機(jī)器人最基本的三大硬件

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1，機(jī)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(jì)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(gè)機(jī)器人大腦就必須要有這塊芯片，不然就稱不上機(jī)器人了。如果你是初學(xué)的，或者剛開始玩機(jī)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(yè)的，而且專業(yè)是芯片設(shè)計(jì)，那你可以直接開始玩微處理器（呵呵，開個(gè)玩笑，只不過微處理器對(duì)初學(xué)者而言比較困難，還是由簡入繁吧）。在選擇微控制器的時(shí)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(shù)量，編程語言以及功耗。
        在選購微控制器時(shí)候，最先考慮的一個(gè)是速度，主要的一個(gè)指標(biāo)就是運(yùn)行速度MHz，這個(gè)計(jì)算機(jī)的評(píng)價(jià)指標(biāo)是一樣的，越高的MHz意味著越快的執(zhí)行速度和你付出越多的錢。這第二個(gè)存儲(chǔ)容量的指標(biāo)是決定你的控制器可以實(shí)現(xiàn)的功能的多少和復(fù)雜程度，越多的存儲(chǔ)空間可以讓你存儲(chǔ)更多的程序代碼，從而實(shí)現(xiàn)更多，更復(fù)雜的功能。I/O接口的種類和接口數(shù)量(pin numbers)是指接口數(shù)量，目前而言有2種接口種類，Analog(模擬)和Digital（數(shù)字）接口，這個(gè)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(dòng)機(jī)控制卡是數(shù)字接口的，那你的控制器也必須要有數(shù)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(shù)量就是指同時(shí)能夠連接設(shè)備的多少了。
        編程語言是一個(gè)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(jí)一點(diǎn)的控制器直接執(zhí)行，因?yàn)樵诟呒?jí)控制器里面內(nèi)置了編譯器能夠直接把一些高級(jí)語言翻譯成機(jī)器碼，但是現(xiàn)在差不多每種控制器都支持C語言，如果你會(huì)C語言的話，那個(gè)編程的問題就很小了，如果你不會(huì)，而又不想學(xué)，那你就要花點(diǎn)時(shí)間找一個(gè)相應(yīng)的編譯器能夠?qū)⒛銓懙母呒?jí)語言編譯成你所選擇控制器的執(zhí)行代碼。所以，建議想玩機(jī)器人的人們都學(xué)一點(diǎn)C，畢竟這個(gè)是目前被絕大多數(shù)編譯器或者控制器所接受的語言哦。
        最后一個(gè)要考慮的是，如何考慮功耗的問題，由于機(jī)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(zhí)行電機(jī)的功耗以外，另外一個(gè)耗電大戶就是控制器了。在考慮這個(gè)參數(shù)的時(shí)候，主要考慮你的電源供應(yīng)是什么，機(jī)器人預(yù)計(jì)的運(yùn)行時(shí)間是多少。不過這個(gè)問題目前對(duì)我們而言不是很大，除非你做那種很小的機(jī)器人，不然現(xiàn)在控制器的功耗都不是很大，所以，稍微大一點(diǎn)的機(jī)器人都會(huì)有足夠的電源供應(yīng)的。
2，傳感器：
        傳感器，是機(jī)器人和現(xiàn)實(shí)世界之間的紐帶。但就目前傳感器技術(shù)而言，我們現(xiàn)在所能選用的傳感器或者說負(fù)擔(dān)的起的傳感器可不多。根據(jù)傳感器的的工作特征，可以分為，光學(xué)傳感器，顧名思義就是對(duì)光產(chǎn)生反應(yīng)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(qiáng)度的大小改變電阻的阻值從而實(shí)現(xiàn)對(duì)光強(qiáng)度的感知，也有目前最復(fù)雜的攝像頭Camera。然而在我們機(jī)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(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中必不可少的傳感器，通過它，目前我們可以獲得機(jī)器人的在移動(dòng)過程中與前面障礙物之間的距離，當(dāng)然這距離非常短。不過，對(duì)于我們的機(jī)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(fā)射器，只有一個(gè)紅外接受單元，由被測物體發(fā)出紅外信號(hào)。一般用來做熱感應(yīng)用，比如人走近或者動(dòng)物走進(jìn)這樣的傳感器時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生信號(hào)。在生產(chǎn)安全領(lǐng)域用的比較多。對(duì)于我們嗎，最多就是有人走進(jìn)的時(shí)候能夠作為一種感知手段來讓機(jī)器人獲得：“哇，有個(gè)發(fā)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(shù)的飛速發(fā)展，今天獲得一個(gè)廉價(jià)的攝像頭已經(jīng)是非常easy的事情了，一個(gè)普通攝像頭目前在市場上售價(jià)也就RMB200多點(diǎn)。但是對(duì)我們而言，與之相配套的，能應(yīng)用于機(jī)器人的識(shí)別軟件和硬件還相對(duì)比較少和昂貴，目前成熟的市場產(chǎn)品有美國卡耐基-梅隆大學(xué)開發(fā)的CMU-Camera套裝，但是要100美金，差不多850RMB，相對(duì)而言價(jià)格還是高了一點(diǎn)。但是如果我們不用他們的套裝，自己開發(fā)的話，其它硬件投入相對(duì)少了，但是你要對(duì)計(jì)算機(jī)編程相當(dāng)精通，而且難度相對(duì)很大。一個(gè)比較簡單的圖像識(shí)別的軟件少說也得一個(gè)計(jì)算機(jī)專業(yè)畢業(yè)的本科生4-5個(gè)月的工作時(shí)間才能寫出來。更別說其它功能多一點(diǎn)的軟件。不過隨著現(xiàn)在對(duì)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(huì)有很多產(chǎn)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(hào)的，比如機(jī)械手的應(yīng)用，當(dāng)你放一個(gè)東西到機(jī)械手的時(shí)候，機(jī)械手自動(dòng)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(dòng)開關(guān)和壓敏傳感器。微動(dòng)開關(guān)其實(shí)就是一個(gè)小開關(guān)，通過調(diào)節(jié)開關(guān)上的杠桿長短，能夠調(diào)節(jié)觸動(dòng)開關(guān)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(shí)現(xiàn)硬件控制。而壓敏傳感器是能根據(jù)受力大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓或者電流，從而可以實(shí)現(xiàn)軟件控制。
聲覺傳感器：
        哈哈，這個(gè)部分我想都不用介紹了，目前最多的也就是麥克風(fēng)了。幾塊錢一個(gè)，滿世界都是。但是目前對(duì)我們而言唯一的問題是如何處理聲音信號(hào)。當(dāng)前沒有一個(gè)比較好的聲音解決方案，國外目前有幾個(gè)產(chǎn)品，但是都沒法識(shí)別中文，都是英文的。 不知道超聲波傳感器屬不屬于這個(gè)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(yuǎn)的探測范圍，而且還能提供一個(gè)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(tài)傳感器：
        機(jī)器人在移動(dòng)或者動(dòng)作的時(shí)候必須時(shí)時(shí)刻刻知道自己的姿態(tài)動(dòng)作，否則就會(huì)產(chǎn)生控制中的一個(gè)開環(huán)問題，沒有反饋。 位置傳感器和姿態(tài)傳感器就是這個(gè)用的。常用的有光電編碼器，由于機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)一般是電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)，可以得出電機(jī)帶動(dòng)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(jī)軸或者轉(zhuǎn)動(dòng)部件直接連接，電機(jī)或者轉(zhuǎn)動(dòng)部件轉(zhuǎn)了多少圈或者角度能夠通過編碼器讀出，控制軟件再根據(jù)讀出數(shù)據(jù)進(jìn)行位置估計(jì)。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(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)加速度，轉(zhuǎn)過的角度等信息。相關(guān)原理要參考大學(xué)物理的相關(guān)內(nèi)容了。難度稍微大一點(diǎn)。而且目前價(jià)格也比較貴。羅盤對(duì)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(jī)器人的角度，價(jià)格也比陀螺儀要便宜得多。大概150RMB左右一個(gè)。.最后一個(gè)要介紹的是GPS定位儀了，對(duì)于室外的移動(dòng)機(jī)器人來說，這個(gè)是必須的定位手段了。它通過衛(wèi)星來定位你的機(jī)器人，聽上去很高科技，所以價(jià)格也很高咯。一個(gè)GPS定位模塊目前售價(jià)大約是1500RMB左右。 傳感器小結(jié)： 當(dāng)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(xiàn)在比較流行的激光范圍探測器，這個(gè)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(nèi)。隨著探測距離的提高，價(jià)格也是以幾何級(jí)數(shù)的提高，這么一個(gè)激光傳感器通常需要2W RMB，絕對(duì)不是我們做能負(fù)擔(dān)得起的，而且目前還沒有小型化，一個(gè)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(qū)動(dòng)器：
        驅(qū)動(dòng)器就是驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的動(dòng)的部件。最常用的是電機(jī)了。當(dāng)然還有液壓，氣動(dòng)等別的驅(qū)動(dòng)方式，但是由于控制負(fù)責(zé)，價(jià)格高等原因，并不太適合我們用。一個(gè)機(jī)器人最主要的控制量就是控制機(jī)器人的移動(dòng)，無論是自身的移動(dòng)還是手臂等關(guān)節(jié)的移動(dòng)，所以機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器中最根本和本質(zhì)的問題就是控制電機(jī)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)，就可以控制機(jī)器人移動(dòng)的距離和方向，機(jī)械手臂的彎曲的程度或者移動(dòng)的距離等。所以，第一個(gè)要解決的問題就是如何讓電機(jī)能根據(jù)自己的意圖轉(zhuǎn)動(dòng)。一般來說，有專門的控制卡和控制芯片來進(jìn)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(jī)了。第二個(gè)問題是控制電機(jī)的速度，在機(jī)器人上的實(shí)際表現(xiàn)就是機(jī)器人或者手臂的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度了，機(jī)器人走的快慢全靠電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣，我們就要求控制卡對(duì)電機(jī)有速度控制。電機(jī)目前常用的有2種，步進(jìn)電機(jī)（stepper motor）和直流電機(jī)（DC motor).
直流電機(jī)
        這是最最普通的電機(jī)了，我們小時(shí)候的電動(dòng)玩具全部用的直流電機(jī)，直流電機(jī)最大的問題是你沒法精確控制電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)，也就前面所說的位置控制。你必須加上一個(gè)編碼盤，來進(jìn)行反饋，來獲得實(shí)際轉(zhuǎn)的圈數(shù)。這時(shí)的直流電機(jī)就變成了伺服電機(jī)(Servo Motor)。但是直流電機(jī)的速度控制相對(duì)就比較簡單，用一種叫PWM的調(diào)速方法可以很輕松的調(diào)節(jié)電機(jī)速度。現(xiàn)在也有很多控制芯片帶調(diào)速功能的。選購時(shí)要考慮的參數(shù)是電機(jī)的輸出力矩，電機(jī)的功率，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。
步進(jìn)電機(jī)
       步進(jìn)電機(jī)看名字就知道了，它是一步一步前進(jìn)的。也就是說，它可以一個(gè)角度一個(gè)角度旋轉(zhuǎn)，不象直流電機(jī)，你可以很輕松的調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的位置，如果你發(fā)一個(gè)轉(zhuǎn)10圈的指令，步進(jìn)電機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)11圈，但是如果是直流電機(jī)，由于慣性作用，它可能轉(zhuǎn)11圈半。至于為什么會(huì)有這樣的差別，建議還是去看看相關(guān)電機(jī)的原理。步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速是通過控制電機(jī)的頻率來獲得的。一般控制信號(hào)頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)的越快，頻率越低，轉(zhuǎn)的越慢。選購時(shí)要考慮的參數(shù)是電機(jī)的輸出力矩，電機(jī)的功率，每個(gè)脈沖電機(jī)的最小轉(zhuǎn)角。
        一般情況下，電機(jī)都沒法直接帶動(dòng)輪子或者手臂，因?yàn)榱�矩不夠大，所以我們需要加上一個(gè)減速箱來增加電機(jī)的輸出力矩，但是代價(jià)是電機(jī)速度的減小，比如一個(gè)1：250的齒輪箱，會(huì)讓你電機(jī)的輸出力矩增大250倍，但是速度只有原來的1/250了。首先計(jì)算出機(jī)器人所需要的力矩大小，然后根據(jù)力矩去選擇電機(jī)。
       現(xiàn)在應(yīng)該對(duì)機(jī)器人3大硬件部分有個(gè)大致的了解了吧。