![09[机器人课堂RCX编程]第九章用工具发挥你的创造力](https://img.doczj.com/img99/04m75dgvdsx9flhaufgx-91.webp)
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本章包含的内容：
n了解更多的部件
n自制部件
n如何解决ＲＣＸ端口不够的问题
９．１简介
如果目前你已被机器人吸引住了，你可能会对机器人套装的限制感到一点不舒服你想要更多的东西，那你感觉到最大的限制是什么呢？部件的数量和部件类别，或者是ＲＣＸ仅只有三个输入输出的情况？可能你想使用新型传感器或伺服电机，为什么不试制一些气动设备呢？
如果机器人套装是你最初的ＬＥＧＯ套装，你会高兴的看到里面有许多附加部件从而推进你的创造力。机器人套装是乐高技术套装上一个补充，你也许已经了解套装中包含了什么部件并且拥有了这些部件，另外也有许多你没有想到的兼容性好的非乐高部件：红外、超声探测器、声频译码器，磁性开关和声音识别装置等等。本章中，我们将研究一些方法以提高你的应用能力。同时介绍一些重要的非乐高用户设备。
扩充部件并不是拓宽你设计思路的唯一路径。灵活的机械结构可以帮助我们克服ＲＣＸ输出端口有限的情况。你将学会单个马达同时控制两个或更多的机械装置，同时可以把这些技巧应用于第八章中提到的移动结构。
９．２接触更多部件
描述所有乐高部件是一件非常困难的事情。庞大的乐高体系包括数万种不同的部件，它们又属于不同的主题，然而它们之间结合是十分容易的。乐高的精妙之处在于：你经常会发现有些组件还有其它的功用远远超出你的想像，不管是城市主题套装、交通主题套装或者是所有乐高主题中的一种套装都有可能对你的套装有帮助，当然，搭建机器人时，自然选择乐高技术套装。
给年龄稍大的孩子介绍机械和马达是从１９７７年开始的，那时，乐高技术套装生产线已经发展成包括许多特殊部件的完善系统。你通过使用机器人套装已经熟悉了大约１４０种部件，包括在前面提及的梁、接合板、轴吊臂齿轮等。
９．２．１特殊组件的介绍
许多其它的技术组件要比机器人套装中的部件要丰富许多，例如连接臂，在最新的技术套装中普遍增加的（图９．１）。还有一种很明显趋向就是新的套装根本就不包括传统的梁和连接板，而是由连接臂轴和连接器组成。
图９．１ 连接臂
连接臂有很多用途。在第五章中我们知道可以用吊臂来代替梁支撑一个结构的层面，尤其在
垂直固定结构情况下，用连接臂来固定梁不会超出水平梁的高度，这样，在水平梁上可以加上板或梁等部件。其它普通转换物包括杠杆和臂，因为它们具有十字形孔对于轴操作起来十分方便。
在上面几章中我们曾经概括讲述了一些机器人套装中没有的齿轮，像２０齿斜齿轮、２０齿和１２齿双斜齿轮以及１６齿的离合齿轮 （图９．２４）。目前还没有齿轮套装，如果想增加你的组件，需要购买包括其它部件的技术套装模型或机器人扩展套装。
图９．２机器人套装中没有的齿轮
在装配紧凑的传动机构时，一种称为齿轮箱的特殊部件对你有很大帮助（图９．３）。图ａ结合了蜗杆和２４齿齿轮，实现２４：１减速传动比，在第二章中我们分析了蜗杆能传递运动但不能接受运动，换句话说：它只能转动其它齿轮，但不能被其它齿轮转动。我们也说过它具有自锁功能，例如起重机吊重物时的情况。齿轮箱也非常使用于高扭矩的应用，因为２４齿轮和蜗杆处于封闭体内不容易分离。
图Ｂ是三种样式中最新的一个，它与标准梁很好地结合在一起，并且可以非常方便改变运动方向或者将动力分散到各个轴上。
图Ｃ出自技术套装，在功能上与Ｂ十分相似，与其它部件结合有点困难，但具有垂直装配齿轮的优点。
图９．３齿轮箱
链条，又一个机器人套装中没有的部件，此部件有两种类型：第一种用于传递动力，在第二章中已经解释过（链节链条），第二种用于组成任意长度的履带（履带连条，第二章图２．１９）。它们都具有很好的特性，虽然分离十分简单但遗憾的是履带连接在大多数表面不能抓的很牢固。
在第八章你了解了转盘（第八章图８．１５），搭建旋转子装置的一个非常有用的部件。同时使用技术套装中的板和连接器与齿条配合特别适用于搭建掌舵装置。图９．４显示了如何组合３个
１＊１０联接板、一根齿条、两个八齿齿轮，两个掌舵臂，以及轴、联接部件搭建成一只功能齐备的齿条、小齿轮掌舵装置，两个连接板支撑底盘的梁，同时在它们的两端与掌舵臂连接，第三块连接板与掌舵臂的尾端部位相连，当保持平行时以连接板为中心；与马达（不可见）
相连的小齿轮与连接板上的齿条相啮合。注意我们使用具有８齿齿轮，一个是不够用的，因为转弯时将移动静止的连接板从而使一个齿齿轮与齿条脱离啮合，所以使用二只８齿齿轮。用销轴把两只轮子装配好。
图９．４ 掌舵装置
移动连接板是由两块１＊４的平板支撑的，此平板与板类似但没有凸点，好处是它提供了一个能使其它部件在其上滑动的作用（图９．５）。平板与齿条是产生直线运动的最好方式。
图９．５ 没有凸点的板
乐高技术套装中最大最多的部件都是仿造汽车部件的，如减震器（图９．６）和大轮子（图９．７）是比较有用的部件。减振器的用途是不受传统功能的限制，即在不平坦的或粗糙的地面上保持车轮与地面接触，你可以在许多机械装置上把它当作弹簧使用，包括缓冲器。
图９．６ 减振器
图９．７ ８４４８套装中的轮子
曲性系统能够在两点之间传递直线运动很像摩托车上的离合器或是自行车上的手刹器。可能不会经常使用它，但可以使你通过一只远距离电机来控制部件，这也说明它在搭建简易，轻易机械结构时很有用，例如我们通过此装置可以轻易使原离机器主体的手臂上的抓手打开或紧握。
图９．８曲性系统
乐高技术套装也具有一系列气动设备：大型和小型气缸、大型和小型气泵以及一些导管和阀（图９．９）。因为它具有这么多组件使许多设想都能变为现实，我们为此专门组建一章用来介绍它（第十章）
图９．９气动系统组件
技巧与提示：
选择颜色
大多数技术部件都有许多种颜色，其中包括传统乐高颜色（白、红、蓝、、绿黑和灰白和最近的一些新颜色（棕黄色）暗灰色，浅蓝色、浅绿色、石灰色紫色桔黄色和棕色）。如果你比较关
心部件的颜色，可以利用颜色使机器人更加引人注目。然而还有更多的颜色可以帮助更明显的区分机器人的机械结构。在一些设计中，我们使用两种色彩的组件构建机器人的身体：一个是连接板，另一种是梁，吊臂和所有其它的静态部件。这样多重结构一清二楚。然后我们使用一种或二种附加色在移动部件上，突出他们的功能。例如：使用一根梁作为连接机械结构的连接杆已经很显眼，如果使用非流行颜色效果就会更好。
在大型复杂的机器人系统中你可以使用颜色来鉴别他的子系统：一种色彩用来标识移动平台。另一种标识抓取臂，另一种标识转头等等。
必要时颜色也可帮我们保持导线的整齐，例如双ＲＣＸ机器人：可以用完１２个连接口但连接导线查起来很麻烦，我们使用不同颜色的小连接板放大连接头上以区分此导线与哪个马达或传感器相连。
９．２．２购买其它部件
到此你看到了所有的部件，你可能不知如何才能买到它们。有一些普通附件套装、扩充套装、服务包和普通目录册，每一种都不能同时满足你的需求，另外价格也是一个考虑的因素。
头脑风暴有许多套装，但在我们推荐使用的一些器材中有些的标价偏高。３８０１基本配件套装是一个好的选择。包括角度传感器触动传感器过程控制和其它部件。
９７３２创意套装包含一些特色部件，但也要记得在第四章中我们已说过的光纤，它可以用于角度传感器。９７３０机器人运动套装更加引人注目。它包括一只附加马达。多数奇特部件包含在９７３６中，如两个变速箱、六个轮胎、两根长电缆（３Ｍ）和一些梁、板、齿轮、连接器。
９７３５机器人套装包括一只与ＲＣＸ相似的被称为侦察器的部件。侦察器自带一只光感并具有二个输入、输出口（仅适用于触动与温度传感器）在它的控制面板驉有一只大的显示屏并提供了有限的编程能力并可使机器人起动更简易虽说这具有这种特性我们觉得有些缺陷。
两个星际头脑风暴套装９７４８开发者套装。９７５４开发者套装包括：的设备不是很多，微型侦查器与一只马达和一只光电传感器联为一体但没有提供端口它拥有７个预定义程序，而且可以作为侦察器的第三只马达来使用。我们建议你在产品时为了使用他们中的特殊部件还是要买一些，如果你确定想要另一种可编程的部件，我们强烈推荐辅助头脑风暴套装带有ＲＣＸ、二只马达、三只传感器和７００多只附加配件。
乐高也改造了９７３１视频命令视频摄像机系统。摄像机连接到你的计算机上，免费的乐高软件可以通过发射器把程序发送到ＲＣＸ上边。不要梦想识别形态和执行人为想像出的一些视觉任务。视频命令系统只允许改变屏幕的一些预定义区域只能用于基本的活动。你也会发觉连接计算机与摄像头的电缆会阻碍机器人的移动。尽管有这些限制，但视频开拓了一个新的世界。
头脑风暴套装也是一个选择技术套装也是一种选择。但当前的技术套装不包括一些扩展套装，老的技术套装有更多一些梁和连接板然而我们正在讲解更多依靠无栓的吊臂，虽有用但使用起来有些复杂如果你很幸运能够发现一些绝版的技术套装，你很幸运，他的用途更大，购买大套装更胜过小套装拥有它在装饰和装配性能更强部件在此我们不建议任何特殊的模型。每一个乐高爱好者都有自己的偏爱当然每年乐高都要推出新的品种绝版旧的品种。
尽管说了那么多，你也会买一些你所需要的部件那足可以理解的乐高提供了邮件服务称为家庭服务。根据目录你可以定购套装和组件包。近期乐高推出了网上购物，你可以在自己的计算机上订购旧件或套装。使用信用卡付款。几日后你就会收到这对于乐高爱好者来说给了极大的鼓舞。使他你有解雇进入新的阶段。任何人员都可以从一个完整的目录中订购他们需要的部件。近期，乐高只对套装进行网上购物限制服务的选择幅度正逐渐在所有的国家中ＤＡＣＴＡ毓的出售委托于专门从事经营教育项目的公司。虽然他们也向公众出售ＤＡＣＴＡ产品目的中的套装服务包包括许多经常用不到的部件像转盘，履带和一些必须保持具有量的部件如４０齿齿轮和角度传感器，然而它的价格并不便宜。
９．３创建用户组件
在下面的部分你将看到一些乐高公司没有提供的部件，特别是对马达和传感器等电子学的应用比较多。
我们理解你对于非乐高部件的态度将由热心到充满敌意，从制作自己的温度传感器你可能会发现一些利益（仅需花费２美圆而不需花３０美圆去买一个），或者你热中于给你的机器人加一只声音识别装置的机会。另一方面，你可能会认为使用了非乐高组件违反了竞赛的规则或者是你更喜欢乐高组件而不喜欢用外来组件损坏它。
我们不能也不会推荐一种的观点，只有你自己作出选择。我们亲自打开一些非原造设备倘若他们像乐高组件这样能够证实乐高积木使用标准乐高导线和连接器很类似原装件。然而铝联接器的使用，黄铜螺帽和能穿过乐高梁的螺钉轴或连接板减小到匹配尺寸，可视的芯片和电阻对我们而言都是不可接受的损伤，这是我们自己的选择。
呼吁不使用乐高组件比如你挑战自我或其他人想要达到更高的目标多数时间我们建造乐高机器人只有当我们想出某些特殊的轴时我们才使用其他设备。而乐高组件又不能完成时，它与乐高部件一样也是十分重要的当参加竞赛和公开挑战时那是所有竞赛者所需的同样资源到那里自然也就没有不公平之说了。
从另一个角度考试，如果你使用非乐高部件做试验的话，你的水平就会变得更高，在这里我们将提供一些具体的实例。假设，你使用乐高部件建造机器人通过ＲＣＸ运行的话，我们只讨论非乐高传感器的和马达应用。
乐高公司从没有发布过关于它的电子设备的内部结构的信息，目前向公众发布的大部有用的详情都基于研究分析传感器和马达内部结构的计算机爱好者。迈克在研究乐高的电子设备上作出了大量贡献，同时也为我们提供了参考。如果你会或者朋友会焊接，用户传感器制作起来还是相当简单的。本章我们介绍一些你能够做的传感器。
９．３．１创建用户传感器
最简单的是用光敏电阻制作光电传感器（图９．１０）．本传感器比传统乐高光感与测周围环境光时有很大优点，但它具有对感知光线变化比较慢的缺陷。使用二个ＣＤＳ和一些电子器件你可以制作混光传感器，假如两个接收口接收的光线有差别它只会告诉你一个光值，这对于精确光源十分有用。
图９．１０单和双ＣＤＳ光电传感器
图９．１１展示了一只用鼠标制作的触动传感器，打开一只坏的鼠标器你会发现有许多微型开关与按钮相连，把这些微型开关从电路板上分离换一块电路板再焊好最后加一些部件到开关上。
图９．１１利用鼠标开关制作的触动传感器
对于用户传感器的开发有许多人在做并在网站上提供了用法说明，其中也有一些网站出售套件或成型传感器。Ｐｅｔｅ制作出一种比较好的传感器，他制的这款传感器与乐高积木配合十分紧密图９．１２展示了他所制的三个传感器，ＩＲＰＤ是基于ＩＲ光电接近测量系统，我们在第四章已做过介绍，此种传感器的优点是你不需对你的程序做任何修改仅仅读取传感器的值就行了。ＩＲＰＤ有一种难以置信的应用范围，它非常适合于测量障碍物，当然你也可以使用它控制你的机器人随着你的手移动来触发机机械手的抓取特性，抓取苏打罐或在比赛中定位对物这在第四章中已做过介绍。接近探测技术不能测量距离。但它可以告诉你一个物体正在向你靠近或是进行侦测范围图９．１２中最右边的传感器是一种双重的ＩＲＰＤ它能够在一个大角度内探测障碍物也能告诉你障碍物所在的方位。
图９．１２ 不同类别的红外传感器
Ｓｅｖｉｃｋ也制作出音调传感器，一种复杂的声音传感器，它能返回一个与接受到的声音成比例的值。你可以通过简单的口哨或笛来控制你的机器人。
Ｊｏｈｎ Ｂａｒｎｅｓ是一位具有天赋的用户传感器制作者。它制作的第一只乐高超声波传感器（图９．１３），它是一只能够通过检测发射声波和反馈声波延迟的测距传感器，设备类似于声纳，此传感器发射超声波信号（听不见的），接收反馈，从而显示出一个说明它与最近物体的距离的值。这些传感器的应用领域与ＩＲＰＤ传感器相似，还有更大的优点，超声波传感器能够返回一个绝对距离值，意味着你的机器人能够改善行走路线的能力，它不仅可以避开障碍物而且还可以计算机出最佳的运行路线。
图９．１３ 超声波传感器
Ｂａｒｎｅｓ组装了许多设备，包括一个具有３．７５度分辨率的指南针和焦热电传感器。指南针传感器酷似一块积木，在它的外表面没有任何部件，但在其内部包含一只小的电子指南针和一块能够把方位值输出给ＲＣＸ的电路。把指南针传感器与ＲＣＸ输入端口连接起来，将它设定为光电传感器，它可以返回０－９５之间的值：０值代表北２４值代表东４８代表南７２代表西。通过ＲＣＸ机器人可以知道自己的方位以使实现走直线和控制自己的路线。
图９．１４指南针传感器
图９．１５焦热电传感器
焦热电传感器外部有一个用于接收任何带热物体产生的红外光线的小孔。它需要一段时间来适应周围的辐射，但之后它可以侦测到光线强度的任何变化。这几个特性不适用于移动的机器人，但如果要求机器人发现人后立即做一些动作此传感器就显得很重要。
比特制造的设备中声音识别装置是最令人惊奇（图９．１６）。在一个短暂的教导后，你可用一个或几个简单的词控制你的机器人像走、停、左转、拿，并观察你的机器人完成它们的任务。因为它含有自己的电池组所以有点大、重，因此它不易装在简易机器人上，然而它使每一个科幻小说爱好者的梦想变为现实：让机器人能对声音命令作出反应。
图９．１６ 语音识别装置
无接触开关也是一样十分重要的工具，开关的关闭不需要与传感器的外部物理接触，迈克的普通模拟接口与Ｈａｌｌ－ｅｆｆｅｃｔ侦测器集成在一起变成一只能够测量磁场的传感器（图９．１７）。Ｈａｌｌ－ｅｆｆｅｃｔ侦测器是一只能够根据有无磁场返回不同信号的小型集成电路，把一只小的永久磁体粘在乐高销上你可以轻松的把它装在机器人任何移动的部件上，当磁场靠近传感器时传感器便发现它了。
图９．１７ Ｈａｌｌ－Ｅｆｆｅｃｔ传感器
克里斯使用一个便宜的便与装配的簧片开关来达到与Ｈａｌｌ－ｅｆｆｅｃｔ 传感器的结果，簧片开关由二个彼此相距的金属片构成一只球状物，当你把球状物放在一个磁场内时金属盘吸合，接通电路，小的永久磁体是引发此传感器的理想部件。比如应用于一对车子，但它也适用于一些其它的场合：它几乎在所有的场合都可以代替触动传感器。仿效角度也十分奏效。
图９．１８展示了一只簧片球状体使用一只１００大电阻和乐高电路板装配的方法，传感器最后被封闭在一只中空的积木内使它看来很像一只标准的乐高组件。
图９．１８ 簧片开关
９．３．２ 端口限制的解决方法
一些出现在乐高机器人技术体中的电子部件可以解决端口数受限的困难，常用的方法包括多
路技术（将多个信号源合成一个单独的信号）。Ｍｉｃｈａｅｌ Ｇａｓｐｅｒｉ介绍了如何制作一个能够支持三个触动传感器并且能够让ＲＣＸ感知它们各自状态的分配器（图９．１９）。此装置利用ＲＣＸ读取
原始数据数值而不是简单的开、并状态，并可返回三个传感器任何一个单独的数据。
图９．１９ 三个触动传感器的分配器
Ｎｉｔｉｎ Ｐａｔｉｌ设计出一种更复杂的多路复合器，用于把三个传感器（像原始光电和角度传感器或者其它用户传感器像ＩＲＰＤ、声音等传感器）连接于一个单独输入端口，有源传感器仍使用
全部的原始值，因而这个装置不能像三个触动传感器分配器那样把三个信号合成为单独数
值。事实上，ｐａｔｉｌｓ设备每次联结传感器到端口上时需要ＲＣＸ发送一个脉冲选择需要的传感器（９．２０）
图 ９．２０ 三路有源传感器分配器
Ｐｅｔｅ Ｓｅｖｃｉｋ的限位开关，虽然不是一个分配器，但可以把两个触动传感器和一个马达合并到同一个输出口以节约一些端口（图９．２１），关闭一个开关，马达就被ＲＣＸ控制，当按下一个触动传感器时，内部电路阻止马达向一个特定的方向转动，因此机械装置自动限制运动。如果
你的机器人有一只转动的头，限制开关可以使它向人一样左右摆动而这功能的实现只使用一
只端口。
图 ９．２１ 限位开关
输出端口多路技术虽说技术上可以实现，但并没有像输入端口的多路技术那样受人重视，所
以很少有文章介绍这个主题。焦点似乎在使用不同的马达，特别是伺服电机，伺服电机常应
用在无线电控制的模型车辆中来控制车辆转弯、移动副翼和处理其它可移动组件，伺服电机
具有价格便宜、扭矩高的特点，因此它们在一些应用中是比较理想的部件，但ＲＣＸ不支持这种特殊的波形的能量输出，Ｒａｌｐｈ Ｈｅｍｐｅｌ做出一个简单的电子转换接口进行适当的转换，从而
与乐高进行配合。
注：电子扩充设备的数量是庞大的而且仍在增长。如果你对这些设备感兴趣，我们再次建议
你访问附录中的一些网络地址。
９．４解决更多ＲＣＸ端口需求的方法
当你对乐高机器人逐步了解后，希望搭建出一些比自己以前搭建的更复杂的机器人，然而你会很快的发现ＲＣＸ所拥有的端口数太少了，三个马达三个传感器对你而言是不是少了一些呢？其实很多乐高爱好者都有同感。
在第四章，我们讲述了把一些传感器连接到一个单输入端口的技巧。我们将在此描述利用乐高组件的一些技巧，允许你稍微扩展马达输出口。
在某些应用中观察一下，不需要一个马达在两个个方向转动，仅需一个马达控制一个方向，这样就可以利用一个马达驱动两个个不同的齿轮机构。图９．２２展示了这种应用方式：马达的驱动轴装了个只２４齿齿轮，且只能朝一个方向转动。两根１ｘ４梁的作用很像防倒转的棘齿，它能让齿轮向一个方向转但不能反向转动。如果把马达连到差动齿的齿轮上，它将根据马达的旋转方向驱动左轴或右轴。
另外一种机构如图９．２３所示，蜗论沿着轴自由滑动。
图９．２２基于两个轴的快速旋转运动
图９．２３分布不均的涡轮
因为输出轴Ｂ和Ｃ上有少量摩擦力，当Ａ轴顺时针转动时，蜗杆向左移动直到它与Ｂ（８齿齿轮）啮合并被梁顶住。Ａ轴逆时针旋转，蜗杆向右移动，与Ｂ脱离和Ｃ啮合，因此使用单输入轴你可得到二组输出，每一组都有一根轴顺时针转另一根逆时针转，你最好自己亲自动手试验一下，这种结构几乎难以置信。
把理论应用于实际中，让我们一起讨论如何把这些原理应用于第８章中，差动机构是一个非常好的起点，你能使用一只马达驱动两只轮子吗？你能使用差动齿轮把动力分成２路输出，然后仿制图９．２２的结构，为其中一只轮子加上棘齿梁（图９．２４）当向前运动时，马达通过差动机构驱动两只轮子，它们其中一只轮子不能向反方向运动，使机器人重心在它附近。它可能走不了直线，不能适当地转弯，因此这种结构仅仅是使用ＲＣＸ一只端口的一种。
图 ９．２４ 单个马达驱动的差动装置
在第八章中展示的双差动装置是一种非常好的解决方法。它只使用一只马达驱动机器人走直线路径，另一只马达用于改变方向。你用一些类似于图９．２２的机械结构替换掉这些马达，用差动机构的输出轴替换马达的轴，我们应给后部的差动齿轮加一只马达，当以一种方向运行时，机器人向前行进，相反机器人会在原地转圈。它的工作原理并不像我们认为的那么简单。
即使在同步装置中（图９．２５）也可通过使用一只马达控制所有的运动。因为同步驱动装置能自由的让轮子转动任何角度，你可以让它们保持同一方向旋转直到到达预定的位置。使用图９．２２中的设计，使用差动机构的一根输出轴控制转向机构而另一根轴提供驱动力。
当马达向一个方向转动时，轮子的方位发生改变，当马达向另一个方向转动时，机器人被轮子带动向前运动，但机器人使用此结构不能向后运动。因为此结构的轮子可以对着任何一个方位，通过１８０度转向即可实现反向运动。使用此方式你可以完成上述的运动，将多余的两个端口用于其它驱动机构。
图９．２５单马达同步机构
单马达三轮机构也是可行的，它在结构上与单马达同步机构十分相似，具有一个既产生动力又控制方向的前轮与后部的两只自由轮组成。
使用两个分离轴转弯的方法不会占用其它端口，在多数情况下，你必须用马达控制传动系统的二个方向，然而你并不是要求所有的马达都同时运动。例如在一只具有三个独立运动的手臂上，你使用三只马达，每次只使用一只并没有影响整体功能。这种想法是在几个输出口使用其中一只输出端口上的马达控制另一只马达，用作另一只马达的开关。这种方式需要二只马达和占用二个端口，但可以为你提供虚拟双向输出，在任何时候只有一只马达运行，图９．２６展示了此装置的操作方法。底部的马达驱动１６齿齿轮，此结构的另一边有五个８齿齿轮输出。但并没有与１６齿轮相连，顶部的第二只马达通过一只１６齿轮与另外五个输出１６齿轮中的
一只齿轮联结，并使转换齿条移动。我们用一只触动控制转换齿条的位置。当齿轮在五个匹配位置时用黑色栓把转换依次固定。根据最大尺寸此结构适用于表态机器人。
图９．２６把一只马达的输出转弯为五个轴的输出
前面的例子要求两只输出端口和一只输入端口。既然这样我们通过使用步进马达可以省下一个输入端口。步进马达是一种可以用脉冲控制旋转角度、方位的马达。步进电机非常普通。你可以在任何一台打印机或扫描仪上和在数字机械工具中获取。乐高不提供步进电机，ＲＣＸ也没有明确的指令对其进行控制。罗伯特发现了一种完美的乐高解决方案。我们目前将介绍的版本在罗伯特原始结构上有了一点变动。（看图９．２７）此结构通过皮筋使输出轴在缺省位置。你为马达提供短时动力，使轴可以突破皮筋的阻力。使轴转动一半以上。现在把马达定义为浮动模式，等待短的间隔，使皮筋完成轴的转动。任何脉冲产生运行或浮动运行时，输出轴都会转一圈。
图９．２７ 步进电机
此系统的优点是计时不受限制，即它转过半圈不会受时间限制。即使出现浮动现象也没有关系，皮筋会使轴复位。
小结
在本章中，我们讨论了扩展部件与扩展套装、用户传感器和使用一只马达完成多个任务的技巧：
■特殊部件来自其它一些套装。不幸的是，这些部件不一定买得到，因为这些部件都是包含在一些特殊的套装中，有可能其它部件对于你来讲都不需要。乐高网络商店体系正在壮大，并能开展网上购物，乐高ＤＡＣＴＡ供应商开办的在线商店将给你带来很大选择的余地。
■用户传感器是一个新的领域，把乐高带入了一个崭新的世界。你想让你的机器人测量它与周围物体的距离是多少吗？很简单。你想使你的机器人听从声音命令吗？这也可以做到。距离测量、声音传感器、电磁转换器、电子指南针、输入扩展器，总之互联网上有许多介绍你如何购买这此兼容传感器的站点。
■机械技巧差动结构与棘齿轮使你可以用一只马达为多个机械结构提供动力。你可以把一只马达的动力分配到两只轴上。这个方式使一个马达驱动一个完整机械平台的的设想得以实现。
虽然目前在比赛中非乐高部件被禁止，但只要我们有恒心，就一定能够推进它进入比赛中。就像一开始时许多头脑风暴机器人也不允许进行乐高比赛是一样的。
双足机器人制作及其步态运行 一、实验目的 1 . 掌握实验室设备使用方法 2 . 学会AutoCAD知识并运用以及学习arduino单片机的基本开发 3 . 了解双足机器人平衡控制方法。 二、原理说明 1．Arduino使用说明 Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE)。它构建于开放原始 码simple I/O介面版，并且具有使用类似Java、C语言的 Processing/Wiring开发环境。主要包含两个主要的部分：硬件部分是可 以用来做电路连接的Arduino电路板；另外一个则是Arduino IDE，你的 计算机中的程序开发环境。你只要在IDE中编写双足步态程序代码，将 程序上传到Arduino电路板后，程序便会告诉Arduino电路板要做怎样 的步态运行。 2 . 双足步态算法 双足机器人平衡控制方法其中的“静态步行”（static walking），这种方法是在机器人步行的整个过程中，重心（COG，Center of Gravity）在机器人底部水平面的投影一直处在不规则的支撑区域（support region）内，这种平衡控制方法的好处是整个机器人行走的过程中，保证机器人 稳定行动，不会摔倒。但是这个平衡控制方法缺点是行动速度非常缓慢 （因为整个过程中重心的投影始终位于支撑区域）。另一种使用的平衡 控制方法是“动态步行”（dynamic walking），在这个控制方法中机器 人的步行速度得到了极大的飞跃，显而易见，在得到快速的步行速度同 时，机器人很难做到立即停止。从而使得机器人在状态转换的过程中显 现不稳定的状态，为了避免速度带来的影响。零力矩点（ZMP）被引入 到这个控制策略中，在单脚支撑相中，引入ZMP=COG。引入ZMP的好 处在于，如果ZMP严格的存在于机器人的支撑区域中，机器人绝不摔倒。
机器人的位置检测传感器 测量可变位置和角度，即测量机器人关节线位移和角位移的传感器是机器人位置反馈控制中必不可少的元件。常用的有电位器、旋转变压器、编码器等。其中编码器既可以检测直线位移，又可以检测角位移。下面是几种常用的位置检测传感器。1、光电开关2、编码器3、旋转变压器。二、机器人速度、角速度传感器：1、编码器对任意给定的角位移，编码器将产生确定数量的脉冲信号，通过统计指定时间（dt）内脉冲信号的数量，就能计算出相应的角速度。dt越短，得到的速度值就越准确，越接近实际的瞬时速度。但是，如果编码器的转动很缓慢，则测出的速度可能不准。通过对控制器的编程，将指定时间内脉冲信号的个数转化为速度信息就可以计算出速度。2、测速发电机测速发电机是一种把输入的转速信号转换成输出的电压信号的机电式信号元件，它可以作为测速、校正和解算元件，广泛应用于机器人的关节测速中。3、位置信号微分如果位置信号中噪音较小，那么对他进行微分来求取速度信号不仅可行，而且很简单。为此，位置信号应尽可能连续，以免在速度信号中产生大的脉动。所以，建议使用薄膜式电位器测量位置，因为绕线式电位器的输出时分段的，不适合微分。然而，信号的微分总是会有噪音的，应该仔细处理。三、机器人接触觉传感器：机器人接触觉传感器是用来判断机器人是否接触物体的测量传感器。传感器输出信号常为0或1,最经济适用的形式是各种微动开关。常用的微动开
关由滑柱、弹簧、基板和引线构成，具有性能可靠、成本低、使用方便等特点。接触觉传感器不仅可以判断是否接触物体，而且还可以大致判断物体的形状。一般传感器装在末端的执行器上，除了微动开关外，接触觉传感器还采用碳素纤维及聚氨基甲酸脂为基本材料构成触觉传感器。机器人与物体接触，通过碳素纤维与金属针之间建立导通电路，与微动开关相比，碳素纤维具有更高触电安装密度、更好的柔性、可以安装在机器手的曲面手掌上。四、机器人接近觉传感器、机器人接近觉传感器能感知相距几毫米到几时厘米内对象物或障碍物的距离、对象物的便面性质等的传感器，其目的是在接触对象前得到必要的信息，以便后续动作。接近觉传感器有许多不同的类型，如电磁式、涡流式、霍尔效应式、光学式、超声波式、电感式和电容式等等。五、机器人姿态传感器：姿态传感器是用来检测机器人与地面相对关系的传感器，当机器人被限制在工厂的地面时，没有必要安装这种传感器，如大部分工业机器人。但当机器人脱离了这个限制，并且能够自由的移动，如移动机器人，安装姿态传感器就成必要了。典型的姿态传感器是陀螺仪，他利用高速旋转物体（转子）经常保持一定姿态的性质。转子通过一个支撑它的，被称为万向接头的自由支持机构，安装在机器人上。机器人围绕着输入轴仅转过一个角度。在速率陀螺仪中，加装了弹簧。卸掉这个弹簧后的陀螺仪成为速率积分陀螺仪，此时输出轴以角速度旋转，且此角速度与围绕输入轴的转角速度成正比。姿态传感器设置在机器人的躯干部分，它用来检测移动中的躯干部分，它用来你
M ac hine B uilding A uto mation,Jun 2008,37(3):21～23,33 作者简介:马东兴(1982— ),男,江苏省丹阳市人,在读硕士研究生,主要从事虚拟样机和四足机器人技术研究。 新型四足机器人步态仿真与实现 马东兴,王延华,岳林 (南京航空航天大学机电学院,江苏南京210016) 摘 要:研究一种背部带关节的新型四足机器人,通过三维建模软件Pr o /E 和机械系统动力学 仿真分析软件ADAMS 建立了四足机器人虚拟样机,规划了四足机器人的步态,并且利用AD 2AM S 仿真软件对该四足机器人进行了步态仿真,同时利用单个AT89C52单片机成功实现对四足机器人5个舵机的独立控制以及舵机的速度控制。仿真与实验结果表明四足机器人能够根据设计步态实现直线行走。 关键词:四足机器人;步态仿真;舵机;单片机中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:167125276(2008)0320021203 Ga it S i m ul a ti on and I m plem en t a ti on of a New Quadruped Robot MA Dong 2xing,WANG Yan 2hua,Y UE L in (Co ll ege o f M echan i ca l and E l ec tri ca l Eng i nee ri ng,N a n ji ng U n i ve rs ity o f Ae r o na u ti c s & A s tr o na u ti c s,N a n ji ng 210016,C h i na ) Abstract:A new qua drup e d r obo t w ith w a ist 2j o i nt is d iscu sse d i n this p ap e r .The virtua l p r o t o type o f quad rup ed r obo t is c re a te d by P r o /E a nd ADAM S a nd the ga it o f the r obo t is p l a nne d.The ga it s i m ul a ti o n of the qua drupe d r o bo t is do ne by ADAM S virtua lp r o t o ty 2p i ng so ft w a re.M e a nw hil e ,w e succe s sfull y con tr o l fi ve rudde r se rvo s by a s i ngl e AT89C52SCM a nd a lso rea li ze the ve l o c ity co ntr o l of the rudde r se rvo.The s i m ul a ti o n a nd e xp e ri m e nta l re sults show tha t the qua drup e d r o t w ith w a is t 2j o i n t ca n w a l k s tra i ght s te a dil y thr ough the de s i gned ga it . Key words:qua drup e d r obo t;ga it s i m ul a ti o n;rudde r se rvo;SCM 0 引言 与轮式机器人或履带式机器人相比,由于足式机器人的立足点是离散的点,可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点,足式机器人对崎岖路面也具有很好的适应能力,因此足式机器人受到各国研究人员的普遍重视,目前已成功开发了多款足式机器人。例如日本东京工业大学 研发的TI T AN 2V III [1] 机器人,每个腿具有3个自由度,其 中大腿关节具有前后转动和上下转动2个自由度,膝关节具有1个上下转动自由度。采用新型的电机驱动和绳传动。上海交通大学马培荪等人研制的JT UWM 2III 四足机器人[2, 3] ,腿为开链式关节型结构,膝关节为一纵摇自由 度,髋关节为纵摇和横摇2个自由度。每一腿有3个自由度,共12个自由度。机体重心较高,与哺乳类动物相似,适应于动态行走。华中科技大学研发的“4+2”多足步行机器人[4, 5] ,其腿部件由髖关节、大腿关节、小腿关节和踝 关节四部分组成,大、小腿关节之间由线轮传动,每一腿有 3个自由度。但是先前研制的机器人的本体大多是一个 刚性整体,没有考虑机器人的背部关节。 因此,在分析卡内基梅隆大学(Carnegie Mell on Uni 2 versity )研制的RGR 仿壁虎机器人[628] ,以及韩国庆北大学(Kyungpook Nati onal University )设计的E L I RO 2II 四足步行机器人的基础上[9, 10] ,研究了一种新型四足机器人。 该机器人与传统的足式机器人相比,其机器人本体不再是 一个单一的刚性整体,而是在本体上用一个主动关节将机 器人的本体分为前后两个部分,通过背部主动关节的运动来实现四足机器人的直线行走。通过机械系统动力学仿真分析软件(aut omatic dynam ic analysis of mechanical sys 2te m s,ADAMS )对该四足机器人虚拟样机进行步态仿真,同时利用单个AT89C52单片机成功实现对四足机器人5个舵机的独立控制以及舵机的速度变化,四足机器人的直线行走平均速度达到12.14mm /s 。 1 四足机器人虚拟样机 1.1 四足机器人结构 传统的四足机器人每个腿有2个或3个自由度,本文研究的四足机器人结构简单,每个腿只有1个自由度,但是在机器人背部增加了1个自由度。四足机器人的结构如图1所示。该四足机器人有5个主动关节(图中关节1至关节5)和1个被动关节(6点),各关节的运动方向如图1所示。主动关节由舵机驱动。z 轴正方向为四足机器人前进方向。关节1至关节4四个主动关节可以使各腿在xoy 平面上下摆动。关节5可以使前后本体在xoz 平面转动。 1.2 四足机器人接触力 当足与地面之间发生接触时,这两个物体就在接触的 ? 12?
第八课机器人循光 教学目标：1、了解红外线传感器的工作原理。 2、了解机器人平台中条件循环模式的设置方法。 3、学会编写机器人循光运动的程序。 1、重点：学会编写机器人循光运动的程序。 2、难点：计数循环控件的设置，学会编写机器人循光运动的程序。 教学准备： 多媒体控制软件、机器人平台 教学过程： 一、导入新课 1、前面我们学习了如何使学生机器人前进、后退、转弯、唱歌，今天我们看看能不能使机器人跟光行走和追逐白纸呢？ 2、要实现机器人跟光行走和追逐白纸，要作用红外线传感器。 3、红外线传感器的工作原理是由红外线发光管发出红外线，用接受管检测是否有反射光，判断是否有障碍物。 二、教学新课 1、编写程序。 （1）打开“学生机器人平台”窗口，单击“文件（F）”菜单中的“新建（N）”命令，新建一个程序。 （2）添加“流程控制”模块中的“条件循环”控件，并连接“Main”控件。 添加“执行控件”右击“执行”控件，选择“属性”命令，在“IO6”对话框中打√。（3）添加单分支结构语句，打开“流程控制”对话框。选定“单分支”，将“单分支”拖动到“IO”设置后面并设置。 选定“伺服电机2”，将“转动角度”设定为“100°”。 （4）学生讨论原理 原理其实和避障差不多。当机器人前方有手电光亮的时候，直行，没有光亮就停止。再外面套个条件循环就可以实现了。仍然是读IO6传感器，当IO6=0说明没有障碍，即没有灯光时，停止；当IO6=1说明前方有障碍，即循着光了，便直行。 （5）单击“保存”按钮，保存文件。 2、下载程序 （1）单击“编译”按钮，进行程序编译。 （2）用下载线将计算机与机器人主板接口对接，打开学生机器人的电源开关，将学生机器人置于复位状态。 （3）单击“程序下载到主控芯片”按钮，将程序下载到学生机器人主板芯片中。完成后关闭电源，拔下下载线。 3、启动机器人。 （1）打开电源开关 （2）当等待执行指示灯闪烁时，按下运行键，学生机器人开始动作。 三、全课小结 1、现在让我们来欣赏我们的机器人循光给我们看吧！； 2、思考：如何使得学生机器人在更为复杂的光线中工作； 四、作业； 1、完成课本上的“实践园”；编写一段程序，使得学生机器人跟光行走；
第十二课自动光控路灯和报晓机器人 [教学目的与要求] 以乐高机器人为例，指导学生设计制作一个自动光控路灯；以通用机器人为例，指导学生设计制作一个报晓机器人。 [教学难点] 1、了解光电传感器的作用和使用方法； 2、做好机器人的测试和程序的调试。 [教学方法] 讲授法、启发式、课件演示结合实践操作等直观教学法 [教学准备] 1、电教室内利用电脑播放自制的教学课件； 2、课前打开电脑。 [教学过程和具体内容] 导入： 同学们，上节课我们通过自己的双手编写了程序，然后将它“植入”了机 器人的大脑，使机器人真正在我们身边动了起来。但机器人的功能仅仅是在我们身边运动吗？答案是否定的，今天我们就要利用机器人来实现我们在日常生活中的一些简单需求。 一、自动光控路灯 利用准备好的乐高机器人器材设计制作一个自动光控路灯。 1、所需器材：光电传感器一个、导线、RCX一个、灯泡一个、组件若干。 2、光电传感器的使用及原理： 乐高光电传感器被封装在两个2*4的积木块中，在传感器的一端，可以看到两个灯，光电传感器工作时，红灯发出光线，照到物体表面，白灯接收反射 回来的光线，同时，在RCX上会显示接收到的反射光值。乐高光电传感器的光 值以0至100的数的形式返回，光线越亮，数值越大；光线越暗，数值越小。（根据书上P91先完成试一试的内容） 3、自动光控路灯的设计 A、任务分析
白天马路边的路灯关着，天黑了，当光电传感器接收到的光线变暗时，RCX 会自动打开路灯；天亮了，光电传感器接收到的光线又变亮时，这时RCX将自动关闭路灯。这样通过自然光的变化便能实现自动光控路灯。 B、具体步骤 a、搭建自动光控路灯（看老师演示）； b、程序的创建（看课件演示或多媒体现场演示制作、程序略）； c、下传程序（RCX是利用红外线发射塔）； d、运行程序，观察结果； e、进一步修改程序和参数，完善任务。 二、报晓机器人 再以通用机器人为例，设计制作一个报晓机器人。 1、所需器材：利用通用机器人的左右光敏传感器。 2、通用机器人光敏传感器的使用及原理： 通用机器人有16个双向I/O（输入/输出）端口，打开和关闭不同的I/O 端口，机器人就会有不同的反应。通用机器人的左、右光敏传感器分别位于车 身前端下面的左、右两侧，端口分别是PIN14和PIN15[可理解为14号、15号（输入/输出）端口]。通用机器人的光敏感器只能分辨浅色和深色，其默认值为： 功能照在浅色（白色）时 照在深色（黑色）时 左光敏传感器 ：PIN14=0 ：PIN14=1 右光敏传感器 ：PIN15=0：PIN15=1 3、制作报晓机器人 A、任务分析 晚上，地面是黑色，（：PIN14）和（：PIN15）的值都为1，这时我们让机器人也安静地睡觉。天亮了，地面是白色，（：PIN14）和（：PIN15）的值都
基于惯性传感器的机器人姿态监测系统设计一、设计背景 空间飞行器的惯性测量系统、机器人的平衡姿态检测、机械臂伸展确定等许多方面都需要测量物体的倾斜和方向等姿态参数。机器人的运动过程中要不断的检测机器人的运动状态，以实现对机器人的精确控制。.本文研究的基于MEMS 惯性传感器姿态检测系统用于检测自平衡机器人运动时姿态，以控制机器人的平衡。 随着微机电系统（MEMS）技术的发展，采用传感器应用到姿态检测系统上的条件变得成熟。基于MEMS 技术的加速度传感器和陀螺仪具有抗冲击能力强、可靠性高、寿命长、成本低等优点，是适用于构建姿态检测系统的惯性传感器。利用MEMS 陀螺仪和加速度传感器等惯性传感器组成的姿态检测系统，能够通过对重力矢量夹角和系统转动角速度进行测量，从而实时、准确地检测系统的偏转角度。 由于惯性传感器随着时间、温度的外界变化，会产生不同程度的漂移。通过对陀螺仪和加速度计的采集数据进行数据融合，测量的角度与实际的角度相吻合，取得了良好的控制效果。同时该系统具有独立，易用的特点，其应用前景广泛。 二、基本原理 在地球上任何位置的物体都受到重力的作用而产生一个加速度，加速度传感器可以用来测定变化或恒定的加速度。把三轴加速度传感器固定在物体上，在相对静止状态下，当物体姿态改变时，加速度传感器的敏感轴相对于重力场发生变
化，加速度传感器的三个敏感轴分别输出重力在其相应方向产生的分量信号。 当系统处于变速运动状态时，由于加速度传感器同时受到重力加速度和系统自身加速度的影响，其返回值是重力加速度同系统自身加速度的矢量和。对加速度传感器温度漂移及系统振动和机械噪声等方面的考虑，加速度传感器不能独立运用测量系统的姿态。陀螺仪能够提供瞬间的动态角度变化，由于其本身的固有特性、温度及积分过程的影响，它会随着工作时间的延长产生漂移误差。因此对于姿态检测系统而言,单独使用陀螺仪或加速度计，都不能提供系统姿态的可靠估计。为了克服这些问题，数据融合算法需使用加速度传感器的测量值并使用陀螺仪测得的角速度数据对加速度传感器数据进行融合和矫正。 图1加速度传感器 系统依据上一时刻的重力矢量方向的估计值，结合陀螺仪测得的角度值计算出当前时刻的重力矢量方向，再与当前时刻加速度传感器返回的矢量方向进行加权平均，得到当前矢量方向的最优估计值。 三、系统框架 姿态平衡检测系统中，控制单元采用单片机来完成控制,数据采集与处理，数据通讯等功能。根据对资料的分析,同时对性能价格比的衡量，惯性测量单元
第9课机器人循光 教学目的： 1.了解红外线传感器的工作原理。 2.了解机器人平台中条件循环模式的设置方法。 3.学会编写机器人循光运动的程序。 教具准备： 1、多媒体机房。 2、极域教学系统。 3、相关图片、课件。 教学重点与难点： 1.重点：学会编写机器人循光运动的程序。 2.难点：计数循环控件的设置，学会编写机器人循光运动的程序。 课时安排：1课时。 教学过程： 一、导入新课 1、前面我们学习了如何使学生机器人前进、后退、转弯、唱歌，今天我们看看能不能使机器人跟光行走和追逐白纸呢？ 2、要实现机器人跟光行走和追逐白纸，要作用红外线传感器。 3、红外线传感器的工作原理是由红外线发光管发出红外线，用接受管检测是否有反射光，判断是否有障碍物。 二、教学新课 1、编写程序。 （1）打开“学生机器人平台”窗口，单击“文件（F）”菜单中的“新建（N）”命令，新建一个程序。 （2）添加“流程控制”模块中的“条件循环”控件，并连接“Main”控件。 添加“执行控件”右击“执行”控件，选择“属性”命令，在“IO6”对话框中打√。
（3）添加单分支结构语句，打开“流程控制”对话框。选定“单分支”，将“单分支”拖动到“IO”设置后面并设置。 选定“伺服电机2”，将“转动角度”设定为“100°”。 （4）学生讨论原理 原理其实和避障差不多。当机器人前方有手电光亮的时候，直行，没有光亮就停止。再外面套个条件循环就可以实现了。仍然是读IO6传感器，当IO6=0说明没有障碍，即没有灯光时，停止；当IO6=1说明前方有障碍，即循着光了，便直行。 （5）单击“保存”按钮，保存文件。 2、下载程序 （1）单击“编译”按钮，进行程序编译。 （2）用下载线将计算机与机器人主板接口对接，打开学生机器人的电源开关，将学生机器人置于复位状态。 （3）单击“程序下载到主控芯片”按钮，将程序下载到学生机器人主板芯片中。完成后关闭电源，拔下下载线。 3、启动机器人。 （1）打开电源开关 （2）当等待执行指示灯闪烁时，按下运行键，学生机器人开始动作。 三、全课小结 1、现在让我们来欣赏我们的机器人循光给我们看吧！ 2、思考：如何使得学生机器人在更为复杂的光线中工作呢？ 四、作业 1、完成课本上的“实践园”。 编写一段程序，使得学生机器人跟光行走。 2、完成课本上的“成果篮”。
机械人城市地下综合管廊有毒有害气体监 测系统方案 一、概述 在我国，石油、化工、煤炭、从事非常规、非连续作业的有限空间（如炉、塔、釜、槽车以及管道、烟道、隧道、下水道、沟、坑、井、池、涵洞、船舱、地下仓库、储藏室、地窖、谷仓等）等行业有
毒气体泄漏时有发生，这些灾难发生之前的预防与发生后，现场环境具有复杂性和危险性。为降低现场探测时对检测人员的伤害，并实现对事故现场的远程监控，深圳市圣凯安科技专门设计了基于机器人上用的有毒有害可燃气体传感器（SKA/NE-7）。SKA/NE-7可以在机械人在移动中实时传输实地检测的多种有毒有害气体，且机器人可以搭载高清相机实时视频画面检测，通过无线传输功能，能够将现场的数据实时传送给指挥中心。 在我国，石油、化工、煤炭、从事非常规、非连续作业的有限空间（如炉、塔、釜、槽车以及管道、烟道、隧道、下水道、沟、坑、井、池、涵洞、船舱、地下仓库、储藏室、地窖、谷仓等）等行业有毒气体泄漏时有发生，对人身安全的威胁也越来越大，这些灾难发生后，由于现场环境的复杂性和危险性，救援工作往往很难开展，也给救援队员的生命安全带来很大隐患。因此需要一种能够代替救援队员深入到危险区域并探测现场有用信息的监测机器人。目前工业应用领域的有害气体检测仪器大多是固定式或便携式的。使用固定式检测仪器，只能在安装点及其附近进行数据测量，检测范围小，局限性大；使用便携式检测仪器，仍需人员手持到现场进行操作。在石油、化工、煤炭、从事非常规、非连续作业的有限空间（如炉、塔、釜、槽车以及管道、烟道、隧道、下水道、沟、坑、井、池、涵洞、船舱、地下仓库、储藏室、地窖、谷仓等）等行业，生产车间在发生气体泄漏后，现场环境变得高危，不宜人员进入，而做出及时、正确的判断和决定又依赖于及时、准确的事故现场数据。还有一些本身就需在高危环境
第6课机器人循光 【教材分析】 在学生机器人中，红外传感器是重要的传感器之一，它的参数设置也为机器人沿线等活动打下了基础。因此，本课属于承上启下的基础课程。在知识结构上介于简单程序和较为复杂的程序（如条件循环语句等）之间，需要教师细化教学内容，并帮助部分学生理解这个程序的流程。 【学情分析】 学生在前几课的学习中，已经能够执行基本的机器人命令了。在这部分的学习中，可以针对不同的学习需要提供较为活跃的实验活动，让学生有更多的感性体验。 【教学目标与要求】 1. 知识与技能 （1）了解红外线传感器的工作原理。 （2）体验单分支结构语句的含义。 （3）能够在机器人平台中编写机器人循光运动的程序。 2. 过程与方法 （1）依据流程图进行程序设计，通过设计任务让学生在探索中得到逻辑思维的培养； （2）充分发挥学生的自主学习能力，在小组合作中让学生自主探究，动手实践，并以学生已有知识为前提进行点拨与启发。 3. 情感、态度与价值观 （1）培养规范的机器人运动编程步骤； （2）激发学生的多选择性的创新思维能力。 4. 行为与创新 建立起以流程图的形式进行思维的习惯。 【教学重点与难点】 重点：单分支语句的理解与程序设置。 难点：多种情况下机器人的不同应对程序。 【教学方法与手段】
实验法、主题活动。 【课时安排】 安排1课时。 【教学准备】 实验器材和主题活动单。 【教学过程】 第一课时 学习过程教师与学生活动设计意图 激趣导入 展示机器人沿线走的成果。 师：聪明的机器人已经能够前行了，但如 果前方遇到了障碍，机器人就不能继续一路前 进。这时，我们是否可以通过其他方法让它躲 避障碍呢？大家有哪些主意？ 师生讨论。 师：今天，老师就给大家介绍引导机器人 前行的一种策略——循光。 从学生已有知识出 发，在巩固旧知的同时 引出新问题。 让学生想一想、说 一说、议一议，激起头 脑风暴，激发集体智慧。 红外传感器工作原理 展示机器人循光的效果 师：机器人能够跟着光行走，其实是利用 了红外传感器在工作。 （展示蝙蝠图片）红外传感器就像蝙蝠一 样，从它的红外发光管中发出红外线，并用接 收管来检测是否有反射光，判断是否有障碍物。 在机器人的机身上，前方和左、右侧面各 有一个红外传感器。（展示机器人） 用实际案例让学生 感受机器人循光效果， 展示解决问题的方式， 并以此激发学生的学习 热情。 用蝙蝠的案例，让 学生更能形象地理解和 掌握新知识。
本技术涉及一种无线智能环境监测机器人，整个机器人系统以STM32F103VET6芯片为控制核心，附以外围电路，利用温湿度传感器、灰尘传感器、一氧化碳传感器、OV2640摄像头采集外界信息，实现对环境的有效监测以及危险气体的和报警。 技术要求 1.一种无线智能环境监测机器人，其特征在于，包括：所述机器人基于微控制器，用户通过手机端 APP 和所述机器人上的 WiFi 模块和无线以太网连接；WIFI 模块和微控制器通过 SDIO 接口连接，数据的传输通过软件完成；所述机器人上设有 OV264 摄像头模块，摄像头模块通过 GPIO 接口和微控制器连接，当摄像头采集到图像数据之后 EXTI 通过中断自动通知微型控制器传输图像数据；微型控制器和传感器之间通过 GPIO 和 ADC1~2连接，经过电压转换后，获取出环境各方面质量高低；微控制器通过 TIM1_OC1~4PWM 驱动 H桥驱动电路来控制所述机器人的 4 个轮子，进而控制所述机器人方向；当所述机器人遇到障碍导致任意一个轮子不转动时，ADC3 上的 AWD 将自动切断轮子的供电，防止烧坏线圈。 2.根据权利要求 1 所述的无线智能环境监测机器人，其特征在于，所述微处理器采用STM32 微控制器。 3.根据权利要求 1 所述的无线智能环境监测机器人，其特征在于，所述wifi 模块采用 8W8686、88W8782 或 88W8801 芯片。
4.根据权利要求 1 所述的无线智能环境监测机器人，其特征在于，所述摄像头模块采用的是 OV2640，借助定时器 DMA 辅助采集图像数据或者采用场同步中断和像素同步中断采集图像数据。 5.根据权利要求 1 所述的无线智能环境监测机器人，其特征在于，所述机器人还使用了容量为 256 字节的 24C02 EEPROM 存储器，地址范围为0x00~0xff，存储各个WiFi 热点的SSID 和密码，以及手机客户端 App 的管理 员账号和权限。 技术说明书 一种无线智能环境监测机器人 技术领域 本技术涉及智能机器人技术领域，尤其涉及一种无线智能环境监测机器人。 背景技术 随着社会、经济水平的发展，人们对环境安全也越来越重视，尤其是室内环境的安全。一些特定的场合对环境的要求比较高，例如仓库、工厂等，需要检测是否发生火灾，是否有毒气体超标等。此时，如果有一个可以实时监控环境情况的系统就可以保证一些安全隐患早发现早治理，对保护一些财产人身安全等起到至关重要的作用。 现在很多的环境设备检测用的都是蓝牙进行传输，蓝牙传输速度慢,距离短。 环境设备检测需要的是能够检测到多种危险环境，目前市面上的设备都比较的单一，往往不能全面的对周边的环境进行多方面检测，对保护财产和人身安全有很大的欠缺。以往的环境监测器监测完毕时，仍旧处于运行状态，耗费高，不能实现自动关闭功能。 另外，很多的环境检测器的适用环境单一，不同的环境需要不同的检测功能，加大了工作量和资源的过度消耗。 技术内容
激光雷达在ALV中的应用 关键词：激光雷达智能车辆移动机器人定位障碍检测 laser range finder Extended Kalman Filter(EKF). 结构：1：概述 2：激光雷达的分类 3：激光雷达测量时间的技术 4：激光雷达在ALV中的用途 5：举例LMS291-s05型号的激光雷达的特点和参数 6：激光雷达用于智能车定位 6.1 定位原理 6.2定位常用方法 7：激光雷达用于ALV的障碍检测 7.1ALV的安全性要求 7.2 激光雷达检测故障时要到的“漏报”和“虚警”现象 7.3 雷达安装位置的考虑 8：总结 资料来源：Google 百度知网、南理工图书馆学位论文、期刊、会议《未知环境中移动机器人导航控制理论与方法》蔡自兴 1：概述 无论是室外环境下行驶的陆地自主车还是室内环境下运动的各种移动机器人（Autonomous Land Vehicle)，都离不开距离探测。而在有源测距仪中，激光测距雷达的精度相对较高，方向性较好，而且基本不受环境可见光变化的影响，因此无论在室内还是室外环境下的移动机器人的导航研究中都得到了广泛应用。激光测距雷达可以直接获取距离数据，为机器人的导航提供了便捷有效的环境描述。2：激光雷达的分类 根据扫描机构的不同，激光测距雷达有2D和3D两种。它们大部分都是靠一个旋转的反射镜将激光发射出去并通过测量发射光和从物体表面反射光之间的时间差来测距。3D激光测距雷达的反射镜还附加一定范围内俯仰以达到面扫描的效果。它们都是直接测距方法。同3D激光测距雷达相比，2D激光测距雷达只在一个平面上扫描，结构简单，测距速度快、系统稳定可靠。目前2D激光测距雷达主要在室内的移动机器人上应用较多，因为在室内的结构化环境下，地面平坦，所有
CCTV检测机器人，不知道大家用过没有，对于CCTV检测机器人的功能特点了解多少？但是如果你真的想要了解CCTV检测机器人的话一定要看这篇文章哦。小编会给大家详细的讲述一下CCTV检测机器人的功能特点。 PipeCCTV管道检测系统由硬件设备和PipeCCTV-X5H软件构成。管道CCTV检测机器人主要用于城镇排水管道内部状况的精密电视检测，在行业内简称为"管道CCTV检测"，对于管道内部的情况可以进行实时影像监测、记录、视频回放、图像抓拍及视频文件的存储等操作，无需人员进入管内即可了解管道内部状况，为制定养护、修复方案提供重要依据。适用范围有排水管道、供水管道、工业管道、燃气管道。 采用个人笔记本电脑代替传统专用控制器，便携性强、替代性强，可有效降低控制系统故障率。 前后视摄像头均采用百万级高清数字摄像机，画质更真实、检测效果更佳，
能够真实反应被检测对象的状况。同时摄像机具有一定的红外夜视效果，可以适应部分光线不足的环境； 多视频画面显示。可在同一显示界面上同时显示前后视视频，管道内部情况一览无余。 采取主辅光源照明。镜头采用4颗泛光LED照明灯；前向12颗高亮聚光LED照明灯；后向2颗高亮聚光LED照明灯；所有光源光强亮度连续可调；控制系统与电缆盘之间通过无线进行连接，降低了操作复杂度与故障率。 电缆盘重量减轻。采用独有的通信技术，相比传统技术芯线数量大大减少，电缆直径小于6mm，电缆盘变轻变小。 基于此单个爬行器适应管径可从250mm到1200mm。 采用更高精度的激光测距，测距精度为mm级； 软件运行在windows XP及以上系统，支持笔记本电脑等多种硬件平台，具有断网后 自动重连功能，避免使用过程中因为网络不稳定造成的数据丢失； 软件全中文界面，支持中文输入（屏幕键盘和手写输入模式），叠加显示并保存在视频画面中，视频录制时能够同步保存管道检测的基本属性信息，与PipeSight判读平台无缝对接。 那么，CCTV检测机器人应该在哪购买呢？大家知道么？现在小编给大家推荐一家专业做CCTV检测机器人的公司：武汉中仪物联技术股份有限公司。
机器人循光 一、教学目标 1.知识与技能： (1)了解红外线传感器的工作原理。 (2)体验单分支结构语句的含义。 (3)能够在机器人平台中编写机器人循光运动的程序。 2.过程与方法： (1)依据流程图进行程序设计,通过设计任务让学生在探索中得到逻辑思维的培养。 (2)充分发挥学生的自主学习能力,在小组合作中让学生自主探究,动手实践,并以学生已有知识为前提进行点拨与启发。 3.情感态度与价值观： (1)培养规范的机器人运动编程步骤。 (2)激发学生的多选择性的创新思维能力。 4.行为与创新：建立起以流程图的形式进行思维的习惯。 二、学情分析 学生在前几课的学习中,已经能够执行基本的机器人命令了。在这部分的学习中,可以针对不同的学习需要提供较为活跃的实验活动,让学生有更多的感性体验。 三、重点与难点 重点:单分支语句的理解与程序设置。 难点:多种情况下机器人的不同应对程序。 四、教学活动 1.新授 展示机器人沿线走的成果。 师:聪明的机器人已经能够前行了,但如果前方遇到了障碍,机器人就不能继续一路前进。这时,我们是否可以通过其他方法让它躲避障碍呢?大家有哪些主意? 师生讨论。
师:今天,老师就给大家介绍引导机器人前行的一种策略——循光。 展示机器人循光的效果 师:机器人能够跟着光行走,其实是利用了红外传感器在工作。 (展示蝙蝠图片)红外传感器就像蝙蝠一样,从它的红外发光管中发出红外线,并用接收管来检测是否有反射光,判断是否有障碍物。 在机器人的机身上,前方和左、右侧面各有一个红外传感器。(展示机器人) 师:红外传感器中哪个部件特别的重要?它主要起到了什么作用? 生讨论回答。 师:是的,接收管就是红外传感器的“情报分析部门”,它就用来分析“是”“否”接收到了反射光。 (板书:是、否) 师:如果选择“是”,机器人会有什么运动?如果选择“否”,会有什么情况呢? (生设计流程图) 师:我们用这样的图来表示接收管的工作流程。但要使红外传感器工作,经过这样的一次判断就可以了吗? 这个过程需要反复执行,这样机器人才能不断进行光线的检测。 像这样的图我们称之为流程图。 2.条件循环 师:同学们来观察一下流程图,当机器人开始运作后,它首先要进行哪一个步骤? 引导学生:反复执行(难点) 在机器人程序中,有专门的模块来处理反复执行的操作,请同学们参考教材完成条件循环的程序设计。 学生操作 学生汇报,老师引导: (1)“条件循环”在哪一个模块? (2)“条件循环”两个图标的意义? (3)被循环的模块应放在哪里? 3.“IO设置”
趋光机器人设计 学院：自动化学院 系别：智能科学与技术 班级：智能1002 时间：2013.4.1—2013.4.13
1，课程设计简述 本次实验是以MultlFlex AVR2 为核心，从而控制光源传感器和红外传感器。其中光源传感器主要检测自然光的光强，红外传感器在一定范围是否有物体，如果光源与红外动态发生变化，MultlFlexAVR2 主控器就会动态控制小车执行相对应的趋光与避障的功能。 2，课程设计目的与要求 1、使用创意之星机器人套件组装趋光机器人。 2、机器人能够辨别光源的方向并跟随光源移动。 3、机器人拥有避障功能。 3、设计相应软件程序，并下载至机器人完成设计要求。 3，软件设计总体图
4，趋光机器人实物图 5，趋光机器人软件设计原理图
6，软件程序设计（1）趋光模块
模块逻辑图： 模块原理： 本模块采用光源传感器，其在一定范围内可以检测到自然光的光强，其输出量为模拟量，范围在0——1023。轮式趋光机器人采用左右两个光源传感器，从而实现趋光功能。如果检测到轮式机器人左边光亮时，小车向左转；如果检测到轮式机器人右边光亮时，小车向右转；当检测到轮式机器人左右两边光亮接近时，小车直前行。（2）避障模块 模块逻辑图：
模块原理： 本模块采用红外传感器，其在一定范围内可以检测到是否有物体存在，当其前方有物体存在时，输出量为0，反之为1。轮式趋光机器人采用左右两个红外传感器，从而实现避障功能。如果检测到轮式机器人左边有障碍物时，小车向右转；如果检测到轮式机器人右边有障碍物时，小车向左转；当检测到轮式机器人左右两边都有障碍物时，小车向后退。 7，趋光机器人整体设计 （1）模块分组 趋光机器人主要由四个模块组成：趋光机器人避障模块，趋光机器人趋光模块，趋光机器人主控器模块，趋光机器人车体模块。（2）各模块功能
小学六年级下册 第6课寻光机器人第一课时 一、教学目标 1.知识与技能 （1）了解光敏传感器的组成及工作原理。 （2）理解光敏传感器变量的意义。 （3）学会利用LED显示器显示并查看变量。 （4）能够在仿真界面中设置虚拟光源并测试机器人程序。 （5）能够使用LED显示器在实体环境中查看光敏变量。 2.过程与方法 （1）通过自主学习、小组合作探究，掌握带有光敏传感器的程序编写方法。 （2）通过大胆尝试和不断反思，学会在仿真界面中设置虚拟光源的方法。 （3）通过动手实践、积极思考，学会拼搭和调试寻光机器人。 3.情感态度与价值观 （1）进一步体验程序设计的乐趣，激发学习的积极性。 （2）善于探究和分享，在解决寻光机器人的设计过程中，学会与他人合作研究，体验共同解决问题的乐趣和成就感。 （3）积极思考，在已经掌握的知识技能基础上拓展思路、大胆尝试，养成不怕困难、勇于创新的优秀品质。 教学重点：1.理解光敏变量的意义。 2.学会利用LED显示器查看光敏变量 3.学会在仿真界面添加光源并进行仿真 教学难点：1.理解光敏变量的意义。 2.LED显示器的使用 二、教学过程
1.设计问题： 能够感应光线强弱的传感器有哪些 呢？（光敏传感器） 2.认识光敏传感器和光感传感器的组成及工作原理 （1）课件展示 在光敏传感器的前端，左右两侧各有两个光敏传感器，分别能够感应到左右两侧光线强弱的变化，它能够判断左右哪边的光线比较强。 （2）学生观察思考 小组内学生观察光敏光感传感器，根据书本介绍和课件找到相应传感器指示灯、光敏传感器上的左右探头、可调电阻。 了解各部分的组成，顺时针调节光敏传感器的可调电阻左探头的灵敏度增大，逆时针调节光敏传感器的可调电阻右探头的灵敏度增大。 PPT展示光敏传感器的具体工作状态。题。 材分析，认识光敏传感器，了解其工作原理。
激光切割机器人 简介 激光切割设备的价格相当贵，约150万元以上。随着眼前储罐行业的不断发展，越来越多的行业和企业运用到业进入到了储罐行业。但是，由于降低了后续工艺处理的成本，所以在大生产中采用这种设备还是可行的。 由于没有刀具加工成本，所以激光切割设备也适用生产小批量的原先不能加工的各种尺寸的部件。激光切割设备通常采用计算机化数字控制技术(CNC)装置。采用该装置后，就可以利用电话线从计算机辅助设计(CAD)工作站来接受切割数据。 原理 激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。 分类 激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。 1)激光汽化切割 利用高能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开始汽化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的汽化热一般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。 激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料(如纸、布、木材、塑料和橡皮等)的切割。 2)激光熔化切割 激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体(Ar、He、N等)，依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化，所需能量只有汽化切割的1/10。 激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活性金属的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金等。 3)激光氧气切割 激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。它是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧
激光切割机器人 机器原理 三维激光切割是利用工业机器人灵活和快速的动作性能，根据用户切割加工工件尺寸的大小不同，可以选择将机器人进行正装或者倒装对不同产品、不同轨迹进行示教编程或离线编程，机器人的第六轴装载光纤激光切割头对不规则工件进行三维切割;光纤激光切割头上配备随动装置和光路传输装置，利用光纤将激光传输到切割头上，再利用聚焦系统进行聚焦，针对不同厚度的板材开发出多套聚焦系统对多种三维金属板材进行多方位的切割，满足客户的需求。 切边是对高强度钢的另一项挑战。三维激光切割机适用于成型钣金件的切边，特别是对于强度高达1500 MPa的钢板，因为没有其他的加工方法可以替代。在这种情况下，用户就没有必要对昂贵的冲压设备和剪裁设备进行投资。因为在加工这些高硬度的材料时，传统设备的冲模或者刀具的使用寿命会大大缩短，而激光切割就不必考虑这些问题，还具有安装时间短、可灵活更换产品或样品生产等优点。 三维激光切割机应用于汽车侧围的切割，当然包括切边。B侧围由高强度钢热成型而成，其硬度很高而且要承受很大的应力。高强度钢所制的B侧围增加了耐冲撞力，提高了汽车的安全性。这也是尽管高强度钢的成本较高，可是汽车制造商还是愿意使用的原因。 三维激光切割优点 传统的切割工艺手段有火焰切割，等离子切割，水刀切割和线切割和冲床加工等等，激光切割作为近年新兴的工艺手段，是把能量密度很高的激光束照射到待加工工件上，使局部受热熔化，然后利用高压气体吹去熔渣形成切缝，激光切割具有如下优势。 1. 割缝窄，精度高，割缝粗糙度好，切割后无需后道工序的再处理。 2. 激光加工系统本身是一套计算机系统，可以方便的编排、修改，适合个性化加工，特别是对一些轮廓形状复杂的钣金件，批次较多批量不大，产品生命周期不长，从技术，经济成本和时间角度来衡量，制造模具不划算，激光切割尤具优势。 3. 激光加工的能量密度很大，作用时间短，热影响区小，热变形小，热应力小，加上激光为非机械接触加工，对工件没有机械应力作用，适合于精密加工。 4. 激光的高能量密度足以熔化任何金属，特别适合于加工一些高硬度、高脆性、高熔点的其他工艺手段难以加工的材料。 5. 加工成本低廉。设备的一次性投资较贵，但连续的、大量的加工最终使每个零件的加工成本降低下来。