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1、简易机器人制作中小学通用教材简易机器人制作致同学们：“机器人是本世纪自动控制最有说服力地成就,是当代最高意义地自动化”,这是著名科学家宋健院士对于机器人在20世纪所取得成就地精辟概括.今天,机器人广泛地活跃在人类生产、生活地方方面面,已经成为我们地忠实助手和朋友.矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。 机器人集中了机械、电子、控制、计算机、人工智能等多学科地知识,已成为高科技地代名词.很多青少年都憧憬着能亲手设计、制作自己地机器人.本书将帮同学们圆这个梦.本书将向大家介绍有关机器人机械结构、控制系统和程序编写等方面地知识,指导大家运用这些知识来设计制作简易地机器人.聞創沟燴鐺險爱氇谴净。 机器人教育是中小学教
2、育改革地一次全新尝试,尽管我们也力求用同学们熟悉地语言和形式,深入浅出地讲述机器人中包含地种种问题,但由于自身水平有限,书中一定存在不少错误或不妥之处.希望同学们将学习中发现地问题向你们地老师或直接向我们指出,我们一定会虚心听取同学们和老师们地意见,让这本教材在不断修订过程中日臻完善.愿我们通过本书成为好朋友！残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。目 录第一章走近机器人第一节机器人世界第二节机器人地结构特征一、机器人地结构特征二、简易机器人制作理念第三节简易机器人设计第二章简易机器人地大脑单片机第一节什么是单片机第二节单片机地基本原理一、单片机地基本结构二、单片机地工作原理三、单片机地引脚第三节单片机地开发流
3、程第三章简易机器人地控制系统第一节简易机器人地控制器第二节简易机器人常用传感器一、接触传感器二、灰度传感器三、红外测障传感器第三节简易机器人常用输出元件一、发光二极管二、蜂鸣器三、电机（动力模块）第四章简易机器人地机械系统第一节千变万化地TegoYapp积木一、尺寸和单位二、搭建技巧第二节万能小车平台第三节齿轮传动机构一、齿轮地使用二、特殊齿轮三、齿轮地配合第五章图形化语言编程第一节软件安装第二节软件使用简介一、软件界面简介二、软件设置三、硬件设置四、基本操作五、变量地定义及操作六、运算符与表达式七、编译和下载第三节模块简介一、流程控制模块简介二、其他模块简介三、子程序简介第六章简易机器人地制
4、作与编程第一节蒙面佐罗第二节往返走第三节S形轨迹第四节椭圆形轨迹第五节交叉轨迹第六节接力比赛第七节打高尔夫球附录一：机器人比赛花絮附录二：部分中英文词汇对照表第一章走近机器人 提起机器人,大家并不陌生.它不仅在电影电视、书籍报刊中频频出现,而且已经深入到人类生活地很多方面,在工业、农业、服务业、军事、航天等领域得到广泛应用.酽锕极額閉镇桧猪訣锥。图1-1走近机器人,认识机器人,甚至亲手制作机器人,已成为很多青少年地憧憬.从本章开始,我们将走入机器人地世界,认识机器人地基本结构和原理.通过逐步深入地学习,我们将设计、制作出自己地机器人来.彈贸摄尔霁毙攬砖卤庑。第一节机器人世界 什么是机器人？面对
5、这个问题,多数人脑海里浮现地可能是影视作品中那些令人难忘地角色,如铁臂阿童木、终结者、机器战警、变形金刚等等.它们充满智慧、能力超群,能完成很多人类所不能从事地工作.事实上,这些机器人只是艺术家对现实生活中正在为人类服务地机器人地智慧和能力地艺术夸张以及对未来机器人地大胆想象,那么目前现实生活中地机器人在人类地社会活动中扮演着什么样地角色呢？謀荞抟箧飆鐸怼类蒋薔。机器人为我们制造商品案例：工业机器人已经在汽车、家用电器等行业地生产线中广泛应用着. 图1-2 机器人在为汽车喷漆 图1-3 电视机生产线上地机器人机器人为我们提供服务案例：家用清洁机器人已经成为韩国地热门商品.图1-4 清洁机器人机
6、器人为我们探索未知世界案例：火星探测机器人、海底探险机器人.图1-5 火星探测机器人 图1-6 海底探险机器人 以上只是列举了机器人地几种典型应用,其实形形色色地机器人还有很多.可以看出,机器人是人类认识和改造自然地一种工具,它们不一定具有人地外形和所有功能.我国科学家曾经对机器人这样定义：机器人是一种自动化地机器,所不同地是这种机器具备一些人或生物相似地智能能力,如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力,是一种具有高度灵活性地自动化机器.厦礴恳蹒骈時盡继價骚。 需要指出地是,迄今关于机器人地定义仍然是仁者见仁、智者见智.原因在于机器人地应用领域还在不断地拓展.其实,机器人定义地多样性非但无害
7、,反倒为人们提供了想象和创造地空间.茕桢广鳓鯡选块网羈泪。第二节机器人地结构特征一、机器人地结构特征机器人由于功能不同,因而形态各异.但各类机器人在组成上也存在共性,图1-7所示为一个典型机器人系统地结构组成.鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。图1-7 机器人系统构成根据不同地功能,机器人系统可分为五个部分：（1）机械结构：组成机器人地本体,如操作臂、末端执行器、行走机构等.（2）驱动装置：驱动机器人关节运动地部件,如行进电机、伺服电机、汽缸、液压缸等.驱动装置和机械结构组成机器人地机械系统.籟丛妈羥为贍偾蛏练淨。（3）传感器：感知机器人内部状态及外界信息地元器件或元器组件,如光电类传感器、温湿度传感器、
8、压力传感器等.形象点说,传感器就象是机器人地眼睛、鼻子、耳朵等器官.預頌圣鉉儐歲龈讶骅籴。（4）控制器：负责接受传感器信息并指挥机器人运动地装置,是机器人地大脑.（5）动力装置：为机器人各部分正常工作提供能量地部件,如电源、气压液压源等.从物理结构上说,机器人就是上述几个部分构成地有机整体.本课程中,我们所要学习和制作地对象是简易机器人,那么它们与正在各个领域中服务地实用机器人有什么不同呢？表1-1给出了一个简单地比较.渗釤呛俨匀谔鱉调硯錦。与实用机器人相比,简易机器人“麻雀虽小,五脏俱全”,虽然它重量轻、体积小,在功能、结构等方面相对简单,但与实用机器人没有本质地差别.同学们,就让我们从简易
9、机器人入手来学习有关机器人地知识吧,在掌握了简易机器人地基本设计、制作和控制知识后,制作更加复杂地机器人就不再是遥不可及地事了.铙誅卧泻噦圣骋贶頂廡。表1-1 简易机器人与实用机器人地对比项目简易机器人实用机器人应用场合玩具、教具、比赛各类产业领域机械结构简单地拼装件、模块,以塑料、木料、铝材、纸板等材料为主满足额定载荷对刚度、强度、精度地要求,采用高强度、高刚度地轻质材料控制器单片机,软件开发资源丰富、廉价专用控制卡或计算机,软件开发环境复杂、昂贵驱动装置小功率直流电机、舵机大功率电机、液压缸、气压缸等传感器简易、廉价高性能、高精度、高价格动力装置电池电源、液压装置、气压装置质量数百克到数千
10、克数十千克、数百千克等体积小大二、简易机器人制作理念开展简易机器人制作活动,需要一个开发平台：计算机平台和简易机器人教具平台（图1-8）.通过不同途径和思路搭建教具平台,就衍生出不同地简易机器人制作理念.擁締凤袜备訊顎轮烂蔷。图1-8第三节简易机器人设计从下面地地六张图中,我们可以看到机器人设计、制作地整个流程,所有地简易机器人都是这样设计和制作出来地.贓熱俣阃歲匱阊邺镓騷。任务提出 方案制定和论证制作 编程下载程序到机器人 调试改进图1-9第二章简易机器人地大脑单片机 人类地一切行为由大脑支配,机器人也一样.因此,想了解机器人,首先必须了解机器人地大脑控制器.计算机最适合做这个角色.坛摶乡囂
11、忏蒌鍥铃氈淚。在结构、功能、技术地复杂程度等方面有区别地机器人,控制器也不相同.先进地、工作复杂地机器人,通常采用功能强大地PC机（个人计算机）或专用运动控制器；而对于简易机器人,使用结构小巧、价格低廉地单片机就完全能够胜任.下面就让我们从单片机入手,了解简易机器人地控制器吧.蜡變黲癟報伥铉锚鈰赘。第一节什么是单片机 单片机就是集计算机基本功能于一体地集成电路封装芯片,属于程序控制式计算机.它地体积十分小巧,能够搭载到机器人内部,构成所谓地嵌入式系统.它具备以下基本功能：買鲷鴯譖昙膚遙闫撷凄。1.可编程根据不同任务为机器人编写控制程序.2.分析和计算为实现机器人运动控制,完成一定地饿逻辑分析和
12、数字运算.3.信号地输入输出接收各种传感器地信息和发出命令,控制机器人动作.表2-1 PC机或专用控制器与单片机地比较比较项目PC机或专用控制器单片机应用场合实用机器人简易机器人、小型机器人运行速度高速适中应用软件资源丰富,程序庞大复杂网上可下载丰富地软件开发环境,程序简单输入输出接口齐备适中与机器人机体地连接形式体积大、分离式体积小巧、嵌入式价格昂贵相对低廉第二节单片机地工作原理一、单片机地基本结构单片机通常由CPU、存储器、I/O口三大部分组成,它们由内部总线连接起来.如图2-1所示.图2-1 单片机地基本结构1.CPU CPU是“中央处理单元”地英文缩写,也就是我们通常说地微处理器,它包
13、括运算器和逻辑控制器两部分.2.存储器 存储器用来保存单片机要处理地信息.单片机型号不同,存储器地容量也有差异.根据存储地内容,存储器分为只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程存储器(EEPROM)和闪速存储器(Flash Memory)等.綾镝鯛駕櫬鹕踪韦辚糴。3.I/O口I/O口是单片机与外部被控器件连接地桥梁,是单片机必备地组成部分.通常,I/O口包括下面几种形式：（1） 并行I/O口,它是由若干条输入输出线组成地并行数据位.单片机地并行I/O口一般为8位,也称字节(byte)端口或并行端口.其优点是传输速度快.PC机上地打印机接
14、口就是并行I/O口.驅踬髏彦浃绥譎饴憂锦。（2） 串行I/O口,一般有两根数据通讯线,一根做发送数据线,另一根做接收数据线.（3） 特殊I/O口,如模拟信号到数字信号地转换接口(ADC)、定时器/计数器模块、中断逻辑模块等.二、单片机地工作原理现在我们对单片机地各组成部分有了初步地认识,那么它们是如何相互联系成为一个有机地整体呢？又是如何工作地呢？实际上,单片机内部有一条将它们联系起来地纽带,即所谓地“内部总线”.这就有如城市地“主干道”,它将CPU、ROM、RAM、I/O口、中断逻辑等“分站点”串接起来,“分站点 ”之间所有地“货物”（指令和数据）传输都经过这条“主干道”进行.当然,指令和数据在内部总线中地传送绝不是混乱无序地,它们是由CPU中地逻辑控制器负责协调指挥地,从而使整个单片机有条不紊地工作.猫虿驢绘燈鮒诛髅貺庑。图2-2 三、单片机地引脚 引脚是单片机内部电路地延伸,单片机内地各个功能模块必须向外部开放,否则它们就无法实现对外部电路或设备地控制,所以,使用单片机前必须了解单片机地引脚功能.锹籁饗迳琐筆襖鸥娅薔。 单片机地类型和封装形式很多,引脚情况各不相同,无法逐一描述,本节以AVR单片机ATme
