作者：臧海波
出版社：人民邮电出版社
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机器人制作入门(第3版)试读：
前言
机器人的种类有很多，各国科学家给机器人下的定义也是各有千秋。也许正是由于定义的模糊，机器人一直披着一层高科技的外衣，人们对机器人的期待也很高。大多数人认为，机器人应该制作得和人一模一样，可以完成人类所能做的各种工作。实际上，机器人可以简单理解为一种自动控制的机器装置，既可以接受人类指令，又可以按编制好的程序运行，还有更高级的人工智能机器人。从广义上理解，我们身边的空调、洗衣机，甚至孩子们的遥控玩具，都可以属于机器人这个大家族。
机器人是利用机械、电子元器件组合而成的一种能模仿生物或人类的某些技能的机电装置。本书将从感觉控制和适应控制的角度介绍12个小型仿生机器人的详细制作过程。它们的特点是结构简单、制作容易，并融入了模型、艺术和娱乐的元素。用生活中常见的材料—曲别针、车条、瓶盖和玻璃珠建造机器人的骨架和车轮，从准备丢掉的电子垃圾中拆出电机和齿轮制作机器人的驱动装置。读者可以在材料和工艺的选择上尽情发挥，展示自己非凡的想象力。
即使是非常简单的电路，与传感器和机械部分巧妙搭配起来，也可以实现令人惊奇的效果。无论如何，用自己的聪明才智和双手创造出一部可以自动运转的机器都是一件令人着迷的事情。怀着好奇心，在制作过程中探索机器人技术的奥秘；学习如何利用身边的资源，如何理解人造物与自然环境之间的联系；关注环保、艺术这些学科，也许你会体会到许多意想不到的惊喜，获得书本中所体验不到的快乐。
古人有言曰：“临渊羡鱼，不如退而结网。”希望大家都可以在实践中成为设计与制作能力兼备的能工巧匠。第1章小型移动式智能机器人和制作工具
什么是小型移动式智能机器人？它们有什么特点？制作小型机器人的乐趣和意义都体现在哪些方面？本书将为你一一进行解答。
小型移动式智能机器人的特点是体积小、结构简单、控制方式灵活多变。你可以使用生活中常见的材料，采取和搭建模型一样的方法来制作这类机器人。你可以把它们看成是会动的模型，这些机器人具有像生物一样的独特的行为模式。1.1 小型移动式智能机器人
本书中介绍的机器人，属于小型移动式智能机器人，由电子部分和机械部分构成。其中电子部分所占的比重大约是30%，机械部分大约是70%。
电子部分好比机器人的大脑，对于书中的机器人来说，就是用由电子元器件组成的电路来模拟生物的神经系统，再现神经的传导和反射行为。在后面的内容中，将通过制作实例的形式，循序渐进地向读者介绍使用基础电子元器件、数字逻辑电路和单片机来制作机器人的大脑。
机械部分好比机器人的身体，包含有支撑着机器人的躯干和推进机器人运转的关节。机械部分涉及结构的搭建和传动系统的设计，是制作中的难点。业余设计和制作小型机器人可以从低成本、建造方便、小巧灵活这些特点入手。最容易实现的方式是把电子部分和结构部分作为一个整体来进行制作，简单说就是直接用电子元器件来搭建机器人的骨架，使其既满足电路的功能，又构成了机器人的骨架，如图1-1～图1-5所示。图1-1 直接使用电子元器件作为骨架制作而成的两只太阳能蟋蟀图1-2 蟋蟀机器人的底部，可以看到由两只电机组成的驱动部分、储能电容与其他电子部分构成了一个整体图1-3 另一个版本的太阳能蟋蟀，使用洞洞板作为结构件图1-4 洞洞板蟋蟀的底部，各种细小电子元器件、电机和储能电容都固定在一片洞洞板上，构成了机器人的主体图1-5 业余制作可以尽情发挥创意，使用任何可以利用的材料。这是一个以铁罐头皮为底盘制作的寻光机器人。两只电机固定在底盘上，尾轮是一个塑料珠子，电源是淘汰下来的手机电池，电子部分焊在一小块洞洞板上，用尼龙扎带把这些捆绑在一起，就构成了一个智能移动平台，是不是很有趣？1.1.1 机器人的电子元器件
从工程学角度看，小型移动式智能机器人可以看成能独立工作的自动控制系统，它们具有自动控制系统的3要素，即：传感器、控制器和执行器。下面就从这3部分出发，简要介绍一下制作书中机器人所需的电子元器件，元器件的用法会在后面的制作项目中详细说明。
1 传感器
本书介绍的机器人上用到的几种传感器见图1-6，以光电传感器和机械传感器为主，从左往右依次为3mm光敏二极管、3mm红外接收管、水银开关、ITR20001-T和TCRT5000型反射式红外线传感器，以及带有开关量输出的超声波测距传感器。图1-6 机器人上用到的传感器
光敏二极管和红外接收管常见的规格有3mm和5mm两种，为了减小机器人的体积和减轻重量，建议选择直径3mm的规格。这两种二极管的特性很相似，只是红外接收管除了可以对可见光做出反应，还可以感知红外线。给机器人配备上红外接收管，可以增加它在黑暗环境下的行动能力，用家电遥控器（按下任意键）就可以制造出一束红外线，指挥机器人行动。注意这两种二极管都需要配备管座，让光线只能从二极管顶部射入，以增加指向性，降低杂散光线的干扰。管座可以用简单材料代替，书中使用的就是一段黑色热缩管或绝缘胶带。
水银开关是一种机械式传感器，利用水银的导电性和流动性连通或断开密封在一个玻璃泡内的触点。这种开关可以检测物体的倾斜状态，稍加变通也可以检测碰撞（见3.2节《会寻光的机器龟》）。注意：市场上常见的水银开关都是用玻璃泡封装的，小心不要打破，洒在地上的水银很难清除，且挥发的蒸汽有害健康。为安全起见，可以把水银开关裹上泡沫塞进笔帽里，并用热熔胶密封好。
反射式红外线传感器由两个封装在一起的红外发射管和接收管组成，一发一收地检测目标是否反光。根据黑色物体吸收光线、白色物体反射光线的原理，可以用这种元件检测画在白色地面上的黑线（见3.1节《基于模拟计算机的循线小车》）。这种传感器在市场上流通的型号很多，书中对它们没有特定要求。这里再传授一个判断管子是发射管还是接收管的小窍门：透明或蓝色的是发射管，深黑色（这种物质起到过滤可见光的作用，只有红外线才能通过）的是接收管。
超声波测距传感器是本书的可选器件，市场上有一种可以作为报警模块使用的超声波传感器，不进行测距时，相当于一个非接触式开关，可以利用它输出的高、低电平直接控制逻辑电路（电路需要作相应修改，适合有一定经验的爱好者），取代机械式触须开关。
除了图1-6中所列的几个传感器，本书中还用到了一种手工制作的机械式触须开关，这种开关的结构非常简单，由一根可弯曲的金属丝（动片）和套在外面的一个金属圈（静片）组成。金属丝碰到前方物体产生弯曲，导致动片和静片碰到一起，开关导通（详见3.1节和3.2节），机器人做出相应的动作。
2 控制器
控制器由控制电路组成，控制电路根据传感器采集到的信号决定机器人需要采取的行动，指挥整个机器人的运转。本书介绍的机器人控制电路使用的是市场上常见的电子元件，阻容元件对精度没有严格要求，电阻可以选择功率为1/8W、误差10%的普通碳膜电阻，电容可以选择小型瓷片、独石或CBB电容，为了减小尺寸，还可以使用贴片电容。晶体管使用普通小功率NPN、PNP三极管就可以，比如常见的8050和8550。
机器人用到的集成电路有4种，均为74HC系列，图1-7所示是我使用过的几个规格的IC，从左往右依次为两个不同厂家生产的74HC14、两个74HC240、74HC86和74HC245。这类IC的供应商非常多，不同厂家生产的IC或同型号带有不同后缀的IC，在特性（比如温度、输入输出和时延特性）上会有一定差异，书中的机器人对此没有严格的要求。注意：74HC系列IC为高速CMOS器件，为了防止静电损坏，建议在拿取芯片时，先用手摸一下铁质机箱，焊接时使用带有ESD（防静电）标志的烙铁或焊台。图1-7 机器人上用到的IC
值得一提的是，74HC14和74HC86是“直给”型逻辑IC，通电后，内部的门电路就可以工作；而74HC240和74HC245内部的缓冲器是受控工作的，需要改变使能端的电平（本书中的高电平指的是电源电压，低电平为地）才能启用相应的功能，灵活利用使能端还可以实现机器人的初级智能控制（见3.1节及以后的内容）。建议读者对照这些IC的手册熟悉它们引脚顺序和内部结构，对设计电路布局和焊接会有很大帮助。
此外，本书还有一个竞赛项目，让两只不同控制核心的爬虫机器人同台竞技，需要用到一片AVR ATmega8单片机（见5.1节《数字PK模拟》）。
3 执行器
执行器通过执行机构（车轮、手臂、腿、机器爪）控制机器人的动作，书中机器人使用的执行器是常见的小型直流电机和模型舵机，如图1-8所示，从左往右依次为RF300型直流电机、迷你电机、N20减速电机、机器人小车电机、两个拆机减速电机和一个9g舵机。图1-8 机器人上用到的电机
RF300是最常见的直流电机，一般用作光驱和DVD播放机的开仓电机，这种电机的特点是非常耐用，从报废电子产品里拆出来的电机一般还可以使用很长时间，用来做机器人实验非常经济。
迷你电机、减速电机和前面提到的RF300在网上一些专门销售电机和机器人模型的商店里都可以买到，价格一般为一元到十几元不等，减速电机因为带有齿轮箱，价格会高一些。如果资金有限，购买二手拆机电机也是一个不错的选择。另外注意平时多留意身边废弃的电子产品，也会带来许多意外的惊喜。淘汰下来的手机、玩具、电脑、小家电在机器人爱好者眼中，是一个个取之不尽的零件仓库。
网上销售的机器人小车电机带有配套的车轮、万向轮和底盘，可以简化轮式机器人的制作。这种电机价格适中，应用非常广泛，在很多机器人竞赛中都可以见到它的身影。它的“缺点”就是太普通了，很难体现出机器人的个性，为了发掘它的潜力，本书讨论了两个这种电机的变通用法（见2.2节和4.1节）。
9g舵机为普通模型舵机，比如市场上最常见的SG90。因为机器人使用3.7V锂电池供电，建议不要使用对电压要求较高的标准舵机（见5.2节）。
4 电源
机器人的电子部分需要电源才能正常运转，本书介绍的机器人用到的几种电源，如图1-9所示，从左往右依次为太阳能电池板、6V电池盒、小号锂电池、中号锂电池。图1-9 机器人的电源
太阳能电池板可以把光能转换为电能，在天气晴朗的日子给机器人提供源源不绝的动力，阴天时就让机器人保持静默。这种电池的输出电流比较低，需要配合特别设计的电路才能驱动机器人，可以采用串联、并联的方法得到所需的电压和电流。
6V电池盒可以使用4节5号（AA）电池或4节7号（AAA）电池，为了减小机器人的尺寸、减轻重量，还可以减少1节电池，书中的电路在4.5V电压下也可以正常工作。
锂电池可以重复充电使用，是小型机器人电源的理想之选。市场上有一种作为电子产品维修备件出售的锂电池，这种电池带有端子，配上一个充电器就可以使用。注意：锂电池使用不当有起火、爆炸的危险，一定要购买正规厂家生产的带有保护板的锂电池，并严格按照要求使用。1.1.2 机器人的结构材料
机器人的电子部分需要安装到结构上才能形成一个系统，结构是可以活动的，由电机驱动车轮、手臂或腿等机械部分来实现。本书介绍的机器人的结构均为手工制作，需要用到的材料如图1-10所示。图1-10 机器人的结构材料：3mm接线端子、洞洞板、尼龙扎带、曲别针、车条
机器人结构的制作，充分考虑了身边常见材料的合理利用，装配方法有多种，这些在后面的制作中都会有所体现。结构的固定可以采用多种方法组合的形式，如图1-11和图1-12所示的一个用光盘制作的轮式机器人底盘，就使用了螺丝、尼龙扎带、热熔胶、直接插接、铜柱支撑等多种方法。图1-11 把两片光盘叠起来，用M3螺丝固定好，电机和电池盒用尼龙扎带和热熔胶固定图1-12 车轮插接在电机上，洞洞板用铜柱固定在顶板上
灵活利用现有的材料，可以制作出个性化十足的机器人，如图1-13和图1-14所示的一个用曲别针做骨架的寻光避障机器人。图1-13 由6只曲别针组成的机器人（顶视）图1-14 电子部分用扎带绑在骨架上，两个RF300电机用螺丝固定（底视）
此外，机器人技术与科学和艺术是分不开的，你一定希望自己制作的机器人是一个智能与美感的综合体。为了使机器人的外形和运动姿态看起来更美观，就要在机械结构的设计和制作上花费相当多的心思。为了使自己的机器人与众不同，通常需要自行设计和加工一些小零件。
为了实现上述这些目标，机器人爱好者必须具备一定的工具操作经验，熟悉常见材料的特性和加工方法。1.2 机器人制作工具
业余制作机器人的工具，与机器人的组成相同，相应地也分为电子装配工具和机械加工工具两大类。1.2.1 电子装配工具
大多数电子爱好者对这类工具会比较熟悉。为了进行书中所介绍的小型机器人的制作，还需要准备一些辅助工具，甚至是有点“另类”的替代工具，如图1-15所示。图1-15 制作机器人电子部分经常用到的工具
对于DIY爱好者来说，焊接是制作电路的首要选择。焊接的目的就是用焊料将互相分离的元器件、零部件、导线结合起来，以形成导电通路。焊剂的作用是与锡铅焊料、被焊器件及焊接端子的表面氧化物起化学反应，使被焊接金属原子与焊料表面的原子相互接触，靠原子间的热运动形成合金，当温度降低后，熔融的焊料变成固态，从而将被焊件牢固地结合起来，完成焊接过程。
进行机器人电子部分的制作，主要的工具是焊台和偏口钳。作为一个有着二十多年制作经历的无线电爱好者，我在各个时期使用过当时流行的焊接工具：恒温烙铁、调温烙铁；铜头、合金头、长寿头；5元一只的国产烙铁、100多元的进口烙铁，直到调温焊台。传统烙铁的最大缺点是温度不好控制，受环境温度影响大，在机器人制作上会限制爱好者技术的发挥。如前面所介绍，小型机器人是电子与机械结构搭建成的混合体，在焊接时既要面对芯片引脚这类细小的材料构成的电子部分，又要兼顾曲别针、铜片、车条这类比较“大”的材料构成的机械结构部分。为了达到较好的整体焊接效果，在机器人的搭建过程中需要根据材料的不同来调节焊接温度。
焊台的好处是可以迅速（一般小于20s）切换温度。这样我们可以在细小焊点上使用200℃的温度焊接；在大焊点，比如车条或由曲别针构成的机器人骨架上，使用400℃的温度焊接。在焊接时设定适宜的温度，使焊接部位瞬间达到融锡、降温、凝固的效果。速度快可以避免材料表面的氧化，提高焊接质量并保持焊点的美观。
偏口钳或电子剪在焊接过程中的使用频率也很高，主要用来给元件剪脚。此外还有去除导线绝缘外皮的剥线钳，如图1-16所示。图1-16 图中从左往右依次为偏口钳、剥线钳（带剪线功能）、老式剥线钳
下面就要提到制作小型机器人必不可少的焊接辅助工具和替代工具了。爱好者在焊接时经常会遇到既要扶稳元件，又要拿着烙铁焊接的情形，尤其是一些小零件、贴片元件，不固定好是无法进行焊接的，烙铁头轻轻一碰或者融化以后焊锡流动的张力都会造成元件移位。每到这时，都会感觉自己的两只手不够用，此时就需要用到辅助工具了。我们应该熟悉并使用好这些工具，此外还有一些比较“另类”的替代工具。
1 放大镜架子，也称为机器手。这是一种带有两只铁夹子、一个放大镜的小架子，铁夹子可以在把分散的元件焊接成一个电路或结构的时候，起到辅助把持的作用，等于给你增加了两只手，操作起来非常方便。需要注意的是，架子上的放大镜一般用不到，建议拆除，防止意外被阳光照射到聚焦，产生安全隐患。
2 止血钳。医用止血钳的头部是弯曲的，并带有锁紧功能，如果想在芯片的引脚上进行搭棚焊接，它是最理想的辅助工具。此外还有一点，医用设备使用起来的感觉很酷！就像下面的手术刀一样。
3 手术刀或雕刻刀。有时需要对电路上一些非常细小的部位进行修整，这里有两个选择：医用手术刀或模型雕刻刀。这两种刀都具有刀柄与刀片可分离的结构，它们是为切割细小部位而设计的，操作感非常好。随着我们的作品越来越小型化，在装配一个电路的时候真有一种动手术的感觉！
4 弯头尖嘴钳。如图1-17所示，这种钳子在手工艺品行业广泛使用，常被用来串女生的手链、弯制挂坠等一些小玩意儿。我们可以把它们作为高强度镊子来用，用它们来给元件造型。几元钱一只的镊子头部都太软，有时弯折稍硬一点的元件引脚都会变形。有了这种弯头钳，就不用再为这类问题烦恼了。图1-17 弯头尖嘴钳，镊子的理想替代品
5 测试工具。本书中的机器人电路都非常简单，用万用表就可以完成大部分测量和调试工作了。建议爱好者准备两个万用表，如图1-18所示，一个指针表，一个数字表，要求数字表带有三极管和电容测试功能。指针表的优点是读数快，可以直观地观测脉动电压。数字表的电容测试功能可以在制作神经元电路时给电容进行配对。万用表无需准备很高档的，常见的几十元的国产表就完全满足制作的需要了。图1-18 万用表（上方为数字式万用表，下方为指针式万用表）
6 示波器。有条件可以准备一台数字示波器，现在国产的数字示波器价格在1000元左右。如果你希望在机器人的制作技术上有所突破，可以考虑买一台好一点的示波器。我们可以利用数字示波器的锁存功能深入分析电路的运行状态，把机器人的“大脑”和“神经”调整到最优状态。
7 热胶枪。热胶枪可以迅速搭建起一个结构，几乎可以粘合任何物体，用它来固定电路或导线也非常方便。胶棒融化以后的粘接强度好，拆卸容易，并且不会破坏材料本来的外观。使用热胶枪的窍门是一定不要把枪体水平放置，这样融化的胶质会倒灌进枪体内部，冷却以后造成送料机构卡死。还有在上胶固定的时候，不要一下挤出很多，那样的粘接效果并不牢靠，也不美观。正确的方法应该是边挤压边涂抹，枪嘴是热的，利用枪嘴的热量把胶质均匀融化、涂抹，让其渗入结合物的缝隙里。1.2.2 机械装配工具
机械结构部分是机器人制作中最难处理的环节。它涉及材料、设计、加工和装配。一些复杂的机构还要考虑运维保养的问题，所以相应的机械装配工具也比较多。图1-19所示是机械装配经常要用到的测量、画线和钻孔工具。
为了使读者易于上手制作，本书中所收录的小型机器人已经尽可能地考虑降低结构部分的制作难度。其中大多数小型机器人只需要用到钳子和剪刀、小电钻、螺丝刀就可以进行制作，只有少数几个结构稍微复杂一点的机器人，如硬盘动物、机器龟、6足爬虫，需要用到台钳、台钻、钢锯这类比较粗重的工具（见图1-20）。图1-19 机械装配经常要用到的测量、画线和钻孔工具图1-20 在家中建造的小型金属加工中心，包括台钻、台钳、钢锯、锉等工具
机械结构的加工涉及下料、打孔、削磨、钣金等一系列借助电动工具和双手来操作的工作，材料的加工过程有一定的危险性，并且会产生大量的金属屑、粉末等。与电路焊接不同，电路中一个元器件焊错了或者焊得不好，可以拆掉或者补焊，而金工的一个零件测量有误或者钻孔打偏，就会是无法弥补的错误。所以在进行金工操作时一定要耐心细致，做好安全防护（常用的安全防护工具见图1-21），并且经常保持工作环境的整洁。在家中安置这些设备应尽量选择光线充足，平时不经常走动的死角。图1-21 安全防护工具：可以自由移动的充电台灯、护目镜、口罩和耳塞
下面说一下这个“加工中心”必备的几样工具和我的使用经验。
1 台钳
加工中的材料简称为工件，工件的大部分加工，比如锯、锉、折弯都是在台钳上完成的。台钳以钳口的宽度为标定规格，可以根据待加工材料的大小来选择适合自己的规格，一般使用75mm的就可以完成大部分零件的制作了。我的加工中心准备有两只台钳，一只75mm，一只120mm。
台钳的底座上有3个固定孔，需要通过螺栓固定在一个平稳坚固、高度适合操作的工作台上。工作台可以用小桌子来代替。台钳由活动钳身、固定钳身、底座和丝杆构成。活动钳身安装在固定钳身上，通过手柄带动一根有螺纹的丝杆来带动在固定钳身槽内移动，使钳口能够开合。固定钳身连接在底座上，底座固定在工作台上。常见的台钳为自由旋转的类型，钳口可以在底座上旋转一定角度，并能通过底座上的锁紧手柄将钳口的位置锁定。
台钳具有两个增力机构，一个是手柄的增力，一个是螺纹传动的增力，增力比非常大，使得钳口可以可靠地固定住工件，从而保证在工作时工件不会发生任何移动。因为夹紧力比较大，可能会夹伤工件表面，所以需要在工件和钳口之间垫上牛皮纸等材料以保护工件。
与台钳配合使用的工具有钢锯和什锦锉，如图1-22所示。图1-22 台钳、钢锯、什锦锉
钢锯的作用是切割材料。注意一个细节，在给锯弓子上锯条的时候，应该把锯条的尺牙朝前安放。在锯的过程中，可以用左手扶住锯弓子前部，配合右手辅助推拉，这样可以保证材料切割面的规整。比较薄的材料，比如1mm厚的铁板、铝合金板也可以直接使用铁剪刀来裁切。
什锦锉的头部有多种形制，经常用到的是平头扁锉、尖头扁锉、方锉、圆锉、圆边扁锉这几种。购买什锦锉时可以按长度和直径来选择，建议3mm×140mm和5mm×180mm规格的各备一套。借助什锦锉，可以完成大多数零件的精细加工。例如把台钳上固定的工件加工出特定的斜面、弧面，扩大钻孔直径，或者锉出机箱电源座的长方孔、按键的方孔等。
工件的折弯可以借助一根硬质木条来完成。先用台钳固定好工件，再在钳口上用木条抵住工件，然后双手在木条的两端同时用力把工件弯折到需要的角度。木条的作用是使加工部位受力均匀，防止弯折线的中间凸起。
2 钻床
钻床也称台钻，是一种体积小巧、操作简便的小型孔加工机床，如图1-23所示。钻床比手枪钻有更好的操作性和加工精度，工作效率也更高。拿常见的蜘蛛形或者蛇形机器人来说，加工出一只这样机器人所需的全部金属零件，给材料打孔的总数会超过100个，而且舵机和机械连杆部分的孔对垂直精度有着非常高的要求，这些工作用手枪钻是很难做到的。
钻床钻孔的直径一般在13mm以下，最大不超过16mm。购买钻床时可以按它可以固定最大钻头的直径规格来买，和店家说13mm的钻床，他就会知道。需要注意，钻床最大的钻孔直径不要太大，即使是13mm的钻床，也不要用它钻超过10mm直径的孔。如果一个零件需要加工一个较大直径的孔，可以把它夹到台钳上，借助什锦锉来扩孔。我的钻床规格是13mm的，用来加工2mm以下的铁板和6mm以下的铝合金板，能够满足大部分制作的需要。图1-23 钻床
与台钳一样，钻床也需要安放在一个平稳的工作台上。工作台的高度以操作时双眼可以清晰查看加工中的工件为宜。小型钻床的主轴是垂直布置的，主轴的给进需要手动操作。如上面提到的，使用电动工具加工金属材料具有一定的危险性，应该选择环境光线适合的时间段，戴好护目镜，集中精力进行操作。钻孔的工件需要借助G型夹子与钻床的托板装夹牢固，小工件可以用平口钳辅助夹持，千万不要直接用手拿工件操作以防危险。钻薄金属板时，托板上需要垫一块木板，钻头快要钻透工件时，主轴的给进要慢，轻施压力，以免折断钻头，发生意外。
3 加工流程
我的加工流程一般分成这样几步：首先在材料上用油性记号笔画出每个工件的轮廓，在需要打孔的地方做好标注；然后上钻床给整块材料打孔；最后是把材料切割成各个工件，上台钳用什锦锉做最后的精细修整、折弯。
工作中产生的碎屑要及时清理。我用罐头盖做了一只小簸箕，配合小毛刷把金属屑收集到铁桶里，如图1-24所示。非金属的碎屑可以用吸尘器清理。
机器人技术是一门综合性很强的学科，即使作为一项业余爱好开展下去，也大有益处。一个机器人模型就好比一个小型系统工程，有时候一个小项目就需要调动大量资源，需要爱好者掌握扎实的基础知识，拥有丰富的实践经验。希望每一位读者都可以在接下来的内容里享受到属于自己的乐趣，不要害怕在制作过程中遇到困难，排除困难意味着可以学到新的知识。如果有一个技术问题反复困扰着你，不要操之过急，停下来换个心情重新来过，别忘了我们开展机器人制作的初衷——学习知识并享受制作的乐趣。图1-24 用小毛刷和小簸箕收集碎屑
最后，别忘了最重要的一点：安全第一！不管是使用手动工具还是电动工具，操作不当都存在一定的危险性，初学者请在专业人士的指导下开展制作，并做好安全防护工作。第2章用分立元器件制作的机器人
在制作了多个结构简单的初级机器人以后，我经常会发出这样的感叹：“玩了这么多年电子，直到接触到机器人技术，才发现基础电路也可以这么有趣！”
本章将从电子爱好者最熟悉的基础电路和三极管、电阻、电容这些常见常用的电子元器件出发，介绍从阳光中获取能量的太阳能引擎的制作方法，并把这种具有初级智能特征的电路安装在机器人机械结构上，控制小型移动式智能机器人的运转。2.1 太阳能陀螺
太阳能陀螺是本书介绍的第一个机器人。它的特点是结构巧妙、好制作、易实现，适合刚入门学习机器人的爱好者进行制作。
太阳能陀螺将实现以下的功能：（1）在阳光下自动运转；（2）碰到障碍物后转向；（3）在无光环境下静默。
这是一只最简单的自主运行机器人，它不像居家电器一样需要电源开关，也不需要人工维护，可以24小时运转。
太阳能陀螺的寿命取决于运转环境和材料寿命。太阳能电池的寿命一般为6年，电解电容干涸失效的时间一般为3年。电机电刷和轴承的磨损、潮湿的环境腐蚀都会加速机器人的老化。我的第一只太阳能陀螺是在2010年夏天制作完成的，我把它放在家里阳台一个阳光可以晒到的小台子上，至今这只太阳能陀螺仍然保持着日出而作，日落而息的转动，仿佛在不停地提醒我：它不是一个机器，而是一个生机勃勃的生命体。
小型机器人所需要的很多材料都可以从生活用品或废旧的电子产品里获得，在制作中尽可能利用周围一切可以利用的资源，你会发现很多意想不到的乐趣。资源再生是当今社会的热门话题，对再生资源的合理利用，是一个充满了智慧的过程，推动着产业科技的发展。爱好者可以从书中这些机器人制作实例中，体会到其中的冰山一角。
购买现成的材料来制作这个太阳能陀螺，它的造价也不会超过一顿午餐。
不论你是电子爱好者，还是机械或模型爱好者，看完本文都会有所启发。2.1.1 工具和材料
工具的选择和使用是一门学问，使用正确的工具可以事半功倍。下列是进行制作所必需的工具：
工具：
>> 电烙铁或焊台、焊锡
>> 放大镜架子
>> 剪刀
>> 偏口钳
>> 万用表
>> 弯头尖嘴钳（可选）
>> 雕刻刀（可选）
以上都是常用工具，可以在本地电子市场购买或者网购，其实物图如图2-1所示。为了保证操作安全，需要给电烙铁准备一个专用的烙铁架。本文的制作比较简单，焊接的环节也不多，使用传统电烙铁就可以了。如果你想开展更多的机器人制作，建议购买一部焊台。国产工具良莠不齐，不顺手的工具会让你完全没有制作心情。选购工具前尽量多问问业内人士，网购要做好功课再下单。图2-1 进行制作所必需的工具
制作太阳能陀螺所需的材料：
材料：
>> 曲别针 6个
>> 微型电机 1个
>> 2200μF电解电容 3个
>> NPN三极管 1个
>> PNP三极管 1个
>> 2.2kΩ电阻 1个
>> 单闪LED 1个
>> 导线 若干
>> 尼龙扎带 2根
>> 电压4V以上、电流10mA以上的小型太阳能电池板 1块
>> 洞洞板 1片
为了增加制作乐趣，建议尽量搜集身边的材料，实在没有再去买。从废电脑、电话、手机、游戏机里，我们都可以拆出有利用价值的材料。我认为，搜集材料的乐趣不亚于创作的乐趣。
三极管可以使用常见的小功率塑封管，如8050、8550。微型电机可以使用废光驱里面的仓门电机。现在市面上有一种环氧纤维材质的薄洞洞板，可以用剪刀直接裁剪，强度好、重量轻，建议多准备几片，在后续的制作里也会用到这种洞洞板。2.1.2 太阳能陀螺的电路
图2-2所示是一个经典的BEAM机器人的太阳能引擎，它的功能是把光能转换成足够驱动小电机的脉动电压。感兴趣的读者可以在网上搜索“BEAM Solar Engine”获得更多的信息，本书着重介绍具体的制作方法。图2-2 经典的BEAM机器人的太阳能引擎
值得一提的是，太阳能引擎具有类似生物神经的特性。制作完成后的太阳能陀螺，相当于一个基于随机振荡器的阈值设备。该设备具有一个触发电压的上限阈值，和一个关闭电压的下限阈值，触发和关闭的周期受电机负载的影响。在关闭状态下，设备还受到光线的影响。机器人与外界环境之间建立的是一种动态的衰变关系。
注：BEAM是Biology（仿生）、Electronic（s 电子）、Aesthetic（s 艺术）、Mechanics （机械）的缩写。2.1.3 制作
首先制作太阳能陀螺的机械结构部分。机器人的制作不同于纯电路的制作，机器人是一个电子-机械的结合体。机械结构部分的制作考验制作者的手工和空间想象能力，我们的目标是在实现功能的前提下兼顾美观。
1 首先把洞洞板剪成一片等边三角形。要求三角形里面可以放得下3个2200μF电解电容和微型电机，电机安放在3个电容中间的位置，并与电容保持2mm的间距。
2 将3个电解电容对称安装在洞洞板的3个角。电容的正极在洞洞板的外侧。把3根曲别针拉直，首尾衔接弯成一个圆形外框。圆环内放置储能电容、电机和电子部分，太阳能电池安置在圆环上。圆环有3个作用：第一是用作储能电容的汇流母线；第二是保护环内的电子核心；第三是当圆环碰撞到障碍物时，造成机器人重心的变化，进而改变机器人的运动方向。下一步是在洞洞板上焊接电子部分。将3个电容的正极向外辐射延伸出来，与圆环焊接在一起。在洞洞板的中间位置，焊接好太阳能引擎电路。
3 将电容正极向外展开，焊接固定好。
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