創(chuàng)意之星：模塊化機(jī)器人設(shè)計(jì)與競(jìng)賽（第2版）

第1篇 基礎(chǔ)篇 第1章 緒 論…………………………………………………………………………………… 3 1.1 機(jī)器人概述……………………………………………………………………………… 3 1.1.1 為什么要學(xué)習(xí)機(jī)器人技術(shù)………………………………………………………… 3 1.1.2 機(jī)器人發(fā)展簡史…………………………………………………………………… 4 1.1.3 揭開機(jī)器人的神秘面紗…………………………………………………………… 5 1.2 “創(chuàng)意之星”機(jī)器人套件簡介…………………………………………………………… 7 1.3 著名機(jī)器人簡介………………………………………………………………………… 9 1.3.1 “勇氣”號(hào)火星探測(cè)器……………………………………………………………… 9 1.3.2 RemotecAndrosF6A 排爆機(jī)器人……………………………………………… 10 1.3.3 iRobotRoomba…………………………………………………………………… 11 1.3.4 本田ASIMO仿人型機(jī)器人……………………………………………………… 12 1.3.5 KUKATitan工業(yè)機(jī)器人……………………………………………………… 13 1.3.6 SONY機(jī)器狗AIBO …………………………………………………………… 14 1.3.7 足球機(jī)器人………………………………………………………………………… 14 1.3.8 Segway兩輪平衡車……………………………………………………………… 16 1.4 典型機(jī)器人競(jìng)賽簡介…………………………………………………………………… 17 1.4.1 國際機(jī)器人賽事…………………………………………………………………… 17 1.4.2 國內(nèi)機(jī)器人賽事…………………………………………………………………… 19 1.4.3 機(jī)器人競(jìng)賽的特點(diǎn)………………………………………………………………… 20 1.5 小 結(jié)…………………………………………………………………………………… 21 第2章 機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí)概述………………………………………………………………… 22 2.1 機(jī)器人的骨骼———機(jī)械結(jié)構(gòu)…………………………………………………………… 22 2.1.1 設(shè)計(jì)和制作機(jī)器人的一般過程…………………………………………………… 22 2.1.2 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)………………………………………………………………… 24 2.1.3 機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)………………………………………………………………… 24 2.2 機(jī)器人的肌肉———執(zhí)行器……………………………………………………………… 28 2.2.1 直流電機(jī)概述……………………………………………………………………… 29 2.2.2 直流有刷電機(jī)……………………………………………………………………… 29 2.2.3 直流無刷電機(jī)……………………………………………………………………… 31 2.2.5 步進(jìn)電機(jī)…………………………………………………………………………… 32
2.2.6 空心杯直流電機(jī)…………………………………………………………………… 35 2.2.7 舵 機(jī)……………………………………………………………………………… 36 2.2.8 常見減速器………………………………………………………………………… 37 2.3 機(jī)器人的心臟———電源………………………………………………………………… 38 2.3.1 機(jī)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(dòng)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(jī)器人的五官———機(jī)器人傳感器……………………………………………………… 44 2.4.1 測(cè)距聲納…………………………………………………………………………… 45 2.4.2 紅外測(cè)距傳感器…………………………………………………………………… 45 2.4.3 激光掃描測(cè)距傳感器……………………………………………………………… 47 2.4.4 旋轉(zhuǎn)編碼器………………………………………………………………………… 48 2.4.5 旋轉(zhuǎn)電位計(jì)………………………………………………………………………… 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(cè)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(jī)……………………………………………………………………… 57 2.4.14 視覺傳感器……………………………………………………………………… 58 2.4.15 氣體傳感器……………………………………………………………………… 58 2.5 機(jī)器人的大腦———控制器……………………………………………………………… 58 2.5.1 基于單片機(jī)(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(jī)器人的C語言編程基礎(chǔ)…………………………………………………………… 60 2.6.1 機(jī)器人軟件知識(shí)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(jī)器人設(shè)計(jì)與競(jìng)賽(第2版) 第2篇 實(shí)踐篇
第3章 數(shù)字信號(hào)的輸出和輸入……………………………………………………………… 71 3.1 絢麗的霓虹燈…………………………………………………………………………… 71 3.2 數(shù)字信號(hào)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(hào)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(shí)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(hào)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(jī)和舵機(jī)的控制…………………………………………………………………… 97 4.1 有趣的搬運(yùn)車…………………………………………………………………………… 97 4.2 舵機(jī)控制原理…………………………………………………………………………… 98 4.3 搬運(yùn)車的搭建…………………………………………………………………………… 98 4.3.1 底板、舵機(jī)結(jié)構(gòu)件和連接件……………………………………………………… 98 4.3.2 CDS55xx機(jī)器人舵機(jī)…………………………………………………………… 98 4.3.3 輪 子…………………………………………………………………………… 104 4.3.4 設(shè)置舵機(jī)ID …………………………………………………………………… 107 4.3.5 機(jī)械手…………………………………………………………………………… 112 4.4 讓搬運(yùn)車動(dòng)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(jī)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(hào)的輸入……………………………………………………………………… 130 5.1 聰明的機(jī)器人………………………………………………………………………… 130 5.2 模擬信號(hào)簡介………………………………………………………………………… 131 5.3 搭建聰明的機(jī)器人…………………………………………………………………… 131 5.3.1 紅外測(cè)距傳感器………………………………………………………………… 131 5.3.2 其他模擬量傳感器……………………………………………………………… 132 5.4 讓機(jī)器人動(dòng)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(gè)模塊:開關(guān)………………………………………………………………… 138 5.4.5 第2個(gè)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(gè)模塊:夾持物體…………………………………………………………… 145 5.4.8 第4個(gè)模塊:返回出發(fā)地………………………………………………………… 146 5.4.9 第5個(gè)模塊:放下物體…………………………………………………………… 148 5.4.10 第6個(gè)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(yùn)行…………………………………………………………………… 150 5.5 使用幫助……………………………………………………………………………… 150 5.6 小 結(jié)………………………………………………………………………………… 151 第6章 語音識(shí)別……………………………………………………………………………… 152 6.1 語音問答機(jī)器人……………………………………………………………………… 152 6.2 語音識(shí)別簡介………………………………………………………………………… 153 6.3 搭建語音問答機(jī)器人………………………………………………………………… 154 6.3.1 高級(jí)版控制器…………………………………………………………………… 154 6.3.2 四輪全向機(jī)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(jī)器人和人互動(dòng)起來……………………………………………………………… 159 6.4.1 設(shè)計(jì)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(hào)的輸入……………………………………………………………………… 167 7.1 全向運(yùn)動(dòng)足球機(jī)器人………………………………………………………………… 167 7.2 圖像處理簡介………………………………………………………………………… 168 7.3 搭建全向足球機(jī)器人………………………………………………………………… 169 7.3.1 全向輪…………………………………………………………………………… 169 7.3.2 攝像頭…………………………………………………………………………… 171 7.3.3 速度的標(biāo)定和合成……………………………………………………………… 171 7.3.4 顏色識(shí)別………………………………………………………………………… 173 7.4 讓機(jī)器人跑起來……………………………………………………………………… 177 7.4.1 編寫程序………………………………………………………………………… 177 7.4.2 跟球邏輯的實(shí)現(xiàn)………………………………………………………………… 179 7.5 小 結(jié)………………………………………………………………………………… 181 第8章 綜合實(shí)踐———四足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃……………………………………………… 182 8.1 會(huì)追光的四足步行機(jī)器人…………………………………………………………… 182 8.2 任務(wù)分析與規(guī)劃……………………………………………………………………… 183 8.3 搭建機(jī)器人…………………………………………………………………………… 186 8.4 讓四足機(jī)器人走起來………………………………………………………………… 187 8.4.1 四足機(jī)器人步態(tài)分析…………………………………………………………… 187 8.4.2 編寫步態(tài)………………………………………………………………………… 191 8.4.3 讓舵機(jī)跟蹤光源………………………………………………………………… 195 8.4.4 讓四足機(jī)器人跟蹤光源………………………………………………………… 203 8.5 小 結(jié)………………………………………………………………………………… 203 第9章 綜合實(shí)踐———兩輪機(jī)器人的平衡控制……………………………………………… 204 9.1 兩輪平衡機(jī)器人……………………………………………………………………… 204 9.2 任務(wù)分析與規(guī)劃……………………………………………………………………… 204 9.3 搭建兩輪平衡機(jī)器人………………………………………………………………… 206 9.4 讓機(jī)器人平衡地站起來……………………………………………………………… 208 9.4.1 修改舵機(jī)的參數(shù)………………………………………………………………… 208 9.4.2 紅外測(cè)距傳感器的標(biāo)定………………………………………………………… 210 9.4.3 數(shù)字式PID算法的實(shí)現(xiàn)………………………………………………………… 211 9.5 小 結(jié)………………………………………………………………………………… 219 第3篇 競(jìng)賽篇
第10章 機(jī)器人武術(shù)擂臺(tái)賽———無差別組………………………………………………… 223 第11章 擂臺(tái)賽機(jī)器人(仿人組)…………………………………………………………… 241
第12章 機(jī)器人武術(shù)擂臺(tái)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(jī)器人武術(shù)擂臺(tái)賽項(xiàng)目競(jìng)賽規(guī)則………………………………………… 279