本文旨在指导您完成一个简单的避障机器人的搭建步骤。这类机器人结构最简单，所需材料和成本都很低，是初学者的最佳选择。在详细介绍搭建步骤之前，我们先来快速了解一下机器人技术的定义。.
机器人学是工程学的一个分支，也是一个交叉学科领域，它研究机器人的设计、制造、操作和应用。这些机器人可以是可编程的，也可以是自主的（人工智能控制），能够执行各种原本由人类完成的任务。该工程分支融合了机械工程、电气工程和计算机工程。.
另一方面，避障机器人是一种自主机器人，它借助传感器高效工作，能够检测障碍物并绕过它们，同时还能执行其他任务。这种机器人可以被编程来避开障碍物，或根据超声波传感器的读数执行某些操作。下图就是一个避障机器人的示例。.
图1 避障机器人。.
本文面向那些想要首次搭建机器人的人，或者那些想要搭建一些非常简单的机器人（例如避障机器人）的人。无论您属于哪一类，本文都将详细介绍如何搭建您自己的自主轮式机器人。必要的步骤如下所示，并在后续内容中进行解释。.
- 选择你所需的材料
- 搭建框架或围栏
- 组装你的机器人
- 编写并上传您的程序
选择你所需的材料
和其他所有项目一样，在开始制作机器人之前，务必先确定并采购所需的材料。这能让你清楚地了解哪些材料可行，哪些不可行，从而最终实现你的机器人。就我这个简单的避障机器人而言，所需的材料涵盖机械材料和电子材料，以下是制作它所需的最基本材料。.
齿轮电机（机械式）：
这些电机配有一系列与之相连的齿轮，目的是赋予电机更大的扭矩，从而实现更强劲的运动。在这种情况下，我不得不对SG90伺服电机进行改造，以满足我的自主机器人设计方案。.
图2.齿轮电机
伺服电机（机械式）：
这些电机类似于齿轮电机，但它们带有电位器，有些还带有限位器，这意味着它们的旋转角度大多受限于180度，尽管有些可以360度不间断旋转。这里我使用的是像SG90伺服电机这样的限位型电机。SG90有三根线，分别是VCC（红色）、信号线（黄色或白色）和地线（黑色或棕色）。.
图3. 伺服电机SG90
开发板/控制器（电气）：
这是一个包含微处理器或微控制器的电路板，它能够实现机械、电气和计算机语言之间的接口。对于工程师、业余爱好者和学生来说，这是一种快速学习和测试项目的有效方法。例如 Arduino、Raspberry Pi 和 ESP32。这里我使用的是 Arduino Uno。.
图 4. Arduino Uno
面包板（电气）：
这是一块裸电路板，您可以自行连接各种电子元件，例如电阻器、电位器、LED 以及您可能需要的任何其他元件。不过，这并非必需，因为本项目也可以不使用电路板进行连接。.
图 5. 面包板
超声波传感器（电学）：
超声波传感器是一种利用声波测量距离的组件，它将原始数据发送到开发板，开发板再通过 Arduino/计算机语言接口对数据进行解析，生成所需的输出。输出可以是启动或停止机器人，也可以是执行其他任何操作。在本例中，我使用的是 HC-SR04 超声波传感器。.
图6. 超声波传感器HC-SR04
电机驱动器（电气）：
电机驱动器旨在借助跳线将电机与 Arduino 板连接起来，从而实现对电机的控制，例如方向、速度和任何其他动作。.
图7. 电机驱动器TB6612FNG
直流电池（电气）：
这是整个装置的电源，主要由两节串联的锂离子电池组成，以获得更高的电压值。这里我使用了两节18650型、3.7V、3200mAh的锂离子电池串联而成。.
图 8. DC 18650，3.7V，3200mAh，锂离子电池
DC-DC降压转换器（电气）：
这是一个降压模块，可以将较高的电压值降低到较低的电压值，以适用于 Arduino Uno、伺服电机、齿轮电机、超声波传感器和 LCD 等元件。两个串联的电池总电压为 7.4V，而大多数元件的工作电压在 5V 到 6V 之间。使用 DC-DC 降压转换器降低电压有助于防止前面提到的电压敏感元件损坏。.
图9. DC-DC降压转换器，降压模块LM2596
16*2 I2C LCD（电气）：
这是您设置的显示单元，用于显示机器人在任何时刻的活动。在某些情况下，LCD 显示屏会配备一个扩展板，其目的是将 LCD 显示屏的引脚数（12 个引脚）减少到 4 个引脚，以便仅通过 4 个引脚连接到 Arduino Uno。.
图10. 16*2 I2C液晶显示器
图11. 16*2 I2C液晶显示屏和扩展坞
跨接线（电气）：
这些是小型电线，两端分别连接公头-公头、母头-公头和母头-母头，方便不同组件之间的连接。在这个例子中，我使用了这三种类型的跳线来连接不同的组件。.
图12. 母对母跨接线
框架/外壳（机械部分）：
这是一个底盘或结构，它将整个装置（包括机械和电子组件）固定在一起。在这个例子中，我用3D打印机打印了容纳所有组件的内部底盘，然后给整个装置加装了一个外壳，使其外观更加美观。.
图13. 轮式机器人框架
车轮：
这是一组用于机器人移动的小轮胎，可以根据需要选择两个（带万向轮）或四个。这里我使用了两个3D打印的轮子和一个万向轮作为支撑。.
图14. 机器人轮子
搭建你的框架或围栏
下一步是搭建机器人的框架，这取决于你想搭建的机器人类型。由于我们这里要搭建的是一款自主轮式机器人，所以我们在添加必要的组件后，先组装框架，再安装轮子。这些框架可以是商店里现成的，也可以是自己动手制作的。这次，我不仅搭建了一个定制框架，还使用3D建模工具（Fusion 360）和3D打印技术，为我的自主轮式机器人制作了一个外壳。以下是我制作的步骤。.
在三维软件中上传零部件的CAD文件：
第一步是启动你的3D CAD软件，例如 SolidWorks、 Fusion 360或 Onshape，具体取决于你使用的软件。在这个例子中，我选择了 Autodesk Fusion 360，因为项目非常简单，而且我希望它能与简洁流畅的外壳设计相得益彰。我导入了所需组件（包括机械和电气组件）的CAD文件。
图15.伺服电机CAD文件
图 16. 其他 CAD 组件
围绕组件进行建模：
下一步是利用曲面建模和实体建模技术，围绕导入的组件CAD文件进行建模。这有助于我避免公差问题以及组件在装配过程中与外壳发生碰撞。.
图 17. 封闭空间的表面建模
图18. 外壳表面建模（续）
图19. 机器人头部外壳施工中
图 20. 机器人头部外壳制作中（续）.
图21. 三维模型正面截面分析
图22. 3D模型背面截面分析
图23. 透明前视图
图24. 透明后视图
文件导出和3D打印：
3D建模完成后，我将框架和外壳的单个文件导出为STL格式，并准备进行3D打印。.
图25. STL文件导出进行中
图26. 用于3D打印的STL文件切片
组装你的机器人
完成3D打印后，下一步是将框架或底盘组装起来，并将所有机械和电子元件连接在一起。首先是框架模块组装，然后是电机、轮子等机械部件，最后是Arduino Uno、DC-DC降压转换器、电机驱动器、超声波传感器、LCD显示屏、电池和跳线等电子元件。以下是组装过程中机械和电气连接的完整步骤。.
机械和电气组装：
我做的第一件事就是组装3D打印的框架，然后再添加机械和电子元件。下图展示了最终成果。.
图 27. 组件装配
图 28. 外壳组件
电气连接：
接下来我完成了所有电气连接，用跳线将所有组件连接起来。下图是连接示意图。
图29. 自主轮式避障机器人示意图
要将电压从 7.4V 降至 5V，请调节 DC-DC 降压转换器上的电位器，直到万用表读数显示 5V。该电位器是降压转换器上蓝色长方体上的螺丝头结构。
外壳组装：
组装的最后阶段是用3D打印的外壳将整个装置罩起来。请参见下图。.
图 30. 装配体正视图及三维渲染
图 图 31. 装配体后视图
编写并上传计算机语言程序
最后阶段是编写、运行并上传计算机语言程序。这里我使用了 Arduino IDE，它以 C++ 或 C# 编程语言为基础。代码通过连接到计算机特定端口的 USB 数据线上传。下图展示了自主轮式机器人的工作状态。.
图32. 计算机程序上传进行中
图33. 机器人已准备好启动
下面是一个典型的Arduino代码示例，您可以将其复制并粘贴到 Arduino IDE程序中：
// 带 I2C LCD 的自主轮式机器人代码 // 更新：添加了倒车模式和待机动画 #include<Servo.h> ＃包括<Wire.h>＃包括<LiquidCrystal_I2C.h>// 电机驱动引脚 const int AIN1 = 7; const int AIN2 = 6; const int BIN1 = 4; const int BIN2 = 5; const int PWMA = 3;
创始人 Tobby3D Studios
Oluwatobi Adeoye 是Tobby3D Studios的创始人兼首席工业设计师，也是3D NOVA的创始人兼机械工程师。他将工程专业知识与创意愿景相结合，提供创新的产品和工业设计解决方案。.
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