仿蛛机器人的设计与制作_罗庆生罗霄郑凯林编.pdf

罗庆生 罗 霄 郑凯林 编著版权专有 侵权必究 图书在版编目(CIP)数据 仿蛛机器人的设计与制作/罗庆生,罗霄,郑凯林编著.北京：北京理工大学出版社,2019.7(我的机器人创客教育系列)ISBN 978-7-5682-7318-3.仿.罗 罗 郑.仿生机器人-设计-青少年读物仿生机器人-制作-青少年读物.TP242-49 中国版本图书馆 CIP 数据核字(2019)第 157195 号出版发行/北京理工大学出版社有限责任公司社 址/北京市海淀区中关村南大街 5 号邮 编/100081电 话/(010)68914775(总编室)(010)82562903(教材售后服务热线)(010)68948351(其他图书服务热线)网 址/http：/经 销/全国各地新华书店印 刷/保定市中画美凯印刷有限公司开 本/710 毫米 1000 毫米 1/16印 张/13.75责任编辑/张慧峰字 数/260 千字文案编辑/张慧峰版 次/2019 年 7 月第 1 版 2019 年 7 月第 1 次印刷责任校对/周瑞红定 价/55.00 元责任印制/李志强图书出现印装质量问题,请拨打售后服务热线,本社负责调换序 言青少年是祖国的未来,科学的希望。以我国广大青少年为对象,开展规范性、系统性、引领性、全局性的科技创新教育与实践活动,让广大青少年通过这些活动,将理论研究与实际应用结合,将动脑探索与动手实践结合,将课堂教学与社会体验结合,将知识传承与科技创新结合,使广大青少年能有效提升创新兴趣,熟悉创新方法,掌握创新技能,增长创新能力,成为我国新时代的科技创新后备人才,意义重大,影响深远。在形形色色的青少年科技创新教育与实践活动中,机器人科普教育、科研探索、科技竞赛别具特色,作用显著。这是因为机器人是多学科、多专业、多技术的综合产物,融合了当今世界多种先进理念与高新技术。通过机器人科普教育、科研探索、科技竞赛,可以使广大青少年在机械技术、电子技术、计算机技术、传感器技术、智能决策技术、伺服控制技术等方面得到宝贵的学习与锻炼机会,能够有效加深青少年对科技创新的理解能力,并提高其实践水平,让他们尽早爱科学、爱创新。了解机器人的基本概念,学习机器人的基本知识,掌握机器人的设计技术与制作技巧,提升机器人的展演水平与竞技能力,将使广大青少年走近我国科技创新的最前沿,激发青少年对于科技创新尤其是机器人创新的兴趣与爱好,挖掘青少年开展科技创新的潜力,夯实青少年成为创新型、复合型人才的理论与技术基础。“我的机器人创客教育系列”丛书重点讲述了仿人、仿蛇、仿狗、仿鱼、2 仿蛛、仿龟等六种机器人的设计与制作,之所以选择了这六种仿生机器人作为本套丛书的主题,是出于以下考虑：在仿生学一词频繁在科研领域亮相时,仿生机器人也逐步进入了人们的视野。由于当代机器人的应用领域已经从结构化环境下的定点作业,朝着航空航天、军事侦察、资源勘探、管线检测、防灾救险、疾病治疗等非结构化环境下的自主作业方向发展,原有的传统型机器人已不再能够满足人们在自身无法企及或难以掌控的未知环境中自主作业的要求,更加人性化和智能化的、具有一定自主能力、能够在非结构化的未知环境中作业的新型机器人已经被提上开发日程。为了使这一研制过程更为迅速、更为高效,人们将目光转向自然界的各种生物身上,力图通过有目的的学习和优化,将自然界生物特有的运动机理和行为方式,运用到新型仿生机器人的研发工作中去。仿生机器人是一个庞大的机器人族群,从在空中自由飞翔的“蜂鸟机器人”和“蜻蜓机器人”,到在陆地恣意奔跑的“大狗机器人”和“猎豹机器人”,再到在水下尽情嬉戏的“企鹅机器人”和“金枪鱼机器人”;从肉眼几乎无法看清的“昆虫机器人”到可载人行走的“螳螂机器人”,现实世界中处处都可看见仿生机器人的身影,以往只有在科幻小说中出现的场景正在逐步与现实世界交汇。仿生机器人的家族成员们拥有五花八门的外观形貌和千奇百怪的身体结构,它们通过不同的机械结构、步态规划、行动特点、反馈系统、控制方式和通信手段模拟着自然界中各种卓越的生物个体,同时又通过人类制造的计算机、传感器、控制器以及其他外部构件,诠释着自己来自实验室的特殊身份。如今,这支源于自然世界和科学世界混合编组的突击部队正信心满满,准备在人类生活中大显身手。时至今日,仿生机器人已经成为家喻户晓的“大明星”,每一款造型新颖、构思巧妙、功能独特、性能卓异的仿生机器人自问世之时起都伴随着全世界的惊叹和掌声,仿生机器人技术的迅速发展对全球范围内的工业生产、太空探索、海洋研究,以及人类生活的方方面面产生越来越大的影响。在减轻人类劳动强度,提高工作效率,改变生产模式,把人从危险、恶劣、繁重、复杂的工作环境和作业任务中解放出来等方面,它们显示出极大的优越性。人们不再满足于在展示厅和实验室中看到机器人慢悠悠地来回走动,而是希望这些超能健儿们能够在更加复杂的环境中探索与工作。北京理工大学特种机器人技术创新团队成立于 2005 年,是在罗庆生教授和韩宝玲教授带领下,长期不懈地走在特种机器人科技创新探索、科研任务攻关道路上,充满创新能量、奋斗不息的一支标兵团队。该创新团队的主要研究领域为光机电一体化特种机器人、工业机器人技术、机电伺服控制技仿蛛机器人的设计与制作3 术、机电装置测试技术、传感探测技术和机电产品创新设计等。目前已研制出仿生六足爬行机器人、新型特种搜救机器人、多用途反恐防暴机器人、新型工业码垛机器人、新型轮腿式机器人、新型节肢机器人、新型工业焊接机械臂、陆空两栖作战任务组、外骨骼智能健身与康复机、“神行太保”多用途机器人、履带式壁面清洁机器人、小型仿人机器人、“仿豹”跑跳机器人、先进综合验证车、仿生乌贼飞行机器人、履带式变结构机器人、制导反狙击机器人、新型球笼飞行机器人等多种特种机器人。该团队在承研某部“十二五”重点项目 新型仿生液压四足机器人过程中,系统、全面、详尽、科学地开展了四足机器人结构设计技术研究、四足机器人动力驱动技术研究、四足机器人液压控制技术研究、四足机器人仿生步态技术研究、四足机器人传感探测技术研究、四足机器人系统控制技术研究、四足机器人器件集成技术研究、四足机器人操控装备技术研究,在有关液压四足机器人的仿生研究、机构设计、结构优化、机械加工、驱动传感、液压伺服、系统控制、人工智能、决策规划和模式识别等高精尖技术方面取得一系列创新与突破,从而为本套丛书的撰写提供了丰富的资料和坚实的基础。本套丛书的主创人员在开发高性能、多用途仿生机器人方面具有丰富的研制经验和深厚的技术积累,由罗庆生、韩宝玲、罗霄撰写的专著 智能作战机器人 曾获“第五届中华优秀出版物奖图书奖”称号,这是我国出版物领域中的三大奖项之一,表明其在科技领域,尤其是在机器人领域中的实力与地位。本丛书由罗庆生、罗霄担任主撰;蒋建锋、乔立军、王新达、陈禹含、郑凯林、李铭浩等人参与了本套丛书的研究与撰写工作,并担任各分册的主创人员。在本套丛书的研究与写作过程中,得到了北京市教委、北京市科委等部门相关领导的极大关怀,得到了北京理工大学出版社的热情帮助,还得到了许多同仁的无私支持。值本书即将付印出版之际,谨向所有关心、帮助、支持过我们的领导、专家、同事、朋友表示衷心的感谢!少年强则中国强,创新多则人才多。让机器人技术助圆我国广大青少年的“中国梦”!作者2019 年 7 月于北京序言目 录CONTENTS第 1 章 我能像蜘蛛一样爬行11.1 给你讲讲我的历史11.2 仿蛛机器人是怎样爬行的31.3 我的名字叫仿蛛机器人6第 2 章 我身体的结构72.1 我的心脏72.1.1 我的能量源72.1.2 电源系统的工作机理82.1.3 电源系统的主要作用82.1.4 电池的选用92.2 我的关节 驱动系统92.2.1 直流电机102.2.2 步进电机112.2.3 伺服电机122.2.4 舵机142.2.5 舵机的驱动与控制162.3 我身体的结构设计182.3.1 仿蛛机器人自由度的确定182 2.3.2 二自由度的腿部结构设计192.3.3 三自由度的腿部结构设计192.3.4 仿蛛机器人腿部结构的设计212.3.5 仿蛛机器人躯干结构的设计582.3.6 舵机选型与安装尺寸的确定592.3.7 转动副配合与尺寸的确定61第 3 章 我的眼睛623.1 视觉传感器643.1.1 CCD 器件643.1.2 CMOS 器件653.1.3 CCD 与 CMOS 的比较663.2 测距传感器673.2.1 测距传感器的分类673.2.2 测距传感器的工作原理683.2.3 超声波传感器的使用723.2.4 人体热释电传感器的使用733.3 触觉传感器753.3.1 触觉传感器的分类753.3.2 触觉传感器的工作原理763.4 姿态传感器793.4.1 姿态传感器的分类793.4.2 姿态传感器的工作原理803.5 温度传感器823.5.1 温度传感器的分类823.5.2 温度传感器的工作原理83第 4 章 快把我制作出来吧864.1 组装机器人必备的工具864.1.1 五金工具874.1.2 切割设备884.1.3 3D 打印机924.1.4 测量工具984.2 根据三维模型生成二维切割图纸1064.3 零件的切割加工109仿蛛机器人的设计与制作3 4.4 仿蛛机器人的装配1114.4.1 仿蛛机器人单腿的装配1114.4.2 仿蛛机器人躯干的装配1144.4.3 仿蛛机器人整体的装配115第 5 章 请你教我思考1165.1 仿蛛机器人的控制系统设计1165.1.1 机器人控制系统的基本组成1165.1.2 机器人控制系统的工作机理1175.1.3 机器人控制系统的主要作用1185.2 单片机控制技术简述1195.2.1 单片机的工作原理1195.2.2 单片机系统与计算机的区别1205.2.3 单片机的驱动外设1205.2.4 单片机的编程语言1215.3 ARM 控制技术简述1225.3.1 ARM 简介1225.3.2 ARM 的特点1225.3.3 ARM 的驱动外设1235.3.4 ARM 的编程语言1235.3.5 控制板 PCB 的设计与制作1245.4 Arduino 控制技术1275.4.1 Arduino 简介1275.4.2 Arduino 引脚分配图简介1285.4.3 Arduino 开发环境的搭建1335.4.4 Arduino 语言简介1355.4.5 C/C+语言基础1375.4.6 Arduino 对舵机的控制1465.4.7 Arduino 对蓝牙模块通信的控制1475.4.8 图形化编程简介1525.4.9 DFRduino Player MP3 语音播放模块的使用1525.4.10 Arduino 颜色传感器：颜色识别挥手传感器模块1605.5 机器人通信技术1655.5.1 蓝牙无线通信技术1655.5.2 超宽带无线通信技术169目录4 5.5.3 ZigBee 无线通信技术1725.5.4 Wi-Fi 无线通信技术1775.5.5 2.4 GHz 无线通信技术180第 6 章 仿蛛机器人的编程与调试1836.1 仿蛛机器人主控制器简介1836.2 手柄接收器和舵机板的连接方法1866.3 上位机软件的使用1886.4 仿蛛机器人的动作编写192参考文献196仿蛛机器人的设计与制作第1章我能像蜘蛛一样爬行1.1给你讲讲我的历史近些年来,仿生学(就好像是语文、数学、英语这样的学科)已经从一个很少有人关注的冷门学科逐渐热火起来,并逐渐走进人们的视野,开始在方方面面获得广泛的应用。仿生学(bionics)这个名词最早是在 1958 年由美国人斯蒂尔(Jack Ellwood Steele)采用拉丁文“bios”(生命方式)和词尾后缀“nic”(具有性质的)组合而成1。仿生学是研究生物系统的结构、形状、原理、行为,为工程技术提供新的设计思想、工作原理和系统构成的技术科学,是一门融合了数学、力学、信息科学、系统科学,以及工程技术等学科交叉而成的新兴学科2。仿生学为科学技术的创新提供了新思路、新理论、新