机器乌龟制作详解

机器人制作栏目，制作一个会寻光的机器乌龟

1949年，为了模仿自然生命，英国科学家Grey Walter设计制作了一对名叫Elmer和Elise的机器人，因为他们的外形和移动速度都类似自然界的爬行龟，也称为机器龟。这是公认最早的真正意义上的移动式机器人。

Walter机器龟的核心是由电子管、阻容器件和继电器构成的一个简单的单细胞“大脑”。头部的光电管和外壳上的碰撞开关作为与外界沟通的传感器，两只电机分别负责机器龟的移动和头部光电管的转动与机体的拐弯。每台机器龟前部都装有一个灯，充电站里面也有一个导航灯。这就使机器龟、充电站、外界环境之间建立了一定的联系。光电管使机器龟具有趋光性，可以对外界的光线发生反应，安置在每只机器龟前部的光源，使机器龟之间亦有一定的互动性。有趣的是机器龟在镜子前看到自己时，也会产生行为反应，Walter形容为“这是机器龟存在某种自我意识的证据”。龟壳上的碰撞开关使他们在碰到障碍物的时候会自己跑开。当电池电量降低的时候还可以自己循着充电站的导航灯光源进去充电。

对机器龟的研究证明了少量脑细胞之间以不同方式的连接可能会引起很复杂的行为。我这次要用现代的材料和制作工艺来重现这个经典的起源型机器人。时隔60多年，电子技术已经发生了革命性的发展，即使作为一名业余爱好者，手头的元器件对当年的科学家来说也绝对是重量级的了。我的任务会因此变得简单吗？请继续往下看。

现在开始，记住，我们的口号是DO IT ALL THE WAY！

一、制作机器龟的移动平台

材料清单：

名称数量

减速电机2只

配套轮胎2只

铁或铝板适量

尼龙万向轮1个

M3螺丝螺母若干

M3套管若干

M3铜柱若干

保鲜盒1个

4AA电池仓1个

小弹簧2个

双面胶带适量

一台运转灵活的机器人在制作过程中一定会涉及到机加工环节，厂家预置的通用五金件可以节省你的时间，但是不能解决所有问题，如果想制作出个性化的外观，复杂的功能，就一定要自己动手了。笔者自己就很喜欢金工和机械设计，对于业余制作来说，材料的选择和结构的设计可以天马行空，一旦将注意力集中在这些没有人解决过的问题上，创意就开始奔涌而出，这是我们的优势，要好好加以利用。我鼓励大家多做做这方面的功课，就从移动平台、基础小车开始，尝试自己设计，自己加工;以后慢慢过渡到自制舵机框架、摇臂、云台或者更复杂的机器臂、机器手、多足机器人就得心应手了。

搭建这个平台所使用的电机和轮胎是机器人基础小车里常用的型号。我使用1mm厚度的5052铝板做了一个T字型骨架。整个车体只有两个五金件，用铁剪刀下料、电钻打孔、台钳折边可以很快加工出来。大家也可以使用手边材料，如废光驱外壳来制作骨架，如果觉得铁皮比较软，可以折一下边沿增加强度。

图一至图六是我加工这个小车平台的过程和做好的实物。

保鲜盒通过两根弹簧，以“悬浮”的方式，罩在移动平台外面，做为机器龟的外壳。盒子的里面固定有一只水银开关，负责检测外界的碰撞。这个结构，即使龟壳受到微小撞击，也会确保水银开关被触发动作。见下图七：

第二步、制作机器龟的电子脑

与机器龟同一时期，冯。诺依曼已经提出了二进制和程序内存的思想，这是当今数字计算机的主流结构。但是Walter仍然在他的研究里强调用纯模拟线路来模拟生物大脑的重要性。Walter的这种思想启发了随后几代的机器人研究者，其中最著名的就是Mark Tilden和他的BEAM（仿生-电子-艺术-机械）机器人。

这里我使用一片四异或门威廉希尔官方网站 74HC86，来制造机器龟的电子脑，这只机器龟也是一部比较高级的BEAM机器人。

线路图如下：

元器件清单：

型号数量

74HC861

74HC2452

光敏二极管2

1N41481

1M电阻4

100K电阻1

0.33uf电容2

10uf电解电容4

工业冷压端子3

0.8mm钢丝若干

细导线若干

热缩管若干

洞洞板一片

机器龟的眼睛由两只光敏二极管构成，向左右两侧分开适当角度排列，检测环境光。当两眼入射光线不同的时候，光敏二极管回路里正反方向对异或门的输入电阻是不同的，威廉希尔官方网站 驱动两只电机做差速运转，使机器龟总是向着光线最强的方向运动。

水银开关和三只触须开关负责感知外界环境，使得机器龟可以对外界的物体做出一定的反应，它们的执行优先级要高于光敏二极管。这四组开关的执行时间取决于线路图中RC的时间常数，1M电阻和10uf电解电容为参考值，可能需要根据机器实际运转情况做适当调整。

机器龟的行为模式归纳如下：

编号左眼右眼左碰撞右碰撞回转水银动作

1任意任意触发无无无顺时针

2任意任意无触发无无逆时针

3亮暗无无无无逆时针

4暗亮无无无无顺时针

5任意任意任意任意任意触发假死

6任意任意无无触发无后退

威廉希尔官方网站 部分较简单，用一小片洞洞板就可以焊起来，不再占过多篇幅描述。有几点需要注意的问题：

1， 威廉希尔官方网站 和机械部分需要协调工作才能达到最佳效果。线路图中的光敏二极管、触须、电机这些对安装方位有要求的器件，一定要事先规划好。

2，用不透光材料包裹好光敏二极管，只使它的前部透光，我用的是黑色热缩管。两只光敏二极管需要呈一定夹角排列，形成机器龟的虚拟视野。光敏二极管周围尽量清空，方便以后调整夹角。如下图八。

3，74HC245构成电机的双向驱动，需要根据电机的规格来叠加芯片，以获得足够的驱动电流。两片叠加起来，驱动桥每臂可以输出140ma的电流，足够驱动普通小型电机了。叠加的芯片最好焊接在一起，防止个别管脚接触不良导致威廉希尔官方网站 工作不正常，使能跳线也可以直接焊接在芯片上，形成一个独立的功能模块。如下图九。

4， 触须开关的制作如下所述：

拆出工业冷压端子的铜芯，其实就是一个细铜管，读者也可以找其他适合的材料替代。见图十。

用细钢丝弯成触须，触须的末端，套一节绝缘管，插入细铜管里，再与相对应的威廉希尔官方网站 节点连接。调节绝缘管与细铜管的配合，就可以微调这个开关的灵敏度。经过试验，我发现钢丝是无法焊接的，最后使用电线里面抽出的细铜丝把它捆绑在节点上，外面堆焊锡固定的方式，实际效果还可以。如图十一，图十二。

第三步、总体装配和调整

把威廉希尔官方网站 部分装配在移动平台上，如下图十三、十四、十五、十六：

与制作好的机器龟相处一段时间，观察它的行为模式，我发现它有一些脱离开设计意图的随机行为。这归因于控制威廉希尔官方网站 和移动平台的不精确性。我对它的看法也逐渐改变：它不是一台机器，而是一只人造电子生物。

按照Mark Tilden制定的BEAM机器人三大守则：

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

机器人必须保护自己。

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

机器人必须维持运转。

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

机器人必须寻找能源。

这只机器龟已经具备了一定的躲避障碍的能力，并且可以寻找光源。如果把光源作为维持它运转的能源的话，我们可以做如下改进：

1，电池仓里换用可充电电池，或者单块锂电池。

2，在机器龟的外壳顶部安装适量的太阳能电池板。

3，加入电池电压检测威廉希尔官方网站 ，当电压跌落到一定数值的时候，让机器龟处于静默状态，同时切换太阳能电池板给电池充电;电池充满后恢复运转。威廉希尔官方网站 可以采用电压比较器加继电器的结构，很简单的实现。

4，加入环境光检测威廉希尔官方网站 ，在暗环境下强制机器龟进入休眠状态，当光线充足的时候恢复运转。太阳能电池板可以兼顾环境光传感器，同样采用电压比较器和继电器的结构，与外壳里面的水银开关并联工作。