2019年01月14日 | 制作机器人的步骤详解

今天我们来聊聊怎么制作属于自己机器人。这一次主要针对的对象，是希望能亲手制作出一只机器人的朋友。

建立基本概念

在开始着手设计及制作机器人之前，首先要建立三个基本观念：

一、强大的内在动机

如同许多成功学大师告诉我们的：「强大的内在动机，是驱使我们去克服万难达成目标的关键。」为什么呢？我们常说能够从机器人学习到太多的知识，换个角度来看，其实这也是告诉我们，机器人涵盖了众多知识领域。完成一个机器人，至少需具备下列几项知识和技能：机械、电子、电机、资讯工程、仿生学等等。

更进一步，甚至连工业设计、动物行为学和人类心理学都需要涉略。也就是因为包含了这么多的技术及知识领域，在制作机器人的过程中，欠缺任何一项技能，都可能造成过程的瓶颈，而无法完成机器人的制作，甚至终结了对机器人的兴趣。所以唯有强大热爱机器人的内在动机，才可能持续维持这项兴趣，并有恒心毅力来不断学习，以便克服一切障碍。

二、简单明确的设计

正如同许多玩家前辈所建议的，另一个重要的心法就是遵循KISS法则（Keep It Simple and Stupid）: 保持简单明确！无论在任何阶段，这都是非常睿智的建议。

三、把钱准备好

老实说，玩机器人可以是很花钱的兴趣，无论玩的是机器人套件，还是DIY自行制作机器人。对刚投入这个领域的玩家来说尤其如此。因为投入这个领域的初期，首先还没有足够的经验去挑选零件，很可能会投资一些冤枉钱在不需要或错误的零件上；同时，手边也还没有累积足够的零件和工具来使用；另外就是因为经验不足，在组装测试过程中也常有机会搞坏部分零件或工具，而必须重新购买。因此在全心投入机器人组装之前，需要先做些功课，并规划好预算。

要确定自己做出来的东西可以称为机器人，首先我们再回顾一下机器人的定义：「人类制造的机械装置，能对周边环境做出适当的响应、自主判断并达成特定任务。」也就是说，机器人必须具备感知环境、做出判断，并产生行动的能力。以机器人踢球为例，首先它要看得到球（感知环境），接着需判断要将球踢到哪里去（做出判断），最后产生踢球的动作，将球踢出去（产生行动）。这一系列的过程，跟人类足球员踢球的过程是很类似的。

机器人动作三阶段 开始制作机器人

有了基本观念后，接下来让我们开始制作机器人。一共包含了四个步骤：机器人概念设计、零件选用、机器人组装、和程控。

一、机器人概念设计

制作机器人的第一步，并不是直接拿起木板到锯床上切割。而是拿出白纸，先将想做的机器人雏型规划出来。这阶段，主要需定义机器人的功能、决定机器人的载具和移动方式，以及确认预定采用的机器人的控制方式。

蜘蛛机器人设计图（来源：Regis [雷基士]）

1.定义机器人的功能：

第一只机器人的功能建议不要太过困难或复杂，最好以进行简单的任务为目标（记得KISS法则吗？）。在这个阶段，我们希望可透过设计和组装的过程，来学习和机器人相关的知识和技能，并藉此慢慢累积成就感和经验。所以让我们暂时将制作出钢铁人飞行装的伟大计划，推迟到之后几个项目再来执行。

2.决定机器人的载具和移动方式：

机器人的载具可能是机械手臂、八脚蜘蛛、或是轮车等等。同时也须思考机器人该要如何移动，用双脚、四肢、八爪或是用轮子。

3.确认机器人的控制方式：

要使用有线控制（电线、网络线）？无线控制（红外线、蓝芽、WIFI、GPRS、无线射频）？还是自主控制？

二、零件选用

在完成初步的概念设计以后，接下来就进入挑选所需装置与零件的阶段。需要选用的零件包含：驱动器、动力源、控制板、马达控制器和感知器等等。我们建议刚入门的的玩家，从驱动器开始挑选。例如直流马达、伺服机等。接下来，再选择可以和驱动器搭配的控制板及驱动器控制板，最后是感知器，像是摄影机、超声波测距仪等等装置。

※零件选用小提示：

1. 在选择驱动器时，要先确认机器人所需要的规格。像是力量输出、制动方式等。这类讯息可以由网络搜寻，以及从驱动器的规格书上找到。

2. 选用市面上普及的零件。由于在机器人制作的过程中，很常会遇到问题，而普及常用的的零件因为用户多，较容易由网站、社群、坊间书籍或玩家团体中获得支持。

3. 在动力来源部分，建议使用高电容量、并能维持输出1安培电流的充电电池。

三、机器人组装

在凑齐了所有需要的零件和装置之后，接下来我们将要把机器人制作出来。这个阶段主要着重在两个部分：机器人的骨架结构设计与制作，以及将所有零件和装置装配起来。

组装中的机器人

骨架结构的设计与制作看似直觉，却经常是制作机器人过程中最耗时费工的阶段。坊间有各式各样的材料可以选用，一如前文所提的KISS法则，尽量选择易获得、好加工又具有一定刚性的材料来制作结构体，像是瓦楞纸、木材、金属薄板或是3D打印等。如果可以，好好地应用3D绘图软件来协助设计，它可以帮助我们更直觉的看到最终成品的外观，也同时能够省下许多尝试错误的时间。

由于是入门机器人制作，这里暂时先不把工业产品设计的程序考虑进来，也就是「将脑中的雏型概念可视化、制图、制作样品，直到最终完成成品」这样的一个流程。同时，机器人的外观，在现阶段也先不用太过在意。

四、程控机器人

最后一个步骤，也是为机器人开光点眼、注入灵魂的关键步骤，就是将程序烧入机器人的芯片中。在完成这个步骤之前的机器人，我们只可以将它视为一台昂贵的玩具。要能完成这个步骤，有需要具备另一大块的技术能力——对机器人控制的知识，还有计算机程序编写的技能。这部分的知识可以从网站、社群和书籍中获得；市售的控制板一般也会提供人机软件接口，供开发者使用。

撰写程控机器人（来源：Fizzics Education）

结语：—千里之行，始于足下

上述的机器人制作步骤，是我们依据过去开发机器人的经验，并汇整其他玩家前辈心得所做出来的建议。相信您在成功完成了几次机器人的制作后，也会琢磨出一套最适合自己的机器人设计及制作流程。

然而，这些步骤流程无论看起来多么的言之有物，目的都是希望能协助我们更加顺利、更有效率的完成机器人的制作。所以最后、最终极，也是重要的步骤，就是马上拿出白纸，开始着手规画你的机器人！

作者：阿里哥