机器人制作及程序设计

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1、机器人制作与程序设计 第一章： 走进机器人世界 1 第一章第一章 走进机器人世界走进机器人世界 各位小主人们，是不是还沉浸在电影机器人历险记中惊险情节之中？ 你见过机器人吗？你想像中的机器人是什么样子？是不是觉得机器人离我们非常遥 远？其实在现实生活中，机器人无处不在，并且在我们的生活中起着非常重要的作用。先让 我们看看现实生活中的机器人。 生活中的机器人生活中的机器人 红绿灯 图 12 我们经常过马路，过马路时就要注意红绿灯， 如图 12 所示，红绿灯不停地变换，准确地指 导人们有序地从各个方向通过， 我们就把红绿灯看 做“交通指导官” ，它就是我们生活中的机器人。 人类的很多梦想，如上天、

2、入 地、千里眼、顺风耳等，现今都已 成为现实。机器人也是人类千百年 来追求的梦想，现代科技同样使这 个梦想变成了现实。 机器人正在向我们走来，它将 成为我们人类社会的重要组成部 分。 原中国工程院院长宋健院士 指出： “机器人学的进步和应用是 20 世纪自动控制最有说明力的成 就，是当代最高意义的自动化。 ” 机器人历险记海报 图 11 机器人制作与程序设计 第一章： 走进机器人世界 2 小主人们，从今天开始，你们也将有了自己的机器人，从此，你将与它们为伴，快乐成 长，它们长得什么样子呢？先睹为快！ 随着科学技术的不断进步，机器人越来越多地应用于工业、农业、国防、科研、教育和 我们的日常生活等

3、领域，在人类的生产与生活中发挥着重要作用。 另外， 现在还研制出了类人机器 人，具有人的外形和动作，如日本研 制的跳舞机器人， 如图 13 所示。 但是，也有一些机器人并不一定有人 的形状，如 2003 年 12 月美国航空航天局 发射的“勇气”号火星探测机器人，如图 1 4 所示，就完全不是人的形状。 跳舞机器人 图 13 火星探测机器人 图 14 足球机器人 图 15 乡村旅游机器人 图 16 机器人制作与程序设计 第一章： 走进机器人世界 3 机器人的产生和发展是人类社会， 特别是工业社会发展客观要求， 也是科学技术发展的 必然结果。 机器人技术是一门综合性学科， 它综合了多种基础学科、

4、 技术学科及新兴科技领域的多 方面知识，突出地体现了当代科学技术发展的高度分化而又高度综合这一特点。 几千年来，人类一直在梦想能创造出自己的复制品，即一种像人一样的机器，以便代替 人完成各种工作。 然而， 机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年 的事情。 现代机器人的研究始于 20 世纪中期，其技术背景是计算机、自动化和机械加工技术的 发展及应用。 社会的需求是机器人产生的原动力。 机器人是现代工业社会的产物。 现代社会的分工越 来越细，在各个领域中，人们越来越强烈地需要某种能够代替自己从事简单劳动的机器。 制造大批量产品的迫 切需求，推动了自动化技 术的发展进程。具有运算

5、 和记忆功能的控制器 计算机的问世、先进的机 械零件加工工具机床 的产生、控制电机和驱动 装置技术的成熟，为机器 人的诞生奠定了技术基 础。 20 世纪 50 年代， 美国 科学家英格伯格研制出世 界上第一台工业机器人的 试验样机。机器人产品问世于 20 世纪 60 年代，美国 Unimation 公司研制成世界上第一台实 用机器人，并在美国通用汽车公司投入使用，标志着第一代机器人的诞生。 机器人的诞生与发展机器人的诞生与发展 世界上第一台工业机器人 图 17 机器人制作与程序设计 第一章： 走进机器人世界 4 “robot”一词源出自捷克语“robota” ，意谓“强迫劳动” 。 1920

6、年捷克斯洛伐克作家萨佩克写了一个名为 洛桑 万能机器人公司 的剧本,他把在洛桑万能机器人公司生产 劳动的那些家伙取名“Robot”,汉语音译为“罗伯特” ，捷 克语意为“奴隶”萨佩克把机器人的地位确定为只管 埋头干活、任由人类压榨的奴隶，它们存在的价值只是服 务于人类。它们沒有思维能力,不能思考,只是类似人的机 器,很能干, 以便使人摆脱劳作。它们能生存 20 年,刚生产 出来时由人教它们知识。他们不能思考，也没有感情，一 个人能干三个人的活，公司为此生意兴隆。 我国将“Robot”译为“机器人” ， “机器人”的名字 也正式由此而生。 机器人已经被广泛应用，而且越来越受到人们的重视。然而，机

7、器人还没有一个统一、 严格、准确的定义。随着机器人技术的发展，机器人的概念 不断更新。不同的国家、不同的学者在不同的时期给出的定 义不尽相同。 被称为 “工为机器人之父” 的美国科学家英格伯格认为： “机器人只是以人类的某种方式工作的一种机器， 它们的外 貌完全可以不像人，而关键是必须适应工作” 。 中国的科学家们把机器人定义为： “机器人是一种自动 化的机器，而且其具备一些与人或生物相似的智能能力，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的自动化机器。 ” 机器人“Tron-x” 图 18 机器人机器人Robot 一词的来源一词的来源 机器人的概念机器人的概念 机器人

8、“罗本艾特” 图 19 机器人制作与程序设计 第二章： 认识机器人的组成 5 第第二二章章 认识机器人的组成认识机器人的组成 机器人将是我们人类最亲密的朋友， 那么它的组成是怎样的呢？本章将以 “四能教育机 器人”拼装式套件为例，说明机器 人的组成原理。 拼装式机器人是一个开放的平 台，机器人的外形是用各种拼装材 料组装而成，功能与外形都由我们 自己的创意和设计而决定，拼装材 料可以是套件中提供的，也可以是 身边随手可得的各种材料，通过学 习和使用机器人，可以全面培养大 家的 “创新设计能力、 逻辑思维能力、 动手实践能力、主动探究能力” 。 机器人除各种硬件外，小主人们 还可以通过“四能科技

9、编程软件”赋 予机器人思想与灵魂，从而让机器人 具备各种不同的功能，更好的帮助人 类完成各种工作。 学习目标：学习目标： 了解一种拼装式机器人套件的构成部分； 认识机器人的组成原理。 学习要点：学习要点： 拼装式机器人 硬件 软件 控制器 传感器 驱动器 能量提供 四能教育机器人外包装 图 21 四能教育机器人装箱图 图 22 机器人制作与程序设计 第二章： 认识机器人的组成 6 1、拼装式机器人的硬件组成拼装式机器人的硬件组成 “拼装式机器人硬件”简称“机器人硬件” 。是指机器人系统中所有实体部件和设备的 统称。从基本结构上来讲，机器人硬件可以分为四大部分：控制器、传感器、驱动器、能量 提供

10、。 、控制器：控制器： 机器人控制器相当于人类的大脑，机器人要实现各种功能都是靠它来指挥。 “大脑”的 初期是完全空白的，像初生的婴儿一样，需要我们用学到的编程知识教它。这样机器人才能 对外界的复杂环境进行观察和思考，然后指挥各种器官做出相应的反应，完成各种动作！ 第一类数字端口，以“Dx”表示。它提供稳定的 5V 电源，可以接插任何检测模块（只 返回 0、1 值的）和输出模块等等，不建议接插大功率模块； 第二类模拟端口，以“Ax”表示。它提供稳定的 5V 电源，可以接插任何传感器（返回 01023 的测量值）模块和输出模块等等。它最主要的用途是接插模拟传感器； 第三类马达端口，以“Mx”表示

11、。专用于大功率驱动模块控制接口； DX MX 启动启动 电源电源 开关开关 LCD AX 下载口下载口 其它功能其它功能 I2C 四能教育机器人控制器 图 23 机器人制作与程序设计 第二章： 认识机器人的组成 7 接口上方，可以清晰地看到有 G，V，S，S 四个字母。其中 G 指的是地线（黑线） ；V 指的是电源（红线） ；S，S 是信号线（黄、蓝线） 。字母正下方的插针，应当连接相应颜色 的接线。最简单一个分辨方法就是：接插时，黑色线放两边。接插时，黑色线放两边。 众所周知，人是用眼睛去观察这美丽的世界，用耳朵去聆听这世界美妙的音乐，用心去 感受这世界的一切。 机器人也能做到与外界环境沟通

12、， 现在我们来介绍一下机器人的感觉器 官机器人的传感器 音量检测传感器是能够测量音量强弱的电子部件。 根据音量的强弱， 机器人可以实现自 动启动或停止；通过识别有一定梯度的音量，机器人调节自己的转动方向，等等。 宽灰度用于寻迹类型的项目，能够检测黑（白）线，使用简单，操作方便。模块 7 个通道具有单独接口连接，具有单独参考值设置功能，增强黑（白）线区分能力，提高检测 准确性，可以读回每一路当前的检测值。每一路传感器布局合理，物理上扩展黑（白）线宽 度，提高适用性和稳定性，可以应用于各类型的寻迹项目之中。 音量检测传感器 图 24 机器人制作与程序设计 第二章： 认识机器人的组成 8 说明：1）

13、17 接口对应从左到右 7 个通道； 2）三排可调节安装孔； 1）该模块使用电压为 5V，每 通道电流约为 150mA； 2）具有自由选择连接通道（例 三通道循迹（1,4,7） ） ； 3）具备手动设定参考值功能， 可以读取每路传感器的模拟数值； 4）模块最佳高度为板顶离地面 15mm,最高不要高于 30mm，可以适 当倾斜。 驱动器是机器人的运动器官， 从而使机器人能够模仿人类或动物的某些动作， 完成各项 指定任务。 1 2 3 4 5 6 7 安装孔 宽灰度传感器 图 25 宽灰度接线图 图 26 机器人制作与程序设计 第二章： 认识机器人的组成 9 机器人要工作， 为它提供必要的能量是必

14、不可少的， 现代机器人的主要能量来自于电池。 “四能教育机器人”为大家提供了 7.4V 的锂电池，为机器人提供稳定的能量。 2、拼装式机器人的编程、拼装式机器人的编程软件软件 “四能科技编程软件”是用于赋予机器人思想的优秀工具，它是图形化的编程方式，比 传统的文本编程更加高级。它的易学、易用、易读、易懂，都非常适合于编程思维的培养。 本编程软件采用基于工程 C 的图形化、模块化编程语言，全部功能模块使用图标表示，遵 循自顶向下的编程逻辑思维过程。 小主人们只需简单地拖放各个模块图标到流程线上并设置 相应参数，系统便可自动将其转化为机器人能够识别的机器语言。 机器人专用马达 图 27 机器人轮胎

15、 图 28 “四能科技教育机 器人” 所使用的电池提供 双接头， 一个为控制器供 电，另一个为驱动器供 电， 充电时使用其中任意 一个接头都可实现。 为机器人提供能量的电池 图 29 机器人制作与程序设计 第三章： Hello，我是你的小主人 10 第三章第三章 Hello，我是你的小主人，我是你的小主人! 你是机器人的小主人， 你必须学会与机器人进行交流， 液晶显示模块是机器人心灵的窗 口，通过它，你可以让机器人显示出你想要看到的内容，不信，我们今天便可以试一试。 1、 启动四能科技编程软件启动四能科技编程软件 “四能科技”编程软件是专为小主人们设计的一款与机器人进行交流的工具，你有什 么想法，都可以通过编写程序下载到机器人的大脑中（机器人控制器） ，机器人便可以按着 你的命令执行各种动作了！是不是很神奇？作为小主人，一定要有征服机器人的信心哟！ 点击开始菜单中的“四能科技”图标即可启动软件 “四能科技”编程软件启动后的界面如下： 学习目标：学习目标： 了解显示模块的应用及编写机器人程序的流程； 掌握四能科技编程软件的基本操作 学习要点：学习要点： 启动四能科技编程软件 新建机器人程序 模块的操作 模块属性的设置 保存机器人程序 编译机器人程序 下载机器人程序 程序的顺序结构 任务一：点亮液晶模块任务一：点亮液晶模块 图 31 机器人制作