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机器人入门常问问题

2014-09-17  己范的书屋
0. 什么是机器人?它们大多数长得并不像人,为什么还叫机器人?
最简单的说法,机器人是是自动控制机器的俗称,由程序控制是其最大的特点。机器人中带有的“人”字可能只是因为机器人要代替人类完成部分任务而使用的一种拟人化翻译方式吧(笑,不过机器人长得像人一点的确可以提升人们的好感度),具有类似人类外观的仿人机器人的英文名称叫做humanoid robot。


1. 我XXXXX( XXXXX = 没有基础 / 没上大学 / 还是学生党 ...),可以学习机器人吗?
本帖中所涉及的机器人制作范围在说明中已经说明,作为一种爱好,更多需要的是兴趣与耐心。
如果 XXXXX = 没耐心 / 一点钱都不愿意花 / 只想弄个大新闻 ...再见。


2. 机器人的制作都涉及什么知识?要从哪里入手?有什么相关专业?
机器人是一门交叉学科,涉及了计算机、电子、机械、物理学、生物学等知识。这种说法没有错误,不过对初学者有些不负责任,初学者实际要掌握的技术主要分编程、机械、电子这三大块。
从哪里入手主要取决于学习者的基础,比如我因为有一些编程与算法经验所以就是从机器人编程入手的。如果没有任何基础,推荐先买一些入门书看看,建立机器人开发的基本概念。在此之后根据自己的兴趣将上述技术结合起来学习。
机器人相关的专业比较多,但大多只侧重机器人的某一方面技术。开设院校较多的专业有机电一体化、自动化、计算机科学与技术、电子科学与技术、机械工程等。此外还有智能科学与技术专业等虽然属于机器人相关专业但开设院校较少。


3. 有什么好的入门书籍?
市面上关于机器人制作的入门书籍还是很多的,不过大多数内容其实都差不多,无非就是说一堆基础概念再带着做几个简单的小机器人,国内的教程此类特点尤为突出。
推荐两本较为全面的教程。《小型智能机器人制作全攻略(第4版)》 、 《Arduino机器人权威指南》 。虽然书很贵,但是内容绝对值这个价格,教授技术的同时传授了大量的经验。虽然说看起来是“砖头书”,不过在最初阅读的时候没有必要一字一句细读。
初学者可以先通过书中的机器人制作案例产生一个感性的认识,再去在实践中逐渐消化理解。甚至有的地方看不懂可以暂时跳过不看(一些不必要的东西我认为甚至可以直接略过),但是要先形成一个思维的框架,用实践结合着去慢慢研究学习。
对于想要学习51单片机的人再推荐一本《新概念51单片机C语言教程》 ,国货良心,读这本书的时候记着好好看看“致读者”部分。


4. 制作机器人都需要什么工具?
制作机器人初期不需要太昂贵的设备投入,但随着学习的深入升级更换一些专业点的设备也是必要的。
机器人加工方面:微型电钻(电磨)、线锯、台虎钳、锉刀、勾刀 等。
电子制作方面:电烙铁、耐高温海绵、焊锡丝、助焊剂(最常见的是松香)、万用表 等。
除此之外还有钳子、螺丝刀等常见的工具也会用到,在此不一一列举。加工机器人需要使用的工具包括但不局限于上述内容,以上只是最基础的工具,其余工具自然会慢慢接触到。部分可以更换为更加专业的设备,如台钻、焊台等。此外还有数控CNC等相对贵一点的加工器械,有条件者可以考虑。


5. 机器人制作常用的材料有哪些?可以从哪里获得?
常见的材料有亚克力(有机玻璃)、ABS、PVC、铝合金、不锈钢。实际上如果自己愿意,甚至光盘、垃圾桶等生活中常见的物品都可以成为机器人制作的材料。如果会使用CAD软件,可以设计好图纸后在淘宝上寻找钣金加工代工商制造。
购进材料推荐通过淘宝网购。本地的模型店、广告用品店、日杂、五金店也可以留意一下。


6. 什么是机器人套件?有什么推荐的吗?
顾名思义,机器人套件是指用于机器人制造的成套零件,典型例子是在中小学生机器人教育中应用广泛的乐高机器人套件以及飞思卡尔智能车竞赛中的智能车套件。
大多数机器人套件性价比不高,如果不是参加有器材限定的比赛不推荐购买任何套件。举个例子,青少年机器人大赛中用于综合技能项目比赛的中鸣机器人套件价格约为6000元,但实际自己制造的成本可以缩减到其十分之一以内(不过在这种比赛中只允许使用限定厂家生产的器材)。在购买的一些书籍中可能会有分开销售的配件,配合教材使用起来或许能够起到不错的效果,可以根据自己情况选择。
市面上还有一些零散的机器人零件,比如舵机支架、U型支架等。同种商品不同商家的销售价格不同,购买时候要留意这一点,大量购买时候能够省下一大笔钱。
部分商家还将零散套件搭配舵机等零件组合成套销售,最典型的例子是舵机支架、U型架等零件装配的小型双足步行机器人和六足机器人。这一类搭配性价比比大厂家的机器人套件高出许多,但是直接购买往往不是最佳方案。注意这种机器人的配件全部都是通用的,分析一套机器人所使用的配件都有什么,再去货比三家综合分析开销最后决定购买方案。
记住一个原则,使用套件或者是成品零件要学习的是机器人的原理,要多去分析零部件设计的思路,而不是局限于学习使用套件或者零件本身。


7. 机器人的“大脑”是什么?我应该使用什么作为机器人的“大脑”呢?
大多数机器人都是采用单片机控制的。也有部分机器人使用手机、PC充当机器人的“大脑”。对于初学者,推荐从51单片机或Arduino入手。对于运算能力要求较高的机器人可以尝试使用树莓派、pcDuino等卡片式计算机,甚至直接装载笔记本主板。如果非电子、计算机相关专业的学生或从业人员,更推荐Arduino一些。如果以前有单片机开发经验自然会起到事半功倍的效果,但并不等价于学机器人就一定要有单片机基础,单片机技术可以在学习中慢慢掌握。


8. 给机器人编程需要使用什么程序语言?图形化编程又是怎么回事?
使用的程序语言与开发平台有关。“给机器人编程”是一个很广泛的概念,大多数提问者对于问题的描述都非常简略,没有办法直接回答。51单片机可以使用C语言、汇编语言编程,Arduino使用Arduino语言编程(Arduino语法与C类似,属于类C语言),在上位机PC端使用C++、JAVA等就看开发者的个人爱好了。语言只是一种实现算法的工具,编程的思想才是最主要的。(上位机是指可以直接发出操控命令的计算机,一般是PC,屏幕上显示各种信号变化(液压,水位,温度等)。下位机是直接控制设备获取设备状况的计算机,一般是PLC / 单片机之类的。上位机发出的命令首先给下位机,下位机再根据此命令解释成相应时序信号直接控制相应设备。下位机不时读取设备状态数据(一般为模拟量),转换成数字信号反馈给上位机。
与使用单词构成语句表达操作的文本编程语言相对,拖拽图形表达操作的程序语言称为图形化编程语言,典型代表是LabVIEW。除了LabVIEW以外,应用于Arduino的Ardublock、LEGO所使用的NXT-G都属于图形化语言。图形化语言简单易学,具有较高的可视性与交互性,没有计算机基础的人也可以在短期内掌握,降低了编程的门槛。但因为害怕编写与阅读程序代码而选择图形化编程的这种行为从长远角度来看无异于饮鸩止渴。


9. 机器人怎么运动?采用什么作为动力源?如何制造可以载人的机器人?
除了固定式机器人不需要移动以外,大多数机器人使用轮子、履带或腿运动。
轮式机器人的结构相对简单,适合初学者。大多数采用直流减速电机作为动力源,控制精度较高的时候可以加装码盘。小型机器人可以直接用联轴器将电机和轮子连在一起,大型机器人可以使用链轮与链条。
履带机器人的结构相比轮式机器人较为复杂,整个履带机构可以看做一个特别大的轮子。小型机器人的履带大多使用双面同步带或模型坦克履带,如果对地形适应能力要求较高可以增加避震器。
腿式机器人是这三种机器人中最复杂、成本最高的,但也是最有趣的。仿人机器人、六足机器人都属于腿式机器人,小型机器人一般采用舵机驱动关节。市面上大多数国产舵机都是主要用于航模、大脚车的模型电机,但也有少数双轴输出的机器人专用舵机。机器人用国产舵机在性能上远远落后于进口舵机,学习外国技术帝作品的时候千万不要忽略这一点,不然有的东西脑袋想爆了都想不明白。果壳网上有篇关于舵机的文章,顺手给转到了贴吧,有兴趣的话可以看下。http://tieba.baidu.com/p/3105503579
可以载人的机器人不在本帖主要讨论范围内,增大机器人的载重量需要综合考虑电机与电池的性能、框架强度等。载人机器人可以使用电动轮椅电机+电动车电瓶+不锈钢框架,当然这么做的成本并不便宜。


10. 机器人靠什么提供能量?
大多数情况下,机器人用电功能,采用电池作为储能装置,也有少量机器人使用太阳能电池板供电。购买电池时候,要注意电池电压、最大放电电流、电池容量等性能指标。单片机通常采用5V供电,高于5V的直流电可以采用降压芯片转换为5V后使用。
在机器人的开发过程中,可以采用开关电源供电。
输出5V电压还有一种比较简单实用但书中几乎没有提到的方法。智能手机往往充电器都是通用的,一般家里也总会有几根闲置的数据线。剪断数据线后会发现里面有四根细线,插上手机充电器后通电,用万用表找出+5V和GND两根线,拔下数据线,焊接上杜邦线后打上适量的热熔胶,最后用热缩管封装。能够输出的最大电流视充电器情况而定,一般充电器上都会标出来。


11. 机器人用什么感知环境?用什么与人进行交互?
机器人通过传感器感知环境。常见的传感器有超声波传感器、红外传感器、巡线传感器、火焰传感器、温湿度传感器、热释电传感器等,每种传感器分别对应着不同的功能,但都是将外界的环境转换为电信号再由单片机读取处理。
交互功能的开发相对复杂,基础的机器人可能并没有交互功能,具体选择什么方式进行交互要根据需求确定。比如屏幕输出信息按键操控、语音、遥控、上位机客户端等方式都可以考虑。


12. 数字舵机与模拟舵机有什么区别?
数字舵机内部比模拟舵机多出了单片机,具有反应速度快、精度高等优点,制作机器人关节时如果有条件还是最好选择双轴输出的数字舵机。但市面上可供选择的品种较少,且价格较高。模拟舵机对于既定角度的保持能力不如数字舵机,但同时有一种类似弹簧弹力的感觉,也许在一些关节上可以利用这个特性缓解摔倒的冲击,防止齿轮破损。
还有一个常识,数码舵机的英文名称是digital servo,模拟舵机的英文名称是analog servo,舵机的铭牌上通常会有标注。


13. 有哪些适合初学者的机器人实验项目?
适合初学者的实验项目大多数入门书籍中都会有范例。大体来讲最常见的有巡线、触须避障、超声波/红外避障、蓝牙遥控等。

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