機器人創新設計與實踐

第1章 緒論 / 1
1.1 機器人介紹 / 1
1.1.1 機器人的定義與起源 / 1
1.1.2 機器人的發展歷程 / 2
1.2 機器人的分類 / 3
1.2.1 按應用領域分類 / 3
1.2.2 按運動方式分類 / 4
1.2.3 按智能程度分類 / 4
1.2.4 按結構形式分類 / 5
1.2.5 按控制方式分類 / 5
1.2.6 按驅動方式分類 / 6
1.2.7 按感知方式分類 / 6
1.2.8 按交互方式分類 / 6
1.2.9 按能源供應方式分類 / 7
1.2.10 按尺寸大小分類 / 7
1.3 機器人的開發與應用 / 8
1.3.1 機器人開發的關鍵技術 / 8
1.3.2 機器人開發的流程 / 10
1.3.3 機器人的應用領域 / 11
1.4 機器人的發展前景 / 13
1.4.1 技術突破推動機器人智能化 / 13
1.4.2 應用領域的持續拓展 / 14
1.4.3 社會影響與經濟變革 / 14
1.4.4 未來趨勢與展望 / 15
第2章 機器人控制軟件 / 17
2.1 編程環境搭建 / 17
2.2 Arduino IDE軟件 / 21
2.2.1 Arduino概述 / 22
2.2.2 程序編寫 / 22
第3章 機器人硬件電路結構 / 25
3.1 主控板與擴展板 / 25
3.1.1 Basra主控板 / 25
3.1.2 BigFish擴展板 / 28
3.1.3 Birdmen手柄擴展板 / 29
3.2 常用執行器功能及工作原理 / 30
3.2.1 伺服電動機 / 30
3.2.2 直流電動機 / 31
3.2.3 無刷電動機 / 32
3.2.4 步進電動機 / 33
3.2.5 氣動系統 / 34
3.3 常用傳感器功能及工作原理 / 34
3.3.1 數字量傳感器 / 34
3.3.2 模擬量傳感器 / 36
3.4 機器人通信功能及工作原理 / 41
3.4.1 通信轉接板 / 41
3.4.2 藍牙串口通信模塊 / 42
3.4.3 NRF24L01無線通信模塊 / 42
3.4.4 ZigBee通信模塊 / 43
3.4.5 無線路由器 / 43
第4章 機器人機械結構 / 45
4.1 機械零件 / 45
4.1.1 零件的擴展性 / 45
4.1.2 連桿零件 / 45
4.1.3 平板零件 / 46
4.1.4 框架零件 / 46
4.1.5 其他輔助零件 / 47
4.1.6 零件的固定 / 49
4.2 基本機械結構 / 52
4.2.1 剛體結構 / 52
4.2.2 可動結構 / 52
4.3 常用的平面機構 / 53
4.3.1 平面連桿機構 / 53
4.3.2 凸輪機構 / 54
4.3.3 齒輪機構 / 55
4.3.4 輪系機構 / 56
4.3.5 棘輪機構 / 57
4.4 機器人模塊化設計 / 58
4.4.1 驅動輪模塊 / 58
4.4.2 隨動輪模塊 / 59
4.4.3 履帶模塊 / 59
4.4.4 關節模塊 / 60
4.4.5 機械手模塊 / 61
4.4.6 其他功能模塊 / 62
4.5 機器人創意設計案例 / 63
4.5.1 創意選題 / 63
4.5.2 創意設計 / 63
4.5.3 項目管理 / 64
4.5.4 機器人創意作品案例 / 64
第5章 ROS環境配置基礎 / 69
5.1 引言 / 69
5.1.1 ROS簡介 / 69
5.1.2 ROS的核心概念 / 69
5.1.3 ROS的應用領域 / 70
5.1.4 ROS的未來發展 / 70
5.2 安裝ROS系統的環境準備 / 70
5.2.1 操作系統要求 / 70
5.2.2 安裝Ubuntu / 70
5.2.3 系統更新與依賴安裝 / 71
5.3 ROS安裝與配置 / 72
5.3.1 配置軟件源 / 72
5.3.2 安裝ROS核心包 / 72
5.3.3 初始化rosdep / 73
5.3.4 設置環境變量 / 73
5.3.5 測試ROS安裝 / 73
5.4 創建工作空間及常用工具配置 / 74
5.4.1 創建工作空間 / 74
5.4.2 配置ROS基礎工具 / 75
5.5 ROS文件系統 / 75
5.5.1 工作空間的創建與管理 / 75
5.5.2 消息、服務和動作的定義 / 76
5.5.3 啟動文件的使用 / 77
5.6 ROS的通信機制 / 77
5.6.1 話題 / 77
5.6.2 服務 / 78
5.6.3 動作 / 78
5.6.4 參數服務器 / 79
5.7 常用ROS傳感器 / 80
5.7.1 激光雷達 / 80
5.7.2 攝像頭 / 80
5.7.3 慣性測量單元 / 81
5.7.4 全球定位系統 / 81
5.7.5 超聲波傳感器 / 82
5.7.6 壓力傳感器 / 82
5.7.7 編碼器 / 82
5.7.8 氣體傳感器 / 83
第6章 創新設計實踐案例：車型機器人 / 84
6.1 車型機器人功能簡介 / 84
6.2 Basra主控板的使用 / 84
6.3 超聲波避障車型機器人 / 86
6.3.1 雙輪萬向車的組裝 / 86
6.3.2 雙輪底盤的運動控制 / 88
6.3.3 超聲波傳感器的使用 / 88
6.4 帶機械爪的機器人 / 91
6.4.1 機械爪的組裝 / 91
6.4.2 機械爪的運動控制 / 95
6.4.3 灰度傳感器的使用 / 96
6.5 藍牙遙控機器人 / 98
6.6 履帶機器人 / 101
6.6.1 使用三維文件輔助安裝 / 101
6.6.2 履帶式底盤的組裝 / 102
第7章 創新設計實踐案例：全地形機器人 / 104
7.1 全地形機器人功能解讀 / 104
7.1.1 “全地形小車設計與制作”的競賽場地介紹 / 104
7.1.2 “全地形小車設計與制作”的任務規則與得分標準 / 107
7.1.3 “全地形小車設計與制作”的比賽流程 / 108
7.2 底盤結構設計 / 109
7.3 底盤循跡功能 / 110
7.4 顏色識別功能 / 118
7.4.1 TCS3200顏色傳感器 / 118
7.4.2 I2C顏色傳感器 / 122
7.5 觸須傳感器的使用 / 125
第8章 創新設計實踐案例：全能對抗賽機器人 / 128
8.1 全能對抗賽機器人功能解讀 / 128
8.1.1 “機器人全能對抗賽”的競賽場地介紹 / 128
8.1.2 “機器人全能對抗賽”的參賽機器人要求 / 132
8.1.3 “機器人全能對抗賽”的比賽過程 / 133
8.2 電控設計 / 134
8.2.1 NRF24L01無線通信模塊 / 134
8.2.2 Birdmen手柄擴展板 / 135
8.2.3 增加傳感器接口的方法 / 139
8.3 三自由度機械臂結構設計與控制 / 140
第9章 創新設計實踐案例：智能搬運機器人 / 144
9.1 智能搬運機器人功能解讀 / 144
9.2 機械結構設計 / 146
9.2.1 月球車底盤介紹 / 146
9.2.2 月球車底盤的驅動輪 / 147
9.2.3 月球車底盤的雙搖臂 / 147
9.2.4 智能搬運機器人的機械臂結構 / 148
9.3 硬件電路設計 / 149
9.4 控制軟件設計 / 150
第10章 創新設計實踐案例：協作機械臂 / 163
10.1 協作機械臂虛實結合挑戰賽規則 / 163
10.1.1 競賽場地 / 163
10.1.2 競賽任務 / 163
10.1.3 比賽過程 / 164
10.2 機械臂硬件結構 / 164
10.2.1 機械臂簡介 / 164
10.2.2 機械臂結構及參數 / 165
10.3 仿真實驗 / 166
10.3.1 Webots簡介 / 166
10.3.2 Webots使用 / 167
10.3.3 機械臂仿真模型 / 171
10.3.4 運動學仿真實驗 / 172
10.4 機械臂操作 / 173
第11章 創新設計實踐案例：智能救援機器人 / 176
11.1 智能救援機器人功能解讀 / 176
11.1.1 “智能救援機器人設計與制作”的競賽場地介紹 / 176
11.1.2 “智能救援機器人設計與制作”的現場對抗任務規則與得分標準 / 177
11.1.3 “智能救援機器人設計與制作”的比賽規則 / 178
11.1.4 “智能救援機器人設計與制作”的評分 / 179
11.2 機械結構設計 / 180
11.2.1 底盤介紹 / 180
11.2.2 護具把手介紹 / 180
11.2.3 夾爪介紹 / 180
11.2.4 舵機支架介紹 / 181
11.3 硬件電子電路設計 / 182
11.3.1 硬件結構設計 / 182
11.3.2 傳感器及執行機構介紹 / 182
11.3.3 硬件電路設計 / 185
11.4 軟件設計 / 190
11.4.1 主控制程序設計 / 190
11.4.2 Jetson Nano程序設計 / 194
附錄A 探索者平臺MX201配置清單 / 196
附錄B 探索者平臺MX301配置清單 / 198
附錄C 探索者平臺1615M配置清單 / 200
參考文獻 / 202