創(chuàng)意之星：模塊化機器人設(shè)計與競賽（第2版）

第1篇 基礎(chǔ)篇 第1章 緒 論…………………………………………………………………………………… 3 1.1 機器人概述……………………………………………………………………………… 3 1.1.1 為什么要學習機器人技術(shù)………………………………………………………… 3 1.1.2 機器人發(fā)展簡史…………………………………………………………………… 4 1.1.3 揭開機器人的神秘面紗…………………………………………………………… 5 1.2 “創(chuàng)意之星”機器人套件簡介…………………………………………………………… 7 1.3 著名機器人簡介………………………………………………………………………… 9 1.3.1 “勇氣”號火星探測器……………………………………………………………… 9 1.3.2 RemotecAndrosF6A 排爆機器人……………………………………………… 10 1.3.3 iRobotRoomba…………………………………………………………………… 11 1.3.4 本田ASIMO仿人型機器人……………………………………………………… 12 1.3.5 KUKATitan工業(yè)機器人……………………………………………………… 13 1.3.6 SONY機器狗AIBO …………………………………………………………… 14 1.3.7 足球機器人………………………………………………………………………… 14 1.3.8 Segway兩輪平衡車……………………………………………………………… 16 1.4 典型機器人競賽簡介…………………………………………………………………… 17 1.4.1 國際機器人賽事…………………………………………………………………… 17 1.4.2 國內(nèi)機器人賽事…………………………………………………………………… 19 1.4.3 機器人競賽的特點………………………………………………………………… 20 1.5 小 結(jié)…………………………………………………………………………………… 21 第2章 機器人基礎(chǔ)知識概述………………………………………………………………… 22 2.1 機器人的骨骼———機械結(jié)構(gòu)…………………………………………………………… 22 2.1.1 設(shè)計和制作機器人的一般過程…………………………………………………… 22 2.1.2 機器人的機械結(jié)構(gòu)………………………………………………………………… 24 2.1.3 機器人的執(zhí)行機構(gòu)………………………………………………………………… 24 2.2 機器人的肌肉———執(zhí)行器……………………………………………………………… 28 2.2.1 直流電機概述……………………………………………………………………… 29 2.2.2 直流有刷電機……………………………………………………………………… 29 2.2.3 直流無刷電機……………………………………………………………………… 31 2.2.5 步進電機…………………………………………………………………………… 32
2.2.6 空心杯直流電機…………………………………………………………………… 35 2.2.7 舵 機……………………………………………………………………………… 36 2.2.8 常見減速器………………………………………………………………………… 37 2.3 機器人的心臟———電源………………………………………………………………… 38 2.3.1 機器人常用電池概述……………………………………………………………… 38 2.3.2 干電池……………………………………………………………………………… 39 2.3.3 鉛酸蓄電池………………………………………………………………………… 39 2.3.4 鎳鎘/鎳氫電池…………………………………………………………………… 40 2.3.5 鋰離子/鋰聚合物動力電池……………………………………………………… 41 2.3.6 線性穩(wěn)壓電源……………………………………………………………………… 42 2.3.7 開關(guān)電源概述……………………………………………………………………… 43 2.3.8 交流—直流開關(guān)電源……………………………………………………………… 43 2.3.9 直流—直流開關(guān)電源……………………………………………………………… 44 2.4 機器人的五官———機器人傳感器……………………………………………………… 44 2.4.1 測距聲納…………………………………………………………………………… 45 2.4.2 紅外測距傳感器…………………………………………………………………… 45 2.4.3 激光掃描測距傳感器……………………………………………………………… 47 2.4.4 旋轉(zhuǎn)編碼器………………………………………………………………………… 48 2.4.5 旋轉(zhuǎn)電位計………………………………………………………………………… 51 2.4.6 光電開關(guān)傳感器…………………………………………………………………… 52 2.4.7 電感式、電容式、霍爾效應(yīng)接近開關(guān)……………………………………………… 53 2.4.8 磁性開關(guān)…………………………………………………………………………… 54 2.4.9 電子磁羅盤………………………………………………………………………… 55 2.4.10 姿態(tài)/航向測量單元……………………………………………………………… 55 2.4.11 溫度傳感器……………………………………………………………………… 55 2.4.12 聲音傳感器……………………………………………………………………… 56 2.4.13 GPS接收機……………………………………………………………………… 57 2.4.14 視覺傳感器……………………………………………………………………… 58 2.4.15 氣體傳感器……………………………………………………………………… 58 2.5 機器人的大腦———控制器……………………………………………………………… 58 2.5.1 基于單片機(MCU)的控制器…………………………………………………… 58 2.5.2 基于嵌入式系統(tǒng)的控制器………………………………………………………… 59 2.5.3 基于PC架構(gòu)的控制器…………………………………………………………… 60 2.6 機器人的C語言編程基礎(chǔ)…………………………………………………………… 60 2.6.1 機器人軟件知識概述……………………………………………………………… 60 2.6.2 C語言簡介………………………………………………………………………… 61 2.6.3 C程序結(jié)構(gòu)概述…………………………………………………………………… 65 2.7 小 結(jié)…………………………………………………………………………………… 68 創(chuàng)意之星:模塊化機器人設(shè)計與競賽(第2版) 第2篇 實踐篇
第3章 數(shù)字信號的輸出和輸入……………………………………………………………… 71 3.1 絢麗的霓虹燈…………………………………………………………………………… 71 3.2 數(shù)字信號簡介…………………………………………………………………………… 72 3.3 霓虹燈硬件搭建………………………………………………………………………… 73 3.3.1 MultiFLEXTM2 AVR控制器…………………………………………………… 73 3.3.2 數(shù)字信號輸出設(shè)備———LED燈………………………………………………… 76 3.3.3 L型結(jié)構(gòu)件………………………………………………………………………… 76 3.3.4 多功能調(diào)試器…………………………………………………………………… 76 3.3.5 電池和電源………………………………………………………………………… 77 3.4 讓霓虹燈閃爍起來……………………………………………………………………… 78 3.4.1 NorthSTAR圖形化開發(fā)環(huán)境…………………………………………………… 78 3.4.2 IO方向設(shè)置……………………………………………………………………… 81 3.4.3 數(shù)字輸出模塊———Digitaloutput ……………………………………………… 83 3.4.4 延時模塊———Delay ……………………………………………………………… 85 3.4.5 連 線……………………………………………………………………………… 86 3.4.6 while循環(huán)………………………………………………………………………… 87 3.4.7 編譯和下載………………………………………………………………………… 88 3.5 給霓虹燈增加開關(guān)……………………………………………………………………… 90 3.5.1 數(shù)字信號輸入設(shè)備———碰撞傳感器……………………………………………… 90 3.5.2 修改工程設(shè)置……………………………………………………………………… 90 3.5.3 數(shù)字輸入模塊———Digitalinput ………………………………………………… 91 3.5.4 變量模塊———Variable…………………………………………………………… 91 3.5.5 其他數(shù)字量傳感器………………………………………………………………… 94 3.6 小 結(jié)…………………………………………………………………………………… 96 第4章 電機和舵機的控制…………………………………………………………………… 97 4.1 有趣的搬運車…………………………………………………………………………… 97 4.2 舵機控制原理…………………………………………………………………………… 98 4.3 搬運車的搭建…………………………………………………………………………… 98 4.3.1 底板、舵機結(jié)構(gòu)件和連接件……………………………………………………… 98 4.3.2 CDS55xx機器人舵機…………………………………………………………… 98 4.3.3 輪 子…………………………………………………………………………… 104 4.3.4 設(shè)置舵機ID …………………………………………………………………… 107 4.3.5 機械手…………………………………………………………………………… 112 4.4 讓搬運車動起來……………………………………………………………………… 115 4.4.1 工程設(shè)置修改…………………………………………………………………… 115 4.4.2 IF模塊和Break模塊…………………………………………………………… 117
4.4.3 舵機模塊———Servo(N)………………………………………………………… 118 4.4.4 再談Delay模塊………………………………………………………………… 124 4.4.5 編輯代碼………………………………………………………………………… 126 4.4.6 程序調(diào)試………………………………………………………………………… 128 4.5 小 結(jié)………………………………………………………………………………… 129 第5章 模擬信號的輸入……………………………………………………………………… 130 5.1 聰明的機器人………………………………………………………………………… 130 5.2 模擬信號簡介………………………………………………………………………… 131 5.3 搭建聰明的機器人…………………………………………………………………… 131 5.3.1 紅外測距傳感器………………………………………………………………… 131 5.3.2 其他模擬量傳感器……………………………………………………………… 132 5.4 讓機器人動起來……………………………………………………………………… 133 5.4.1 AD設(shè)置………………………………………………………………………… 133 5.4.2 模擬輸入模塊…………………………………………………………………… 135 5.4.3 自定義函數(shù)和自定義代碼……………………………………………………… 135 5.4.4 第1個模塊:開關(guān)………………………………………………………………… 138 5.4.5 第2個模塊:右側(cè)沿墻去目的地………………………………………………… 140 5.4.6 查詢傳感器……………………………………………………………………… 143 5.4.7 第3個模塊:夾持物體…………………………………………………………… 145 5.4.8 第4個模塊:返回出發(fā)地………………………………………………………… 146 5.4.9 第5個模塊:放下物體…………………………………………………………… 148 5.4.10 第6個模塊:閃爍LED燈……………………………………………………… 148 5.4.11 流程圖調(diào)試……………………………………………………………………… 150 5.4.12 終止程序運行…………………………………………………………………… 150 5.5 使用幫助……………………………………………………………………………… 150 5.6 小 結(jié)………………………………………………………………………………… 151 第6章 語音識別……………………………………………………………………………… 152 6.1 語音問答機器人……………………………………………………………………… 152 6.2 語音識別簡介………………………………………………………………………… 153 6.3 搭建語音問答機器人………………………………………………………………… 154 6.3.1 高級版控制器…………………………………………………………………… 154 6.3.2 四輪全向機器人………………………………………………………………… 158 6.3.3 視 覺…………………………………………………………………………… 159 6.3.4 語音輸入和輸出設(shè)備…………………………………………………………… 159 6.4 讓機器人和人互動起來……………………………………………………………… 159 6.4.1 設(shè)計劇本………………………………………………………………………… 159 6.4.2 劇本錄音………………………………………………………………………… 160
6.4.3 編寫程序………………………………………………………………………… 163 6.5 小 結(jié)………………………………………………………………………………… 166 第7章 視頻信號的輸入……………………………………………………………………… 167 7.1 全向運動足球機器人………………………………………………………………… 167 7.2 圖像處理簡介………………………………………………………………………… 168 7.3 搭建全向足球機器人………………………………………………………………… 169 7.3.1 全向輪…………………………………………………………………………… 169 7.3.2 攝像頭…………………………………………………………………………… 171 7.3.3 速度的標定和合成……………………………………………………………… 171 7.3.4 顏色識別………………………………………………………………………… 173 7.4 讓機器人跑起來……………………………………………………………………… 177 7.4.1 編寫程序………………………………………………………………………… 177 7.4.2 跟球邏輯的實現(xiàn)………………………………………………………………… 179 7.5 小 結(jié)………………………………………………………………………………… 181 第8章 綜合實踐———四足機器人步態(tài)規(guī)劃……………………………………………… 182 8.1 會追光的四足步行機器人…………………………………………………………… 182 8.2 任務(wù)分析與規(guī)劃……………………………………………………………………… 183 8.3 搭建機器人…………………………………………………………………………… 186 8.4 讓四足機器人走起來………………………………………………………………… 187 8.4.1 四足機器人步態(tài)分析…………………………………………………………… 187 8.4.2 編寫步態(tài)………………………………………………………………………… 191 8.4.3 讓舵機跟蹤光源………………………………………………………………… 195 8.4.4 讓四足機器人跟蹤光源………………………………………………………… 203 8.5 小 結(jié)………………………………………………………………………………… 203 第9章 綜合實踐———兩輪機器人的平衡控制……………………………………………… 204 9.1 兩輪平衡機器人……………………………………………………………………… 204 9.2 任務(wù)分析與規(guī)劃……………………………………………………………………… 204 9.3 搭建兩輪平衡機器人………………………………………………………………… 206 9.4 讓機器人平衡地站起來……………………………………………………………… 208 9.4.1 修改舵機的參數(shù)………………………………………………………………… 208 9.4.2 紅外測距傳感器的標定………………………………………………………… 210 9.4.3 數(shù)字式PID算法的實現(xiàn)………………………………………………………… 211 9.5 小 結(jié)………………………………………………………………………………… 219 第3篇 競賽篇
第10章 機器人武術(shù)擂臺賽———無差別組………………………………………………… 223 第11章 擂臺賽機器人(仿人組)…………………………………………………………… 241
第12章 機器人武術(shù)擂臺賽———技術(shù)挑戰(zhàn)賽……………………………………………… 253
附錄A 拓展閱讀及技術(shù)資料………………………………………………………………… 264
附錄B 控制器相關(guān)…………………………………………………………………………… 265
附錄C 2015年機器人武術(shù)擂臺賽項目競賽規(guī)則………………………………………… 279