浅谈物理知识在电脑机器人创作中的应用

钟林忠

物理学科是一门以实验为基础的自然科学。在近几年日益兴起的电脑机器人创作中，合理地运用物理知识，可以少走弯路，使创作合理，机器人运行和谐，做出有很大稳定性的机器人。

电脑机器人创作是一门综合多门学科知识的科技创作活动。创作电脑机器人主要要运用电子电路技术，计算机编程、自动化控制技术、机械设计、传感器应用等各方面的知识。其中电子电路技术和传感器应用就是物理学方面的知识。

电脑机器人一般可分为主控部分、主电脑驱动系统(各类马达、轮子、伺服电机、微控制器等)、机械模块(即各种支持和安装传感器、电脑、马达、轮子、机械手臂和开关等子结构的部件)、感知系统(由各类传感器、探头、摄像头、触发器等组成的感受外界变化的系统)和电源部分(电池和分压器、放大电路、延时继电器、灵敏开关、微动开关和过载保护电阻等组成的供电系统)。以上几个方面和谐稳定地运行，机器人才能实现目的功能，完成任务。

电脑机器人选定项目后，要针对所需达到的功能，分析所必需的硬件和构建思路及编程思路。整个构思活动中，最基础的工作是电源选择和电压、电流分配。很多创作者往往用同一个电源给整个电脑机器人中的硬件供电，这显然是有问题的。

首先主电脑的电压和传感器、马达、探头、开关、导线的额定电压和额定电流各不相同，采用同一电压模式供电，必然导致有的传感器反馈信号过大而失实，也容易导致电源电能消耗过快，引起电压下降，出现程序运行不稳，难以完成任务。所以要合理分析，采用适当方法。

在创作电脑机器人时，有时创作规则规定了所允许使用的电源器材，比如限压9V(6节标准5号电池)。这时，为了使机器人的电能发挥最大效能，可以对整个机器人采用分区供电，其中主电脑可以随时开通，并保证主电脑的电压不超过额定值，而对整体中的传感器采用分时供电。如前进时，才对前端的传感器和距离传感器等供电；转弯时，才对指南针传感器供电；后退时，才对后端的红外反射型传感器供电；在抓取和搜索物体时，才对对射型(或反射型)传感器供电。这样既能避免信号交叉干扰，叉能节约电能。在没有必要使用传感器，来探索周围情况时，比如走一段直线，或转一个120°的固定弯，只需要对马达和主电脑供电。

分区供电最容易解决的问题就是电压分配，大多数传感器、电阻较小，在0.1Ω－0.2Ω之间，额定电压有的仅是0.5V，有的是1.2V，少数如指南针传感器压3.5V，所以分区供电最能解决电压保持在各个电器的理想值。并对各个传感器有用低压直流电磁式触发开关控制通电时间，在没必要通电时，一律处于断电待通状态，主电脑认为有必要通时电，则向对应的电磁触发开关的其中两极输入电信号。则另外两个电极接通传感器的电路，调节触发器的旋钮，可以确定通电时间，精确到0.01S。

在选择传感器通电时间时，必须精确计算该传感器持续工作的时间。如抓取物品所使用的对射型红外传感器，仅需0.25S即能确定物体位置。则只需在该机器人到达物品时，开通该传感器0.5S即可，过0.5S即行关闭。如确定轨迹线的位置的底部辉度传感器，只需在到达轨迹线时开通0.8S即可。对转弯或绕过障碍物时，要启用的红外反射型传感器，只需开通0.2S即可，对于指南针传感器，只需转对启用0.6S即可判定角度。当然不同的设计思路时具体的传感器要求不一。很多时间仍需以实验为基础。对这些控制时间，分别可调节电磁开关来保证，对于开通时刻则必须编入程序，输入主电脑，由主电脑根据反馈信号控制传感器。

在传感器和马达等电器和电源连接的导线选择上。也要考虑到耗能问题。不少创作者误以为用细的导线耗电少，其实大谬。物理学有公式：Q=I²RT，Q指导线产热量，R指导线电阻，而R=L·p·s^-1，p指导线电阻率(由材料确定，L指导线长度，s指横截面积)。可见，导线是选择电阻率小，横截面积大为好，这样电阻就比较小。而有的接口小，似乎非要选择细的导线不可，这不必担心，可以采用焊接的方法，并且尽量使导线走短的路径，减少导线长度，减少电能消耗。当然必须分清正负极性，正确通电，切不可接错。一旦接错极性，就会引起功能块烧坏等损失。

结构上要减少阻力。为了追求速度，很多人选择大一点直径的轮子，其实并不尽然。轮子大了，质量也大一点。选用小轮子也有优势，小轮子有启动快、拉力大的优点。在物理学有公式P=FV，P为马达功率，F指牵引力，v指马达转动线速度；和F＝ma，F=F-Fm。可见同样的功率下，马达线速度小了，那么它的牵引力就大了，也就会在启动时获得比较大的加速度。可见小轮子有启动快并很快就能达到额定速度，便于计算时间和编写程序，并且容易转弯。有助于提高机器人稳定性，并且整体的高度会低一点。在搭建机器人时，为使机器人自身稳定性好，尽量把质量集中到比较小的范围，选择可以增加稳度、大质量的部件，尽可能置于中间，并且位置低一点。尽量考虑整体结构低重心。并且尽量使马达和主存储器保持相对大点的距离，因为马达中线圈在电流经过时，会产生很强的磁场。会影响在电脑运行的稳定性，严重时甚至掉程序。

在实在没有办法，必须使马达靠近主电脑时，可考虑用薄铁皮做一个保护罩，达到磁性隔离的效果，因为薄铁皮可使外部磁场对内部影响减少，甚至为零。

在实际工作中，考虑到以上所述的物理知识，能极大地提高机器人的稳定性。在应用中体会这些物理知识。也有助于培养学生学习物理知识，掌握物理知识和培养科学素养。