1.1 小型移动式智能机器人

本书中介绍的机器人，属于小型移动式智能机器人，由电子部分和机械部分构成。其中电子部分所占的比重大约是30%，机械部分大约是70%。

电子部分好比机器人的大脑，对于书中的机器人来说，就是用由电子元器件组成的电路来模拟生物的神经系统，再现神经的传导和反射行为。在后面的内容中，将通过制作实例的形式，循序渐进地向读者介绍使用基础电子元器件、数字逻辑电路和单片机来制作机器人的大脑。

机械部分好比机器人的身体，包含有支撑着机器人的躯干和推进机器人运转的关节。机械部分涉及结构的搭建和传动系统的设计，是制作中的难点。业余设计和制作小型机器人可以从低成本、建造方便、小巧灵活这些特点入手。最容易实现的方式是把电子部分和结构部分作为一个整体来进行制作，简单说就是直接用电子元器件来搭建机器人的骨架，使其既满足电路的功能，又构成了机器人的骨架，如图1-1～图1-5所示。

1.1.1 机器人的电子元器件

从工程学角度看，小型移动式智能机器人可以看成能独立工作的自动控制系统，它们具有自动控制系统的3要素，即：传感器、控制器和执行器。下面就从这3部分出发，简要介绍一下制作书中机器人所需的电子元器件，元器件的用法会在后面的制作项目中详细说明。

1 传感器

本书介绍的机器人上用到的几种传感器见图1-6，以光电传感器和机械传感器为主，从左往右依次为3mm光敏二极管、3mm红外接收管、水银开关、ITR20001-T和TCRT5000型反射式红外线传感器，以及带有开关量输出的超声波测距传感器。

光敏二极管和红外接收管常见的规格有3mm和5mm两种，为了减小机器人的体积和减轻重量，建议选择直径3mm的规格。这两种二极管的特性很相似，只是红外接收管除了可以对可见光做出反应，还可以感知红外线。给机器人配备上红外接收管，可以增加它在黑暗环境下的行动能力，用家电遥控器（按下任意键）就可以制造出一束红外线，指挥机器人行动。注意这两种二极管都需要配备管座，让光线只能从二极管顶部射入，以增加指向性，降低杂散光线的干扰。管座可以用简单材料代替，书中使用的就是一段黑色热缩管或绝缘胶带。

水银开关是一种机械式传感器，利用水银的导电性和流动性连通或断开密封在一个玻璃泡内的触点。这种开关可以检测物体的倾斜状态，稍加变通也可以检测碰撞（见3.2节《会寻光的机器龟》）。注意：市场上常见的水银开关都是用玻璃泡封装的，小心不要打破，洒在地上的水银很难清除，且挥发的蒸汽有害健康。为安全起见，可以把水银开关裹上泡沫塞进笔帽里，并用热熔胶密封好。

反射式红外线传感器由两个封装在一起的红外发射管和接收管组成，一发一收地检测目标是否反光。根据黑色物体吸收光线、白色物体反射光线的原理，可以用这种元件检测画在白色地面上的黑线（见3.1节《基于模拟计算机的循线小车》）。这种传感器在市场上流通的型号很多，书中对它们没有特定要求。这里再传授一个判断管子是发射管还是接收管的小窍门：透明或蓝色的是发射管，深黑色（这种物质起到过滤可见光的作用，只有红外线才能通过）的是接收管。

超声波测距传感器是本书的可选器件，市场上有一种可以作为报警模块使用的超声波传感器，不进行测距时，相当于一个非接触式开关，可以利用它输出的高、低电平直接控制逻辑电路（电路需要作相应修改，适合有一定经验的爱好者），取代机械式触须开关。

除了图1-6中所列的几个传感器，本书中还用到了一种手工制作的机械式触须开关，这种开关的结构非常简单，由一根可弯曲的金属丝（动片）和套在外面的一个金属圈（静片）组成。金属丝碰到前方物体产生弯曲，导致动片和静片碰到一起，开关导通（详见3.1节和3.2节），机器人做出相应的动作。

2 控制器

控制器由控制电路组成，控制电路根据传感器采集到的信号决定机器人需要采取的行动，指挥整个机器人的运转。本书介绍的机器人控制电路使用的是市场上常见的电子元件，阻容元件对精度没有严格要求，电阻可以选择功率为1/8W、误差10%的普通碳膜电阻，电容可以选择小型瓷片、独石或CBB电容，为了减小尺寸，还可以使用贴片电容。晶体管使用普通小功率NPN、PNP三极管就可以，比如常见的8050和8550。

机器人用到的集成电路有4种，均为74HC系列，图1-7所示是我使用过的几个规格的IC，从左往右依次为两个不同厂家生产的74HC14、两个74HC240、74HC86和74HC245。这类IC的供应商非常多，不同厂家生产的IC或同型号带有不同后缀的IC，在特性（比如温度、输入输出和时延特性）上会有一定差异，书中的机器人对此没有严格的要求。注意：74HC系列IC为高速CMOS器件，为了防止静电损坏，建议在拿取芯片时，先用手摸一下铁质机箱，焊接时使用带有ESD（防静电）标志的烙铁或焊台。

值得一提的是，74HC14和74HC86是“直给”型逻辑IC，通电后，内部的门电路就可以工作；而74HC240和74HC245内部的缓冲器是受控工作的，需要改变使能端的电平（本书中的高电平指的是电源电压，低电平为地）才能启用相应的功能，灵活利用使能端还可以实现机器人的初级智能控制（见3.1节及以后的内容）。建议读者对照这些IC的手册熟悉它们引脚顺序和内部结构，对设计电路布局和焊接会有很大帮助。

此外，本书还有一个竞赛项目，让两只不同控制核心的爬虫机器人同台竞技，需要用到一片AVR ATmega8单片机（见5.1节《数字PK模拟》）。

3 执行器

执行器通过执行机构（车轮、手臂、腿、机器爪）控制机器人的动作，书中机器人使用的执行器是常见的小型直流电机和模型舵机，如图1-8所示，从左往右依次为RF300型直流电机、迷你电机、N20减速电机、机器人小车电机、两个拆机减速电机和一个9g舵机。

RF300是最常见的直流电机，一般用作光驱和DVD播放机的开仓电机，这种电机的特点是非常耐用，从报废电子产品里拆出来的电机一般还可以使用很长时间，用来做机器人实验非常经济。

迷你电机、减速电机和前面提到的RF300在网上一些专门销售电机和机器人模型的商店里都可以买到，价格一般为一元到十几元不等，减速电机因为带有齿轮箱，价格会高一些。如果资金有限，购买二手拆机电机也是一个不错的选择。另外注意平时多留意身边废弃的电子产品，也会带来许多意外的惊喜。淘汰下来的手机、玩具、电脑、小家电在机器人爱好者眼中，是一个个取之不尽的零件仓库。

网上销售的机器人小车电机带有配套的车轮、万向轮和底盘，可以简化轮式机器人的制作。这种电机价格适中，应用非常广泛，在很多机器人竞赛中都可以见到它的身影。它的“缺点”就是太普通了，很难体现出机器人的个性，为了发掘它的潜力，本书讨论了两个这种电机的变通用法（见2.2节和4.1节）。

9g舵机为普通模型舵机，比如市场上最常见的SG90。因为机器人使用3.7V锂电池供电，建议不要使用对电压要求较高的标准舵机（见5.2节）。

4 电源

机器人的电子部分需要电源才能正常运转，本书介绍的机器人用到的几种电源，如图1-9所示，从左往右依次为太阳能电池板、6V电池盒、小号锂电池、中号锂电池。

太阳能电池板可以把光能转换为电能，在天气晴朗的日子给机器人提供源源不绝的动力，阴天时就让机器人保持静默。这种电池的输出电流比较低，需要配合特别设计的电路才能驱动机器人，可以采用串联、并联的方法得到所需的电压和电流。

6V电池盒可以使用4节5号（AA）电池或4节7号（AAA）电池，为了减小机器人的尺寸、减轻重量，还可以减少1节电池，书中的电路在4.5V电压下也可以正常工作。

锂电池可以重复充电使用，是小型机器人电源的理想之选。市场上有一种作为电子产品维修备件出售的锂电池，这种电池带有端子，配上一个充电器就可以使用。注意：锂电池使用不当有起火、爆炸的危险，一定要购买正规厂家生产的带有保护板的锂电池，并严格按照要求使用。

1.1.2 机器人的结构材料

机器人的电子部分需要安装到结构上才能形成一个系统，结构是可以活动的，由电机驱动车轮、手臂或腿等机械部分来实现。本书介绍的机器人的结构均为手工制作，需要用到的材料如图1-10所示。

机器人结构的制作，充分考虑了身边常见材料的合理利用，装配方法有多种，这些在后面的制作中都会有所体现。结构的固定可以采用多种方法组合的形式，如图1-11和图1-12所示的一个用光盘制作的轮式机器人底盘，就使用了螺丝、尼龙扎带、热熔胶、直接插接、铜柱支撑等多种方法。

灵活利用现有的材料，可以制作出个性化十足的机器人，如图1-13和图1-14所示的一个用曲别针做骨架的寻光避障机器人。

此外，机器人技术与科学和艺术是分不开的，你一定希望自己制作的机器人是一个智能与美感的综合体。为了使机器人的外形和运动姿态看起来更美观，就要在机械结构的设计和制作上花费相当多的心思。为了使自己的机器人与众不同，通常需要自行设计和加工一些小零件。

为了实现上述这些目标，机器人爱好者必须具备一定的工具操作经验，熟悉常见材料的特性和加工方法。