27、开启新征程：打造你的下一个机器人

最新推荐文章于 2025-09-18 19:03:50 发布

peach

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分类专栏：树莓派Pico机器人实战文章标签：机器人升级 3D打印电子设备集成

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开启新征程：打造你的下一个机器人

在机器人的探索之路上，我们总是渴望不断突破和创新。本文将为你介绍如何对现有机器人进行升级，以及规划下一个机器人项目的思路和方法。

底盘与外形升级

机器人的底盘通常简单轻便，但我们可以进一步改进，使其更加坚固或美观。以下是两种通过外壳改进机器人或其传感器的方法：
1. 利用常见容器 ：可以将午餐盒、冰淇淋桶或滚筒油漆托盘等进行改造，在上面开孔，使其成为机器人的整流罩，用于保护电子设备和整理布线。
2. 3D打印部件 ：通过3D打印制作传感器支架，也可以使用真空成型或激光切割的方式制作定制的整流罩和支架。

无论选择哪种方法，都要确保其轻便且易于拆卸，方便更换电池和检修电子设备。可以使用螺栓或魔术贴固定。同时，要考虑如何让控制部件易于操作，例如将开关和充电端口设置在外部。此外，整流罩还可以进行装饰，结合RGB LED，打造出独特外观的机器人。

电子设备升级

目前使用面包板组装电子模块虽然适合原型制作，但存在占用空间大、重量重、易受振动影响等问题。以下是一些升级电子设备的建议：
1. 使用集成板 ：如Pimoroni的Inventor 2040 W，它集成了电机控制、灯光和伺服连接等功能，可减少布线。
2. 焊接电路板 ：使用预制的印刷电路板，如条形板或穿孔板，将面包板设计转移到上面并进行焊接，使布线更加整洁。也可以设计或下载自定义的印刷电路板（PCB），使用KiCad等软件进行设计。一些电路板制造商还提供PCB组装服务，可减少自己焊接表面贴装部件的麻烦。
3. 整理布线 ：使用6毫米螺旋缠绕管和电缆夹，或简单的胶带，使布线更加美观。
4. 更换连接器 ：在焊接电路板上，可以考虑使用锁定连接器，如JST或Molex PicoBlade连接器，防止电缆松动。

增加输出功能

通过增加额外的电机，如伺服电机，可以为机器人添加更多有趣的机械装置：
1. 抓取器 ：如Pololu Micro Gripper Kit，可用于抓取和移动物品。
2. 云台机构 ：如Adafruit Mini Pan-Tilt Kit，可使传感器指向特定目标或进行扫描。
3. 升降机构 ：类似于叉车，可与抓取器结合实现物品堆叠。
4. 球发射器 ：可用于机器人瞄准目标，在一些机器人竞赛中会用到。

扩展代码与行为

机器人的代码和行为是其核心，以下是一些改进代码和增加行为的建议：
1. 循线功能 ：使用线检测传感器，通过if-then、bang-bang控制或PID算法实现机器人循线。
2. 菜单系统 ：将各种行为组合在菜单中供选择，也可以使用语音控制模块和蜂鸣声指示当前模式。
3. 摄像头驾驶 ：添加摄像头并将其画面传输到手机网页应用，实现通过摄像头视角驾驶机器人。
4. 迷宫求解 ：增加距离传感器，让机器人能够寻找通道并走出迷宫，可使用简单规则或蒙特卡罗方法。
5. 摄像头导航 ：将摄像头图像缩放至低分辨率，使用算法提取特征，结合PID算法实现机器人导航。
6. 摄像头识别 ：可能需要使用机器学习系统，如TinyML。语音识别也可使用类似技术，但可能需要多个Raspberry Pi Pico板。

此外，还有一些高级行为，如同时定位与地图构建（SLAM）和任务规划与运动规划等。

规划下一个机器人

在规划下一个机器人时，可以考虑不同的形式、形状和底盘：
1. 大型轮式平台 ：可容纳更多传感器和电子设备，采用更有趣的轮子布局。
2. 六足机器人 ：用于探索步行和步态，需要大量伺服电机。
3. 机械臂 ：可以基于伺服电机或步进电机。
4. 四轴飞行器 ：超轻，但涉及更复杂的IMU和PID应用。
5. 蛇形机器人 ：由多个带有分布式电子设备的机器人段组成，可弯曲移动。
6. 水下机器人 ：用于探索湖泊或池塘，需要考虑防水、供电和控制等问题。
7. XY或龙门式机器人 ：常用于3D打印机、CNC铣床和激光切割机等。

轮子的变化

轮式平台是一种实用且简单的机器人形式，但轮子可以有多种扩展方式：
1. 履带式 ：提供比轮子更大的牵引力，适合不平坦的表面，但转弯时可能会有摩擦问题。
2. 麦克纳姆轮 ：可以实现前后、左右和旋转等多种运动方式，需要四个独立电机和特殊控制算法。
3. 三星轮 ：由三个轮子组成的集群，可实现爬楼梯等功能。
4. 独立驱动轮 ：每个轮子可独立转向和驱动，如火星探测车。

设计阶段

设计机器人可以从草图和简单的纸板模型开始，逐渐明确需求后使用CAD软件进行设计。在设计过程中，要将电子设备和传感器纳入考虑，确保尺寸合适和安装位置合理。

电子设备与传感器适配

不同形式和用途的机器人需要适配不同的电子设备和传感器：
| 机器人类型 | 电机控制器 | 电池 | 传感器 |
| ---- | ---- | ---- | ---- |
| 大型机器人 | 如LM2575等大功率电机控制器 | 可能需要升级到Li-ion或LiPo电池 | 按需选择，注意引脚使用 |
| 六足机器人 | Pimoroni Servo 2040等 | | |
| 水下机器人 | 防水的电子设备和ESC | | |
| 四轴飞行器 | ESC | | |

此外，随着传感器和引脚使用的增加，可能需要使用I2C多路复用器、PCF8574等扩展引脚。还可以考虑添加I2S音频放大器和麦克风等设备。

代码与行为选择

选择代码时需要考虑以下因素：
1. 控制代码 ：根据传感器、输出和机械装置的需求编写控制代码。
2. 智能程度 ：根据解决问题的复杂程度确定机器人的智能水平。
3. 安全因素 ：考虑如何确保机器人的安全运行，如快速停止的控制机制。

对于不同类型的机器人，可能需要不同的代码和算法，如腿部机器人需要步态控制代码，机械臂或蛇形机器人需要逆运动学算法。如果机器人需要更强大的CPU，可以考虑使用Robot Operating System（ROS）。在需要多个RP2040控制器时，需要研究它们之间的通信协议。

总之，机器人的升级和创新是一个不断探索的过程，通过合理的设计和选择，可以打造出功能强大、智能灵活的机器人。希望这些建议能为你的机器人项目提供一些灵感和指导。

开启新征程：打造你的下一个机器人

详细操作流程分析

在对机器人进行升级和规划新项目时，各个环节都有其详细的操作流程。下面以电子设备升级和机器人行为扩展为例进行分析。

电子设备升级流程

graph LR
    A[选择集成板或焊接电路板] --> B[确定需求]
    B --> C{选择集成板?}
    C -- 是 --> D[选择合适的集成板如Inventor 2040 W]
    C -- 否 --> E[选择预制电路板如条形板或穿孔板]
    D --> F[安装集成板并连接线路]
    E --> G[将面包板设计转移到预制板]
    G --> H[焊接部件和线路]
    F --> I[整理布线]
    H --> I
    I --> J[更换合适的连接器如JST或Molex PicoBlade]

从流程图可以看出，电子设备升级首先要明确自身需求，根据需求决定是选择集成板还是焊接电路板。如果选择集成板，要挑选合适的型号并进行安装和线路连接；若选择焊接电路板，则需将面包板设计转移过去并完成焊接。之后都要对布线进行整理，最后更换合适的连接器以确保连接稳定。

机器人行为扩展流程

以迷宫求解行为为例，其操作流程如下：
1. 硬件准备 ：增加足够的距离传感器，确保机器人能够检测周围环境。
2. 算法选择 ：
- 对于简单迷宫，可以使用“始终左转”等简单规则。
- 对于复杂迷宫，考虑使用蒙特卡罗方法结合精确导航。
3. 代码实现 ：
- 编写代码实现传感器数据读取。
- 根据选择的算法编写控制逻辑，例如使用编码器记录机器人的转弯信息，以便回溯和尝试其他路线。
4. 测试与优化 ：在实际迷宫中测试机器人，根据测试结果调整算法和代码，确保机器人能够顺利走出迷宫。

不同类型机器人的特点与挑战

不同类型的机器人在设计、电子设备适配和代码编写方面都有各自的特点和挑战。

机器人类型	特点	挑战
大型轮式机器人	可搭载更多设备，能适应复杂环境	对电机控制器功率要求高，电池续航和管理是难题
六足机器人	具有良好的地形适应性，可实现多种步态	伺服电机控制复杂，需要编写精确的步态代码
水下机器人	可探索水下环境	防水设计要求高，水下通信和供电是关键问题
四轴飞行器	机动性强，可实现空中飞行	对IMU和PID控制要求高，飞行稳定性难以保证
蛇形机器人	可在狭窄空间中移动	分布式电子设备的布线和控制复杂，需要研究逆运动学算法
机械臂	可完成精确的抓取和操作任务	逆运动学算法的实现难度大，需要精确控制各个关节
XY或龙门式机器人	精度高，可用于精确加工和操作	步进电机的控制和运动规划需要精确设计