初學者 : 怎麼製作你的第一隻機器人 (上)

原著: Society of Robots
譯者: 阿里哥

這篇文章非常適合第一次希望自己動手製作機器人的朋友參考. 原文作者本身就是機器人玩家. 務實又風趣地帶領讀者從心態調整開始, 一步步打照出屬於自己的第一隻機器人.

動機是成功的關鍵。

為什麼要製作機器人呢?你的動機是什麼呢?他們看起來很酷?還是想參加像Battlebots那樣的機器人爭霸賽?你能從機器人學到太多東西了. 可以學習到的技能涵蓋了電子科學機械學控制理論程式設計, 甚至是動物行為學和人類心理學。在開始這個課程前最好先問問自己, 製作機器人的目的是甚麼? 你的目的和動機是什麼,否則你能在中途退出後還不搞不清楚自己到底為什麼開始。

OK既然你已經了解自己為什麼要製作一個機器人了,我們接下來談談製作機器人你必需要知道哪些東西

完成第一個機器人總是最難的。

所以需要採用KISSKeep It Simple Stupid)法則:保持簡單明確!這是一個非常好的建議,因為我的第一個機器人目標定位太高,花了許多錢,然而它根本沒有真正的動起來。所以你製作第一個機器人的目標應該是要學習基礎知識,包括:如何編寫程式、怎樣使用工具、弄懂術語,學習基本的技術和怎樣用最便宜的價格搞到機器人的零件。把你的很酷的機器人點子應用到你的第二個機器人上。隨後你可以把從第一個機器人上拆下來的零件用來製作第二個機器人。相信我。

OK 我準備好了,我需要什麼來開始呢?

很明顯你首要需要的就是。機器人可以是非常昂貴的。一個熟練的機器人專家製作一個機器人基本上不用花什麼錢 (例如50美金)。經過多年的收集, 他們通常已經有足夠的材料和零件,大部分的零件也不需要再去購買。他們知道如何自己製作零件而不需要外購成品,他們有能力自己製作。然而初學者並沒有這樣的選擇。你可以在房子中找到製作機器人所需要的大部份零件,但是不要指望僅僅使用膠皮圈和牙籤就可以改裝出你的第一個馬蓋先(McGyver)風格機器人。要有心理準備你的前2, 3個機器人會花掉不少錢。

一般而言, 第一個機器人大約要花上至少100-200美元 (約3000- 6000台幣)。你可以向你的父母要這些錢,告訴他們這是學習所需或什麼的。告訴他們你可以用未來比賽贏得的獎金來還他們這筆錢。告訴他們學習機器人製作可以幫助你順利進入所選擇的大學或者可以爭取到超酷機器人公司的實習機會。告訴他們它可以讓你不在路上鬼混或遠離毒品。找個的工作!你也可以向你就讀的中學或大學申請補助經費,甚至跟公司要些錢。告訴他們贊助的經費可以用來節稅一類的。我已經為我所有的機器人募資4000多美元了。我甚至認識一個傢伙光用一隻機器人就募得了2萬美元的資助。

當你的技術越來越熟練你手上也累積了更多可用的零件後,接下來製作機器人將會變得比較沒有負擔。另外, 就是找個地方來製作機器人。加入一個機器人俱樂部。會員們通常可以借給你所需要的零件、工具、儀器以及你將會需要無價的協助和建議。記得我在還沒開始製作第一個機器人之前已經詢問過超過半打的人了。你也可以在我的另一篇文中找到更多的訊息: Tutorial on how to pay for robots.

OK 我已經搞到錢了,現在讓我們開始花吧!

但是首先你要有個設計

一個容易製作的機器人長得什麼樣子呢?乍聽像是個蠢問題,但是我保證好好研究一下其他的機器人會對你有很大的幫助。瀏覽網站上機器人相關的圖庫。切記, 先聚焦在簡單基礎的機器人,千萬不要在你的第一個機器人就想加入豐富的想像力和創造力。如果一開始你就想製作一個有視覺系統, 能幫你拿啤酒的雙足機器人,那麼你只是在自找麻煩。你該想要的應該是一台就算摔下桌子也不會掛掉的雙輪小玩意兒. 這對於初學者來說,這已經夠困難了。

因此, 你的機器人將會有兩個輪子. 將由最基礎的演算法來驅動-差分驅動(differential drive)。

differentialdrive前進時,兩個輪子以相同速度前進。
後退時,兩個輪子以相同速度後退。
左轉時,左邊的輪子後退, 右邊的輪子前進。
右轉時,右邊的輪子後退, 左邊的輪子前進。

你可以簡單藉由改變兩個輪子的轉動速度來獲得一些有趣路徑變化。不過現階段,讓我們保持使用基本的演算法來確保你第一個程式的單純。哦對了, 不要忘了你還需要一個小腳輪(摩擦力小的)。記不記得幾何學裡學到的3個點才能構成一個平面?

我需要有什麼來製作一個差分驅動器?只需要兩樣東西:2個輪子和2個馬達。聽起簡單,但我們還是需要有一個整體的設計方案。

讓我們先從輪子開始。大輪子能讓你的機器人移動更快速. 小的輪子會較慢。那為什麼不就直接用大的呢?大輪子意味著能拖動你的機器人重量的扭矩較小,大輪子也更不容易控制位置。而且你的感測器一般也跟不上快速的位置移動。但一樣的,移動慢的機器人速度可能慢到連想要撞牆自殺都辦不到,你需權衡利弊得失再下決定。我建議你的第一個機器人應該使用直徑2-3″的輪子。可以瀏覽飛行器愛好者網站或我們網站上的robot parts list 機器人零件清單 找到摩擦力較大的輪子。要有心理準備零件加上運費大約需要花5-10美元。別忘了要事先考慮輪子要怎麼組裝到馬達上。

好, 接下來是馬達。為機器人選擇一個最合適的馬達需要針對重量,齒輪比(gearing ratios),地形的要求,期望的速度及加速度,電壓,耗電量,操控性及一系列的事情做評估,來搞瘋一個初學者。所以讓我們來看看在有限的資源下可以怎麼做。確保你的機器人盡可能的輕,選一個不容易燒壞的馬達。但要記得馬達越大電池越耗電、而且控制電路也變得更複雜。

  • 我對你的第一個機器人馬達的建議
    電壓:5V-8V
    扭矩:是你設計需求的2倍
    網上有很多地方都賣直流馬達。也可以考慮購買伺服機。他們的複雜程度和花費基本上是相似的。各有各的優點。伺服機更容易控制,但是他們一般來說比較耗電,需要精準的電壓,而且操作起來較不直覺。馬達的效率高和力大量而且耐操,不過就不要期待有辦法以智能控制它。每個直流馬達/伺服機的價格大概是1-40美元。我建議為你的第一個機器人購買8-20美元左右的馬達/伺服機。

接下來介紹動力。不要考慮太陽能和燃料。直接使用電池。要買充電電池,有高mAh(電容量),並能在任何時候至少可以輸出1安培的電流。可考慮通過對電池的並聯和串聯來控制總的電壓和電流。

電池有很多種,讓我們來討論最常用的3種。

鹼性電池是最普通、最容易買到的,也是最便宜的一種。然而這種電池對我們來說沒有什麼用處,不要買他們。他們的電容量很低,太重,不能在瞬間提供大電流,經常需要更換反而讓花費更高。

鎳氫(鎳金屬氫化物)電池非常地好用。很多手機就是鎳氫電池(業界開始傾向使用鋰電池)。鎳氫電池可以重複的充電,有良好的電流輸出,而且有著最高的電容量。然而鎳氫電池價格比我提到的其他兩種電池都要昂貴。我建議體積小的機器人可以使用鎳氫電池作為電源電路。註, 根據不同的因素和條件鎳氫電池一般需要 5-10小時才能將電充滿。

鎳鎘電池適合中小型的機器人,跟鎳氫電池相比能輸出更大的電流,更便宜而且能在一兩小時內即可完成充電。老式手機一般都採用鎳鎘電池。然而,對鎳鎘電池充電卻是一個黑色藝術。是否曾經注意到一些老式手機的電池充電時間沒有剛買來時那麼長?這稱為記憶效應。鎳鎘電池在反復充電過程中,可以儲存的電量會越來越少。為了防止記憶效應,在每次充電前都要將電池充分放電。只要把連個電池接在一個可愛的玩具小貓上,直到它不動為止。我想把電池接在馬達上也會起同樣的效果。記住,鎳鎘電池裡面含有有毒的鎳材料,所以要把他們保存起來然後妥當地回收處理。

  • 我的建議是製作一個小型機器人,買2組6V的鎳氫電池組。每組加運費大概需要10-15美元。買2組電池可以將馬達電源和電路板電源分開。作為一個初學者你肯定不會希望你的馬達干擾或燒毀你敏感的電路板。相信我一組電池給馬達供電,另一組給電路板供電。電路板使用鎳氫電池,馬達要使用鎳鎘電池還是鎳氫電池取決於你的馬達所需的功率。你自己選擇。你可以在RadioShack或任何的RC俱樂部網站上買的到這些電池。

無論使用任何的電源,要確保你使用一個好的機器人功率調節電路來控制機器人供電。

英文原文:http://www.societyofrobots.com/robot_tutorial.shtml
參考譯文:http://www.robotain.com/tech/diy/200912/0750.html

[翻譯]初學者 : 怎麼製作你的第一隻機器人 (下)

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