機器人最基本的三大硬件

FWW7

1，機器人的大腦:
        它可以有很多叫法，可以叫做 微控制器，微處理器，處理器或者計算器等，不過這都不要緊，通常微處理器是指一塊芯片，而其它的是一整套控制器，包括微處理器和一些別的元件。任何一個機器人大腦就必須要有這塊芯片，不然就稱不上機器人了。如果你是初學的，或者剛開始玩機器人的話，那最好買一套控制器玩，千萬別之間玩微處理器哦，除非你電子系畢業的，而且專業是芯片設計，那你可以直接開始玩微處理器（呵呵，開個玩笑，只不過微處理器對初學者而言比較困難，還是由簡入繁吧）。在選擇微控制器的時候，主要要考慮：處理器的速度，Rom和Ram的大小，I/O端口類型和數量，編程語言以及功耗。
        在選購微控制器時候，最先考慮的一個是速度，主要的一個指標就是運行速度MHz，這個計算機的評價指標是一樣的，越高的MHz意味著越快的執行速度和你付出越多的錢。這第二個存儲容量的指標是決定你的控制器可以實現的功能的多少和復雜程度，越多的存儲空間可以讓你存儲更多的程序代碼，從而實現更多，更復雜的功能。I/O接口的種類和接口數量(pin numbers)是指接口數量，目前而言有2種接口種類，Analog(模擬)和Digital（數字）接口，這個接口種類決定你控制器可以控制硬件的類型，如果你的電動機控制卡是數字接口的，那你的控制器也必須要有數字輸出接口，如果你的傳感器是模擬接口的話，那你的控制器也必須要有模擬輸入接口。接口數量就是指同時能夠連接設備的多少了。
        編程語言是一個控制器能夠接受的語言類型，一般有C語言，匯編語言或者basic語言，這些通常能被高級一點的控制器直接執行，因為在高級控制器里面內置了編譯器能夠直接把一些高級語言翻譯成機器碼，但是現在差不多每種控制器都支持C語言，如果你會C語言的話，那個編程的問題就很小了，如果你不會，而又不想學，那你就要花點時間找一個相應的編譯器能夠將你寫的高級語言編譯成你所選擇控制器的執行代碼。所以，建議想玩機器人的人們都學一點C，畢竟這個是目前被絕大多數編譯器或者控制器所接受的語言哦。
        最后一個要考慮的是，如何考慮功耗的問題，由于機器人不太好拖一根長長的電源線在屁股上，所以，除了考慮執行電機的功耗以外，另外一個耗電大戶就是控制器了。在考慮這個參數的時候，主要考慮你的電源供應是什么，機器人預計的運行時間是多少。不過這個問題目前對我們而言不是很大，除非你做那種很小的機器人，不然現在控制器的功耗都不是很大，所以，稍微大一點的機器人都會有足夠的電源供應的。
2，傳感器：
        傳感器，是機器人和現實世界之間的紐帶。但就目前傳感器技術而言，我們現在所能選用的傳感器或者說負擔的起的傳感器可不多。根據傳感器的的工作特征，可以分為，光學傳感器，顧名思義就是對光產生反應的的傳感器，比如紅外傳感器，聲傳感器，比如microphone，力傳感器，比如壓敏傳感器，位置傳感器，比如陀螺儀。
光傳感器：
        光傳感器的范圍很廣，有最簡單的光敏電阻，就是光強度的大小改變電阻的阻值從而實現對光強度的感知，也有目前最復雜的攝像頭Camera。然而在我們機器人中，用的最多的是 Infra-red 紅外傳感器，其中的紅外接近傳感器是機器人在運動過程中必不可少的傳感器，通過它，目前我們可以獲得機器人的在移動過程中與前面障礙物之間的距離，當然這距離非常短。不過，對于我們的機器人來說，這也是目前唯一的可承受的選擇。
        還有一種目前比較有用的紅外傳感器是叫紅外探測器，它不同于上面的紅外接近傳感器，它沒有紅外發射器，只有一個紅外接受單元，由被測物體發出紅外信號。一般用來做熱感應用，比如人走近或者動物走進這樣的傳感器時，它就會產生信號。在生產安全領域用的比較多。對于我們嗎，最多就是有人走進的時候能夠作為一種感知手段來讓機器人獲得：“哇，有個發紅外線的家伙沖我走過來了”這樣的信息。
       還有一種目前我們也能承受的是攝像頭，隨著電腦技術的飛速發展，今天獲得一個廉價的攝像頭已經是非常easy的事情了，一個普通攝像頭目前在市場上售價也就RMB200多點。但是對我們而言，與之相配套的，能應用于機器人的識別軟件和硬件還相對比較少和昂貴，目前成熟的市場產品有美國卡耐基-梅隆大學開發的CMU-Camera套裝，但是要100美金，差不多850RMB，相對而言價格還是高了一點。但是如果我們不用他們的套裝，自己開發的話，其它硬件投入相對少了，但是你要對計算機編程相當精通，而且難度相對很大。一個比較簡單的圖像識別的軟件少說也得一個計算機專業畢業的本科生4-5個月的工作時間才能寫出來。更別說其它功能多一點的軟件。不過隨著現在對圖像研究的在全世界范圍如火如荼的展開，相信未來2年以后就會有很多產品可供選擇了。
力傳感器：
        力傳感器是用來檢測碰撞或者接觸信號的，比如機械手的應用，當你放一個東西到機械手的時候，機械手自動抓住它，它就需要力傳感器檢測東西抓的緊不緊。典型的力傳感器是微動開關和壓敏傳感器。微動開關其實就是一個小開關，通過調節開關上的杠桿長短，能夠調節觸動開關的力的大小。用來做碰撞檢測這是最好不過了。但是這種傳感器必須事先確定好力的閥值，也就是說只能實現硬件控制。而壓敏傳感器是能根據受力大小，自動調節輸出電壓或者電流，從而可以實現軟件控制。
聲覺傳感器：
        哈哈，這個部分我想都不用介紹了，目前最多的也就是麥克風了。幾塊錢一個，滿世界都是。但是目前對我們而言唯一的問題是如何處理聲音信號。當前沒有一個比較好的聲音解決方案，國外目前有幾個產品，但是都沒法識別中文，都是英文的。 不知道超聲波傳感器屬不屬于這個范疇，超聲波傳感器和紅外接近傳感器很像，也屬于距離探測傳感器，但是它能提供比紅外傳感器更遠的探測范圍，而且還能提供一個范圍的探測而不是一條線的探測。也是目前我們用的最多的距離傳感器之一了。
位置和姿態傳感器：
        機器人在移動或者動作的時候必須時時刻刻知道自己的姿態動作，否則就會產生控制中的一個開環問題，沒有反饋。 位置傳感器和姿態傳感器就是這個用的。常用的有光電編碼器，由于機器人的執行機構一般是電機驅動，通過計算電機轉的圈數，可以得出電機帶動部件的大致位置，編碼器就是這樣一種傳感器，它一般和電機軸或者轉動部件直接連接，電機或者轉動部件轉了多少圈或者角度能夠通過編碼器讀出，控制軟件再根據讀出數據進行位置估計。還有一種是陀螺儀，這是利用陀螺原理制作的傳感器，主要可以測得移動機器人的移動加速度，轉過的角度等信息。相關原理要參考大學物理的相關內容了。難度稍微大一點。而且目前價格也比較貴。羅盤對我們而言是陀螺儀的替代品，它利用了羅盤的原理，來測得機器人的角度，價格也比陀螺儀要便宜得多。大概150RMB左右一個。.最后一個要介紹的是GPS定位儀了，對于室外的移動機器人來說，這個是必須的定位手段了。它通過衛星來定位你的機器人，聽上去很高科技，所以價格也很高咯。一個GPS定位模塊目前售價大約是1500RMB左右。 傳感器小結： 當然，以上所說的只是傳感器中的一部分，還有很多傳感器沒談，比如現在比較流行的激光范圍探測器，這個傳感器能提供50m的探測范圍，而紅外接近傳感器只能提供50cm，超聲波傳感器能提供10m以內。隨著探測距離的提高，價格也是以幾何級數的提高，這么一個激光傳感器通常需要2W RMB，絕對不是我們做能負擔得起的，而且目前還沒有小型化，一個最輕的也要2kg左右。這些傳感器由于這樣或者那樣的原因，是目前我們所不能選用的。
3，驅動器：
        驅動器就是驅動機器人的動的部件。最常用的是電機了。當然還有液壓，氣動等別的驅動方式，但是由于控制負責，價格高等原因，并不太適合我們用。一個機器人最主要的控制量就是控制機器人的移動，無論是自身的移動還是手臂等關節的移動，所以機器人驅動器中最根本和本質的問題就是控制電機，控制電機轉的圈數，就可以控制機器人移動的距離和方向，機械手臂的彎曲的程度或者移動的距離等。所以，第一個要解決的問題就是如何讓電機能根據自己的意圖轉動。一般來說，有專門的控制卡和控制芯片來進行控制的。有了這些控制卡和芯片，我們所要做的就是把微控制器和這些連接起來，然后就可以用程序來控制電機了。第二個問題是控制電機的速度，在機器人上的實際表現就是機器人或者手臂的實際運動速度了，機器人走的快慢全靠電機的轉速，這樣，我們就要求控制卡對電機有速度控制。電機目前常用的有2種，步進電機（stepper motor）和直流電機（DC motor).
直流電機
        這是最最普通的電機了，我們小時候的電動玩具全部用的直流電機，直流電機最大的問題是你沒法精確控制電機轉的圈數，也就前面所說的位置控制。你必須加上一個編碼盤，來進行反饋，來獲得實際轉的圈數。這時的直流電機就變成了伺服電機(Servo Motor)。但是直流電機的速度控制相對就比較簡單，用一種叫PWM的調速方法可以很輕松的調節電機速度。現在也有很多控制芯片帶調速功能的。選購時要考慮的參數是電機的輸出力矩，電機的功率，電機的最高轉速。
步進電機
       步進電機看名字就知道了，它是一步一步前進的。也就是說，它可以一個角度一個角度旋轉，不象直流電機，你可以很輕松的調節步進電機的位置，如果你發一個轉10圈的指令，步進電機就不會轉11圈，但是如果是直流電機，由于慣性作用，它可能轉11圈半。至于為什么會有這樣的差別，建議還是去看看相關電機的原理。步進電機的調速是通過控制電機的頻率來獲得的。一般控制信號頻率越高，電機轉的越快，頻率越低，轉的越慢。選購時要考慮的參數是電機的輸出力矩，電機的功率，每個脈沖電機的最小轉角。
        一般情況下，電機都沒法直接帶動輪子或者手臂，因為力矩不夠大，所以我們需要加上一個減速箱來增加電機的輸出力矩，但是代價是電機速度的減小，比如一個1：250的齒輪箱，會讓你電機的輸出力矩增大250倍，但是速度只有原來的1/250了。首先計算出機器人所需要的力矩大小，然后根據力矩去選擇電機。
       現在應該對機器人3大硬件部分有個大致的了解了吧。