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。

2   准备工作

本项目需要的器材比较简单，主要包括：PVC线槽、小电机、电池/电池盒、碰撞开关、拨动开关、曲别针、螺丝、小齿轮/滑轮等。

以下列出本项目主要器材，其中的采购预算，由于有些器材采购时一般是批量的，而本项目中实际使用用不了那么多（剩下的可以留在以后的其他项目上），所以另外加了一项成本折算。

主要的器材都可以从网上购买，我列出了一些淘宝上的网址，基本上我也是通过这个渠道进行采购的，供大家参考。

名称	规格	数量	采购预算/成本折算	来源	用途
PVC线槽	2.5CM宽度	1段	4元 / 1元	实体五金店	主要结构材料
小电机	微型1.5V电机，轴径1mm	2个	4.7元	淘宝：morehave	动力
电池	7号电池	2个	2元	实体日用品店	电源
电池盒	7号电池盒	1个	1元	淘宝：jianfei180	电源连接
碰撞开关	行程开关	2个	1元	淘宝：morehave	障碍探测
拨动开关	小拨动开关	1个	0.36元	淘宝：jianfei180	电源开关
小齿轮	内径0.95mm（电机轴径1mm）	2个	1元	淘宝：morehave	前轮“车轮”
胶管	自行车气门芯胶管	1条	0.2元 / 0.02元	实体五金店	前轮“外胎”
小滑轮	用皮带轮，或者用圆珠子都可以	1个	0.5元	淘宝：morehave	后轮
曲别针	标准钢丝文具别针	1个	2元 / 0.02元	实体文具店	后轮支架
钢丝		1段	2元 / 1元	淘宝：morehave	探测触须
接线端子	插簧接线端子	2个	2.5元 / 0.1元	淘宝：着迷zheng	固定触须
M1.2*5螺丝	1.2mm直径，长5mm	9颗	4元 / 0.36元	淘宝：精隆五金…	固定PVC材料
M2*6螺丝	2mm直径，长6mm，平头	2颗	2元 / 0.04元	淘宝：精隆五金…	固定电池盒
M2*10螺丝	2mm直径，长10mm，平头	2颗	2元 / 0.04元	淘宝：精隆五金…	固定轻触开关
M1.2螺母	1.2mm内径	9颗	15元 / 1.35元	淘宝：微型螺丝小王	固定螺丝
M2螺母	2mm内径	4颗	2元 / 0.08元	淘宝：精隆五金…	固定螺丝
合计			6.26元 / 14.57元

3   制作过程

本项目为避障机器人，外号“疯狂的小强”，由此对机器人的各组成部分作一个划分，分别包括：上身、腹部、触须、前脚、后轮、电池、电机。

以下将按照加工的顺序，全程介绍本项目机器人的制作过程。

3.1   上身结构

首先加工上身部分，主要是上身的外壳。

拿一段PVC线槽的凹槽部分，用剪刀先大概剪下一截（大于４厘米），准备进一步加工。

在剪下的一截PVC线槽上，用钢尺量出4厘米长度，用笔换好要剪裁的痕迹。

用剪刀对着笔的痕迹精确的剪裁。

再用笔在线槽的一边槽壁上作一个痕迹，大概保留2毫米的槽壁高度。

用剪刀沿着做好的痕迹精确剪裁。

得出如下这个形状的部件，即上身的外壳结构。

3.2   前脚结构

接下来是前脚的结构。

拿一截PVC线槽的顶盖部分，长度要大于14厘米。

用剪刀沿着顶盖槽的边上大概进行裁剪。

得到一片平整的PVC长条。用钢尺量出一块长14厘米，宽1厘米的矩形条，并用笔做好痕迹。

用剪刀沿则笔做好的痕迹精确的剪裁。

得到一块长14厘米，宽1厘米的矩形条，在上面５厘米和9厘米处用笔做好折痕标记。

同样按照以上步骤，再裁一块长15厘米，宽1厘米的矩形条，并在6厘米和9厘米处用笔做好折痕标记。

用尖嘴钳沿着做好的折痕标志，弯折两条矩形条，角度大约是45度左右。

得到以下两个打折的矩形条，也就是机器人前脚的结构。

3.3   腹部结构

拿一段PVC线槽的凹槽部分，用钢尺量出9厘米的一段，并用笔做好痕迹记。

用剪刀沿着笔做好的痕迹剪裁，得到以下部件。

在把凹槽两边的槽壁，留2毫米的高度，做好痕迹后用剪刀精确剪裁。

得到以下两侧带折边的PVC矩形条。之所以要保留两边的折边，是因为这样的结构比纯粹的片状结构强度更高，不容易弯曲。

如果用剪刀剪裁时折边接口上不够平整，则可以用锉刀打磨光滑。

3.4   组合上身与前脚

接下来是把上身部分和前脚部分的结构组装起来。

把之前做好的两条前脚结构，选择在5厘米和9厘米做好标志的那条。用笔在中间部分里折痕大约２毫米的地方做两个圆点标志。

小电站取1毫米左右直径钻头，对用笔做好的圆点标志进行打孔。

把打了孔的前脚结构按下图的样子按在上身结构上，前脚结构已经打好了孔，用笔透过打好的孔对着下面的上身结构做标记。也就是为在上身结构上打孔作准备。

据笔做好的痕迹，用小电钻对好进行打孔。

把前脚和上身组装在一起，并用M1.2*5的螺丝上好。

注意，如果小电钻的钻头直径过小，直接打出来的孔可能无法上螺丝，这个时候可以用小锥子把孔撑大。

3.5   组合上身与腹部

接下来把上身结构和腹部结构组装起来。

按照下图所示，把在上身结构中折边低的那一侧，对着腹部结构的宽度（大概2.5厘米），用笔做好痕迹。

用刻刀（或裁纸刀），对着笔做好的痕迹，把中间的折边部分去掉。

并用锉刀进行打磨平整。

然后可以把腹部结构如下图那样安置，并且与上身结构部分能够贴合得比较好。 同时可以把前脚结构与上身结构的螺丝上好螺母固定起来。

如图所示在腹部结构与上身结构的结合部位，用小电钻打好三个小孔。

然后在三个小孔上用M1.2*5的螺丝螺母固定好。

于是把上身结构与腹部结构组装在一起。

3.6   电池盒

安装电池盒。

把电池盒如下图所示放置在腹部结构的下面，并用笔对着电池盒上原有的小孔作好标记。

小电钻换上2毫米直接的钻头，对着笔做好的标记进行打孔。

因为腹部结构的两侧有折边，所以如果直接把电池盒放置在腹部面上无法贴合紧密，所以在打好的孔上再放置垫片。

把电池盒贴合在腹部底上，用M2*5的平头螺丝以及螺母固定好。这里之所以用平头螺丝，主要是防止螺丝头太高顶出来影响到放置电池。

3.7   前脚组装

这里安装完善前脚结构。

如下图所示，在已经与上身结构组装在一起的前脚结构上面，叠上另外一条前脚结构的矩形条。

如图所示，用手握住前脚结构的一只脚，把两条矩形条叠在一起，并且把前端对齐（小手指顶住的那边）。

对齐前脚前端，大概里前端5厘米处用1毫米直径的小电钻打孔，并用M1.2*5的小螺丝固定好。

如下图所示的前脚结构组装完成。只要两条前脚矩形条的两侧前端都是对齐的，则可以确保两条矩形条之间有一段如拱桥一样的空隙，下面可以用于安装碰撞开关。

3.8   触须

触须作为探测前方障碍物的传感器，是实现本机器人的关键部件。

触须分为左右两边，各由一组碰撞开关、钢丝、插簧接线端子组成。

为了在较小的空间内把碰撞开关安装上，需要用尖嘴钳把如下图所示的碰撞开关的一只引脚折弯。按以上的尺寸设计如果不折弯的左右两边的碰撞开关可能会顶在一起装不下。

用尖嘴钳把一段钢丝折出如下图所示的弧度，弧宽度大概在10-13厘米左右，这个宽度决定了机器人探测目标的范围。越宽的话正面探测的范围就越大。

折好一条触须后，把钢丝沿着做好的触须并在一起，再用尖嘴钳折成另一边触须。如此可以确保两边的触须基本保持一致。

触须的外端是一个大弧钩，避免钩住障碍物；而内端则是一个小折钩，主要用来固定。

外端大弧钩和内端小折钩的平面方向必须是互相垂直的，即把大弧钩平整在桌面上时，则小折钩应该是垂直于桌面的，这主要是因为触须所连接的碰撞开关是垂直桌面安装的，而触须延展的平面应该是平行桌面的。

原来接线端子的插口比较宽，需要改小。

先用剪刀把接线端子的插口沿边缘剪掉一截。

然后再用尖嘴钳重新把接线端子的插口改小，要求正好能够插入碰撞开关的摇臂。（以下最左边为原来的接线端子，中间为改小之后的端子，右边为碰撞开关）

把钢丝触须的内端小折钩套上接线端子细的一头，应该正好能够套上，如果不合适可以适当调整触须小折钩的弯曲程度 ，然后把接线端子的折扣用尖嘴钳夹紧。

把接线端子粗的一头，如下图所示套上碰撞开关。

用尖嘴钳夹紧接线端子的折口，把触须与碰撞开关连接起来。

在上身结构部分，中间三颗固定螺丝两侧，如下图所示用2毫米左右的钻头各打上一个小孔。注意小孔不要顶住腹部的电池盒，要错开偏外侧一点。

碰撞开关上有两个固定用的小孔，把碰撞开关如下图所示安装在上身结构上，并用M2*10的螺丝以及螺母固定好。注意两个碰撞开关之间夹角大概是90度左右。把螺母拧紧之后，则一个螺丝就可以把碰撞开关的位置固定好，而不需要把碰撞开关的两个固定小孔都上螺丝（即便想要上两颗螺丝也不行，因为内侧那个固定小孔的位置下面正好对着腹部安装的电池盒，无法再上螺丝）。

安装好触须和碰撞开关。

调整好触须的位置，左右两边尽可能的一样。

3.9   电机

这里选的电机是微型的低电压电机（具体见之前的器材列表）。

电机的轴径只有１毫米，电机轴套上一个小齿轮（内径0.95毫米）作为车轮。

如果直接小齿轮作的车轮，走在稍微光滑的地面会打滑，则考虑在小齿轮外面再套上用自行车气门芯胶管制作的轮胎，以增大车轮接地的摩擦力。

剪一小截自行车气门芯胶管，套在小齿轮上。

量一下电机的尺寸，调整前脚的长度，可以把电机放置到前脚上对比一下，大约留出比电机主体（不含轴）长度再多出5毫米的位置开始裁减前脚。

以我选择微型电机（见器材列表）来看，大概需要裁掉前脚的前端开始2.5厘米左右的一段。这里之所以开始准备前脚的结构时没有直接是裁好，主要是考虑可能各人选择电机不同导致实际所需的尺寸也不一样，大家这个可以在制作过程中根据实际选择的电机，对应好电机的尺寸再确定要裁掉多少多余的前脚部分。

在裁好后的前脚的前端部分再打孔，然后用M1.2*5的螺丝固定好，这样整个前脚就有两层PVC材料构成，即坚固也不是韧性（有弹性）。

因为一旦把电机固定上前脚之后就不好接线，可以先把电机的电极引线焊好。我选择的这款电机（见器材列表）的电机上会有一个电极的标记（有个＋号） ，为便于区别可以用红黑两色的电线作为电机的引线，红的代表＋号的一级。

把电机如下图所示安装好，用透明胶布包好固定住。

我这里选择的电机是方形的，可以直接固定在前脚结构上。如果选择了圆形的电机，则可以考虑先用硬泡沫做垫子，装在电机与前脚结合面电机的两侧，即把空隙先填住，然后再用透明胶布才能固定稳。

3.10   后轮

后轮的支架用曲别针来制作，后轮这里我用的是一个皮带轮的滑轮，也可以用一个小珠子（具体参考前面的器材列表）。

用尖嘴钳把曲别针展开，并套入滑轮。

把曲别针折成如下图所示的支架。

沿着腹部，对应好腹部凹槽部分的宽度调整后轮支架。

把支架直接插入腹部与电池盒之间空隙（腹部这一侧是由凹槽的，所以腹部与电池盒之间是空的），用笔作标记准备裁掉多余的部分结构，大约从腹部后端开始约3厘米左右的一段。

用剪刀裁掉腹部多余的一截，并且沿着支架的样式把腹部末端剪成梯形样式。

用502 胶水把后轮支架固定好。

安装好后轮。

3.11   整机调试

参照电路原理图，把电机、碰撞开关、拨动开关、电池等都用电线连接好。

按照之前的控制原理的说明进行调试电路，看线路是否连接正确，特别是注意电机的电机是否正确，即电机的控制效果是正确的：

1、打开拨动开关后，没有障碍物时，两个电机都是往前转动的；

2、左边触须被按压，则右边的电机反转；

3、右边触须被按压，则左边的电机反转；

4、两个触须都被按压，则两个电机都反转。

电池盒的中间引线直接焊在电池盒的两节电池的连接一极。注意焊接的时间不要过长，否则会热掉电池盒的塑料导致电极弹片脱落。

在腹部末端固定上拨动开关。为了贴合紧密，波动开关的一侧用锉刀打磨粗糙一点，然后再用502胶水固定。特别小心502胶水不要涂太多，否则有可能会渗进波动开关内部，导致开关失效。

电路连接调试没有问题，则重新调整电线的长度，缩短一点刚好合适焊接而不会多出来。

以下为制作好的PVC-Robot １号机器人。

3.12   最终展示

4   项目总结

本项目向大家展示了一个简单的智能机器人的制作过程。对于刚入门或者准备入门的朋友，可以通过这个项目了解该机器人基本的运动机理和控制原理，可以温习一下电学基础，如果能够跟着实践一下，还可以练习一下动手能力，包括基本的机械结构制作以及基本的电路连接。

本项目机器人的机械结构相对来说是一种非常简单但又是很实用的设计，后续将要深入介绍的其他机器人有一些也将会继续采用该机械结构，只是到 时候会把介绍的内容重点转向其他如电子、计算机等方面，所以为了后续的内容理解上更顺畅一点，希望对于本项目有条件的还是可以实践一下，真正动手了体会才 会深刻。