重度发烧友教你,如何成为机器人工程师(硬件篇)

我是一位机器人重度发烧友。在开篇之前,请容许我先追忆一下往昔。第一次接触机器人是在大一的上学期,我选修了一门课《机器人概论》,这门课可以说是视频赏析课,因为老师每次上课都只是给我们播放一些机器人相关的视频看,却很少讲理论知识,也不用考试,所以同学们都非常喜欢这门课。我也喜欢,但是,我和他们不一样,这些视频中的机器人深深地吸引着我,每节课都让我心潮澎湃,热血沸腾。

终于有一天,我再也忍不住了,我要自己做机器人!下课后,我立刻追上老师,对他说:“老师,我想和你学做机器人”。老师停住脚步看着我,笑了笑说:“我也不会呀!我是搞理论的。“,What?我瞬间受到了一万点伤害,兴许是不忍看到我失落的背影,老师叫住了我,“这样吧,我给你找两个同学,你们组个队到我的实验室里自己研究机器人吧,我给你们理论指导。”就这样,我开始了我的机器人制作之路。

接下来的日子,我便开始尝试做自己的第一个机器人。可是如何开始呢?没有老师领路,只能自己瞎折腾,所以在学习和制作的过程中走了不少弯路。多年以后,回想当初的经历,我觉得应该为那些想玩机器人或初玩机器人的爱好者们写一篇机器人制作指南,引导他们更轻松的入门机器人制作。

平台选择

言归正传,这篇入门攻略并不是简单的演示制作机器人的过程,而是系统的为你普及机器人制作入门所需要了解的各方面知识和技巧。总体分为:平台环境篇,软件篇,硬件篇,机械篇等。每一篇我都会着重于引导新手如何入门以及告诉你应该去学习哪些知识。下面我们先来介绍一下机器人制作入门如何选择合适的平台。

首先,平台的选择与个人的文化水平、经济能力、动手能力等直接相关,合理选择平台可以让你更轻松的入门机器人制作。针对平台的选择,大致分为以下三类:

一 年龄较小,学习能力有限的机器人爱好者

针对这类爱好者,推荐使用乐高EV3的机器人制作套件。这个套件主要包括控制器、大型电机、中型电机、超声波传感器、颜色传感器、触动传感器、陀螺仪等核心器件以及许多乐高结构零件。

EV3机器人套件

EV3机器人实例

上面两张图片分别是乐高EV3的套件以及搭建实例,可见乐高提供丰富的零件,在搭建方面是非常便捷的,同时乐高还配套图形化编程软件,直接拖动图形模块进行编程,非常适合高中小学生入门。

二 专业水平较低的爱好者

针对这类爱好者,推荐使用Ardunio,Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件(各种型号的Arduino板)和软件(Arduino IDE)。这个平台为爱好者免去了硬件开发的过程,并简化了程序的编写,比较方便初学者入门,使得初学者更关注创意与实现,更快的完成自己的机器人制作,大大节约了学习的成本,缩短了开发的周期。

Arduino主板

三 热衷自主开发的爱好者

有一种机器人爱好者,他们热衷于完全自主制作机器人,他们享受着制作机器人每一个环节所带来的乐趣。他们有严重的洁癖,难以忍受自己制作的机器人掺杂着过多别人的成果;不管是软件、硬件还是机械,他们都要自己动手完成。恰巧我就是这类人。

硬件篇主要涉及到单片机的选型,电路设计的学习路线,电路设计的工具等内容。 软件篇主要涉及到编程语言的选择,编程语言的学习路线,软件设计的工具等内容。 机械篇主要涉及到机械结构的设计,机械绘图软件的选择,机械机构制作的几种方法,机械加工技巧,机械加工工具等内容。

第一次采购元器件

第一辆循线车

实验室灾难现场

无线通讯实验

备战飞思卡尔智能车竞赛

硬件入门指导

当我为了制作机器人而开始学习电子技术的时候,我发现我成为了一名电子爱好者。每当我站在图书馆的书架前,看着一排排电子技术书籍,我都会热血沸腾,渴望着把所有的书都带回去学习,这种感觉太奇妙,现在都很诧异当初为什么会这么的狂热。相信你也会和我一样,成为一名狂热的电子爱好者。

我将硬件入门学习分成三个部分来讲: 单片机,电子技术,电路设计与制作。

一 单片机

众所周知,机器人需要像人类一样拥有会思考的大脑,而单片机非常适合是作为机器人的大脑。所谓单片机,就是一个微型的计算机系统,它可以进行数据的运算处理,我们通过对它进行编程来控制机器人执行各种动作。单片机的型号种类有很多,初学者往往难以抉择,推荐从AVR系列单片机Atmega8入门,它的内部资源比较丰富,片上外设功能齐全,机器人制作中常用的定时/计数器、模数转换、UART、I2C等外设均有。单片机的学习搭配着编程语言的学习才美妙,所以这一部分我会在软件篇中详细介绍关于单片机和编程语言的入门学习方法。

单片机

二 电子技术

电子技术包括模拟电路和数字电路两部分,对于初学者而言,自学电子技术有一定难度,需要投入一些精力去学习。推荐清华大学华成英老师的模电和数电视频教程,网上资源很多,请自行搜索。

工欲善其事必先利其器,这里强烈推荐一款手机APP,EveryCircuit,这是专为电子信息技术专业的人士所打造的软件。它能够让你轻松的了解到电路究竟是如何进行工作的,我们只要在软件中绘制出电路原理图,就可以仿真电路以及验证电路设计的正确性,在运行过程中,可以动态显示线路的电压波形和电流走向,还能动态显示每一个器件的瞬态变化(这一点不同于其他电路仿真软件),有利于透彻了解各种元器件的工作方式,利用好这个工具绝对可以让你事半功倍。

EveryCircuit

为了让初学者能够更快的入门机器人制作,我再简单介绍一些比较重要的电子元器件,自学时请重点学习。

  1. 电阻,了解串并联计算,分压、限流以及上拉电阻、下拉电阻的含义等。
  2. 电容,了解串并联计算,了解电容具有滤波、去耦、耦合、隔直等作用;电容的种类很多,了解铝电解电容、钽电容、瓷片电容、独石电容等特点以及在什么场景下使用。
  3. 二极管,了解其单向导通性的特点,二极管种类有很多,了解发光二极管、稳压二极管、肖特基二极管、续流二极管等特点以及在什么场景下使用。
  4. 三极管,具有NPN和PNP两种类型,具有电流放大的作用,在机器人的相关电路中通常让它工作在饱和、截止状态,当做电子开关使用。
  5. 场效应管,具有N沟道和P沟道两种类型,同样具有放大作用,在机器人制作中也常被用作开关,例如我在设计直流电机驱动中就使用到了场效应管的开关作用。这个器件在机器人制作中很重要,请重点学习。
  6. 电源稳压芯片,常用的有线性稳压芯片和开关电源芯片,了解这两种电源芯片的各自特点和应用场景。

当具备一些电路基础和电子元器件知识,我们就可以为机器人搭建一套完整的硬件系统。在设计时一般按照功能来划分模块,如电源管理模块、直流电机驱动模块、直流无刷电机驱动模块、红外传感器模块、超声波传感器模块、IO接口模块等等。这里简单介绍几个模块:

  1. 电源管理模块,一般机器人的供电电源只有一路输入,例如12V输入电压,但是在整个硬件系统中,可能需要使用到2.5V、3.3V或者5V等等,那么就需要设计一个电源管理电路,将12V转化为需要的电压,这里面可能会用到多个电源芯片,也可能只用到一个电源芯片,根据实际情况而定。
  2. 直流电机驱动模块,机器人制作中经常用到直流电机,那么如何来控制电机正反转、调节电机转速以及制动呢?因为电机转动需要比较大的电流,单片机无法直接驱动电机转动,这时候就需要设计一个用于单片机控制直流电机的电路,我们叫它电机驱动电路。
  3. 传感器模块,机器人和人类一样,需要感官器件去感知周围环境信息,这时候就需要使用各种传感器来实现这些功能,但是传感器输出的信号各种各样,有些信号单片机是无法直接识别的,必须经过处理(如放大,比较等)才能被单片机识别,所以我们需要为这些传感器设计合适的接口电路。

好了,电路模块设计就先简单介绍这几个,以后我写一些专题文章来讲解的机器人制作常用电路设计。

三 电路设计与制作

通常我们在一款电路设计软件上设计电路原理图,然后再根据原理图设计电路板生产文件(PCB文件)。这种电路设计软件的种类有很多,例如Protel99SE、AltiumDesigner、PADS、Cadence等等,我推荐学习使用AltiumDesigner,功能齐全,操作方便,容易上手,是初学者的最佳选择。

学习电子技术最好的方式是动手制作,利用所学的电路知识设计出有趣的小制作,然后搭建出来进行调试改进。这里给初学者推荐两个搭建电路的方法:

第一种 使用面包板和杜邦线配合元器件进行电路搭建,这种方法在前期学习中,最方便高效,初学时强烈推荐。缺点是杜邦线容易脱落。

面包板

第二种,使用万用板,将元器件和导线焊接到万用板上进行电路搭建,这种方法需要使用电烙铁,所以要好好练习焊接技术。

万用板

如果爱好者对电路设计以及电路板设计掌握到一定程度后,也可以尝试寻找电路板加工厂商直接加工电路板。

对于在电路设计、制作、调试等过程中经常用到的工具罗列如下,初学者可根据自身情况配备(电子元器件根据自己的学习情况进行采购)。

电烙铁、焊锡丝、助焊剂 万用板、耐高温导线 面包板、杜邦线 万用表 剥线钳、斜口钳 吸锡器 镊子

本文分享自微信公众号 - 机器人网(robot_globalsources)

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原始发表时间:2017-05-25

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