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第1篇 基础篇3

第1章 绪论3

1.1 机器人概述3

1.1.1 为什么要学习机器人技术3

1.1.2 机器人发展简史4

1.1.3 揭开机器人的神秘面纱5

1.2 “创意之星”机器人套件简介7

1.3 著名机器人简介9

1.3.1 “勇气”号火星探测器9

1.3.2 Remotec Andros F6A排爆机器人10

1.3.3 iRobot Roomba11

1.3.4 本田ASIMO仿人型机器人12

1.3.5 KUKA Titan工业机器人13

1.3.6 SONY机器狗AIBO14

1.3.7 足球机器人14

1.3.8 Segway两轮平衡车16

1.4 典型机器人竞赛简介17

1.4.1 国际机器人赛事17

1.4.2 国内机器人赛事19

1.4.3 机器人竞赛的特点20

1.5 小结21

第2章 机器人基础知识概述22

2.1 机器人的骨骼——机械结构22

2.1.1 设计和制作机器人的一般过程22

2.1.2 机器人的机械结构24

2.1.3 机器人的执行机构24

2.2 机器人的肌肉——执行器28

2.2.1 直流电机概述29

2.2.2 直流有刷电机29

2.2.3 直流无刷电机31

2.2.4 直线电机31

2.2.5 步进电机32

2.2.6 空心杯直流电机35

2.2.7 舵机36

2.2.8 常见减速器37

2.3 机器人的心脏——电源38

2.3.1 机器人常用电池概述38

2.3.2 干电池39

2.3.3 铅酸蓄电池39

2.3.4 镍镉／镍氢电池40

2.3.5 锂离子／锂聚合物动力电池41

2.3.6 线性稳压电源42

2.3.7 开关电源概述43

2.3.8 交流—直流开关电源43

2.3.9 直流—直流开关电源44

2.4 机器人的五官——机器人传感器44

2.4.1 测距声纳45

2.4.2 红外测距传感器45

2.4.3 激光扫描测距传感器47

2.4.4 旋转编码器48

2.4.5 旋转电位计51

2.4.6 光电开关传感器52

2.4.7 电感式、电容式、霍尔效应接近开关53

2.4.8 磁性开关54

2.4.9 电子磁罗盘55

2.4.10 姿态／航向测量单元55

2.4.11 温度传感器55

2.4.12 声音传感器56

2.4.13 GPS接收机57

2.4.14 视觉传感器58

2.4.15 气体传感器58

2.5 机器人的大脑——控制器58

2.5.1 基于单片机（MCU）的控制器58

2.5.2 基于嵌入式系统的控制器59

2.5.3 基于PC架构的控制器60

2.6 机器人的C语言编程基础60

2.6.1 机器人软件知识概述60

2.6.2 C语言简介61

2.6.3 C程序结构概述65

2.7 小结68

第2篇 实践篇71

第3章 数字信号的输出和输入71

3.1 绚丽的霓虹灯71

3.2 数字信号简介72

3.3 霓虹灯硬件搭建73

3.3.1 MultiFLEXTM2-AVR控制器73

3.3.2 数字信号输出设备——LED灯76

3.3.3 L型结构件76

3.3.4 多功能调试器76

3.3.5 电池和电源77

3.4 让霓虹灯闪烁起来78

3.4.1 NorthSTAR图形化开发环境78

3.4.2 IO方向设置81

3.4.3 数字输出模块——Digital output83

3.4.4 延时模块——Delay85

3.4.5 连线86

3.4.6 while循环87

3.4.7 编译和下载88

3.5 给霓虹灯增加开关90

3.5.1 数字信号输入设备——碰撞传感器90

3.5.2 修改工程设置90

3.5.3 数字输入模块——Digital input91

3.5.4 变量模块——Variable91

3.5.5 其他数字量传感器94

3.6 小结96

第4章 电机和舵机的控制97

4.1 有趣的搬运车97

4.2 舵机控制原理98

4.3 搬运车的搭建98

4.3.1 底板、舵机结构件和连接件98

4.3.2 CDS55xx机器人舵机98

4.3.3 轮子104

4.3.4 设置舵机ID107

4.3.5 机械手112

4.4 让搬运车动起来115

4.4.1 工程设置修改115

4.4.2 IF模块和Break模块117

4.4.3 舵机模块——Servo（N）118

4.4.4 再谈Delay模块124

4.4.5 编辑代码126

4.4.6 程序调试128

4.5 小结129

第5章 模拟信号的输入130

5.1 聪明的机器人130

5.2 模拟信号简介131

5.3 搭建聪明的机器人131

5.3.1 红外测距传感器131

5.3.2 其他模拟量传感器132

5.4 让机器人动起来133

5.4.1 AD设置133

5.4.2 模拟输入模块135

5.4.3 自定义函数和自定义代码135

5.4.4 第1个模块：开关138

5.4.5 第2个模块：右侧沿墙去目的地140

5.4.6 查询传感器143

5.4.7 第3个模块：夹持物体145

5.4.8 第4个模块：返回出发地146

5.4.9 第5个模块：放下物体148

5.4.10 第6个模块：闪烁LED灯148

5.4.11 流程图调试150

5.4.12 终止程序运行150

5.5 使用帮助150

5.6 小结151

第6章 语音识别152

6.1 语音问答机器人152

6.2 语音识别简介153

6.3 搭建语音问答机器人154

6.3.1 高级版控制器154

6.3.2 四轮全向机器人158

6.3.3 视觉159

6.3.4 语音输入和输出设备159

6.4 让机器人和人互动起来159

6.4.1 设计剧本159

6.4.2 剧本录音160

6.4.3 编写程序163

6.5 小结166

第7章 视频信号的输入167

7.1 全向运动足球机器人167

7.2 图像处理简介168

7.3 搭建全向足球机器人169

7.3.1 全向轮169

7.3.2 摄像头171

7.3.3 速度的标定和合成171

7.3.4 颜色识别173

7.4 让机器人跑起来177

7.4.1 编写程序177

7.4.2 跟球逻辑的实现179

7.5 小结181

第8章 综合实践——四足机器人步态规划182

8.1 会追光的四足步行机器人182

8.2 任务分析与规划183

8.3 搭建机器人186

8.4 让四足机器人走起来187

8.4.1 四足机器人步态分析187

8.4.2 编写步态191

8.4.3 让舵机跟踪光源195

8.4.4 让四足机器人跟踪光源203

8.5 小结203

第9章 综合实践——两轮机器人的平衡控制204

9.1 两轮平衡机器人204

9.2 任务分析与规划204

9.3 搭建两轮平衡机器人206

9.4 让机器人平衡地站起来208

9.4.1 修改舵机的参数208

9.4.2 红外测距传感器的标定210

9.4.3 数字式PID算法的实现211

9.5 小结219

第3篇 竞赛篇223

第10章 机器人武术擂台赛——无差别组223

10.1 熟悉比赛规则和比赛场地223

10.1.1 比赛规则223

10.1.2 熟悉比赛场地223

10.2 规则分析和任务规划224

10.2.1 规则分析224

10.2.2 解决方案224

10.2.3 任务规划227

10.3 结构设计和传感器布置227

10.3.1 结构设计227

10.3.2 传感器布置228

10.4 传感器的标定和分布练习229

10.4.1 标定灰度传感器229

10.4.2 标定红外传感器231

10.4.3 启动方式和爬坡练习231

10.4.4 漫游练习232

10.4.5 推重物、棋子练习232

10.4.6 实战对抗练习233

10.5 改进竞赛能力234

10.5.1 改进机器人结构234

10.5.2 改进控制程序236

10.5.3 动力改进237

10.5.4 改进其他能力239

10.6 比赛注意事项240

10.7 小结240

第11章 擂台赛机器人（仿人组）241

11.1 熟悉比赛规则241

11.2 规则分析和任务规划241

11.2.1 规则分析241

11.2.2 任务规划242

11.3 搭建机器人242

11.3.1 机器人底盘设计242

11.3.2 机器人身体部分设计244

11.4 编程实现比赛能力245

11.4.1 爬坡练习245

11.4.2 举圆柱练习245

11.4.3 边缘检测和推棋子练习246

11.4.4 实战对抗练习246

11.5 改进竞赛能力251

11.5.1 改进机器人结构和动力251

11.5.2 改进控制程序251

11.6 小结252

第12章 机器人武术擂台赛——技术挑战赛253

12.1 熟悉比赛规则和场地253

12.1.1 熟悉规则253

12.1.2 熟悉比赛场地和器材254

12.2 规则分析和任务规划255

12.2.1 规则分析255

12.2.2 策略分析和规划255

12.3 机器人搭建和传感器布局设计256

12.4 让机器人完成任务257

12.4.1 实现爬坡258

12.4.2 寻找麦克风并自我介绍258

12.4.3 寻找绣球并完成抛绣球任务260

12.4.4 寻找铜锣并敲响261

12.4.5 回到场地中央致谢结束262

12.4.6 从斜坡走下擂台263

12.5 完善改进263

12.5.1 增加民族服装263

12.5.2 增加可靠性263

12.6 小结263

附录A 拓展阅读及技术资料264

A.1 有用的拓展阅读资料介绍264

A.2 如何获取相关技术资料264

附录B 控制器相关265

B.1 控制器接口265

B.2 控制器构成266

B.3 控制器开放接口函数一览269

B.3.1 MultiFLEXTM2-AVR269

B.3.2 MultiFLEXTM2-RAS700271

B.4 常见问题解答276

附录C 2015年机器人武术擂台赛项目竞赛规则279

C.1 总则279

C.1.1 竞赛目的279

C.1.2 竞赛内容概述279

C.1.3 竞赛组别279

C.1.4 组织机构280

C.2 场地和机器人280

C.2.1 比赛场地及道具280

C.2.2 机器人技术要求与辅助器材282

C.3 竞赛284

C.3.1 资格认证、裁判和赛程284

C.3.2 竞赛方式285

C.3.3 计分和胜负判定289

C.3.4 违例和处罚290

C.3.5 申诉与仲裁291

C.4 安全291

C.5 奖项设置291

C.6 其他291

参考文献293