開始走吧！二足步行機器人入門

序

想要了解二足步行機器人的步行原理，最快的方法就是自己親手製作，嘗試讓二足步行機器人行走看看。不過，二足步行機器人可說是結合材料、結構、動力能源、感應、控制、步行原理等現代科技之大成的產物。對於初學者來說，想要從頭開始製作，可能會出現很多無法跨越的門檻，因此，才會考慮教大家製作連桿機構的機器人，因為許多步行功能都可交由連桿機構解決，所以即使是初學者也能輕易製作出二足步行機器人，可以多挪出一些心力來思考步行的原理。

本書的目的並不是要教大家製作出能夠參加比賽的機器人，而是要讓大家理解二足步行的基礎理論，然後打造出簡單構造的二足步行機器人。因此，將動作優美的切比雪夫連桿和平行連桿組合成機器人的腳，搭配便宜的齒輪箱和馬達製作出二足步行機器人的基本構造。即使是首次製作機器人的入門者，只要能花點心思正確地加工處理，也可以讓一張塑膠板變身成二足步行機器人，感受機器人步行時所帶來的感動。另外，配合二足步行機器人初學者的時間、預算和心情，並且為了能夠方便進行二足步行實驗，因此以循序漸進的方式製作，一步一步地讓二足步行機器人成長茁壯。最後的重頭戲則是微控制器控制，甚至連感測器與馬達驅動器也都會自行動手製作。而這些原理也正是在現代的二足步行機器人中，已經成為標準的伺服機原理。因為腳的動作交由連桿機構處理，所以即使利用簡單的DIY伺服機也可輕鬆進行控制。如果想要知道利用程式讓二足步行機器人行進的原理，請務必挑戰看看。
在各章中所安排的「恍然大悟實驗專欄」，雖然介紹的是簡單的實驗，但都是與二足步行機器人相關的知識。尤其是第2章的重心實驗和第6章的動作步行實驗，還請務必「實驗看看恍然大悟一下」吧！

不過，製作時最重要的還是要避免受傷與發生意外事故，一旦遇到有無法預測的危險時，請務必停止製作，就是要如此小心謹慎才行。即使遇到尺寸不合需要不斷重複相同的作業時，也請沉住氣有耐心地進行製作，避免受傷與事故發生，如此才能充分享受製作機器人的樂趣。
畢竟是自己辛辛苦苦製作出來的機器人，所以一定會感到無比愛憐才對，或許還會替機器人取上名字吧。利用自製的二足步行機器人進行各種實驗，思考步行的原理，慢慢愛上二足步行機器人的世界吧！
最後，撰寫本書時，承蒙Ohmsha公司出版部的各位先進，多方協助與指導，在此深表感激。

2009年4月
作者筆

第1章 滑步前進 —1個馬達—
1.1 人類步行的分析
1.2 腳部機構
1.3 製作腳部基本構造
1.4 滑步前進實驗

第2章 進化至直線前進的二足步行 —1個馬達＋連桿—
2.1 脫離滑步前進
2.2 利用簡單的方法改變重心
2.3 製作新增的連桿
2.4 直線前進的二足步行實驗

第3章 進化至直線前進、後退的二足步行 —2個馬達—
3.1 前進、後退的遙控
3.2 製作新增的曲柄齒輪箱
3.3 直線前進、後退的二足步行實驗

第4章 進化至直線前進、後退、轉彎的二足步行 —2個馬達—
4.1 改變重心得以轉彎
4.2 腳部加工
4.3 轉彎實驗

第5章 進化至利用微控制器自動控制的二足步行
5.1 微控制器的功用
5.2 安裝微控制器
5.3 設計馬達驅動器與轉動感測器
5.4 製作轉動感測器、擴充電路板、馬達驅動器
5.5 程式
5.6 利用微控制器的自動控制來進行步行實驗

第6章 如何更加接近人類的二足步行方式
6.1 僅用連桿機構的極限
6.2 增加能夠自由活動的關節
6.3 利用陀螺儀感測器來控制姿勢
6.4 靜步行與動步行

第１章滑步前進 —馬達1個—

1.3 製作腳部基本構造

1.3.1 掌握加工材料與加工方法
決定好腳部構造後，就可以開始著手製作。首先要決定使用的材料。筆者一開始是選擇使用壓克力，不過，壓克力的硬度不夠，加工時不容易處理，經常在挖孔時造成碎裂而以失敗收場。因此，建議採用ABS這種材料，ABS雖然也屬於塑膠的一種，但是不但加工容易、價格實惠，也有一定的機械強度。摸起來的觸感雖然比壓克力軟，可能會覺得不太放心，但是完全沒有問題。處於平板形狀時雖然很容易彎曲，但只要變成立體造型產生一些強度後，就算當作機器人的腳來使用也十分耐用。最重要的是因為相當方便加工，所以才會決定採用ABS這種材料。另外，有些部分無論如何都需要更高的強度才行，因此使用鋁來製作。請不要因為是金屬就感到驚訝喔。使用的是厚度很薄的鋁金屬，所以在加工上並不會太過困難。
接下來是加工方法。在高職或大學的機械科等地方都具有完善的加工機器與測量儀器，能夠精密且快速地製作本書所介紹的機器人。不過，本書的目的在於，即使身處在設備不完善的環境中，也能夠製作出二足步行機器人，因此，請至電子材料行、DIY量販店等地方購買適當的工具，一步一步地完成書中的機器人吧！

1.3.2 掌握製作重點
腳部的加工步驟如下：
① 「設計」，決定腳的零件形狀與尺寸，繪製設計圖。
② 「打底線」，按照設計圖在材料上的鑽孔位置與裁切處打底線。
③ 「加工（鑽孔、裁切）」，根據底線位置，以中心沖壓出鑽孔的記號之後進行鑽孔。裁切的地方則以勾刀與鋸子裁切。
④ 「零件製作」，將裁切好的材料以黏著劑黏接完畢後，製作出腳部所需的各項零件。
⑤ 「組裝零件」，將各項零件組合之後，完成腳部的製作。

製作的重點在於精確地加工，腳部是由許多零件組合而成，因此，要讓製作完成的腳能夠順暢地動作，就必須精確地製作出每個零件。所以，請根據上述的加工步驟謹慎地製作。
先做出6個材料A和2個材料B，開始製作上述的零件。利用ABS板裁切出材料。ABS板的尺寸為長330×寬245，畫出裁切線。
將同樣大小的材料如上述方式疊放在一起，這樣可以降低材料在尺寸上的誤差。
盡量以細鉛筆或原子筆來畫裁切線，如果用奇異筆畫線，因為線條太粗很容易產生誤差。

尺寸單位全都是mm，之後出現的圖也全都以mm為單位標記。
在ABS板上畫好材料A與B的裁切線之後，接下來直接進行裁切。不在ABS板上將所有零件的裁切線一次全都畫好是有原因的。
那是因為勾刀本身也有厚度，這次我們使用的勾刀厚度為0.6mm，畫好裁切線，並以勾刀裁切的話，ABS板上就會少掉刀片的厚度。
當然也有即使產生這點誤差也無所謂的地方，不過，實線部分如果產生這些誤差，就會對製作出來的零件造成不好的影響。
因此，畫好第一排的材料裁切線後，先進行裁切（需要鑽孔時，先鑽好孔後再裁切）。之後，按照本書的說明步驟，繼續畫出下一排的材料裁切線後直接裁切，依序以相同的方式來加工。
接下來進入裁切作業。仔細將直尺對準ABS板上畫好的裁切線，剛才也有提到過，裁切時別忘了將勾刀的厚度考慮進去。