第1章緒論

1.1機器人的發展

1.1.1古代機器人

1.1.2現代機器人

1.2機器人發展熱點方向

1.2.1工業機器人

1.2.2仿生機器人

1.2.3軍用機器人

1.2.4服務機器人

思考題與習題

第2章制作機器人常用工具及安全事項

2.1機械制作工具

2.1.1常用五金用具、工具及量具

2.1.2小型臺鑽的使用

2.2電子制作工具及測量儀器

2.2.1電子制作工具

2.2.2常用測量儀器

2.3操作安全

2.3.1工具使用注意事項

2.3.2眼睛與耳朵的防護

2.4電池安全

2.5焊接安全

2.6用電安全

2.6.1交流電用電安全

2.6.2防靜電損害

2.7急救知識

思考題與習題

第3章小型機器人的設計和運動學分析

3.1自主移動機器人的機械結構

3.1.1腿式機器人

3.1.2輪式機器人

3.1.3履帶式機器人

3.1.4其他機器人結構

3.2差動機器人運動學分析與軌跡控制的實現

3.2.1機器人建模與運動學分析

3.2.2運動軌跡控制的實現

3.3差動驅動機器人動力學分析

3.3.1左右輪驅動力矩模型

3.3.2機器人制動的力學模型

思考題與習題

第4章機械設計輔助軟件

4.1SolidWorks簡介

4.2零件造型設計

4.2.1創建新零件文件

4.2.2創建草圖

4.2.3創建零件特征

4.3部件造型設計

4.3.1創建裝配體項目

4.3.2添件

4.3.3移動或件

4.件的配合

4.3.5裝配體配合實例

4.4繪制工程圖

4.4.1進入工程圖環境

4.4.2創建標準三視圖

4.4.3尺寸標注

4.4.4編輯尺寸

4.4.5添加文本注釋

思考題與習題

第5章小型機器人機械結構的制作及裝配

5.1小型機器人常用制作材料

5.1.1木質材料

5.1.2塑料材料

5.1.3金屬材料

5.1.4輕型復合材料(碳纖維)

5.2常用機械零件

5.2.1連接零件

5.2.2軸承

5.2.3聯軸器

5.3小型機器人制作常用基本操作

5.3.1劃線

5.3.2鋸削

5.3.3銼削

5.3.4孔加工

5.3.5攻、套螺紋

5.3.6鉚接

5.4小型機器人制作常用裝配技術

5.4.1裝配的基礎知識

5.4.2裝配過程

5.4.3典型件的裝配

5.4.4小型機器人裝配實例

思考題與習題

第6章動力繫統設計及制作

6.1電池的選擇

6.1.1適用於機器人的電池種類

6.1.2電池參數的選擇

6.1.3電池組的制作

6.1.4常見問題及解決方案

6.2電動機的選擇

6.2.1直流電動機

6.2.2交流電動機

6.2.3步進電機

6.3直流電動機的控制原理

6.4步進電機的控制原理

6.5舵機的控制及使用

思考題與習題

第7章電路設計及制作

7.1常器件的選用與檢測

7.1.1電阻器及電位器的選用及檢測

7.1.2電容器的選用及檢測

7.1.3電感器的選用及檢測

7.1.4二極管的選用及檢測

7.1.5三極管的選用及檢測

7.1.6集成電路的選用及檢測

7.1.7開關、繼電器的選用及檢測

7.1.8其器件

7.2電路設計

7.2.1電路板的種類及選型

7.2.2Altium Designer軟件介紹

7.器件封裝庫

7.2.4電路原理圖設計

7.2.5印制電路板設計

7.3印制電路板制作

7.3.1印制電路板熱轉印制作工藝

7.3.2印制電路板感光板制作工藝

7.4電路焊接技術

7.4.器件的安裝工藝

7.4.器件的手工焊接工藝

7.4.器件的手工焊接工藝

思考題與習題

第8章電路調試及故障檢修

8.1電子電路基本調試技術

8.1.1調試的一般原則

8.1.2調試準備

8.1.3調試步驟

8.1.4調試注意事項

8.2常見電磁干擾

8.2.1電磁干擾基本知識

8.2.2電磁干擾的觀測

8.3干擾抑制技術

8.3.1抑制技術基礎知識

8.3.2干擾抑制技術的應用

8.4電子電路的故障檢修

8.4.1故障檢修的流程及方法

8.4.器件拆卸方法

8.4.器件拆卸方法

思考題與習題

第9章小型智能機器人控制器設計

9.1Arduino介紹

9.2控制器開發板簡介

9.3控制器片上資源介紹

9.4下載開發環境Arduino IDE

9.5安裝開發環境Arduino IDE

9.6安裝驅動程序

9.7程序燒錄

9.8Arduino IDE用戶界面

9.9Arduino編程語言

9.9.1Arduino編程基礎

9.9.2數字I/O口的操作函數

9.9.3模擬I/O口的操作函數

9.9.4高級I/O口的操作函數Pulseln(pin，state，timeout)

9.9.5時間函數

9.9.6中斷函數

9.9.7串口通信函數

9.9.8Arduino的庫函數

9.10在線信息

思考題與習題

第10章小型機器人的傳感器設計

10.1傳感器基礎

10.1.1傳感器的定義

10.1.2傳感器的組成

10.1.3傳感器的分類

10.1.4傳感器的工作原理

10.1.5傳感器的應用領域

10.2紅外循跡傳感器的應用

10.2.1紅外循跡傳感器

10.2.2小型機器人的紅外循跡傳感器應用實例

10.3紅外遙控傳感器的應用

10.3.1紅外遙控繫統原理

10.3.2小型機器人的紅外遙控傳感器應用實例

10.4超聲波測距傳感器的應用

10.4.1超聲波測距傳感器原理

10.4.2HCSR04型超聲波測距模塊

10.4.3小型機器人超聲波測距傳感器應用實例

10.5藍牙模塊的應用

10.5.1藍牙技術簡介

10.5.2BTHC05藍牙模塊

10.5.3BTHC05藍牙模塊AT指令集

10.5.4小型機器人BTHC05藍牙模塊應用實例

思考題與習題

參考文獻

在當今中國乃至世界，機器人技術正處於一個蓬勃發展的階段，在工業、農業、國防、醫療衛生及生活服務等許多領域獲得越來越多的應用。越來越多的機器人愛好者開始了機器人設計與制作的探索和實踐，甚至相當一部分的學齡兒童，在4~6歲就已經開始接受機器人的啟蒙教育。機器人課程以及與機器人相關的科技比賽，向來都是受學生喜歡的活動內容，學習、參與的興趣十分濃厚。

本書具有以下特點：
(1) 層次分明，知識點以遞進方式逐步引入。本書從機器人的機械結構出發，介紹機器人的各種構造，給人立體的認識，然後逐步引入機械結構的制作工具及運動學分析，給予理論支撐與分析。在此基礎上結合機械結構裝配動力繫統，再進一步介紹電路控制、設計與調試。知識點的編排遵循從基礎到一般，從簡單到復雜的原則，既考慮了與理論教學同步，又考慮了學生學習循序漸進的過程。全書章節之間既相對獨立，又有一定的梯度，層次分明。
(2) 積累經驗，突出創新。本書的編寫人員都是具有五年以上大學生機器人技術競賽經驗的指導教師，編者根據近年來從事機器人技術教學、科研及實踐經驗，總結了大量既往項目的經驗，所列知識點繫統全面。本書從初學者角度出發，以多年經驗做總結，將制作機器人所用的工具與方法進行了繫統的歸納與提煉，初學者根據這本書就能全面掌握機器人制作的基本知識與技能。
(3) 結合技術發展及學科競賽，突出實踐，可操作性強。本書對機器人制作所需工具、軟件及控制繫統使用都有詳細介紹，如當下被工程師廣泛使用的Solidworks、Altium Designer設計軟件以及Arduino控制繫統，都有詳細的使用介紹，使初學者可以快速入門。書中還配備了大量圖片，以充分提升讀者興趣，並結合實踐教學的特點，以小型機器人為例，進行綜合性實驗設計編排，具有較強的實際意義，可作為參加各類機器人大賽、創新大賽等科技創新活動的參考資料。
本書由北京科技大學高等工程師學院工程訓練中心電子實習基地周珂、白艷茹擔任主編，呂振、劉濤擔任副主編，張攀、史勝西、張沙沙參編。成書過程得到了北京科技大學教材建設的經費資助，為全書的編寫及實驗項目設計驗證提供了保障。
由於編者水平有限，書中難免存在不當和謬誤之處，敬請有關專家和讀者指正。
編者2019年3月

第1章緒論

機器人問世已有幾十年，但對機器人的定義仍然仁者見仁、智者見智，沒有一個統一的意見。原因之一是機器人還在發展，新的機型、新的功能不斷湧現。隨著機器人技術的飛速發展以及信息時代的到來，機器人所涵蓋的內容越來越豐富，機器人的內涵也在不斷地充實和創新。
歐美等國家和地區的人們認為： 機器人應該是由計算機控制的、通過編排程序使其具有可以變更的多功能的自動機械。日本業界認為“機器人就是任何高級的自動機械”。
在1967年日本召開的屆機器人學術會議上，提出了兩個有代表性的定義。
一是森政弘與合田周平提出的： “機器人是一種具有移動性、個體性、智能性、通用性、半機械半人性、自動性、奴隸性等7個特征的柔性機器。”從這一定義出發，森政弘又提出了用自動性、智能性、個體性、半機械半人性、作業性、通用性、信息性、柔性、有限性、移動性等10個特性來表示機器人的形像。
另一個是加籐一郎提出的具有如下3個條件的對機器人的定義： 
(1) 具有腦、手、腳三要素的個體； 
(2) 具有非接觸傳感器(用眼、耳接收遠方信息)和接觸傳感器； 
(3) 具有平衡覺和固有覺的傳感器。
國際上對機器人的概念已經逐漸趨於一致。一般來說，人們都可以接受這種說法，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現各種功能的一種機器。
1987年國際標準化組織對工業機器人進行了定義： “工業機器人是一種具有自動控制的操作和移動功能，能完成各種作業的可編程操作機。”
我國科學家對機器人的定義是： “機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規劃能力、動作能力和協同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器。”
聯合國標準化組織采納了美國機器人協會給機器人下的定義： “一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機； 或是為了執行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門繫統。”
那麼到底什麼是機器人呢？簡單的理解，機器人是具有一些類似人的功能的機械電子裝置，或者叫自動化裝置，它仍然是個機器。
機器人能力的評價標準包括： 智能，指感覺和感知，包括記憶、運算、比較、鋻別、判斷、決策、學習和邏輯推理等； 機能，指變通性、通用性或空間占有性等； 物理能，指力、速度、連續運行能力、可靠性、聯用性、壽命等。因此，可以說機器人是具有生物功能的空間三維坐標機器。
本書以小型智能機器人為核心，介紹機器人制作過程中所涉及的各類技術，並給出制作實例，使讀者對機器人技術有更深的體會和理解。
1.1機器人的發展
1.1.1古代機器人

雖然今天機器人是尖端科技的像征，並給人以遠離生活的感覺，但事實上人們很早就開始了對機器人的幻想和追求。早在3000多年以前，人們就開始發揮想像，希望制造一種像自己一樣的器械或工具，以便代替人類完成各種工作。

圖1.1.1記裡鼓車

早在西周時期，中國的能工巧匠偃師就研制出了能歌善舞的伶人，這是中國早記載的機器人。春秋後期，中國著名的木匠魯班在機械方面是一位發明家，據《墨經》記載，他曾制造過一隻木鳥，能在空中飛行“三日不下”，體現了中國勞動人民的聰明智慧。
中國漢末魏晉時期出現了記裡鼓車。如圖1.1.1所示，記裡鼓車分上、下兩層，上層設一鐘，下層設一鼓。記裡鼓車上有小木人，頭戴峨冠，身穿錦袍，高坐車上。車走10裡，小木人擊鼓1次，當擊鼓10次，就擊鐘1次。宋朝時有個叫盧道隆的人也制造過記裡鼓車。他制造的記裡鼓車有兩個車輪，還有一個由6個齒輪組成的繫統。車輪轉動時，齒輪繫統就隨之運動。車輪向前轉動100圈即前行600m，為當時的1裡路，這時車上中平輪剛好轉1周，輪上有一個凸輪作撥子，撥動車上木人手臂，使木人擊鼓1次。車上還有上平輪，中平輪轉10周，上平輪轉1周。上平輪轉1周則撥動木人，擊鐘1次，使人知道已行路10裡。記裡鼓車和現代汽車上的計程器作用一樣，它是古代利用齒輪傳動來記載距離的自動裝置。
1700多年前，三國時蜀國丞相諸葛亮發明了木牛流馬，如圖1.1.2所示。木牛流馬究竟是一種什麼樣的運輸工具呢？史書《三國志·諸葛亮傳》記載： “亮性長於巧思，損益連弩，木牛流馬，皆出其意。”上述記載明確指出，木牛流馬確實是諸葛亮的發明，而且木牛、流馬分別是兩種不同的工具，從木牛流馬使用的時間順序來看，先有木牛，後有流馬，流馬是木牛的改進版。據說諸葛亮造出木牛流馬200年後，南北朝時期的科技天纔祖衝之也造出了木牛流馬。《南齊書·祖衝之傳》說： “以諸葛亮有木牛流馬，乃造一器，不因風水，施機自運，不勞人力。”雖然他也沒有留下任何詳細的資料，但是祖衝之造出木牛流馬的記載明確闡述了這一發明為自動機械。這也是關於木牛流馬的一個主要觀點，認為三國時利用齒輪制作機械已為常見，後世所推崇的木牛流馬，應該是一種運用齒輪原理制作的自動機械。

圖1.1.2木牛流馬

圖1.1.3氣轉球

1662年，日本的竹田近江利用鐘表技術發明了自動機器玩偶，並在大阪的道頓掘演出。
1738年，法國技師傑克·戴·瓦克遜發明了一隻機器鴨，它會嘎嘎叫，會遊泳和喝水，還會進食和排洩。瓦克遜的本意是想把生物的功能加以機械化而進行醫學上的分析。在1773年的自動玩偶中，傑出的要數瑞士的鐘表匠傑克·道羅斯和他的兒子利·路易·道羅斯發明的自動書寫玩偶與自動演奏玩偶等。
我們用表1.1.1來梳理古代機器人的標志性代表。

表1.1.1古代機器人的標志性代表

時間發明者國別機器人類型與描述
西周古代傳奇中神奇的機械工程師偃師中國能歌善舞的伶人和常人的外貌酷肖，由皮革、木頭、膠漆，以及黑、白、紅、藍等顏料組成
春秋後期(中國已進入信使時代)著名木匠、機械發明家魯班中國能在空中飛行“三日不下”的木鳥
漢代大科學家盧道隆中國記裡鼓車： 每行1裡，車上木人擊鼓一下，每行10裡擊鐘一下
三國時期蜀國丞相諸葛亮中國木牛流馬： 運送軍糧
1662年竹田近江日本自動機器玩偶(利用鐘表技術)
1738年傑克·戴·瓦克遜法國機器鴨： 會嘎嘎叫，會遊泳和喝水、進食和排洩
1773年鐘表匠傑克·道羅斯及其子利·路易·道羅斯瑞士自動書寫玩偶、自動演奏玩偶等： 利用齒輪和發條原理制成，結構巧妙，服裝華麗，至今尚能表演