圖1 《超能陸戰(zhàn)隊(duì)》劇照
其實(shí)，以如今科技的發(fā)展，這樣的想法是不難實(shí)現(xiàn)的。直接購(gòu)買(mǎi)可組裝的機(jī)器人是一種簡(jiǎn)單便利的捷徑，但是這樣機(jī)器人往往限制就比較多，而且需要另外的程序設(shè)定。
若要隨心所欲地制作機(jī)器人，3D打印的開(kāi)源項(xiàng)目是另一種不錯(cuò)的嘗試，不過(guò)其對(duì)于動(dòng)手能力和編程水準(zhǔn)就有著更高的要求。一般人可以遵從著指導(dǎo)說(shuō)明來(lái)完成一個(gè)機(jī)器人的制作，但如果要在此基礎(chǔ)上繼續(xù)發(fā)揮就有難度了。那么有沒(méi)一種更加簡(jiǎn)便的機(jī)器人制作方法呢？答案是有的，這就是另一種簡(jiǎn)潔的機(jī)器人制作手段——BEAM機(jī)器人。
BEAM機(jī)器人一般譯作仿生機(jī)器人，開(kāi)頭的英文字母并不是“光柱”的意思，而是由4個(gè)英文單詞Biology、Electronics、Aesthetics、Mechanics的首字母組合而成，翻成中文分別是“仿生”“電子”“美學(xué)”和“機(jī)械”，BEAM機(jī)器人就是結(jié)合了這些技術(shù)的要點(diǎn)而制作出來(lái)的機(jī)器人。
早在1988年，MarkTilden就提出了BEAM機(jī)器人的概念，并制作出了第1臺(tái)基于此概念的機(jī)器人。其初衷是為了仿照生物的一些生理結(jié)構(gòu)或是動(dòng)作行為來(lái)簡(jiǎn)化控制過(guò)程，并以此作為設(shè)計(jì)思路來(lái)制作出了一種包含控制元件的電路，這種電路被稱(chēng)為神經(jīng)元。這種控制方法可以模擬生物的應(yīng)激過(guò)程，神經(jīng)元使用的是電路開(kāi)關(guān)，從而避免了制作相應(yīng)的程序。
圖2 Mark Tilden
圖3 一塊神經(jīng)元電路
隨著技術(shù)的發(fā)展，普通人也越來(lái)越容易制作機(jī)器人了。隨著這種思路逐漸被大眾所接受，BEAM機(jī)器人也就逐漸形成了一種公認(rèn)的規(guī)范，目前大家所公認(rèn)的基本要求有以下3點(diǎn)：
1.盡可能使用最少的電子元件；
2.采用回收材料以及廢料來(lái)制作；
3.使用輻射能作為動(dòng)力來(lái)源（大多數(shù)情況下就是太陽(yáng)能）。
由此可見(jiàn)，BEAM機(jī)器人非常適合那些有想法有創(chuàng)意卻苦于自己沒(méi)有編程方面特長(zhǎng)的人群，基本上只要懂焊接，并具備基本的動(dòng)手能力，都可以在這種理念下做出屬于自己的BEAM機(jī)器人。
神經(jīng)元電路入門(mén)——太陽(yáng)能引擎
雖然BEAM機(jī)器人的原理簡(jiǎn)單，而且少了編程這一環(huán)節(jié)，但是電路上的工夫還是要下的。而且也因?yàn)樯倭司幊蹋刂品矫婢捅仨氂呻娐烽_(kāi)關(guān)來(lái)接替。雖然所用電子元件不多，但是電路上的基本知識(shí)和一些技巧還是必須要有的。BEAM機(jī)器人的神經(jīng)元電路有著很多巧妙的設(shè)計(jì)，需要大家在不斷學(xué)習(xí)和摸索中逐漸領(lǐng)會(huì)，這里就以BEAM機(jī)器人的一個(gè)入門(mén)級(jí)經(jīng)典電路——太陽(yáng)能引擎作為例子，讓大家先熟悉電路的制作。
太陽(yáng)能引擎是多數(shù)BEAM機(jī)器人的心臟設(shè)備，它為機(jī)器人提供動(dòng)力。傳統(tǒng)太陽(yáng)能引擎的電力輸出往往不盡如人意，于是BEAM機(jī)器人的愛(ài)好者BenHitchcock在此基礎(chǔ)上改進(jìn)出了一個(gè)效率更高的引擎。這個(gè)太陽(yáng)能引擎可以給出一個(gè)電脈沖到電機(jī)上，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，也可以將電機(jī)改成其他設(shè)備來(lái)達(dá)到不同的需求。作為最基本的神經(jīng)元電路單位，可以在此基礎(chǔ)上做出各種機(jī)器人作品。
由于不同類(lèi)型的機(jī)器人受其體積和功能的影響，這里的電子元件不需要都焊在電路板上，可以根據(jù)實(shí)際情況巧妙布局和連線(xiàn)，這就要考驗(yàn)大家的想象力以及動(dòng)手能力了。
BEAM機(jī)器人實(shí)例——太陽(yáng)能蟋蟀機(jī)器人的制作
學(xué)會(huì)了制作太陽(yáng)能引擎，就可以在此基礎(chǔ)上制作一些機(jī)器人了。
這里將介紹一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的作品——太陽(yáng)能蟋蟀機(jī)器人的制作方法。太陽(yáng)能蟋蟀機(jī)器人及其衍生的作品是網(wǎng)絡(luò)上最多的BEAM機(jī)器人種類(lèi)，不僅小巧有趣也相對(duì)容易制作，簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)以及一定的擴(kuò)展空間是其吸引愛(ài)好者們的關(guān)鍵。
圖4 太陽(yáng)能蟋蟀機(jī)器人
制作這個(gè)太陽(yáng)能蟋蟀機(jī)器人需要如下材料，可自行采購(gòu)：
NPN型小功率三極管×2、PNP型小功率三極管×2、單閃LED（配黑色熱縮管）×2、10kΩ多圈電位器×1、微型電機(jī)（4V以下大小適當(dāng)就好，但功率不要太小）×2只、3.3kΩ/0.25W電阻×2、33kΩ/0.25W電阻×2、1μF/50V電解電容×2、3300μF/10V電解電容×1、太陽(yáng)能電池（不低于4V）×1。另外還需要結(jié)構(gòu)基座的制作材料和若干長(zhǎng)度的雙色單芯導(dǎo)線(xiàn)一段。
準(zhǔn)備這些材料后，就可以開(kāi)始制作蟋蟀機(jī)器人了。
首先是制作結(jié)構(gòu)基座，用來(lái)連接電力部分和驅(qū)動(dòng)部分。這里使用廢電源插座里拆出的一塊銅片，改裝成一個(gè)基座，中間部分是用來(lái)連接3300μF儲(chǔ)能電容，兩邊的卡箍是用來(lái)固定電機(jī)的。結(jié)構(gòu)件可用的材料隨意性比較大，可以使用任何手邊能找到的可用材料，只要能滿(mǎn)足需求即可。
圖5 基座的制作
基座完成后，把3300μF儲(chǔ)能電容的負(fù)極焊在基座中間的部分，注意負(fù)極引腳留出一段不要剪掉，用來(lái)連接控制用的電子部分。在兩邊卡箍里套進(jìn)兩只微型電機(jī)，電機(jī)軸向下。儲(chǔ)能電容的頂部著地，與兩只電機(jī)軸形成三點(diǎn)支撐。通過(guò)改變兩只電機(jī)之間的夾角，可以微調(diào)機(jī)器人跑動(dòng)的速度。而調(diào)整電容與電機(jī)夾角度，可以調(diào)節(jié)機(jī)器人的重心。這樣機(jī)器人的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)部分就做好了。
太陽(yáng)能蟋蟀的驅(qū)動(dòng)控制是由4只三極管構(gòu)成，用以提供穩(wěn)定的脈沖電流，它們組成了機(jī)器人的“心臟”。制作這類(lèi)小機(jī)器人的技巧就是首先完成核心部分的制作，其他元件將圍繞著這個(gè)核心環(huán)環(huán)相扣地進(jìn)行搭建，這樣整體結(jié)構(gòu)就顯得緊湊。把4只三極管管腳朝上兩兩并列，上方是兩只PNP型三極管，NPN型三極管在下面。這里使用的三極管是2N3906和2N3904，如果用其他型號(hào)的管子替換，需要仔細(xì)核對(duì)管腳順序是否與圖中一致。
接下來(lái)先焊接下方的兩只NPN型三極管。把兩只管子的發(fā)射極向外展開(kāi)，左側(cè)管子的發(fā)射極向斜下方彎折，與右側(cè)管子的發(fā)射極焊接在一起。用鑷子把相應(yīng)三極管的引腳彎折到指定位置。注意在彎折引腳時(shí)，距離根部留出1-2mm距離，防止引腳折斷。然后繼續(xù)焊接上方的兩只PNP型三極管。把兩只管子中間的基極向外展開(kāi)，右側(cè)管子的發(fā)射極向斜上方彎折，與左側(cè)管子的發(fā)射極焊在一起。最后把4只管子焊接在一起，分別連接好左右兩側(cè)管子的集電極和基極。
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圖6. 4只三極管的排列與連接
完成“心臟”部分的制作后就要開(kāi)始向外面焊接其他元件。把兩只1μF電容的正極彎成如圖所示的形狀，分別與上方PNP管子向外展開(kāi)的基極焊接在一起。然后把兩只3.3kΩ電阻一端打個(gè)彎，套在1μF電容的正極上，另一端折成90°直角，向外展開(kāi)。在兩側(cè)1μF電容的負(fù)極，各焊接上一只33kΩ電阻。電阻的另一端與3.3kΩ電阻的直角和NPN型管子向外展開(kāi)的集電極焊接在一起。
圖7
圖8
圖9
圖10
為了精確的控制兩只電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，可以加入一只調(diào)零元件。這里使用了一只10kΩ多圈電位器作為一個(gè)分壓器，串聯(lián)在兩部引擎的單閃LED負(fù)極與地之間。電位器的作用是調(diào)節(jié)引擎的觸發(fā)導(dǎo)通的時(shí)間，最佳的情形是兩部引擎同時(shí)觸發(fā)。因?yàn)轶绑w積小、重量輕，兩只電機(jī)同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)，就可以帶動(dòng)整部機(jī)器人“跳躍”著前進(jìn)。把多圈電位器中間的管腳與NPN型三極管的發(fā)射極焊接在一起，兩側(cè)的管腳向外展開(kāi)成直角。
圖11
接下來(lái)焊接上兩只單閃LED。LED負(fù)極焊接在多圈電位器兩側(cè)展開(kāi)的管腳上，正極焊接在1μF電容的負(fù)極一端。把LED的引腳留出一定長(zhǎng)度，為的是在總裝以后彎折出一個(gè)藝術(shù)造型。
圖12
再把電子部分的地端和儲(chǔ)能電容預(yù)留好的負(fù)極焊接在一起。儲(chǔ)能電容的正極貫穿過(guò)4只三極管，與兩只PNP管發(fā)射極預(yù)留好的V+焊接在一起。為了防止短路，要給電容正極套上一段絕緣管。使用導(dǎo)線(xiàn)把兩只微型電機(jī)連接到電路中，注意左右電機(jī)的正負(fù)極不要搞錯(cuò)，否則機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的方向是反的。最后安裝上太陽(yáng)能電池再做一些修飾就大功告成了。
圖13
圖14
這個(gè)太陽(yáng)能蟋蟀的電路比較簡(jiǎn)單，而且不涉及編程，只用到17個(gè)電子元件和1個(gè)結(jié)構(gòu)件，對(duì)于新手來(lái)說(shuō)是一個(gè)不錯(cuò)的練手嘗試。
雖然這個(gè)作品不算很智能，與機(jī)器人大會(huì)上那些效果酷炫、甚至和真人相似的高級(jí)機(jī)器人相差很遠(yuǎn)，但自己制作，畢竟是邁出了第一步。等你學(xué)會(huì)更高深的電路和編程知識(shí)后，就可以將學(xué)到的東西自由發(fā)揮，做出真正屬于自己的機(jī)器人了，說(shuō)不定某天你的作品也會(huì)登上世界機(jī)器人大會(huì)的舞臺(tái)。
怎么樣，不來(lái)嘗試一下嗎？
