正所謂“一夜成名天下知”，在過去的30年間，快速成型技術(shù)在傳統(tǒng)工業(yè)制造方式的擠壓下，只能蜷縮在制造業(yè)的某些角落。然而今天，在開源運(yùn)動(dòng)的助推下，硬件作為軟件的附屬已變得十分廉價(jià)，3D打印技術(shù)也因此迎來了它的高速發(fā)展期。各種桌面型3D打印設(shè)備層出不窮，在網(wǎng)上搜索3D打印機(jī)，會(huì)瀏覽到數(shù)以萬計(jì)的相關(guān)內(nèi)容。從MakerBot、Ultimaker這些優(yōu)秀的桌面型3D打印機(jī)到提供給電子愛好者的各種開源硬件，這些神奇的東西終將改變我們未來的生活。
喜歡嘗鮮的筆者老早就購置了一臺3D打印機(jī)，這款打印機(jī)采用的是相對成熟的FDM技術(shù)，據(jù)說，它是目前市場上最可靠的桌面型3D打印機(jī)。材料使用的是廉價(jià)的環(huán)保可降解絲材PLA。
圖1 筆者使用的MakerBot 3D打印機(jī)
從第一次開始打印，筆者就深深的愛上了這臺3D打印機(jī)。有了它，自己再也不必為了滿屋翻找合適的零部件。一般的外殼與支撐結(jié)構(gòu)、通孔，甚至是關(guān)鍵的連接件，只要是經(jīng)過合理的設(shè)計(jì)，都可以一次打印搞定。把筆者從鋸條、電鉆、手銼的原始DIY生活中解放出來了，幾乎實(shí)現(xiàn)了從設(shè)計(jì)到制造的一體化，省時(shí)又省力。我們姑且不談什么產(chǎn)業(yè)鏈、什么生態(tài)圈，就以上的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，筆者發(fā)自肺腑的告訴你：“3D打印機(jī)，值得擁有”。
筆者在萬圣節(jié)來臨之際，想給好友DIY一個(gè)小禮物。整個(gè)禮物的外殼都是這臺>MakerBot 3D打印機(jī)的杰作，透過本書，我會(huì)將這個(gè)小禮物的制作全過程，向你娓娓道來。
骷髏精靈——3D打印與Arduino完美結(jié)合
說了半天3D打印，其實(shí)它早已是開源領(lǐng)域的一個(gè)熱議話題；而Arduino，則是流行已久的簡單、易用的開發(fā)板。這兩款神器落在熱衷于改變生活的筆者手里，會(huì)創(chuàng)造出怎樣的驚喜呢？下面就和大家一起分享用3D打印機(jī)+Arduino控制器+避障傳感器等部件制作的一款新奇小禮物：放置在盒子上的一個(gè)靈異骷髏頭，我喜歡叫它“骷髏精靈”。在內(nèi)部Arduino的控制下，它的兩個(gè)眼睛會(huì)隨時(shí)盯著面前的你！拿它當(dāng)作萬圣節(jié)禮物送給朋友一定搞怪。.
為了制作這樣一個(gè)詭異的萬圣節(jié)禮物，筆者想起了早先在Thingiverse下載的骷髏模型。打算以它為藍(lán)本，進(jìn)行一番Arduino電控改造。首先，把模型文件放入MakerWare中，配置為低精度打印，等待Gcode生成完畢，存入SD卡，開始打印。
圖2 模型放入MakerWare中
接下來，還要為這個(gè)骷髏頭設(shè)計(jì)兩個(gè)炯炯有神的大眼睛，在SolidWorks里，我們直接為眼球添加一個(gè)安裝孔，直接3D打印出來，省去了后續(xù)的鉆孔操作。當(dāng)然，如果前期，孔的大小不是很確定，也可以先在Solidworks里隨便開一個(gè)小孔，這樣后期用電鉆擴(kuò)孔會(huì)很方便。
圖3 Solidworks繪制骷髏眼球
為了禮品的美觀，我們還需要繪制一個(gè)外殼，即能夠做為承托骷髏頭的底座，也能夠安置我們的Arduino控制板。
圖4 用SolidWorks繪制骷髏頭底座
圖5 3D打印骷髏模型過程
嗯，不錯(cuò)。這些結(jié)構(gòu)零部件就先交給3D打印機(jī)來加工吧。想讓骷髏精靈的眼球盯著面前的人轉(zhuǎn)動(dòng)起來，除了“眼球”相關(guān)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)外，更重要的是電控部分的程序設(shè)計(jì)。接下來給大家說明下它的電路控制部分的組成。
眼睛轉(zhuǎn)起來——控制板與傳感器挑選
為了實(shí)現(xiàn)讓骷髏精靈的眼睛盯著面前物體移動(dòng)，我們需要一些能夠檢測面前障礙物的傳感器，除此之外是一種能夠帶動(dòng)眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)的電機(jī)。最重要的是控制核心板，由它來接收傳感器信號，執(zhí)行特定程序，最終驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)我們想要的功能。別急，筆者這就為大家慢慢介紹自己的硬件搭配方案。
控制器：身為一個(gè)電子制作迷，筆者一定會(huì)選擇Arduino系列控制器，因?yàn)樗唵我子�、方便可靠；不過考慮到如今許多人身邊都閑置有Micro-USB接口的手機(jī)數(shù)據(jù)線，筆者要給大家推薦的是一款配備Micro USB接口的CarDuino UNO控制器。它的功能與Arduino UNO完全一致，但板上的Micro USB接口會(huì)為你省去購買數(shù)據(jù)線的開銷，板子更強(qiáng)，接口標(biāo)注更清晰。
圖6 CarDuino UNO 控制器
CarDuino UNO控制器的基本參數(shù)
控制芯片 ATmega328
運(yùn)行電壓 5V
輸入電壓 7-12V
數(shù)字I/O口 14個(gè)（6路具備PWM功能）
模擬輸入口 6個(gè)
Flash空間 32KB（0.5KB被bootloader使用）
SRAM 2KB
EEPROM 1KB
時(shí)鐘頻率 16MHz
數(shù)據(jù)接口 Micro-USB
驅(qū)動(dòng)電機(jī)：骷髏頭的兩只眼睛需要能夠轉(zhuǎn)動(dòng)，不過這里攜帶的負(fù)載質(zhì)量小，且轉(zhuǎn)向始終是同步的，筆者選用了一個(gè)小巧的9g伺服舵機(jī)，至于具體的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，就留到后面詳細(xì)敘述。
圖7微型伺服舵機(jī)
避障傳感器：檢測面前物體的傳感器，筆者將用到的是一種Mini紅外避障傳感器，它板載兩個(gè)電位器，一個(gè)調(diào)節(jié)感應(yīng)范圍、一個(gè)調(diào)節(jié)靈敏度，能夠適應(yīng)環(huán)境，靈活易用。
圖8 Mini紅外避障傳感器
為了我們的小制作更加美觀，筆者也特別地為Mini紅外避障傳感器設(shè)計(jì)了外殼，一起交給3D打印機(jī)來加工。
圖9 3D打印的紅外避障傳感器外殼
傳感器擴(kuò)展板：由于手頭恰好有一塊傳感器擴(kuò)展板，筆者也就懶得用多余的杜邦線了，直接把傳感器與舵機(jī)的3P接線頭插接在該擴(kuò)展板上對應(yīng)接口上即可。
圖10傳感器擴(kuò)展板
所需要的電路元件已經(jīng)選擇好了，接下來只要把UNO擴(kuò)展板插接在CarDuino UNO上，四個(gè)紅外避障傳感器分別連接在擴(kuò)展板的數(shù)字2、數(shù)字3、數(shù)字4、數(shù)字5接口，舵機(jī)連接在數(shù)字9接口，下面羅列電路控制方面的基本硬件構(gòu)成：
圖11 硬件構(gòu)成框圖
眼睛轉(zhuǎn)起來——機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
接下來著重介紹下眼睛動(dòng)作的機(jī)械結(jié)構(gòu)。本著一切從簡的目的，這次筆者并沒有打算使用3D打印機(jī)來加工復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。而是找來兩個(gè)廢棄的按動(dòng)式圓珠筆，發(fā)揮我們的優(yōu)良傳統(tǒng)：拆！
把其中的兩根圓珠筆芯當(dāng)做骷髏精靈眼睛的轉(zhuǎn)軸，筆芯從骷髏的眼眶下方穿出，圓珠筆芯則方便的與“眼球”穿接。這樣，圓珠筆芯一旋轉(zhuǎn)，就會(huì)帶動(dòng)眼球一起旋轉(zhuǎn)。
圖12 “眼睛”旋轉(zhuǎn)的機(jī)械結(jié)構(gòu)
兩根轉(zhuǎn)軸的同步橫軸也是用的筆芯，連接銷用的是訂書釘。這樣，這根橫軸擺動(dòng)的同時(shí)，就會(huì)間接帶動(dòng)上面的兩個(gè)眼球轉(zhuǎn)動(dòng)。試圖用舵機(jī)的搖臂直接與同步橫軸相連時(shí)，筆者犯了難。因?yàn)槎姹坜D(zhuǎn)動(dòng)受限，轉(zhuǎn)角稍有不慎，舵機(jī)動(dòng)作就會(huì)卡住，容易損害舵機(jī)�？粗烂嫔隙嘤嗟膬蓚�(gè)彈簧，筆者當(dāng)時(shí)靈機(jī)一動(dòng)。把這其中一個(gè)拆出的彈簧拿來，套在同步橫軸上，搖臂連接到彈簧，間接帶動(dòng)同步橫軸。舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)過量時(shí)，不會(huì)卡死，而是壓縮彈簧。
圖13 舵機(jī)帶動(dòng)“眼球”轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)
好了，一個(gè)由舵機(jī)擺動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)兩個(gè)眼球左右轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成，然后安上后蓋。
圖14 初步組裝好的骷髏精靈
骷髏精靈之靈魂——Arduino程序編寫
硬件與機(jī)械結(jié)構(gòu)制作完成了，趕快來寫程序吧，這個(gè)可是筆者的強(qiáng)項(xiàng)。思考下，程序要實(shí)現(xiàn)的功能是：當(dāng)人走進(jìn)骷髏精靈的“視力范圍”時(shí)，它的眼睛就會(huì)盯向你，并且隨著你的移動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)。因?yàn)楣δ芎唵危绦驅(qū)懫饋硪膊浑y，基本邏輯就是，哪個(gè)紅外避障傳感器檢測到障礙物，就讓舵機(jī)旋轉(zhuǎn)到特定角度，好讓骷髏的眼睛盯向那一方向。不過要考慮好細(xì)節(jié)，比如有兩個(gè)人或很多人圍著骷髏精靈，也就是多個(gè)紅外避障傳感器被同時(shí)觸發(fā)時(shí)，它該看誰呢？看美女嗎？我是讓它誰也不看，目視前方，哈哈。話不多話，給大家看下四個(gè)紅外避障傳感器的布置以及程序的控制流程。
圖15 四個(gè)紅外傳感器部署位置與對應(yīng)序號
圖16 程序流程圖
圖17 程序編譯通過，準(zhǔn)備下載
骷髏變精靈——大功告成
到此為止，我們的骷髏精靈就已經(jīng)大功告成了。筆者第一次弄時(shí)，剛開始效果很不理想，眼睛不是盯著不動(dòng)，就是一直在瘋狂的亂抖，很難停下來。原因是紅外傳感器對障礙物過于敏感。這時(shí)需要依照環(huán)境特點(diǎn)做靈敏度校正。如果你覺得感應(yīng)距離不合適，也應(yīng)該適當(dāng)調(diào)整感應(yīng)距離大小。
眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)范圍調(diào)整完畢，線路擺好，就可以合蓋，在裝進(jìn)萬圣節(jié)禮物包之前可以暢快的試玩啦！
圖18 骷髏精靈整體展示
經(jīng)過一上午的努力，一個(gè)死寂的骷髏頭模型終于變成了一個(gè)活靈活現(xiàn)會(huì)動(dòng)的精靈。筆者不禁感慨，每天為了工作而忙碌，生活有時(shí)也會(huì)變得枯燥乏味。當(dāng)意志消沉無聊的時(shí)候，打開桌上的電腦，拿起Arduino寫個(gè)小程序，通過3D打印機(jī)，動(dòng)動(dòng)手，很容易就會(huì)變廢為寶，制作出各種各樣有趣新奇的作品，筆者希望拋磚引玉，帶給大家一些創(chuàng)作靈感，同時(shí)也期望大家都能開源無私分享。
