机器人小车

机器人是电子学应用的另一个场合，这种应用可以写出一本甚至好几本书。因此，我这里同样只做入门性的介绍，然后点出几个要点，以便你可以由此进行深入了解。跟以往一样，我将从最简单的设备开始介绍。在机器人的世界里，这种最简单的设备就是可以在你的起居室中自己找到出路的小车。

以下是你需要的东西。

□ 只需要微小压力就可以致动的单刀单掷或单刀双掷微型开关，所需的力在0.02 N 到0.1 N 之间比较理想，数量：2 个。见图5-74。

□ 直流齿轮减速电机，要求额定电压在5 V 到12 V 之间，空载状态下的最大电流为100 mA，输出轴的转速为每分钟30 转到160转之间，数量：1个。如图5-75所示。

图5-74 微型开关的前部拥有一个小按钮（在本图中的右手侧），该小按钮往往由一个绕枢轴转动的金属杆来致动。这种开关能够对很小的压力做出响应，但是却可以处理相对较高的电流

图5-75 我给机器人小车找到了这个5 V的电机，它带有一个安装在输出轴上的圆盘。这个组合的总成本不超过10美元

□ 能与电机轴安全配合的圆盘或曲臂，数量：1个。

□ 555定时器，数量：1个。

□ 双刀双掷非闩锁继电器，其额定电压应与电机相同，数量：1个。

□ 0.25 in 厚的胶合板或塑料片，2 ft 见方的一片。

□ 4号自攻螺丝，长度为0.625 in 或0.75 in，数量：2打。

□ 6 号螺栓，长度为0.75 in，要求带尼龙嵌入的锁紧螺帽，数量：2打。

□ 0.25in的螺栓，长度为1in，带螺帽，用于安装轮子，数量：4个。

我没有指定具体的电机，因为如果我这样做的话，也许在你阅读本书的时候并不容易找到我指定的电机。电机不像逻辑芯片，逻辑芯片在几十年中经过许多的改进之后仍然会保持它们基本的功能。电机出现了一拨又一拨，在你曾经遇到的电机中，许多都含有可能再也见不到的超量部件。请在网上搜索“gear-motor”（齿轮电机）或“gear head motor”（齿轮减速电机），找一个跟我所提供的参数尽可能接近的。电机的机械功率输出并不是很重要，因为我们不需要它作很大的功。

在购买电机时，最重要的考虑是你应该同时获得某样可以安装在电机输出轴上的东西。通常这是一个圆盘或者曲臂，它可以用螺丝来固定。而后你可以在这个东西上安装更大的轮子，这种轮子可以用孔锯切割出来，也可以用带螺纹的罐盖或你家里能够找到的任何圆形的东西来制作。

小车采用较大的轮子要比采用较小的轮子移动得更快，但这会降低转矩，因而限制其克服障碍的力量。

这将我带到了下一个议题——制造问题。本书是一本电子学的书，但电机却是机电设备，你必须达到能够将电机安装在某种机器上来获得某种有趣结果的地步。你可以使用胶合板来完成这里的两个小机器人项目，爱好者商店出售的那种薄薄的高质量胶合板就很理想，不过我推荐你使用一种看起来更好、也更容易处理的东西——ABS塑料。在你开始机器人小车的项目之前，你也许想读一读“基础知识：关于ABS”。

基础知识

关于ABS

除非你认为蒸汽朋克运动离我们的时代并不遥远，否则的话，你也许不会希望自己的自制机器人小车看起来就像一个来自19世纪的古董。因此，木头也许不是最好的制作材料。金属看起来很漂亮，但却不容易处理。为了快速得到具有20世纪外观（甚至于21世纪外观）的结果，塑料是不二的选择，并且我认为ABS是最好用的塑料，因为用它可以极其快速、容易地获得结果。ABS代表Acrylonitrile Butadiene Styrene（丙烯腈—丁二烯—苯乙烯）。乐高公司（Lego®）的积木是ABS制作的。汽车音响的安装者以及模型铁路的爱好者也使用它。你也可以用它。你可以对它进行锯、钻、磨砂、切削、嵌入螺丝等加工，它都不会变形、裂开或破碎。它可洗，无需喷漆保护，几乎永远都不会坏。

迭尔林（聚甲醛树酯）是另一种塑料，不过要稍微贵一点，钻孔和切割也会稍嫌坚硬。这是一个个人偏好的问题。ABS做的机器相当好，不过当你在它上面钻孔的时候（举个例子），它会“咬住”钻头，工件会随着钻头一起旋转，这跟钻头生成的塑料碎屑有关。迭尔林塑料是自润滑的，在机加工的热量作用下，具有更好的熔化的性质，因此在它上面钻孔、切削要比ABS更加干净、更加容易。

哪里有ABS？

几英尺见方的ABS塑料块可以在http://hobbylinc.com或estree-tplastics（eBay店）之类的网上买到，但是如果你去最近的塑料供应店，就像购买胶合板一样，按每片4 ft×8 ft 的规格购买ABS 塑料，会节省不少钱。为了搞明白你的附近有没有塑料店，可以在黄页或者Google Loal上搜索“plastic supply”（塑料供应）。

Piedmont Regal Plastics公司在全美国各地有许多的供应中心，不过你得自己收集其地址，并且它们也未必愿意切割小块的塑料卖给你。你可以在http://www.piedmontplastics.com网站上查一查它们的地址。

ABS塑料的常见颜色有黑色、白色以及“自然色”，也就是米黄色。板的一侧通常有粗糙的织纹，这一侧应该朝外，因为它要比光滑的一侧更耐刮划。

由于我们不会再给它上油漆或做其他的表面光洁工作，因此在加工的过程中，你要小心，不要磨损或划伤塑料。在开始加工之前，请彻底弄干净你的工作台，特别要注意除掉所有的金属颗粒，这种东西很容易嵌入塑料中。（对其进行固定时）要在老虎钳口垫上木垫片，要避免意外将塑料片放在尖锐的工具或螺丝上。加工ABS塑料时需要一个干净的环境，用力要特别轻。

小心切割

可以用锯来切割ABS塑料，但如果你用的是台锯，这种塑料有可能会熔化并粘在刀片上。当接下来的塑料片送进锯中时，涂在刀片上的这种东西将变热变粘，其结果将令人特别不快。旋转的刀片会夺走你手中的塑料并将其掷到你身上，其力道很大，足以打断你的骨头。这就是所谓的“回扫”，是锯塑料时的一种十分严重的危险见图5-76。

如果你拥有十分丰富的台锯使用经验，那么你实际上更容易受伤，因为你在处理木料时建立起来的条件反射和谨慎不适用于处理塑料。请认真对待这个警告！

第一位考虑的也是最显然的预防措施是采用切割塑料的刀片，它拥有较多的厚齿来吸收热量。我使用的刀片是Freud 80T，当然也有其他的选择。如果你使用的刀片不当，就会看到粘稠的东西开始累积起来。这是你唯一能够得到的警示信息。请用丙酮之类的溶剂清洁这块刀片，不要再用它来切割ABS塑料了。

图5-76 回扫的危险。塑料很容易粘在台锯的刀片上，从而意外地甩到你身上。请使用其他的工具来切割塑料

不管你采用了何种预防措施，在使用台锯时，永远要戴上手套和眼睛保护装置，并且在往其中送入材料时要站在一侧。就我个人来讲，自从我经历了一次自以为打断了手臂的回扫之后，我宁可永远不再用台锯来切割塑料。

对于长而直的切割来讲，以下是一些代用的方法。

□ 用板锯（大且贵，但是安全且精确）。

□ 用刀片直径约为4 in的微型手持圆锯，并用夹紧在塑料片上的一条直边来导向。

□ 用手锯。这是我最喜欢的保守办法。我喜欢用日本拉锯（它产生的切口很干净）：Vaughan Bear Saw牌的极细齿横割锯，9.5 in，每英寸17个齿。如果你用的是这种锯，请注意不要把空余的手放在锯的路径上，因为这种锯很容易从切口跳出来。由于它是专门用来切割像木料一样的坚硬材料的，因此它很容易切割柔软的肌肉。强烈建议你戴上手套。

曲线切口

曲线切口牵涉到的危险相对较小，不过还是要建议你戴上手套，并对眼睛采取保护措施。以下是我喜欢使用的工具。

□ 带锯，刀片直径为0.375in或0.25in，专用于切割木料或胶合板。

□ 线锯。我特别喜欢DeWalt公司的XRP，使用博世的刀片，专用于切割硬木头或塑料。它能够像剪刀剪纸一样在ABS塑料上很容易地切割出复杂的曲线。

不管你使用何种类型的锯，在切割之后，你都需要将切口上高低不平的塑料斑点清理干净，为此绝对需要的一样东西是一把打磨工具，这可以从http://www.mcmaster.com网站以及其他许多的在线五金提供处买到。皮带磨砂机或圆盘磨砂机是圆角的理想工具，金属锉刀则可以用来去掉直边上的坑坑洼洼。

图5-77到图5-80所示为各种不同类型的切割工具。图5-81所示为一个打磨工具，图5-82所示则是一个圆盘磨砂机。

图5-77 带锯是在ABS 塑料上切割复杂形状的理想工具。你应该很容易找到200美元以下的二手货

图5-78 手持圆锯沿着直边切割，用它来切割塑料要比台锯安全得多，并且也可以得到差不多的结果

图5-79 这是一把日式的锯，当你用力拉它（而不是推它）时，就会产生切割作用。在经过一些练习之后，你可以用它进行相当精确的切割。由于ABS十分柔软，需要的体力很小

图5-80 这把DeWalt 牌的线锯可以工作在很低的速度之下，因而可以对塑料进行精确、小心的切割

图5-81 打磨工具只需要快速地挫几下，就可以将塑料片的锯边清理干净并打磨成斜角

图5-82 皮带磨砂机或圆盘磨砂机是给ABS塑料圆角的理想工具

绘制平面图

我喜欢使用绘图软件来绘制图纸，并且我总是试着将它们按实际的比例打印。再将它们贴在一片白色或者自然色的ABS塑料的光滑侧，然后用一把锥子穿透图纸进入到下面的柔软塑料表面。再去掉图纸，用铅笔或者尖细的水溶性笔画线，将锥子在塑料上做出的记号连接起来。以后可以用湿布将这些线擦掉。不要使用永久性的标记笔，因为清除这种笔迹的溶剂可能会溶解塑料。

在没有光滑半径的任何内角上进行折弯时，ABS塑料容易产生裂纹，因此，我们需要在这些位置上钻孔，就像后面图5-92所示的小车图纸那样。

一般的0.5 in 钻头的进度太快，在旋转一圈之内，它就可能被塑料堵住而不能动弹。应使用Forstner钻头（如图5-83和图5-84所示）来产生良好的、光滑的圆孔。

图5-83 Forstner 钻头可以钻出干净、精确的孔；而很大的普通钻头会“咀嚼”ABS塑料，把事情搞得一团糟

请注意，折弯时的热量会使塑料上的所有标记变成永久性的东西。

图5-84 在两个折弯角的交叉位置钻孔，可以降低塑料开裂的风险

折弯

相对木料来讲，使用塑料的一个很大优点是，你只需要通过折弯就可以制作出很复杂的形状，而无需像木头那样要一片片切割，然后再用钉子、螺钉或者胶水将它们连接在一起。不幸的是，折弯确实需要适当的折弯器：就是安放在工作台上的一个长而细的金属壳，里面安装有电热元件。我使用的折弯器是FTM公司制造的，这个公司提供各种加工塑料的精致小工具。它们最便宜的一款折弯器如图5-85 所示，有2 ft 长，只需200多美元。你只需多付50美元，就可以买到长4 ft的产品。具体请去http://thefabricatorssource.com网站核查。

图5-85 要在ABS 塑料上做出干净的、精确的弯角十分容易，只需将塑料靠放在包含一个电热元件的折弯器上就行了

在折弯塑料时，需将塑料在塑料折弯器的加热元件上放置一段短暂的时间（0.125in厚的ABS塑料是25～30 s，0.187 5 in厚的是40～45 s，0.25 in的是1分钟）。如果塑料加热时间过长，就会烤糊，将其翻转过来时，会发现它很像烤软了的褐色奶酪的样子。当然了，你应该学会在塑料变成这种状况之前进行干预。

在折弯时防止烫伤

如果你不小心将手放在塑料折弯器上，那将造成严重的烫伤。由于上面没有警告灯，因此你很容易忘记已经将其插上电源。请使用手套！

当ABS塑料只能产生轻微的抗压力时，就可以折弯了。将其从折弯器上拿下来，从加热的一面往另一面折弯。如果你往加热的一面折弯的话，软化的塑料将在折弯的内侧形成凸起，样子很难看。

你大约有半分钟的时间来折弯它，当你得到了自己需要的样子后，可以往上面喷水或者用湿海绵来擦拭它，以使其快速变冷定型。另外，如果你需要更长的时间来折弯的话，可以对其再次加热。折弯塑料片需要的力道跟弯角的长度成正比，因此制作很长的弯角有一定的困难。为此，我常常将塑料片插在一个松口的老虎钳嘴里，用力压一点点，然后移到要折弯的另一个点，再压一点点。

由于塑料折弯跟日本折纸中制作各种形状的方法相似，因此在对ABS进行处理之前，先用纸制作实验项目的模型是一个好主意。

如果你不打算花钱在折弯器上，也不要放弃塑料的选项——因为比起木料来，用螺丝将分开的各个塑料部分组装在一起也要容易和方便得多。

垂直连接

从胶合板的边缘攻入螺丝几乎总会使其各层之间分裂，但是ABS没有分层（也没有颗粒），它从来不会因此而裂开或碎裂。这就意味着你可以用小螺丝（4 号0.625 in 长的那种）将两块ABS 塑料垂直连接起来。

图5-86 到图5-90 显示了将0.125 in（或更厚）的ABS 连接到0.25 in（我认为这是往其边上攻入螺丝的最小厚度）的ABS上的过程。

图5-86

图5-87

图5-88

图5-89 图5-86 到图5-89 说明了使用4号钣金螺丝将两片ABS塑料连接到一起的4 个步骤。在第一片塑料离边沿0.125 in 的标记线上钻出7/64 in 的孔，然后通过这些孔在第二片塑料的边上做出标记。再在边的正中间钻3/32 in 的孔，然后用螺钉将两片塑料连接在一起

图5-90 分别采用 1/16 in、5/64 in 以及3/32 in 的引导孔时，4 号螺丝攻入ABS 边的效果。由于前两个引导孔太小，塑料在螺丝周围出现了膨胀（但还没有挤破）

（1）在较薄的塑料片上画出标记线，其距离边缘应为0.125 in。对于4 号螺丝，请使用7/64 in 的钻头钻孔。如果使用的是平头螺丝，请用锥形钻头轻轻地在孔口扩孔。

（2）将两块塑料片握（或夹）到它们的安装位置，从钻好的孔中插入一支钢笔或铅笔，在底部0.25 in 厚的塑料的边上做出标记。

（3）拿掉薄塑料片，将0.25 in 厚的塑料片夹在老虎钳上，在有标记的各个位置钻上螺丝导向孔，孔的中心位于塑料厚度的中间位置。由于ABS塑料不像木料那样会收缩，因此这个空必须要比你期望的大一点，否则的话，塑料将在螺丝的周围鼓起来。3/32 in 的钻头刚好可以适合4号螺丝。

（4）组装各部件。注意不要将螺丝拧得过紧，这样很容易破坏它们在软塑料中产生的螺纹。

搭建车架

我选择了一个不同寻常的钻石形状的车轮布局，其原因显而易见，你很快就可以看出来。在图5-91所示的渲染图中，由（远离我们那端的）前轮施加驱动功率，（靠近我们这一端的）后轮在后退时起转向作用，侧轮则起防止翻倒的作用。

图5-91 如果你有3D 渲染软件，那么会有很大的帮助，它可以在你开始切割材料、连接各片塑料之前，测试你的项目结构的可行性。这个渲染图就是用来验证我们机器人小车的概念的

受你购买的电机类型的影响，你需要根据具体情况想出一个办法来将其安装在小车的前部。不要害怕使用杂七杂八的东西（譬如电缆绑带、管道扎带甚至橡皮筋）来将电机固定到车架上。我们是在制作一个粗糙的样机，而不是在制作一个漂亮东西（当然，如果你觉得自己很喜欢这个小车，那么在以后可以重做一个漂亮的）。

图5-92所示的图纸为你所需要的块件。A部分是小车的车体。如果你打算折弯ABS塑料来制作它，那么应该使用Forstner钻头在4个内角上钻出0.5 in 的孔，以使这些角上具有圆弧形的边。如果你简单地将塑料锯成90°的直角，那么当你折弯它的时候，塑料可能产生出裂缝。如果你没有塑料折弯器，也不想购买，那么你可以用三片分离的矩形块来制作A部分，最后用螺丝将它们连接起来。

图5-92 这些0.25 in 厚的塑料块可以组装起来，得到实验31 中描述的简单小车

B部分是一个轮子，总共需要4个这样的轮子。我使用3 in 的孔锯来锯出轮子。前轮要用螺丝固定在你得到的与电机轴匹配的圆盘或曲臂上。见图5-93。

图5-93 一个3 in 的轮子被螺钉固定在与电机的驱动轴相配的圆盘上

C、D和E部分组装在一起，构成一个轭，后轮就安装在它的上面。我用一个2 in 的交链来使车轭可以绕枢轴转动。交链安装在F部分上，F部分则作为车架的一部分位于车架的中段。图5-94和图5-95中的照片有助于说清这里面的的关系。在刚开始安装F部分时，只用两个螺丝，每侧用一个，以便你可以稍微调整其角度。这对于优化车轮与地面的接触来讲是必要的。

图5-94 组装好的车体，还没有加上控制的电子装置。右侧的车轮将由左往右拉小车。当小车前进时，交链的尾轮使小车可以沿着相对较直的路线行进，而当小车后退时，尾轮则倾向于使小车转弯

图5-95 交链尾轮的特写镜头。它摩擦极小，可以自由转动，可以从一侧转到另一侧

侧轮和后轮必须能够自由转动，但另一方面，它们不应该摇摆抖动。我简单地将螺帽拧在作为车轮轴的螺栓上，直到螺帽离车身只有大约0.5 mm 的间隙。我加了一滴Loctite牌的胶水来防止螺帽松动。

图纸上并没有精确地给出钻车轴孔的位置，因为这些位置跟你的车轮大小有关。随着工作的进度，你自然能够确定出这些位置来。只是要确保侧轮不要安装得太低。我们不希望侧轮把前轮或后轮提离地面。如果侧轮离开地面的距离比前轮和后轮稍微高一点的话，这是不错的。

如果你家里铺有地板砖或木地板，那么给每个驱动轮以及转向轮裹上一层厚橡胶绷带将使你的小车得到较好的牵引。

结构上最重要的一点是，要在适当的位置放上微型开关，以便在小车撞上东西时能够触发这些开关。我的开关安装在前角上，如图5-96和图5-97所示。装好开关后，剩下的工作就是搭建电子电路了。

图5-96

图5-97 具有金属臂的两个微型开关安装在小车的每侧，这样它们就可以感知到所有障碍了

电路

电路原理图极其简单，如图5-98所示，其中仅有4个主要元件：两个微型开关（用来感知小车前面的障碍）、一个继电器，以及一个555定时器。当然，你还需要一个小型电源开关，一节电池或一个电池盒，一个电阻器以及定时器所需的电容器。微调电位器使得你可以调节555定时器的“on”时间，这将决定小车后退的时间。见图5-98。

我选择的电机要求5 V 的电压，因此我必须使用调压器与9 V 的电池相配。如果你的电机使用6 V 的电压，那可以直接将4 节AA 电池接到它上面。如果你的电机是12 V 的，可以用两节9 V 电池串联，通过一个12 V 的调压器给它供电。

装好这些元件，再安装到小车上，并合上开关，小车就应该沿着近直线的路径缓慢地往前移动。如果它倒着走，请将连接到电机的端子反接一下。

图5-98 这个超级简单的电路原理图就是当小车碰到障碍时能够后退所需要的全部东西

当小车撞到什么东西时，会有某个微型开关将负电压接到555定时器的输入引脚。这将使工作于单稳态的定时器触发，产生出一个持续大约5 s 的脉冲，这个脉冲使继电器闭合，从而使电机两端的电压改变方向。

当一个简单的直流电机的电压反向时，它就会反向运转。因此小车会往回走。由于后轮是安装在一个可以绕枢轴转动的车轭上的，车轭将倾向于翻向一侧或者另一侧，导致小车往后移动时走出一段圆弧轨迹。在定时器周期结束的时候，继电器释放，小车又开始往前移动。在往前移动的模式中，后轮仅仅跟随着前进而不会施加任何的转向力，因此小车倾向于走一条直线——直到碰到下一个障碍，然后会再次后退，并尝试另一条路径。

基础知识

关于限位开关

你的小车的转向构造存在明显的改进空间。你可以用另外一个电机和一对限位开关来负责转向。由于限位开关在与电机相关的应用中十分基本，也很重要，因此我将对其进行详细讲解。

图5-99显示了一个带有曲臂的电机在3个顺次的状态下的电路，该曲臂可以按压下方的按钮或者上方的按钮。这两个按钮都是常闭的，但是当受到电机曲臂的按压时将会打开。这些按钮就是限位开关。通常你可以将微型开关用于这种目的，就是我建议用来作为小车前面的障碍感知器的那些开关。

此外，其中有一个双刀双掷继电器，它由右侧一个简单的on/off开关来激活。而在小车上，555定时器取代了on/off开关的位置，把电力输送到继电器中。

假定开始时电机的曲臂指向下方，如图5-99中的顶图所示，并且电机的接线具有这样的特点：当它的下方端子接收到负电压、上方端子接收到正电压时，它就往逆时针方向旋转。这正好是当on/off开关闭合而将电力送到双刀双掷继电器时所发生的事情。来自继电器触点的正电压不能通过上部的二极管，但是能够通过上部的限位开关，因为这个限位开关是闭合的。负电压不能通过下部的限位开关，因为它是断开的，但是能够通过下部的二极管。因此，电机将开始逆时针方向旋转。当电机转到圆弧的中间位置时，它通过两个限位开关接收电力。

最后，电机的曲臂到达上部的开关，并将其打开。这就阻止了正电压经过该开关到达电机，另外上部的二极管阻止正电压的通过。所以这个时候电机就停电不动了。

现在假定on/off开关断开了，如图5-100的顶图所示。继电器失去了电源，因此其触点释放。供给电机的电压现在反转方向了。负电压通过上部的二极管，而正电压通过下部的限位开关到达电机。电机开始顺时针旋转，直到其曲臂撞击下部的开关并将其打开，从而切断电机的供电。

限位开关是必需的，因为如果你连续不断地给一个处于无法转动状态的简单直流电机供电，电机将吸收更大的电流，会变热甚至烧掉。

图5-99 从上到下的3 个示意图显示了由一个双刀双掷继电器以及两个限位开关控制的电机转到3个不同位置时的电路。当右下方的on/off开关往继电器输送电力时，下方的继电器触点导致电机逆时针转动，直到其曲臂打开上方的限位开关而使之停转

图5-100 当右下方的on/off 开关打开时，继电器上方的触点闭合。从而导致电机顺时针旋转，直到其曲臂打开下方的限位开关。限位开关可以防止电机过热和可能造成的损坏，这些情况往往发生在电机不能动却继续给电机供电的时候

你很容易就可以明白如何将这种系统用到小车转向的控制上。即使电机只有两个位置，也已经足以让电机在后退时转向，而在往前时沿着直线前进。

为了降低电力消耗，双刀双掷继电器可以用一个两线圈的闩锁继电器来代替。这样的话，电路就必须予以修改，需要往继电器的线圈中通入脉冲，它才能够来回翻转。

关于电机

有刷直流电机

这是最老也是最简单的电电机，其最简单的形式如图5-101所示。在这种电机中，线圈附着在一个转轴上，可以与环绕在转轴周围的固定磁铁相互作用。磁吸力使转轴转动一点点（转到一个新的位置），这样下一个线圈就得到电流，从而使转轴转动更多一点，然后是再下一个线圈——依此类推。为了使这种事情发生，必须通过“电刷”来将电流送到线圈里面。电刷一般是由软碳块构成的，它将电源引到一个称作换向器的套筒上。换向器被分成许多个部分，每个部分连接到一个单独的线圈。

图5-101 一个简单的直流电机的基本原理。换向器让电流可以流到线圈里，产生磁场来与电机四周的磁铁相互作用。当线圈转动时，换向器跟着它一起转，直到线圈中的电场反向为止。这将导致这个过程重复下去。在现实中，电机的换向器一般是由多个片断组成的，连接着多个线圈，但是原理还是一样的

对于想要制作电动小玩意儿（例如，微型机器人，甚至模型飞机）的人来讲，有刷直流电机这个基本的设计具有好几个优点。

□ 到处可以得到；

□ 低成本；

□ 简单；

□ 可靠；

□ 当电压反向时，转向也会变反。

此外，有刷电机常常带内装的减速齿轮一块出售。这种单元就是所谓的齿轮减速电机或齿轮电机。这免去了使用你自己的齿轮或皮带来调整输出速度的烦恼。你只需简单地选择满足参数要求的电机就行了。

直流步进电机

这种电机需要控制器——它由一些电子元件组成，来告诉电机按小的、离散的小步来转动自己的转轴。步进电机的优点如下。

□ 转轴的精确定位；

□ 精确的速度调节。

步进电机的理想应用场合是计算机的打印机之类的设备，在这些地方，纸张必须以精确的距离往上滚动，而打印头也同样必须以精确的距离侧向运动。当然，步进电机在机器人中也十分有用。如果一个步进电机特别小，其所吸收的电流不到200 mA，并且可以运行在12 V或者更低的电压下，那么你可以用555定时器发出的脉冲来控制它。我将在实验33中更具体地介绍步进电机。

伺服电机

这种电机常常与可编程微控制器一起使用，后者发送一个指令来旋转电机的转轴到一个特定的位置，然后保持在那里。我将在介绍微控制器的时候提到伺服电机，但是不会详细介绍它。

还有其他类型的电机，包括无刷直流电机（它要求一种不同类型的控制器，可以在计算机磁盘驱动以及CD播放器中见到）、交流电机（包括同步电机，它的转速跟交流电压的频率是同步的，在闹钟数字化以前，它广泛使用在闹钟中）。

在本书中，我主要会介绍到的是有刷直流电机和直流步进电机。

在这个实验中，值得你记住的信息有以下几点。

□ 你可以购买内装有减速齿轮的简单直流电机，来满足你的速度要求。可以说有成百上千的网站都在出售用于机器人项目的小电机。

□ 当你改变直流电机的电压的方向时，电机将往相反的方向转。

□ 双刀双掷继电器可以接成这种样子，当其触点闭合时，它将供给电机的电源电压反向。

□ 你可以使用两个限位开关和一对二极管来将电机停止在两个位置。在这两个停止位置中的任何一个，电机都不消耗功率，因此不存在烧毁电机的风险。

你还能想出其他可以利用到这一组简单技术的实验项目吗？

机械旋转力——转矩

在美国，电机的旋转力（或者说转矩）往往用磅—英尺或盎司—英寸来度量。而在欧洲，米制系统使用达因—厘米来测量转矩。

磅—英尺很容易理解。设想有一个杠杆可以绕一端的枢轴旋转，如图5-102所示。如果杠杆的长度为1英尺，你在其一端悬挂了一个1磅重的东西，那么其旋转力就是1磅—英尺。

图5-102 由电机产生的旋转力称作“转矩”，美国人用磅—英尺或盎司—英寸（用于小电机）来测量它。在米制系统中，转矩用达因—厘米来测量。请注意，电机产生的转矩随着电机运行的速度的变化而变化

基础知识

线规

如果你要给较大的电机或者其他比LED和小型继电器需要更多电流的元件供电，那么你就确实需要知道线规问题。具体来讲就是，导线的粗细跟AWG（美国线规）是什么关系。对于任一给定的电流，你应该使用哪个线规号的导线。

如果你上网去查，你会发现大量的图表，但是这些来源的许多信息彼此矛盾，尤其是谈到各个线规号的导线通过多大的电流为安全的时候。

在经过几次比较（并且经我自己测试了一些导线样品）之后，我汇编了图5-103的表格，作为我给大家推荐的一个折中方案。请注意以下几点。

图5-103 美国线规号（AWG）及其性质

□ 这个表适合于实心铜导线。

□ 对于多股的绞合线，或上了锡的铜线（具有银色的外观），每英尺的欧姆数将增加，每欧姆的英尺数将减少，最大安培数将减少，也许为20%左右。

最大安培数是在假定导线为绝缘因而没法像裸线一样有效地辐射热量的情况下得到的。我还假定导线有可能至少是部分封闭在盒子中或者箱子中的。对于表中为每一个线规号的导线列出的安培数，你应该知道导线会变得相当的热，并且就我个人来讲，我倾向于使用比表中指明的最大值更粗的导线。

大多数这样的表格仅仅告诉你每个线规号的导线每千米的电阻值。在我的表中也包含了这一信息，但是我还用另外的方式来表示这个函数，即每欧姆的英尺数，这样表示可以使你无需做太多跟小数打交道的算术。

理论知识

计算电压降

另一个一般来讲你必须知道的知识是，电路中一根特定长度的导线将引起多大的电压降。如果你想要从电机上获得最大的功率，你就不会希望在连接电机的来回导线上损失太多的电压。

电压降是很复杂的，因为它不仅跟导线有关，还跟电路负载的大小有关。假定你正在使用一段100 ft长22号线规的导线，其电阻大约为1.5 Ω。如果你将其接在12 V的电池上，去驱动总等效电阻约1 200 Ω的一个LED和相串联的一个电阻器，那么导线的电阻相比而言是微不足道的。根据欧姆定律：

安培=伏特/欧姆

通过电路的电流仅仅只有约10 mA。

同样根据欧姆定律：

伏特=欧姆×安培

具有1.5Ω电阻的导线上产生的电压降为1.5×0.01=0.015V。

现在假定你在驱动一个电机。电机的线圈有阻抗，而不是电阻，但是如果测量有多少电流通过该电路，我们仍然可以建立起有效电阻。假定电流是1 A。重复第二个的计算：

伏特=欧姆×安培

因此，导线上的电压降现在为1.5×1=1.5 V！这一情况如图5-104所示。

请牢记这些因素，我为大家汇编了一个表格。我将数字四舍五入到了两位数字，因为你所使用的导线存在的差异使得保留更多位的精度没有实际意义。

图5-104 导线引起的电压降依赖于电路中的电流和电阻。当电路的电阻低而电流大的时候，导线的电压降最大。

使用这个表格，你需要知道电路中流过的电流有多大。你可以自己计算（通过将所有的电阻相加，然后用它去除以你所施加的电压），或者简单地用万用表去测量电流。只是要确保你的单位是一致的（全部用Ω、A和V，或者全部用mΩ、mA和mV）。

在这个表中，我随意地假定导线的长度为10 ft。自然，你必须针对电路中导线的实际长度进行校正。导线越短，损耗就越小。一个有5 ft 长导线的电路，在相同的电流和电压下，电压损耗的百分数将只有表中的一半。一个有15 ft长导线的电路，在相同的电流和电压下，电压损耗的百分数将只为表中的1.5倍。因此，在使用这个表格时，要做到以下两点。

（1）将你的导线长度除以10（要保证测量单位是ft）。

（2）将以上结果乘以表中的数据。

表中还随意地假定你使用的是12 V的电源。如果你使用的电源电压不同，那么你同样必须进行校正。因此，在使用这个表格时，要做到以下两点。

（1）用12去除以你的电源的实际电压。

（2）将以上结果乘以表中的数值。

可以将以上两步综合起来，就是：

电压损失百分数=P×（12 / V）×（L / 10）

其中P是表中的数值，V是电源电压，L是导线长度。

这个表给出了在12 V 供电的电路中，一根10 ft 长的导线的电压损失的百分数。

请记住，如果你使用多股的绞合铜线或上锡的铜导线，由于它们的电阻较高，因此将使其电压损失的百分数增大。