製作機器人機械結構的一些經驗

胡泊

設計：

    當我還是一隻小菜鳥的時候，曾經有一位大蝦語重心長的對我說過：「如果你的機器人機械部分設計糟糕，即便你擁有專家級別的控制與程序，你還是只能得到一台糟糕的機器人；可如果你的機械部分設計合理，即使你的控制系統與程序很差勁，你還是可以說製作了一台不錯的機器人。」這條忠告我一直銘記至今。

規劃：
    你是否認為擁有前景規劃的人在生活中更容易獲得成功？是的！製作機器人也是如此。在動手之前在紙上或是計算機裡做好規劃的重要性毋容置疑。比如機器人的機械結構採用什麼材料，每一處的連接使用什麼規格的螺絲，每一個傳感器如何固定——每一個你可能想到的問題都應做好規劃，這將節省你的時間和金錢，並且你的機器人最終的結構也將更加完善。具體來說，你應該畫出每一個零件的圖紙，標出每一個要鑽的孔，想好究竟該怎樣把每一個零件連接在一起。



幾條忠告——使用盡量少和簡單的零件。使用更少的零件，意味著你需要準備的零件就更少，需要設計的零件就更少，需要的花費就更少。設計零件的時候，要考慮到這個零件是否易於加工。不要設計沒有必要或是結構複雜的零件，或是你沒有條件加工的零件。簡單和少的零件，意味著你出現設計錯誤的機會就越少。
——使用現成的零件。使用現成的零件，意味著你將花費更多的金錢。但是毫無疑問，現成的零件比你自己設計的零件更加可靠。市場上銷售的零件都經過了嚴格的設計與測試。這些零件用在你的機器人上也不會出太大的問題。這也將大幅的節省你的時間和精力。而你的時間和精力是無法用金錢來衡量的。你可能花二十小時製作了一個功能貧瘠可靠性不高的電源，實際上你只要花費$20就可以買到更好的成熟產品了。
——不要使用太多的不同規格的螺釘。我的一個同事製作機器人的時候給他機器人上每一個不同的連接處都使用了不同的螺釘。最後我進行拆卸的時候不得不使用了十種不同的六角扳手。而我的同事為了製作這個機器人也不得不買了十箱螺釘。

框架結構：
    框架結構就是你機器人的主體部分，也就是其他所有零部件的支撐部分。要使用一種重量輕，剛性好的材料。比如鋁板或聚乙烯。


零部件：
    如果你見到我最初三年所製作的機器人，你一定會驚訝於為何我的機器人成本會如此之低。畢竟商店裡賣的各種機器人部件都是價格不菲。實際上，幾乎可以這麼說：你可以在自己的屋子裡找到所有的你所需要的機器人的機械部分零件。一般來講，我的機器人預算是這樣的：電機大約10~50美元；機械材料大約20美元；車輪一般大約8美元；其他一些雜項包括螺栓螺母大約10美元。翻一翻你的舊物，說不定會有意外的驚喜。有時候也許會找到一個好的舊電機，不過想要找到兩個一模一樣的舊電機做搭配就比較難了。


固定：
    經常有一些新手朋友問我：「究竟怎樣把各個零件固定到機器人上才好？」必須要明確一點：不同的零部件都有不同的合適固定方法，如位置、重量、尺寸、功能等等。一定要具體情況具體分析。

胡泊

車輪：


——直徑：選擇輪子時，首先要考慮扭矩和速度。直徑大的輪子，獲得同等的動力輸入時，扭矩較低，但轉速較高。如果你的電機動力較強勁，則可以選擇直徑較大的輪子。伺服電機的輸出扭矩較大，所以輪子的直徑一定要大。如果你的電機負載較小，那麼可以選擇輪子的直徑小一點。這樣機器人的速度會較低，但是其扭矩足夠使你的機器人爬上一個小斜坡。還有一個初學者經常犯得愚蠢錯誤，就是輪子直徑等於或是僅僅比電機大一點，這樣你的機器人離地間隙就會非常小，越過一些路況不好的路面時會發生嚴重的磕碰。


——車輪紋理：車輪紋理對一些路面來說非常重要。一些初學者經常忽視車輪紋理的選擇。如果你的車輪表面太光滑，將很難獲得足夠的摩擦力。過度光滑的輪子在剎車或加速時有可能會打滑。這一點上塑料輪子就不如橡膠輪子表現好。但是如果輪子的摩擦過大，比如泡沫材料，則會影響電機的效率，並且輪子的磨損也會比較嚴重。


——輪子寬度：輪子的寬度不要太寬，否則將會影響機器人的靈活性。我曾經使用過2.5厘米厚的泡沫輪子，結果機器人運行的非常差。


——輪子的中心孔徑：最終你要通過這個孔來把電機軸輸出的動力傳遞到輪子。因此這個孔徑的選擇要根據你電機軸的大小來決定。


——輪子如何安裝：過盈配合：如果你的輪子沒有中心孔，那你就要自己鑽一個。加工的時候一定要確保你所加工出來的孔是在輪子的中心。加工出來的孔徑應比電機軸稍微細一點點。然後在孔中塗一點強力膠，將電機軸穿過輪子的中心孔，使電機軸與中心孔形成一個過盈配合。


——購買途徑：一般飛機航模的輪子是個不錯的選擇，網上有很多航模的配件商店，有很多的選擇。你可以自己去搜索一下。

電機的種類浩如煙海，我這裡假設你的機器人使用的是最基礎的直流電機。購買電機的時候最好選擇直接配有變速箱的電機，經過變速箱的動力輸出可以使你的機器人更易於控制、更有力。我建議你不要嘗試自己去製作電機的減速系統，這將會給你帶來各種各樣非常多的問題。我的第一次嘗試最終也是以失敗告終。我真的不建議你去做這個嘗試。

電機：

   


——普通電機安裝：不論什麼類型的電機，要固定到你的機器人底盤上都需要一個L形支架。你可以用一塊有一定厚度的鋁片來製作。一側上鑽兩個孔，用來利用螺絲將鋁片固定在機器人底盤上；另一側鑽兩個孔，用來利用電機上的固定孔來固定電機。將鋁板折成一個90度角。這樣一個支架就製成了。還有一個選擇：就是使用現成的U形鋁，這種鋁材很容易找到。只要大小合適，再鑽上幾個合適的孔，就可以很容易的固定到我的聚乙烯底盤上。



安裝機器人電池：


    安裝機器人電池是一件很簡單的事情。只要你使用的是固態電池（比如鎳鎘或鎳氫電池）。最簡單的固定方法就是用膠或膠帶來把電池固定在機器人底盤上。


電子電路：

    將電路板裝在你的機器人上有時候是件很困難的事情。如果你的運氣夠好，買到一塊預留了螺紋孔的電路板就比較便於安裝。如果沒有的話，那麼你就要想辦法自己在電路板上鑽孔，然後使用螺母與螺桿來把電子芯片固定在機器人底盤的聚乙烯板上。




    安裝你的電子設備時要記住一件事：盡量把你的電路板或其他一些電子設備安裝在機器人的高處。因為這些電子設備大多較輕，而你應當盡量使你的機器人重心靠下。並且如果你的電路板離地太近，那麼機器人在運動時濺起的一些污垢就很容易把電路弄髒。而電機在運行時產生的一些電子信號也容易對你的控制電路產生干擾。




佈置傳感器：

    安裝傳感器方面，很難有什麼共通的準則。安裝傳感器最大的困難就是在機器人上總是有這樣或那樣的影響傳感器工作的限制。比如傳感器不能離噪音較大的電動機太近；傳感器可能必須要裝在機器人的前面或兩側；並且要有一定得保護措施，避免碰撞或灰塵也有可能會影響傳感器正常工作；如果你做的是一個巡線機器人，那麼機器人底部傳感器的離地間隙必須精確。因此如果想將傳感器安裝在一個非常合適的地方，你必須利用一些技巧和工具：螺紋、膠、或是一些自製的支架。

avkeith

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