機器人設計與控制

第1章 機器人移動基礎知識
1.1 機器人的定位
1.1.1 室內環境
1.1.2 室外環境
1.1.3 地形問題
1.2 直流電機的發展歷程
1.2.1 電機的工作原理
1.2.2 步進電機
1.2.3 直流電機的控制
1.3 直流電機的效率
1.4 電機導致的不利因素
1.4.1 移動電源——電池
1.4.2 電池的類型
1.4.3 電源噪聲
1.4.4 電磁干擾（EMI）
1.4.5 音頻噪聲
第2章 電機的類型
2.1 電機類型的選擇
2.2 直流電機
2.2.1 直流電機的工作原理
2.2.2 直流電機功率的選擇
2.2.3 購買與使用直流電機
2.3 舵機
2.3.1 舵機工作原理
2.3.2 舵機規格的分類
2.3.3 舵機的估算
2.3.4 選購舵機
2.4 步進電機
2.4.1 步進電機的工作原理
2.4.2 識別步進電機的類型
2.4.3 步進電機的性能指標和分類
2.4.4 購買與使用步進電機
2.5 機器人功率的計算
2.5.1 輪式機器人功率的計算
2.5.2 步行機器人功率的計算
2.6 地形和碎石的影響
第3章 直流電機
3.1 電機類型的選擇
3.2 速度與轉矩——齒輪對電機的影響
3.2.1 齒輪的基礎知識
3.2.2 大減速比方案
3.2.3 齒輪的術語
3.2.4 齒輪的類型
3.2.5 齒輪減速電機與減速器
3.2.6 齒側間隙
3.2.7 選用是減速器
3.2.8 驅動輪的直徑與偉動裝置
3.2.9 齒輪傳動的效率
3.3 電機軸
3.3.1 電機軸載荷類型
3.3.2 聯軸器
3.3.3 轉軸的標准與非標准連接
3.4 其他問題——壽命、噪聲與制動
3.4.1 延長電機的壽命
3.4.2 制動
3.4.3 抑制噪聲
3.5 選購電機
3.5.1 直流電機的技術資料
3.5.2 測量電機的電流及轉矩
3.5.3 其他因素
第4章 舵機
第5章 步進電機
第6章 安裝電機
第7章 電機控制基礎
第8章 電機的閉環反饋控制
第9章 微控制器電氣接口
第10章 車輪和履帶
第11章 多足步行機器人
附錄
索引

前不久，美國火星探測器「勇氣」號和「機遇」號這對孿生兄弟在先後經歷了半年多、數億公里的星際旅行後終於成功地著陸在目的地。眾所周知，真正踏上火星表面，作為首位地球使者漫步火星的巡游車，實際上是兩個機器人。不過它們兩個非同一般。一則，它們的長相簡直「帥呆了」:6個獨立懸掛的車輪，能在崎嶇的火星表面堅實地前進；太陽能電池翻板的雙翼和豎立的360°全景攝像機了望台，猶如一只展翅欲飛的鶴；而與人體上肢結構類似的機械臂，一旦到達目標附近就輕輕地舒展開去采集火星表層標本。另一則，它們堪稱「目前世界上最聰明的機器人」和一座功能完美的移動實驗室，總共攜帶了7類科學探測儀器，把星際探測器的自動化程度提高到前所未有的水平。

火星巡游機器人的閃亮登場掀起機器人愛好者的又一波熱潮，特別是激發了一批青少年創意和制作機器人的興趣與靈感。因此在這里，向讀者推薦一套有關機器人創意與制作的參考書——「機器人創意與制作」系列。該系列共有4冊，分別是：

（1）《機器人控制電子學》

撰寫本書的三位作者長期從事日本工業專科學校機械工程、電子技術和電氣信息工程等課程的教學。此書是本套叢書中較為通俗的入門篇，以高中學生和低年級大學生為對象是本書的特色。本書以幾種較簡單的機器人為主線，重點介紹所涉及的機器人控制電子學知識（如控制器、傳感器、驅動器、電機控制等），內容相當簡單扼要，而且注重基礎和制作的實踐。

（2）《機器人設計與控制》

《機器人設計與控制》和《機器人控制器與程序設計》均原屬於McGraw-Hill公司出版的《TAB Electronics Robot DNA Series》系列中的分冊。撰寫本書的兩位作者丹尼斯·克拉克和邁克爾·歐文斯既是相關方面的行家里手，也是身處第一線的實踐者。

本書重點講解如何搭建一個簡易的機器人系統的物理實體，包括機構、傳動、驅動與控制。

（3）《機器人控制器與程序設計》

本書的作者邁克·普瑞德科是機器人控制和程序設計方面的專家。在該書中作者以微芯公司的PICmicro系列微控制器為核心，相當詳細和深入淺出地介紹了設計機器人控制器軟件開發工具，軟件編程和調試的基本過程，提供了有實用價值的接口程序和控制應用代碼。

《機器人設計與控制》和《機器人控制器與程序設計》不涉及高深難懂的理論，也沒有復雜的數學公式，但是基礎門檻仍然稍高，需要具備一定的物理、計算機、電子學方面的基礎知識，適合初步掌握了C語言編程技巧的讀者閱讀和實踐，一般作為大學高年級，或研究生低年級學生的參考書。

（4）《小型機器人的基礎技術與制作》

本書作者高橋友一、秋田純一、渡邊正人從事電子與信息方面的教學工作，長期參與RoboCup小型機器人組的活動。相對來說《小型機器人的基礎技術與制作》是本系列難度較高的一冊，因為RoboCup小型機器人組比賽本身對抗性強，對性能指標的要求就較高，又有多機器人協調、全局視覺和無線電收發等技術關鍵。此外投資硬件平台的經費高。

目前機器人教科書都不大適合初學者。本系列基本上屬於普及層次的讀物，各分冊程度略有差別，內容互為補充。它們所針對的是一批高中和大學的機器人愛好者。初學者學習機器人，最好的入門途徑是從自己創意和制作簡易機器人起步，有了實踐的感受和體驗，對日後學習理論的重要性會有更深刻的認識和更強的目的性。如果讀者願意自己嘗試一下，那麽不妨來根據自己的具體條件選擇其中合適的一二冊來讀一讀。

由於譯者的水平所限，書中難免存在錯誤和缺點，懇請批評指正。

讓思維沸騰起來，讓智慧行動起來！

開拓創造力，激發想像力，鍛煉實際動手能力

宗光華
北京航空航天大學機器人研究所