龜。這是公認最早的真正意義上的移動式機器人。

Walter機器龜?shù)暮诵氖怯?a href="http://m.sdkjxy.cn/article/ic/" target="_blank">電子管、阻容器件和繼電器構成的一個簡單的單細胞“大腦”。頭部的光電管和外殼上的碰撞開關作為與外界溝通的傳感器，兩只電機分別負責機器龜?shù)囊苿雍皖^部光電管的轉動與機體的拐彎。每臺機器龜前部都裝有一個燈，充電站里面也有一個導航燈。這就使機器龜、充電站、外界環(huán)境之間建立了一定的聯(lián)系。光電管使機器龜具有趨光性，可以對外界的光線發(fā)生反應，安置在每只機器龜前部的光源，使機器龜之間亦有一定的互動性。有趣的是機器龜在鏡子前看到自己時，也會產(chǎn)生行為反應，Walter形容為“這是機器龜存在某種自我意識的證據(jù)”。龜殼上的碰撞開關使他們在碰到障礙物的時候會自己跑開。當電池電量降低的時候還可以自己循著充電站的導航燈光源進去充電。

對機器龜?shù)难芯孔C明了少量腦細胞之間以不同方式的連接可能會引起很復雜的行為。我這次要用現(xiàn)代的材料和制作工藝來重現(xiàn)這個經(jīng)典的起源型機器人。時隔60多年，電子技術已經(jīng)發(fā)生了革命性的發(fā)展，即使作為一名業(yè)余愛好者，手頭的元器件對當年的科學家來說也絕對是重量級的了。我的任務會因此變得簡單嗎？請繼續(xù)往下看。

現(xiàn)在開始，記住，我們的口號是DO IT ALL THE WAY！

一、制作機器龜?shù)囊苿悠脚_

材料清單：

名稱數(shù)量

減速電機2只

配套輪胎2只

鐵或鋁板適量

尼龍萬向輪1個

M3螺絲螺母若干

M3套管若干

M3銅柱若干

保鮮盒1個

4AA電池倉1個

小彈簧2個

雙面膠帶適量

一臺運轉靈活的機器人在制作過程中一定會涉及到機加工環(huán)節(jié)，廠家預置的通用五金件可以節(jié)省你的時間，但是不能解決所有問題，如果想制作出個性化的外觀，復雜的功能，就一定要自己動手了。筆者自己就很喜歡金工和機械設計，對于業(yè)余制作來說，材料的選擇和結構的設計可以天馬行空，一旦將注意力集中在這些沒有人解決過的問題上，創(chuàng)意就開始奔涌而出，這是我們的優(yōu)勢，要好好加以利用。我鼓勵大家多做做這方面的功課，就從移動平臺、基礎小車開始，嘗試自己設計，自己加工;以后慢慢過渡到自制舵機框架、搖臂、云臺或者更復雜的機器臂、機器手、多足機器人就得心應手了。

搭建這個平臺所使用的電機和輪胎是機器人基礎小車里常用的型號。我使用1mm厚度的5052鋁板做了一個T字型骨架。整個車體只有兩個五金件，用鐵剪刀下料、電鉆打孔、臺鉗折邊可以很快加工出來。大家也可以使用手邊材料，如廢光驅外殼來制作骨架，如果覺得鐵皮比較軟，可以折一下邊沿增加強度。

圖一至圖六是我加工這個小車平臺的過程和做好的實物。

保鮮盒通過兩根彈簧，以“懸浮”的方式，罩在移動平臺外面，做為機器龜?shù)耐鈿ぁ：凶拥睦锩婀潭ㄓ幸恢凰y開關，負責檢測外界的碰撞。這個結構，即使龜殼受到微小撞擊，也會確保水銀開關被觸發(fā)動作。見下圖七：

第二步、制作機器龜?shù)碾娮幽X

與機器龜同一時期，馮。諾依曼已經(jīng)提出了二進制和程序內(nèi)存的思想，這是當今數(shù)字計算機的主流結構。但是Walter仍然在他的研究里強調(diào)用純模擬線路來模擬生物大腦的重要性。Walter的這種思想啟發(fā)了隨后幾代的機器人研究者，其中最著名的就是Mark Tilden和他的BEAM（仿生-電子-藝術-機械）機器人。

這里我使用一片四異或門電路74HC86，來制造機器龜?shù)碾娮幽X，這只機器龜也是一部比較高級的BEAM機器人。

線路圖如下：

元器件清單：

型號數(shù)量

74HC861

74HC2452

光敏二極管2

1N41481

1M電阻4

100K電阻1

0.33uf電容2

10uf電解電容4

工業(yè)冷壓端子3

0.8mm鋼絲若干

細導線若干

熱縮管若干

洞洞板一片

機器龜?shù)难劬τ蓛芍还饷舳O管構成，向左右兩側分開適當角度排列，檢測環(huán)境光。當兩眼入射光線不同的時候，光敏二極管回路里正反方向對異或門的輸入電阻是不同的，電路驅動兩只電機做差速運轉，使機器龜總是向著光線最強的方向運動。

水銀開關和三只觸須開關負責感知外界環(huán)境，使得機器龜可以對外界的物體做出一定的反應，它們的執(zhí)行優(yōu)先級要高于光敏二極管。這四組開關的執(zhí)行時間取決于線路圖中RC的時間常數(shù)，1M電阻和10uf電解電容為參考值，可能需要根據(jù)機器實際運轉情況做適當調(diào)整。

機器龜?shù)男袨槟Ｊ綒w納如下：

編號左眼右眼左碰撞右碰撞回轉水銀動作

1任意任意觸發(fā)無無無順時針

2任意任意無觸發(fā)無無逆時針

3亮暗無無無無逆時針

4暗亮無無無無順時針

5任意任意任意任意任意觸發(fā)假死

6任意任意無無觸發(fā)無后退

電路部分較簡單，用一小片洞洞板就可以焊起來，不再占過多篇幅描述。有幾點需要注意的問題：

1， 電路和機械部分需要協(xié)調(diào)工作才能達到最佳效果。線路圖中的光敏二極管、觸須、電機這些對安裝方位有要求的器件，一定要事先規(guī)劃好。

2，用不透光材料包裹好光敏二極管，只使它的前部透光，我用的是黑色熱縮管。兩只光敏二極管需要呈一定夾角排列，形成機器龜?shù)奶摂M視野。光敏二極管周圍盡量清空，方便以后調(diào)整夾角。如下圖八。

3，74HC245構成電機的雙向驅動，需要根據(jù)電機的規(guī)格來疊加芯片，以獲得足夠的驅動電流。兩片疊加起來，驅動橋每臂可以輸出140ma的電流，足夠驅動普通小型電機了。疊加的芯片最好焊接在一起，防止個別管腳接觸不良導致電路工作不正常，使能跳線也可以直接焊接在芯片上，形成一個獨立的功能模塊。如下圖九。

4， 觸須開關的制作如下所述：

拆出工業(yè)冷壓端子的銅芯，其實就是一個細銅管，讀者也可以找其他適合的材料替代。見圖十。

用細鋼絲彎成觸須，觸須的末端，套一節(jié)絕緣管，插入細銅管里，再與相對應的電路節(jié)點連接。調(diào)節(jié)絕緣管與細銅管的配合，就可以微調(diào)這個開關的靈敏度。經(jīng)過試驗，我發(fā)現(xiàn)鋼絲是無法焊接的，最后使用電線里面抽出的細銅絲把它捆綁在節(jié)點上，外面堆焊錫固定的方式，實際效果還可以。如圖十一，圖十二。

第三步、總體裝配和調(diào)整

把電路部分裝配在移動平臺上，如下圖十三、十四、十五、十六：

與制作好的機器龜相處一段時間，觀察它的行為模式，我發(fā)現(xiàn)它有一些脫離開設計意圖的隨機行為。這歸因于控制電路和移動平臺的不精確性。我對它的看法也逐漸改變：它不是一臺機器，而是一只人造電子生物。

按照Mark Tilden制定的BEAM機器人三大守則：

1） A robot must protect its existence at all costs.

機器人必須保護自己。

2） A robot must obtain and maintain access to a power source.

機器人必須維持運轉。

3） A robot must continually search for better power sources.

機器人必須尋找能源。

這只機器龜已經(jīng)具備了一定的躲避障礙的能力，并且可以尋找光源。如果把光源作為維持它運轉的能源的話，我們可以做如下改進：

1，電池倉里換用可充電電池，或者單塊鋰電池。

2，在機器龜?shù)耐鈿ろ敳堪惭b適量的太陽能電池板。

3，加入電池電壓檢測電路，當電壓跌落到一定數(shù)值的時候，讓機器龜處于靜默狀態(tài)，同時切換太陽能電池板給電池充電;電池充滿后恢復運轉。電路可以采用電壓比較器加繼電器的結構，很簡單的實現(xiàn)。

4，加入環(huán)境光檢測電路，在暗環(huán)境下強制機器龜進入休眠狀態(tài)，當光線充足的時候恢復運轉。太陽能電池板可以兼顧環(huán)境光傳感器，同樣采用電壓比較器和繼電器的結構，與外殼里面的水銀開關并聯(lián)工作。