明德版简易机器人制作(六稿).doc

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1、简易机器人制作中小学通用教材简易机器人制作致同学们： “机器人是本世纪自动控制最有说服力的成就，是当代最高意义的自动化”，这是著名科学家宋健院士对于机器人在20世纪所取得成就的精辟概括。今天，机器人广泛地活跃在人类生产、生活的方方面面，已经成为我们的忠实助手和朋友。 机器人集中了机械、电子、控制、计算机、人工智能等多学科的知识，已成为高科技的代名词。很多青少年都憧憬着能亲手设计、制作自己的机器人。本书将帮同学们圆这个梦。本书将向大家介绍有关机器人机械结构、控制系统和程序编写等方面的知识，指导大家运用这些知识来设计制作简易的机器人。 机器人教育是中小学教育改革的一次全新尝试，尽管我们也力求用同学

2、们熟悉的语言和形式，深入浅出地讲述机器人中包含的种种问题，但由于自身水平有限，书中一定存在不少错误或不妥之处。希望同学们将学习中发现的问题向你们的老师或直接向我们指出，我们一定会虚心听取同学们和老师们的意见，让这本教材在不断修订过程中日臻完善。愿我们通过本书成为好朋友！目 录第一章走近机器人第一节机器人世界第二节机器人的结构特征一、机器人的结构特征二、简易机器人制作理念第三节简易机器人设计第二章简易机器人的大脑单片机第一节什么是单片机第二节单片机的基本原理一、单片机的基本结构二、单片机的工作原理三、单片机的引脚第三节单片机的开发流程第三章简易机器人的控制系统第一节简易机器人的控制器第二节简易机

3、器人常用传感器一、接触传感器二、灰度传感器三、红外测障传感器第三节简易机器人常用输出元件一、发光二极管二、蜂鸣器三、电机（动力模块）第四章简易机器人的机械系统第一节千变万化的TegoYapp积木一、尺寸和单位二、搭建技巧第二节万能小车平台第三节齿轮传动机构一、齿轮的使用二、特殊齿轮三、齿轮的配合第五章图形化语言编程第一节软件安装第二节软件使用简介一、软件界面简介二、软件设置三、硬件设置四、基本操作五、变量的定义及操作六、运算符与表达式七、编译和下载第三节模块简介一、流程控制模块简介二、其他模块简介三、子程序简介第六章简易机器人的制作与编程第一节蒙面佐罗第二节往返走第三节S形轨迹第四节椭圆形轨迹

4、第五节交叉轨迹第六节接力比赛第七节打高尔夫球附录一：机器人比赛花絮附录二：部分中英文词汇对照表第一章走近机器人 提起机器人，大家并不陌生。它不仅在电影电视、书籍报刊中频频出现，而且已经深入到人类生活的很多方面，在工业、农业、服务业、军事、航天等领域得到广泛应用。图1-1走近机器人，认识机器人，甚至亲手制作机器人，已成为很多青少年的憧憬。从本章开始，我们将走入机器人的世界，认识机器人的基本结构和原理。通过逐步深入地学习，我们将设计、制作出自己的机器人来。第一节机器人世界 什么是机器人？面对这个问题，多数人脑海里浮现的可能是影视作品中那些令人难忘的角色，如铁臂阿童木、终结者、机器战警、变形金刚等等

5、。它们充满智慧、能力超群，能完成很多人类所不能从事的工作。事实上，这些机器人只是艺术家对现实生活中正在为人类服务的机器人的智慧和能力的艺术夸张以及对未来机器人的大胆想象，那么目前现实生活中的机器人在人类的社会活动中扮演着什么样的角色呢？机器人为我们制造商品案例：工业机器人已经在汽车、家用电器等行业的生产线中广泛应用着。 图1-2 机器人在为汽车喷漆 图1-3 电视机生产线上的机器人机器人为我们提供服务案例：家用清洁机器人已经成为韩国的热门商品。图1-4 清洁机器人机器人为我们探索未知世界案例：火星探测机器人、海底探险机器人。 图1-5 火星探测机器人 图1-6 海底探险机器人 以上只是列举了机

6、器人的几种典型应用，其实形形色色的机器人还有很多。可以看出，机器人是人类认识和改造自然的一种工具，它们不一定具有人的外形和所有功能。我国科学家曾经对机器人这样定义：机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些人或生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。 需要指出的是，迄今关于机器人的定义仍然是仁者见仁、智者见智。原因在于机器人的应用领域还在不断地拓展。其实，机器人定义的多样性非但无害，反倒为人们提供了想象和创造的空间。第二节机器人的结构特征一、机器人的结构特征机器人由于功能不同，因而形态各异。但各类机器人在组成上也存在共性，图1-

7、7所示为一个典型机器人系统的结构组成。图1-7 机器人系统构成根据不同的功能，机器人系统可分为五个部分：（1）机械结构：组成机器人的本体，如操作臂、末端执行器、行走机构等。（2）驱动装置：驱动机器人关节运动的部件，如行进电机、伺服电机、汽缸、液压缸等。驱动装置和机械结构组成机器人的机械系统。（3）传感器：感知机器人内部状态及外界信息的元器件或元器组件，如光电类传感器、温湿度传感器、压力传感器等。形象点说，传感器就象是机器人的眼睛、鼻子、耳朵等器官。（4）控制器：负责接受传感器信息并指挥机器人运动的装置，是机器人的大脑。（5）动力装置：为机器人各部分正常工作提供能量的部件，如电源、气压液压源等。

8、从物理结构上说，机器人就是上述几个部分构成的有机整体。本课程中，我们所要学习和制作的对象是简易机器人，那么它们与正在各个领域中服务的实用机器人有什么不同呢？表1-1给出了一个简单的比较。与实用机器人相比，简易机器人“麻雀虽小，五脏俱全”，虽然它重量轻、体积小，在功能、结构等方面相对简单，但与实用机器人没有本质的差别。同学们，就让我们从简易机器人入手来学习有关机器人的知识吧，在掌握了简易机器人的基本设计、制作和控制知识后，制作更加复杂的机器人就不再是遥不可及的事了。表1-1 简易机器人与实用机器人的对比项目简易机器人实用机器人应用场合玩具、教具、比赛各类产业领域机械结构简单的拼装件、模块，以塑料

9、、木料、铝材、纸板等材料为主满足额定载荷对刚度、强度、精度的要求，采用高强度、高刚度的轻质材料控制器单片机，软件开发资源丰富、廉价专用控制卡或计算机，软件开发环境复杂、昂贵驱动装置小功率直流电机、舵机大功率电机、液压缸、气压缸等传感器简易、廉价高性能、高精度、高价格动力装置电池电源、液压装置、气压装置质量数百克到数千克数十千克、数百千克等体积小大 二、简易机器人制作理念开展简易机器人制作活动，需要一个开发平台：计算机平台和简易机器人教具平台（图1-8）。通过不同途径和思路搭建教具平台，就衍生出不同的简易机器人制作理念。图1-8第三节简易机器人设计从下面的的六张图中，我们可以看到机器人设计、制作

10、的整个流程，所有的简易机器人都是这样设计和制作出来的。 任务提出 方案制定和论证 制作 编程 下载程序到机器人 调试改进图1-9第二章简易机器人的大脑单片机 人类的一切行为由大脑支配，机器人也一样。因此，想了解机器人，首先必须了解机器人的大脑控制器。计算机最适合做这个角色。在结构、功能、技术的复杂程度等方面有区别的机器人，控制器也不相同。先进的、工作复杂的机器人，通常采用功能强大的PC机（个人计算机）或专用运动控制器；而对于简易机器人，使用结构小巧、价格低廉的单片机就完全能够胜任。下面就让我们从单片机入手，了解简易机器人的控制器吧。第一节什么是单片机 单片机就是集计算机基本功能于一体的集成电路

11、封装芯片，属于程序控制式计算机。它的体积十分小巧，能够搭载到机器人内部，构成所谓的嵌入式系统。它具备以下基本功能：1.可编程根据不同任务为机器人编写控制程序。2.分析和计算为实现机器人运动控制，完成一定的饿逻辑分析和数字运算。3.信号的输入输出接收各种传感器的信息和发出命令，控制机器人动作。表2-1 PC机或专用控制器与单片机的比较比较项目PC机或专用控制器单片机应用场合实用机器人简易机器人、小型机器人运行速度高速适中应用软件资源丰富，程序庞大复杂网上可下载丰富的软件开发环境，程序简单输入输出接口齐备适中与机器人机体的连接形式体积大、分离式体积小巧、嵌入式价格昂贵相对低廉第二节单片机的工作原理

12、一、单片机的基本结构单片机通常由CPU、存储器、I/O口三大部分组成，它们由内部总线连接起来。如图2-1所示。图2-1 单片机的基本结构1.CPU CPU是“中央处理单元”的英文缩写，也就是我们通常说的微处理器，它包括运算器和逻辑控制器两部分。2.存储器 存储器用来保存单片机要处理的信息。单片机型号不同，存储器的容量也有差异。根据存储的内容，存储器分为只读存储器(ROM)、随机存储器(RAM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程存储器(EEPROM)和闪速存储器(Flash Memory)等。3.I/O口I/O口是单片机与外部被控器件连接的桥梁，是单片机必备的组成部分。通常，

13、I/O口包括下面几种形式：（1） 并行I/O口，它是由若干条输入输出线组成的并行数据位。单片机的并行I/O口一般为8位，也称字节(byte)端口或并行端口。其优点是传输速度快。PC机上的打印机接口就是并行I/O口。（2） 串行I/O口，一般有两根数据通讯线，一根做发送数据线，另一根做接收数据线。（3） 特殊I/O口，如模拟信号到数字信号的转换接口(ADC)、定时器/计数器模块、中断逻辑模块等。二、单片机的工作原理 现在我们对单片机的各组成部分有了初步的认识，那么它们是如何相互联系成为一个有机的整体呢？又是如何工作的呢？实际上，单片机内部有一条将它们联系起来的纽带，即所谓的“内部总线”。这就有如

14、城市的“主干道”，它将CPU、ROM、RAM、I/O口、中断逻辑等“分站点”串接起来，“分站点 ”之间所有的“货物”（指令和数据）传输都经过这条“主干道”进行。当然，指令和数据在内部总线中的传送绝不是混乱无序的，它们是由CPU中的逻辑控制器负责协调指挥的，从而使整个单片机有条不紊地工作。图2-2 三、单片机的引脚 引脚是单片机内部电路的延伸，单片机内的各个功能模块必须向外部开放，否则它们就无法实现对外部电路或设备的控制，所以，使用单片机前必须了解单片机的引脚功能。 单片机的类型和封装形式很多，引脚情况各不相同，无法逐一描述，本节以AVR单片机ATmega16为例，具体说明单片机的各个功能模块及

15、引脚的使用方法。单片机ATMega16由以下部分组成：16K字节的Flash程序存储器、512字节的EEPROM、1K字节的RAM、32个通用I/O口、3个定时器/计数器、20个中断、1个串行口、8个10位的ADC、4路脉宽调制（PWM）输出等。 ATmega16有两种封装形式：40条引脚的塑料双列直插封装（PDIP）和44条引脚的扁平方形封装（TQFP）。这些引脚包括A、B、C、D四组通用I/O端口，若干电源引脚和控制引脚（图2-3）。图2-3 ATmega16的引脚具体定义如下：(1) 端口A(PA0PA7)：该端口的8条引脚一般充当外部模拟信号的输入脚，也可作为双向数字I/O口。当作为数

16、字I/O口使用时，单片机内部能为每个引脚提供内部可控制的上拉电阻，向每个引脚提供20毫安的驱动电流（5V电源），一般能直接驱动LED。(2) 端口B(PB0PB7)：该端口的8条引脚一般作为双向数字I/O口使用（带内部可控制的上拉电阻），能提供20毫安的驱动电流。另外，这个端口还有别的用途，如PB0和PB1引脚可定义为计数器0和计数器1的外部信号输入脚；PB2和PB3可定义为一个比较器的两个比较输入引脚，PB2还可以定义为外部中断2的输入引脚，PB3可以作为一路PWM的输出引脚；PB4PB7可定义为串行外设接口（SPI）的4个引脚。(3) 端口C(PC0PC7)：它也是一个8位双向数字I/O口

17、（带内部可控制的上拉电阻），能提供20毫安的驱动电流。该端口也有另外的功能，即作为在线编程（ISP）端口，用来下载单片机程序。(4) 端口D(PD0PD7)：该端口可作为8位双向数字I/O口，其功能与端口A、B、C相同。它也有第二种功能，如PD0和PD1可作为异步串行通讯口引脚，PD2和PD3作为外部中断输入引脚，PD4PD7作为单片机定时器/计数器的信号输入引脚（PD4、PD6、PD7还可以编程为PWM的输出引脚）。(5) Vcc：电源正电压输入引脚。(6) GND：电源接地引脚。(7) RESET：单片机复位引脚。如果在这个引脚上出现一个持续时间超过125ns的低电平，则单片机复位，程序重

18、新开始执行。(8) XTAL1：内部振荡放大器的输入端。(9) XTAL2：内部振荡放大器的输出端。(10)AVcc：模数转换器的电源。(11)AGND：模数转换器的参考电源地输入。(12)AREF：模数转换器的参考电源输入。第三节单片机的开发流程 要使机器人按人们的意愿完成各种任务，就必须学会怎样给机器人编程，也就是怎样给单片机编程。给单片机编程就必须了解单片机编程的开发环境，特别是单片机的开发流程。 开发单片机应用程序时，通常按照下图所示的流程进行。开始 编写源程序 编译 调试 向单片机下载程序 结束1.编写源程序在PC机上可以用三种方式编写源程序，即图形化语言编程、C语言编程和汇编语言编

19、程。在TegoYapp Express软件平台上就可以使用图形化编程或C语言编程。2.编译编译也在PC机上进行。这个环节是检查程序语法错误，并将源程序转换成目标代码（机器代码）。3.调试汇编语言编程或C语言编程环境中通常有程序调试功能，允许用户在程序中设置单步、断点、连续三种运行方式。4.将程序下载至单片机不同的单片机有不同的下载方式，我们这里主要介绍的AVR单片机采用一线下载的方式，即在PC机上完成编程和编译后，借助专用的数据电缆就能完成将程序向单片机的下载。电缆的一端连接PC的串行通讯口，另一端连接内置单片机的机器人控制器上。显然，这种方式十分简便，正成为单片机下载的主流。而这类单片机内部

20、的程序存储器一般都应该配备Flash存储器。第三章简易机器人的控制系统在上一章，我们介绍了简易机器人的大脑单片机，对于机器人的控制而言，仅仅这些还不够。大脑的功能仅限于思考，和人类一样，只有配备了齐全的五官和健壮的手脚，机器人才能成为一个真正意义上的智能系统。换言之，一个完整的机器人控制系统首先需要有对外部环境的感知功能，即能够向大脑输入信息，在大脑中通过识别、理解、分析、决策等过程，然后输出指挥操作的命令，通过相当于手和脚的执行机构来实施。本章将介绍如何围绕单片机组成简易机器人的控制系统，并从系统构成的角度，讲解输入输出部分的功能、接口和编程技术等。第一节 简易机器人的控制器简易机器人的控制

21、系统包括控制器和输入输出部分，它收集由输入部分传来的信息，经分析处理，再向输出部分发出控制命令，如图3-1所示。图3-1 简易机器人控制系统的组成通过探究，同学们会发现简易机器人的控制系统并不简单，正所谓“麻雀虽小，五脏俱全”。不同的机器人，控制系统也不尽相同，但基本原理大同小异。下面我们以控制器ICU为例，具体介绍其组成和功能。控制系统的输入输出部分将在第二节、三节中详细说明。ICU（Integrated Contrl Unit）集成控制单元1基本介绍ICU是一个可编程控制器，是TegoYapp机器人开发系统的核心单元。ICU使用的微型控制器，是ATMEL系列的Mega 16单片机。本质上是

22、单片机在执行控制程序，通过Mega 16的设备控制器来访问ICU的输入/输出设备（如按钮、扬声器、 LCD显示屏等）。此外，各类传感器可以连接到ICU输入口，给控制程序提供输入值，然后控制程序再驱动执行器件（如电机等）。 图3-2 ICU的外观 图3-3 ICU的电池仓图 3-4 ICU的I/O端口从物理上看，ICU的内部电路包括一块印制电路板和9V电源、Mega 16单片微型控制器、电机控制芯片、LCD液晶显示屏和LCD控制驱动芯片、扬声器、三个按钮等，这些通过电路板连接在一起。从逻辑结构上说，ICU控制器可看作一台低端个人计算机，它通过一条内部总线把处理器、存储器和输入/输出设备连接起来。

23、输入/输出口都分配了确定的地址。每个设备包括两部分:一部分是通过总线与设备连接的接口电路，另一部分是组成设备的机械装置和电路元件。按钮、LCD液晶屏、扬声器、传感器和执行器件都属于输入输出设备。接口部份通常专指设备控制器，当然，设备与接口并没有明显的界线。在主机上编写好程序后，可通过串口下载到ICU中。程序可用不同的开发环境来开发，如TegoYapp提供的图形化开发工具TegoYapp Express，程序既可以用图形化语言也可用C语言来编写，然后通过交叉编译器生成Mega 16的机器码，通过由片内ROM常驻程序提供的一个简单协议下载到ICU中，常驻程序在上电和复位后就会自动运行。下载的程序运

24、行后，ICU的预置程序提供基本的I/O服务（如访问LCD液晶屏），直接操作是通过与单片机的设备控制器和内存分配的协调应用实现的。图3-52外围组件的连接规则 根据不同的目标需求，我们可以有选择的使用不同的传感器件。包括有减速马达、碰撞传感器、寻迹传感器、发光组件、角度传感器、温度传感器、红外发送模块、红外接收模块、红外测距模块、精确测距模块和精确方位模块等等。那么它们和ICU之间的连接是怎样的呢？下面，我们向大家介绍一下最基本的连接注意事项。图3-6 每个外围组件都有自己的连接线，分为三芯（黄、红、黑排线）和四芯（蓝、黄、红、黑排线）2种，黑线均为地线。注意黑线必须连接ICU插槽的外端（G端）

25、，如图3-6所示。特别提示：请严格遵守连接规则，随意的插接将导致ICU和外围组件的严重故障。我们可以从上图看到：第一类数字端口，以“Dx（D1-D6）”表示，它提供稳定的5V电源，可以插接任何检测模块（只返回0、1值的）和输出模块等等，不建议接插大功率模块（如马达等）；第二类模拟端口，以“Ax（A1-A4）”表示，它提供稳定的5V电源，可以插接任何传感器（返回0-255的测量值）模块和输出模块等等，它最主要的用途是接插模拟传感器；第三类马达端口，以“Mx（M1-M2）”表示，它提供直接外部输入的电源（或电池）。由于ICU可承受较高电压，所以此端口可接插大功率设备（如马达等）；线槽上方的“G、V

26、、X、Y”四个字母，其中“G”指地线（必须连黑线）；“V”指电源（红线）；“X”和“Y”指信号线（黄色和蓝色线）。字母正下方的插针，应当连接相应颜色的接线。图3-7“ON/OFF”上面的圆形按钮是电源开关。除了用于启动机器人也用于下载程序，在你下载已经编译好的应用程序时，当软件提示“等待硬件连接”时，按下此按钮重新启动电源（原来必须是关闭状态）即可进行程序下载。“PWR”上面是电源指示灯。正常状态下，该灯为绿色，代表电源正常。若偶尔闪动红色，表示电压偶尔跌落到正常状态以下，请检查ICU正在执行的程序中是否有马达高速正反转的设置。若一直为红色或者红色频繁闪动，表示电源不足，请准备更换电池或连接足

27、够功率的外接电源。“COM”上面是通讯指示灯，当ICU有数据收发（如下载程序）时会闪动，表示通讯正常。ICU下方还有下载端口和电源插口，下载端口只能接插本开发系统提供的数据线；电源端口为圆形的插座孔，可以接插DC5.0V的电源插头（内正外负），7V-12V范围均可以使用（注意：极性切勿相反！电压切勿超限制！电源功率应当足够！）第二节 简易机器人常用的传感器 人类通过五官来获取外界信息。与此类似地，机器人只有具备了感知能力，才能象智能生物一样根据环境的变化作出相应的反应和动作，成为名副其实的机器人。没有感觉的机器人仅仅是一台机械设备，只能机械地执行预先设定好的动作。机器人获取外部环境信息靠的是传

28、感器。传感器是一种电子元器件，它具有类似于人类五官的感觉功能，可以将外部环境信息转换成电信号，其基本组成如图3-8所示。图3-8除了人的五官感觉功能之外，传感器还能感知流量、加速度、扭距等物理量。我们身边的摄像机、电视机、打印机、自动门、报警器等日常用品中，都有传感器的踪影。路面上奔驰的汽车，更有多达数十种的传感器来保证驾驶的综合效率。可以说，传感器及检测技术的水平已经成为一个国家科技实力的重要标志之一。图3-9是传感器在拟人机器人中应用的实例，有触觉传感器、视觉传感器、触觉传感器、温度传感器、力传感器、角度传感器、测距传感器、加速度传感器等。图3-9 拟人机器人上的传感器 既然传感器是简易机

29、器人必不可少的元器件，下面，我们将重点给大家介绍几种最常用的传感器：接触传感器、寻迹传感器、红外测障传感器。一、接触传感器 接触传感器又叫碰撞传感器，它属于开关量传感器。在简易机器人中，它的应用场合一般有以下几种：(1) 判断接触：检查机器人是否与其他物体发生接触或碰撞，如撞到墙壁，或机械手抓握到物体。(2) 行程开关：检测相对运动部件是否到达行程终点。(3) 机械式编码器：设法在转轴上安装一个触发装置，转轴每旋转一周，接触开关被触发一次。软件将触发次数和相应时间记录下来，便可知道轴旋转的圈数及相应的平均转速。简易机器人的接触传感器大多数采用杠杆式微型开关来制作，如图3-10。 图3-10 图

30、3-11 现在我们了解了接触传感器的核心元件微型开关，那么简易机器人所使用的接触传感器是什么样子的呢？让我们来看下图3-11。 接触传感器的接口线由三条线组成，分别是黑色线（地线）；红色线（电源线 +5V）；黄色线（信号线）。接口线可连接于简易机器人控制器的任何端口（马达端口除外）。接触传感器和机械本体之间的接插方式有很多种，最常用的如图3-12所示。 图3-12二、灰度传感器 灰度传感器又叫寻迹传感器或者光电判读器，分为对射式和反射式两种，其中反射式灰度传感器是简易机器人最常用的一种有源传感器。在这里我们重点对其进行介绍，本教材中凡未加说明的均指反射式灰度传感器。灰度传感器的典型用途如下：（

31、1）检测表面特征：灰度传感器很适宜检测场地或物体表面的颜色或其他标记特征，例如白纸上的黑线。（2）墙面跟踪：墙面是连续的障碍物，精度比较高的灰度传感器能简单地测量小级别的距离，就能让机器人与墙面保持一定距离行进、跟踪墙面。 为了减低环境光造成的影响，灰度传感器一般使用红外线。灰度传感器的输出分为模拟量和开关式两种，本书只介绍前者。它的原理是发光元件发出红外线，接收元件检测反射光，根据反射光的强弱，输出由小到大的模拟电平。 有一点要特别说明，灰度传感器的工作距离有限，如果反射物较远，即使是白色物体，传感器接收的反射光也会较弱，导致无法识别出白色。这点我们在今后的使用中应该特别注意。当然，增大发光

32、管的功率，工作距离也会相应增大。一般来说，灰度传感器的工作距离较近。图3-13灰度传感器的接口线由三条线组成：黑色线（地线）；红色线（电源线 +5V）；黄色线（信号线）。接口线可连接于简易机器人控制器的任何模拟端口。灰度传感器与机械本体的接插方式如图3-15（图中红色积木为套装中的“双排高侧孔”）。 图3-14三、红外测障传感器 红外测障传感器也是借助红外线的发射与接收来工作的，不过它的红外线一般都经过调制和解调处理，因此有效工作距离要远的多，通常可达到10厘米以上，而且抗干扰能力更强。红外线测障传感器属于非接触式，更适合机器人避障。 图3-15 红外发射接收元件 图3-16 红外测障传感器模

33、块红外测障传感器的接口线也由三条线组成：黑色线（地线）；红色线（电源线 +5V）；黄色线（信号线）。接口线可连接于简易机器人控制器的任何数字端口。图3-17第三节 简易机器人常用输出元件 人类利用嘴来发声和交流，通过面部表情表达喜怒哀乐，借助腿脚行走，仰仗手执行各种操作。在机器人身上我们也能找到与人类这些输出器官相对应的部分。如机器人的嘴，就是能发出声音的蜂鸣器、喇叭；机器人的表情靠各色发光二极管、彩灯、显示器刻画出来；机器人的手和脚就是它的执行机构。本节将讲解机器人常用输出元件的原理和使用方法。一、发光二极管 发光二极管（LED）是很常用的显示器件，手机的信号灯、PC机硬盘及光驱的指示灯等都

34、是LED。简易机器人控制器上就有若干个LED，用来显示各种工作状态。 二极管是一种半导体器件，根据施加电压的极性，产生导通和不导通两种效果。二极管由N型半导体（半导体中的电子携带电荷流动）和P型半导体（电子迁移所剩空穴携带电荷流动）结合而成，结合面被称为PN结。LED是二极管的一种，其原理是在PN结让电子与空穴再次结合，此时产生的能量以发光的形式释放出来。但并非所有的二极管都会发光，只有含有钾、砷、铟、磷等材料的半导体才能够发光。图3-18为LED的电路符号。图3-18 LED的符号 为了限制LED中电流的大小，LED一般要与电阻串联使用，如图3-19所示。只有这种LED电路才可以直接与单片机

35、连接，如图3-20所示。图3-19 LED的使用方法 图3-20 LED与单片机接口电路现在，我们认识一下和简易机器人接插的LED，如图3-21所示。图3-21接口线：由三条线组成：黑色线（地线）；红色线（电源线 +5V）；黄色线（信号线）。硬件安装：可接到简易机器人控制器的任何端口（马达端口除外）。图3-22中，展示了LED及寻迹传感器和机械本体的通用接插方式。图3-22二、蜂鸣器 简易机器人使用蜂鸣器发出声音。对发声器件进行简单编程，我们就可以凭声音来判断机器人工作是否正常，有时听声音比看LED发光更方便和直接。本教材介绍的是一种内置在简易机器人控制器里的蜂鸣器(图 3-1所示)。三、电机

36、（动力模块） 我们在第一章就介绍过，机器人的机械结构相当于人的四肢，用来行走、操作等。驱动机器人关节动作的装置叫驱动装置。简易机器人的驱动装置绝大多数由电机担当。 日常生活中可以见到各种各样的电机，如电动玩具使用的直流电机，空调、洗衣机的交流电机，打印机里的步进电机等等。在简易机器人制作中，一般使用直流电机，有时也使用步进电机，类人型的简易机器人中要大量使用的舵机也属于直流电机。1.直流电机的结构 直流电机的结构型式很多，但基本的构成是相同的，即必须有定子、转子和换向装置，如图3-23所示。图3-232.直流电机的驱动 我们知道，简单地将直流电机与电池连接就可以实现电机的转动。不过，简易机器人

37、需要对电机进行开关、方向和速度的控制，这就涉及电机的驱动和调速问题。电机速度的调节可以靠改变电机两端的电压来实现，脉冲宽度调节（PWM）就是目前广泛使用的电机调速方法。要对电机进行启停、调速和方向控制，只须使用H桥式PWM集成芯片即可。 （a）正转 （b）反转图3-24 马达驱动板H桥正转、反转电路3.简易机器人的动力模块 简易机器人使用的电机（动力模块）是由直流电机、驱动电路和马达齿轮减速装置共同组成的。其中的马达齿轮减速装置分为外置式和内置式两种，这里我们介绍的都是指内置式的马达齿轮减速装置。通常直流电机启动后的转速都比较高，我们需要通过固定减速比率的马达齿轮减速装置来对直流电机进行减速，

38、使整个动力模块的转速区域符合简易机器人使用的要求。图3-25 马达齿轮箱结构及原理下面，让我们来看看真正符合简易机器人使用要求的动力模块，如图3-26、3-27所示。 图3-26 图3-27在简易机器人控制器的I/O端口中，M1和M2端口就是特别为动力模块服务的。第四章 简易机器人的机械系统人的运动系统由躯体、四肢、骨骼、肌肉、筋腱等组成，完成站立、行走、奔跑、跳跃等动作；类似地，TegoYapp积木零件和机械本体（万能小车平台）两大部分组成了机器人的机械系统。在控制系统的指挥下，机器人的机械系统完成移动、转向、抓放等运动功能，以便胜任寻线、搬运等作业任务。第一节 千变万化的TegoYapp积

39、木TegoYapp积木非常丰富，有一千多种。要提醒大家的是，相同形状的积木常常有很多种颜色，所以认识的时候不要只注意颜色，而要注意积木的形状、特点和用途。看似千差万别的TegoYapp积木，实际上都遵循着统一的尺寸标准TegoYapp标准单位来设计、生产，蕴涵着独特的几何设计，而且所有的积木都是可兼容的，保证了所有积木之间的连接纵横交错、变化无穷。图4-1 图4-1中的积木是一个TegoYapp积木的基本颗粒，所有的零件、部件都以它为基本单位，任何复杂的搭建结构都和它有着倍数关系。一、尺寸和单位 长、宽、高是识别积木的最基本属性，所以我们通常用长度、宽度和高度3个数字表示积木的尺寸。长度按照习

40、惯指的是水平方向上的两个尺寸中较长的一个，宽度则是另外较短的一个。长度和宽度的表示单位可以用“TegoYapp标准单位”来表述。 高度是指积木的底部到顶部间的距离。这样，我们就可以描述大多数积木的尺寸了。当然，你也可以不用TegoYapp标准单位来表示积木的尺寸，而是采用公制（米制）单位。两个凸点圆心间的宽度是8mm，一块积木的厚度（不包括凸点的高度）是9.6mm。，1个“TegoYapp标准单位”实际上就等于8mm。能否记住这些数据并不重要，重要的是要知道它们之间的数值比：9.6除8等于1.2，也就是垂直方向的单位长度是水平方向单位长度的1.2倍，换算成整数比就是6:5，这个比值非常重要，在

41、下一节我们将会研究这一比值的关联。 图4-2中的积木我们称为“砖”，它实际上并不是立方体。 图4-2 在TegoYapp积木中，有一类积木的高度是积木砖高度的1/3。这类积木中最常见的就是“板”，这些板中大多数是矩形，少数具有特殊形状。将3块板叠在一起，它的高度就相当于积木砖的高度（如图4-3）。 图4-3图4-4中所示的积木我们称为“梁”，梁的高度与砖一样，它其实就是单排带孔的砖。这些孔可以让轴穿过，也可以通过销子将梁互相连接起来。图4-4使用TegoYapp积木搭建的一般方法是“嵌入式”。在搭建时，要充分考虑积木的长宽高，巧妙地利用积木的特点梁、块、板和孔之间的关系，可以让你搭建出完美的结

42、构。二、搭建技巧1. 垂直支撑梁的用处非常广泛，可以在结构中用来连接、固定等。梁上的孔可以让轴穿过来固定齿轮等，也可以通过各种销子将梁互相连接起来。梁上的孔与凸点以相同的间距排列，但孔与凸点之间以4mm交错排列，如图4-5所示。图4-5 假如你要在垂直位置装一根梁，用来加固两层或者更多层水平位置的梁，你必须记住6:5这个比值。因为梁的高度并不等于水平方向上两孔的间距，所以当我们把两根梁嵌在一起时，水平方向上两孔的间距（8mm）并不等于垂直方向两孔的间距（9.6mm），这样垂直梁上的孔不能够与叠嵌在一起的梁上的孔相配合，至少不是所有的孔都能吻合。但让我们仔细观察一下图4-6，图中叠嵌在一起的6根

43、梁中，第1根和第6根梁上的孔和与之正交的垂直的梁上的孔是重合的。换句话说，以最底下的那根梁为参照点（不做计算），第5根梁的孔才能和与之正交的垂直的梁上的孔重合，这正是由于6:5的比值关系，5根梁的高度48mm（9.6mm5）等于一根梁上6个孔的距离（8mm6）。 图4-6 图4-7这种交叉梁的技巧非常重要，可以使我们搭建出坚固的模型。但麻烦的是需要将6根梁叠在一起，才能用一根竖直的梁将它们锁住。有没有其它更好的方法呢？回想一下，板的高度是梁的1/3，如图4-7所示，2根梁和2块板叠嵌在一起，它们上下梁上的孔正好与垂直梁上的孔可以很好的配合，因为1根梁加上2层板的高度16mm（9.6mm（1+2

44、/3）等于一根梁上2个孔的距离（8mm2）。由此可见，只要多根梁和板的高度和垂直梁上的孔间距离相等，它们就可以很好的配合固定，如图4-8、图4-9、图4-10所示，就是很好地利用了板和梁的配合来固定。图4-8图4-9图4-10当然，配合的方式有很多，请不要局限于这几种，发挥想象，你可以找到很多方法。而且，并不是只有垂直梁才能用来加固。图4-11所示的，就是使用半梁（图4-11侧面的连接件）来固定梁。之所以称为半梁，是因为它的厚度只有梁的一半。图4-11尽管固定梁非常重要性，但我们还是要用最少的部件来搭出最稳定的结构。因为在设计机器人时，重量是必须考虑的一个重要因素，尤其是在设计可移动机器人时，

45、由于机器人自身惯性以及马达的轴所能承受的摩擦力等诸多原因，重量的增大，将导致机器人各方面性能的降低。如果需要固定的水平梁比较短，用一根垂直梁就可以固定。图4-12所示的结构就比图4-13所示的结构好，因为相对来说，前一个结构比后一个结构使用的组件少，重量更轻。图4-12 图4-13技巧与提示：什么是惯性？ 惯性即物体所要保持原有的运动或静止状态的趋势：即原来静止的物体会倾向于保持静止状态，原来运动的物体会努力保持运动的状态、速度及方向，这是所有物体的共性。但是，外界改变物体原有状态所需要的条件不同，这主要取决于物体的质量。物体质量增加，其惯性也随之增加。所以，机器人越重，加速或制动时需要马达提供的力量就越大。2. 斜支撑TegoYapp积木可以很容易地搭建方形物体，它同样也可以进行斜连接。我们已经知道了梁和板的比例关系，也知道了如何用一根垂直的梁去固定多根梁和板。但如何用一根梁斜支撑水平梁？图 4-14图4-14中，用梁和板叠嵌成一个长方形，