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第1篇 基础篇2

第1章 绪论2

1.1 机器人概述2

1.1.1 为什么要学习机器人技术2

1.1.2 机器人发展简史3

1.1.3 揭开机器人的神秘面纱4

1.2 “创意之星”机器人套件简介6

1.3 典型著名机器人简介8

1.3.1 “勇气”号火星探测器8

1.3.2 Remotec Andros F6A排爆机器人9

1.3.3 iRobot Roomba10

1.3.4 本田ASIMO仿人型机器人11

1.3.5 KUKA Titan工业机器人13

1.3.6 SONY机器狗AIBO13

1.3.7 足球机器人14

1.3.8 Segway两轮平衡车15

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20

第2章 机器人基础知识概述21

2.1 机器人的骨骼——机械结构21

2.1.1 设计和制作机器人的一般过程21

2.1.2 机器人的机械结构22

2.1.3 机器人的执行机构23

2.2 机器人的肌肉——执行器27

2.2.1 直流电机概述27

2.2.2 直流有刷电机28

2.2.3 直流无刷电机30

2.2.4 直线电机31

2.2.5 步进电机31

2.2.6 空心杯直流电机34

2.2.7 舵机35

2.2.8 常见减速器37

2.3 机器人的心脏——电源39

2.3.1 机器人常用电池概述39

2.3.2 干电池40

2.3.3 铅酸蓄电池40

2.3.4 镍镉／镍氢电池41

2.3.5 锂离子／锂聚合物动力电池42

2.3.6 线性稳压电源44

2.3.7 开关电源概述45

2.3.8 交流-直流开关电源45

2.3.9 直流-直流开关电源46

2.4 机器人的五官——机器人传感器46

2.4.1 测距声纳47

2.4.2 红外测距传感器47

2.4.3 激光扫描测距传感器49

2.4.4 旋转编码器50

2.4.5 旋转电位计53

2.4.6 光电开关传感器54

2.4.7 电感式、电容式、霍尔效应接近开关55

2.4.8 磁性开关57

2.4.9 电子磁罗盘58

2.4.10 姿态／航向测量单元59

2.4.11 温度传感器59

2.4.12 声音传感器59

2.4.13 GPS接收机60

2.4.14 视觉传感器61

2.4.15 气体传感器61

2.5 机器人的大脑——控制器62

2.5.1 基于单片机的控制器62

2.5.2 基于嵌入式系统的控制器63

2.5.3 基于PC架构的控制器64

2.6 机器人的C语言编程基础64

2.6.1 机器人软件知识概述64

2.6.2 C语言简介65

2.6.3 C程序结构概述69

2.7 小结72

第2篇 实践篇74

第3章 数字信号的输出和输入74

3.1 绚丽的霓虹灯74

3.2 数字信号简介75

3.3 霓虹灯硬件搭建76

3.3.1 MultiFLEX 2-AVR控制器76

3.3.2 数字信号输出设备——LED灯79

3.3.3 L型结构件79

3.3.4 多功能调试器80

3.3.5 电池和电源81

3.4 让霓虹灯闪烁起来82

3.4.1 NorthStar图形化开发环境82

3.4.2 IO方向设置86

3.4.3 数字输出模块——Digital Output88

3.4.4 延时模块——Delay90

3.4.5 连线91

3.4.6 while循环92

3.4.7 编译和下载93

3.5 给霓虹灯增加开关94

3.5.1 数字信号输入设备——碰撞传感器94

3.5.2 修改工程设置95

3.5.3 数字输入模块——Digital Input96

3.5.4 变量模块——Variable96

3.5.5 其他数字量传感器98

3.6 小结100

第4章 电机和舵机的控制101

4.1 有趣的搬运车101

4.2 舵机控制原理102

4.3 搬运车的搭建102

4.3.1 底板、舵机结构件和连接件102

4.3.2 CDS55xx机器人舵机102

4.3.3 轮子107

4.3.4 设置舵机ID110

4.3.5 机械手115

4.4 让搬运车动起来118

4.4.1 工程设置修改118

4.4.2 IF模块和Break模块119

4.4.3 舵机模块——Servo（N）120

4.4.4 再谈Delay模块125

4.4.5 编辑代码127

4.4.6 程序调试129

4.5 小结130

第5章 模拟信号的输入131

5.1 聪明的机器人131

5.2 模拟信号简介132

5.3 搭建聪明的机器人133

5.3.1 红外测距传感器133

5.3.2 其他模拟量传感器134

5.4 让机器人动起来135

5.4.1 AD设置135

5.4.2 模拟输入模块136

5.4.3 自定义函数和自定义代码137

5.4.4 第一个模块：开关140

5.4.5 第二个模块：右侧沿墙去目的地141

5.4.6 查询传感器145

5.4.7 第三个模块：夹持物体146

5.4.8 第四个模块：返回出发地147

5.4.9 第五个模块：放下物体149

5.4.10 第六个模块：闪烁LED灯149

5.4.11 流程图调试150

5.4.12 终止程序运行151

5.4.13 运行程序151

5.5 使用帮助151

5.6 小结152

第6章 语音识别153

6.1 语音问答机器人153

6.2 语音识别简介154

6.3 搭建语音问答机器人155

6.3.1 MultiFLEX 2-PXA270控制器155

6.3.2 四自由度机器人158

6.3.3 履带159

6.3.4 语音输入／输出设备161

6.4 让机器人和我们互动起来162

6.4.1 设计剧本162

6.4.2 剧本录音162

6.4.3 建立工程164

6.4.4 语音模块165

6.4.5 Switch模块167

6.4.6 MP3模块167

6.4.7 再谈舵机模块168

6.5 小结170

第7章 视频信号的输入171

7.1 全向运动足球机器人171

7.2 图像处理简介172

7.3 搭建全向运动足球机器人173

7.3.1 全向轮173

7.3.2 摄像头175

7.3.3 速度的标定和合成177

7.4 让机器人跑起来180

7.4.1 建立工程180

7.4.2 视觉模块182

7.4.3 跟球逻辑的实现185

7.5 小结191

第8章 综合实践——四足机器人步态规划192

8.1 会追光的四足步行机器人192

8.2 任务分析与规划193

8.3 搭建机器人197

8.4 让四足机器人走起来198

8.4.1 四足机器人步态分析198

8.4.2 编写步态202

8.4.3 让舵机跟踪光源205

8.4.4 让四足机器人跟踪光源213

8.5 小结216

第9章 综合实践——两轮机器人的平衡控制217

9.1 两轮平衡机器人217

9.2 任务分析与规划217

9.3 搭建两轮平衡机器人219

9.4 让机器人平衡地站起来221

9.4.1 修改舵机的参数221

9.4.2 红外测距传感器的标定223

9.4.3 数字式PID算法的实现224

9.5 小结232

第3篇 竞赛篇234

第10章 机器人武术擂台赛——无差别组234

10.1 熟悉比赛规则和比赛场地234

10.1.1 比赛规则234

10.1.2 比赛场地234

10.2 规则分析和任务规划235

10.2.1 规则分析235

10.2.2 解决方案235

10.2.3 任务规划238

10.3 结构设计和传感器布置238

10.3.1 结构设计238

10.3.2 传感器布置239

10.4 传感器的标定和分布练习240

10.4.1 标定灰度传感器240

10.4.2 标定红外传感器242

10.4.3 启动方式和爬坡练习243

10.4.4 漫游练习244

10.4.5 推棋子练习244

10.4.6 实战对抗练习244

10.5 改进竞赛能力245

10.5.1 改进机器人结构245

10.5.2 改进控制程序247

10.5.3 改进动力248

10.5.4 综合改进251

10.6 比赛注意事项251

10.7 小结252

第11章 擂台赛机器人——仿人组253

11.1 熟悉比赛规则253

11.2 规则分析和任务规划253

11.2.1 规则分析253

11.2.2 任务规划254

11.3 搭建机器人254

11.3.1 机器人底盘设计254

11.3.2 机器人身体部分设计257

11.4 编程实现比赛能力258

11.4.1 爬坡练习258

11.4.2 举圆柱练习259

11.4.3 边沿检测和推棋子练习259

11.4.4 实战对抗练习262

11.5 改进竞赛能力264

11.5.1 改进机器人结构和动力264

11.5.2 改进控制程序265

11.6 小结265

第12章 机器人武术擂台赛——技术挑战赛266

12.1 熟悉比赛规则、场地和器材266

12.1.1 比赛规则266

12.1.2 比赛场地和器材267

12.2 规则分析和任务规划268

12.2.1 规则分析268

12.2.2 策略分析和任务规划268

12.3 机器人搭建和传感器布局设计269

12.4 让机器人完成任务271

12.4.1 实现爬坡271

12.4.2 寻找麦克风并自我介绍272

12.4.3 寻找绣球并完成抛绣球任务277

12.4.4 寻找铜锣并敲响277

12.4.5 回到场地中央致谢结束279

12.5 完善改进279

12.5.1 增加民族服装280

12.5.2 增加可靠性280

12.6 小结280

附录A 拓展阅读及技术资料281

附录B 控制器相关技术资料283

附录C 2009年机器人武术擂台赛项目竞赛规程297

参考文献306