创意之星：模块化机器人设计与竞赛（第2版）

第1篇 基础篇 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 RemotecAndrosF6A 排爆机器人……………………………………………… 10 1.3.3 iRobotRoomba…………………………………………………………………… 11 1.3.4 本田ASIMO仿人型机器人……………………………………………………… 12 1.3.5 KUKATitan工业机器人……………………………………………………… 13 1.3.6 SONY机器狗AIBO …………………………………………………………… 14 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 2.2.5 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 创意之星:模块化机器人设计与竞赛(第2版) 第2篇 实践篇
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———Digitaloutput ……………………………………………… 83 3.4.4 延时模块———Delay ……………………………………………………………… 85 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———Digitalinput ………………………………………………… 91 3.5.4 变量模块———Variable…………………………………………………………… 91 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ID …………………………………………………………………… 107 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
第10章 机器人武术擂台赛———无差别组………………………………………………… 223 第11章 擂台赛机器人(仿人组)…………………………………………………………… 241
第12章 机器人武术擂台赛———技术挑战赛……………………………………………… 253
附录A 拓展阅读及技术资料………………………………………………………………… 264
附录B 控制器相关…………………………………………………………………………… 265
附录C 2015年机器人武术擂台赛项目竞赛规则………………………………………… 279