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发布时间:2020-09-27 07:32:37

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作者:李卫国 陈巍 梁建宏 胡涛

出版社:人民邮电出版社

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自己动手做智能机器人

自己动手做智能机器人试读:

前言

随着嵌入式技术的发展,以及处理器体积的缩小和处理能力的提高,将微计算机集成在传统硬件之中,通过整合智能算法、网络技术、大数据、云技术等相关技术,使传统硬件变得更智能、更人性化、更方便使用已经是大势所趋。

智能硬件是继智能手机之后的一个科技概念,它通过软硬件结合的方式对传统设备进行改造,进而让其拥有智能化的功能。智能化之后,硬件将具备连接的能力,可实现互联网服务的加载,形成“云+端”的典型架构,具备了大数据等附加价值。

当前,我国正处于从“制造型大国”向“创新型强国”过渡的过程中,在国家政策的指导下,我国智能硬件技术和相关产业得到了飞速的发展,如智能家居、智能电视、智能手环、平衡车等,将具有高技术含量的智能硬件真正地推向了寻常百姓家。智能硬件已经不再只是实验室及科研单位的“宠儿”,而是已经在产业化的方向上越走越远,并已经被大众消费者广泛地认同。“小而强”是智能硬件的特点,它的飞速发展,极大地颠覆了人们对传统产品和装置的认识。或许在5年前,绝大多数人还没有想到具有PC功能的智能手机会在今天装到每个人的口袋里,也不会想到今天能通过手机进行自动结算和一键支付。而智能硬件的应用前景远不止于此,除我们身边的衣食住行外,在自动化工业生产、智能农业、智能医疗、军警应用等领域也发挥着越来越大的作用,并在其他相关领域也有着很大的应用前景。“卓越之星”是什么

博创尚和科技有限公司生产的“卓越之星”模块化工程套件是一套用于开展工程创新实践的模块化套件,融合了机电一体化技术及先进的传感器网络技术。可以通过简单的搭建和编程,快速实现工程样机原型的搭建,特别适合作为理工科学生的创新实践平台。通过相关课程体系的建立,能系统地培养大学生的创新设计意识、综合工程应用能力与团队协作精神。透过实际问题的解决,引导学生研究基础知识,理论结合实践,快速提高工程素质。

这套产品可依照以下方法使用:首先根据本书第1篇的相关内容,对照平台零部件进行逐个功能的了解认知,达到熟悉使用的程度;其次,结合自己的创意进行创造性开放,也可以结合本书配套资源中的《FollowMeGo》教程,进行Demo的搭建训练,寻找灵感。本书特色

在内容上,本书以“卓越之星”模块工程套件平台为依托,介绍了模块化套件的概念、产品特点、使用方法,利用该套件的学习方法等,并在合适的地方讨论了相关技术的发展及本书内容的拓展空间。

本书内容共分为3篇,分别是基础篇、实战篇、创新篇。基础篇主要介绍了产品零部件的使用方法,依照机电一体化零部件的功能进行分类介绍。实战篇根据产品特点提供了一些小案例,展示了模块化零部件的常见应用场合,并结合实验说明了理论结合实践的相关机电一体化技术应用的内涵,其中实验是按照由浅入深、由易到难、由简到繁的顺序进行安排。读者可根据自己的实际情况进行选用。创新篇则以两个前沿热点场景的构建为例,系统地讨论了机电系统设计实现的基本过程,并对相关问题进行了引导式的探讨。配套资源下载

在内容上,本书的各章节实验项目配套有相应的示例源代码,可到博创尚和科技有限公司的网站下载。书中提到的所有配套资源均可在http://www.uptech-robot.com/down/new.php 下载到。读者只需在该链接对应页面的输入密码框内填写“uptech-robot2016”,即可成功查看并下载各项配套资源。目标读者

本书适合高等院校的机械、电子、计算机等相关专业的学生作为工程实践能力培训教材使用,也可以作为相关领域工程技术人员的参考工具书,同时也比较适合作为娱乐创客及产业创客的实践参考书。联系我们

如果你对本书的内容有任何疑问,可以将问题发送到lux@uptech-robot.com,或者加入QQ群(群号:428558643),我们将竭力为你解答。第1篇基础篇第1章 概述第2章 结构件第3章 控制器第4章 传感器第5章 执行器第6章 软件编程第1章概述1.1 机电一体化技术的变革

早期的机电一体化技术主要以机械设备或装置为主体,实现机械设备的电气化。人们能够通过操作按钮来控制设备的运行,因而解放了一部分劳动力,使工厂环境变得更简洁。后期随着计算机技术的发展,机电一体化设备由“人控”转为“程控”,实现了自动化控制。在各种设备中,机电一体化技术被广泛应用,并出现在我们生活周边,如自动豆浆机、自动门、自动电梯等。

在互联网技术高速发展的今天,机电一体化技术和互联网结合到了一起,德国的“工业4.0”、美国的“工业互联网”、我国的“中国制造2025”无一不与其相关。这种情况出现的原因就在于互联网提供了互联互通和信息融合的工具及技术,使机电一体化设备的功能出现了无限的可能性,因此像智能硬件之类的产品出现了井喷式的发展,并无时无刻不在触动着人们的神经。智能硬件中的大多数都是我们身边常见并解决人类需求的个人消费品。除互联网技术外,CPU运算能力的发展和高度集成、语音与图像识别等人工智能技术的发展也为机电一体化的升级和变革提供了有力的支撑。

机电一体化技术涉及机械、传感器、控制器、驱动器及执行器的设计技术。其中机械设计中采用新材料、新工艺、新方法,如采用碳纤维材料、各种3D打印制造工艺、3D建模设计和有限元分析等,使机械设计过程变得简单快捷,样机研发成本降低,构型更具有想象力,产品质量更精准可靠。在传感器方面,随着微机电系统(MEMS)技术的发展和微处理器在传感器上的应用,软件矫正补偿技术正逐步提高传感器的性能,降低功耗和缩小体积。同时也是处理器技术的发展推动了控制器、驱动器的发展,小型化的强大嵌入式处理系统在大大小小的系统中得到了广泛的应用。“卓越之星”模块化工程套件是一套主要用于构建机电一体化样机或者模型的套件,具有多种材料、多种形态的结构件,多种等级的控制器和多种通信方式。“卓越之星”结合当前时代技术特点进行设计,能满足多数创客及样机研发人员在快速搭建物理样机方面的使用需求,比如快速搭建常见的智能家居系统、智能建筑系统、智能农场等。例如,关于智能电梯的设计,本书提供了详细的步骤及方法。目标是设计一个智能电梯,该电梯能通过语音识别乘客的目标楼层,然后通过模块化控制器实现自动控制、自动升降、自动开关门。使用者可以按照以下6步实现这个样机。(1)使用产品提供的铝型材搭建出电梯的支撑框架。(2)使用结构件搭建出轿厢本体。(3)通过植入总线式数字舵机配合连杆机构实现对轿厢的自动门驱动。(4)通过卷扬机构实现对轿厢的升降驱动。(5)连接多媒体控制器和STM32单片机控制器,实现对电梯的逻辑控制和语音控制。(6)利用图形化编程软件,通过拖拽图标实现程序控制逻辑。1.2 机电一体化产品

机电一体化产品就是采用机电一体化技术研发制造的产品,主要是在机械产品的基础上附加自动化、信息化、智能化的元素。机电一体化技术即结合机械技术和电子技术于一体。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用,机电一体化技术获得前所未有的发展,成为一门综合计算机与信息技术 、自动控制技术 、传感检测技术 、伺服传动技术和机械技术等学科并交叉发展的系统技术。随着嵌入式计算机的高度发展,具有移动计算能力的芯片体积越来越小巧,成本越来越低廉,功能越来越强大,电子技术正在飞速地改变传统机械的面貌,在国防、工业、医疗和消费类电子等各个领域,对机械系统产生深远的甚至是革命性的影响。

智能硬件是机电一体化技术发展到现阶段出现的典型应用,其通过软硬件结合的方式,对传统设备进行改造,进而让其拥有智能化的功能。得益于低成本强运算能力的芯片,以及各种传感器,传统机电设备智能化之后,甚至具备连接的能力,实现互联网服务的加载,形成“云+端”的典型架构,于是智能硬件的机电设备出现了各种新创意,激发了人们的购买欲望。改造的对象除了电子设备,例如手表、电视和电灯,也有以前纯机械的设备,例如门锁、和自行车。智能硬件已经从可穿戴设备延伸到智能电视、智能家居、智能汽车、智能医疗、智能玩具、机器人等领域。比较典型的智能硬件包括麦开水杯、Ninebot 两轮平衡车、小牛电动车等。

麦开水杯(见图1-1)可以在手机App上输入用户的身高、体重,进而测算推荐每天的饮水量,并且实现饮水的提醒。图1-1 麦开水杯

Ninebot 两轮平衡车和Ninebot One独轮车(见图1-2)可以上传用户的累计行驶里程,并且为用户显示其在全世界范围内的排名情况,Ninebot One最厉害的玩家目前已经行驶了8 000 km以上。图1-2 Ninebot 平衡车及独轮车

小牛电动车拥有“活塞液压双碟刹+EBS(电子刹车)+动能回收”系统,锰钢碟刹车片配合前220 mm后180 mm的液压刹车卡钳,主打制动性能,在全天候各种路况下都有良好的适应性。“双碟刹+EBS”系统,20 km/h的速度下制动距离仅1.37 m,相比传统的无EBS鼓式刹车系统,缩短了21%。

此外,小牛电动车并没有迎合这个时代,“为了智能化而智能化”,而是选择先集中突破电动车的防盗痛点:封闭集成GPS模块,随时追踪车辆位置,并且第一年流量免费。

用户可以通过App 的远程控制 来实现对车辆的管控,App集成了包括车况检测、位置记录、报警提示、综合信息显示四大功能。在手机上可以进行整车情况检测,看到剩余电量信息、天气信息、附近维修点地理信息,自动获得充电提醒、电池提出报警、非法位移提醒,查询到车辆行驶轨迹记录,以及进行社区线上交流。图1-3 小牛电动车

在“大众创新,万众创业”的时代,我们新一代的机电工程师必须具备电子化、信息化的思想和互联网思维,才可能设计出更具竞争力的产品。1.3 机电一体化技术带来哪些明星产品

世界因为互联计算变得更加精彩,而传统机电设备因为获得智能而焕发生机,不断涌现出拥有众多粉丝的耀眼明星。下面我们将介绍几款非常优秀的机器人产品,它们已经在各自的领域发挥着举足轻重的作用,并不断地挑战着新高度。1.3.1 大狗军用机器人

传统装甲运兵车(见图1-4)可以在野战道路上输送人员和装备,但是却无法支援山区、丛林和前沿阵地的步兵,但是随着“机-电-液”技术的发展,单位面积推力巨大的液压腿式机器人已经研发成功,即将成为紧跟步兵承载装备的“木牛流马”。图1-4 传统步兵运兵车

大狗军用机器人(见图1-5)由波士顿 动力公司(Boston Dynamics)专门为美国军队研究设计,它不仅仅可以爬山涉水,还可以承载较重的货物,而且这种机械狗可能比人类都跑得快。“大狗”机器人可根据环境的变化调整行进步态,被称为“当前世界上最先进的适应崎岖地形的机器人”,它不但能够行走和奔跑,而且还可跨越一定高度的障碍物。该机器人装备一部输出液压动力的汽油发动机,四条腿完全模仿动物的四肢设计,内部安装有特制的减震装置。机器人的长度为1 m,高70 cm,重量为75 kg,行进速度可达到7 km/ h,能够攀越35°的斜坡。它可携带重量超过150 kg的武器和其他物资,具有很强的野战实用性。

大狗机器人的内部安装有一台计算机,可根据环境的变化调整行进姿态。而大量的传感器则能够保障操作人员实时地跟踪“大狗”的位置并监测其系统状况。据称,“大狗”机器人能够获得成功是由于采用了战斗机上采用的数字液压伺服系统,这种系统每平方厘米上能产生160~250 kg的液压力,当然也离不开先进的控制芯片和军用数据总线,使得机器腿能做出快速精准的调整。相比之下,传统步兵车辆运动系统的控制功能单一,仅在自动变速箱中有微计算机,有一些车辆甚至还在使用手动变速箱。图1-5 大狗机器人结构图1.3.2 达芬奇手术机器人

传统外科手术受限于医生的视野,必须要使用传统的外科手术器械(见图1-6)在人体上打开足够大的口子,才能让外科医生看见里面的情况,从而开展手术,特别是胸腔和腹腔手术,往往令人想起“开膛破肚”的血腥场面,这种手术方法,患者是痛苦的,外科医生的压力也是巨大的。图1-6 传统外科手术器械

现在,最先进的微创手术机器人,已经利用机器人技术,实现了机器人的眼睛代替人眼进入腹腔、胸腔里看,机器人的微型机械手代替人手进入人体实施手术,而只需要在患者手术部位附近打几个小孔,这种微创手术机器人系统就是达芬奇外科手术系统。图1-7 达芬奇手术机器人的前端器械图1-8 达芬奇手术机器人完整系统

达芬奇外科手术系统是一种高级机器人平台,其设计的理念是通过使用微创的方法,实施复杂的外科手术。达芬奇机器人由三部分组成:外科医生控制台、床旁机械臂系统、成像系统。(1)外科医生控制台。主刀医生坐在控制台中,位于手术室无菌区之外,使用双手(通过操作两个主控制器)及脚(通过脚踏板)来控制器械和一个三维高清内窥镜。手术器械尖端与外科医生的双手同步运动。(2)床旁机械臂系统。床旁机械臂系统是外科手术机器人的操作部件,其主要功能是为器械臂和摄像臂提供支撑。助手医生在无菌区内的床旁机械臂系统边工作,负责更换器械和内窥镜,协助主刀医生完成手术。为了确保患者安全,助手医生比主刀医生对于床旁机械臂系统的运动具有更高的控制权。(3)成像系统。成像系统内装有外科手术机器人的核心处理器以及图像处理设备,在手术过程中位于无菌区外,可由巡回护士操作,并可放置各类辅助手术设备。外科手术机器人的内窥镜为高分辨率三维镜头,对手术视野具有10倍以上的放大倍数,能为主刀医生带来患者体腔内三维立体高清影像,使主刀医生较普通腹腔镜手术更能把握操作距离,更能辨认解剖结构,提升了手术精确度。

机器人技术的介入,使手术器械能以不同角度在手术部位操作,能够在有限狭窄空间工作,使得主刀医生在轻松的工作环境中工作,减少疲劳,提高精确度,从而使手术更完美。1.3.3 多旋翼航拍无人机

传统的航空模型运动(见图1-9)是一种锻炼动手制作能力、操纵感觉与反应,兼有传播空气动力学知识功能的体育运动。图1-9 传统航模运动

随着机电控制技术和无人机技术的进步,航空模型已经最先进入了“无人机+”时代,也就是无人机技术极大地改变了航空模型的产品形态、玩法和体验。以我国最大的航拍无人机出口产品——大疆“精灵3”无人机(见图1-10)为例,在一台1300 g左右的“精灵”四旋翼航拍无人机身上,集成了至少9颗嵌入式计算机芯片。它们在以下几方面发挥作用:(1)摄像头处理计算机,主要用于CCD(电荷耦合器件)感光器件成像后的编码压缩处理等;(2)三轴云台控制计算机,它通过获取摄像头后面的陀螺仪、姿态传感器信息,驱动三轴无刷电机实现飞行中摄像头的稳定;(3)导航计算机,通过获取磁场、GPS、加速度计和陀螺的数据,分析计算机体的位置、速度、角速度和航向等导航信息;(4)飞行控制计算机,它根据导航计算机的导航数据,给四个驱动螺旋桨的无刷电机发出复杂的调整指令,从而实现悬停、抗风、机动飞行等复杂动作;(5)无刷电机驱动微处理器,它感知电机转子的相位,以400 Hz的频率控制电机的转速,从而实现升力的变化;(6)智能电池管理芯片,它采集每一片锂电池的电压和电流,从而估算容量,对电池进行保护。图1-10 “精灵”航拍无人机

传统的航空模型内部几乎没有高性能的处理器,因此飞行水平主要靠操纵者的训练和现场反应。而航拍无人机上的9枚嵌入式计算机,其平均运算能力要远高于早期的苹果个人台式计算机,从而大大降低了飞行器的控制难度,既可以兼顾飞行,还能够完成空中拍摄,同时还有微计算机监管电池安全。这些极大的进步,已经大大拓展了民用无人机的市场,实现了增量创新。1.4 成为卓越的机电一体化工程师要掌握哪些技能

和别人打交道,就要学会语言表达,和外国人打交道,就要学会外语。同样的,当我们的研究对象是机电系统时,我们就需要学习“机”的语言和“电”的语言,这些专门的语言,是不会发出声音的,甚至看不到它们的存在,但是在每一个机电系统里却真实存在,并且时时刻刻发挥作用。比如机械系统尺寸精度的传递、强度的传递、运动的传递、能量的传递,都可以在机械原理、机械设计、材料力学和理论力学等课程里找到答案;又如控制系统里精度的传递、检测信息的传递、动态响应特性的传递等,又可以在数字电路、微机原理、检测技术、自动控制和机电控制工程等课程里找到答案。

初学者往往不能从实际出发,从机电产品的各项指标来推导其采用的方案和关键指标实现过程,从而也就无法带着问题开展课堂理论学习。机电一体化产品本是非常有趣动感的产品,如果不掌握理论联系实际、实际工程项目反过来考问课本知识的学习方法,就容易失去学习兴趣和动力。这里给本书的读者提一些实用的建议:1.4.1 扎实掌握一些机械装置的设计方法

作为一名优秀的机电工程师,首先要知道机械工程是站在前人肩膀上缓慢前进的一门学科,每一次原理或者结构上的重大创新、发明,都会带来翻天覆地的变化和商机。对于初学者来说,最好的方法就是针对具体的案例进行横向类比,引发思考、调研,从而迅速地扩充自己的认知。简单来讲,机械结构里优秀的设计太多了,只有比较再比较,才会发现其中的奥妙,才会联系课本知识,提高自己的理论运用水平。

比如,高速列车的电力牵引系统和数控机床的一个数控轴,同样都是一维的伺服控制系统,他们的机械结构有何异同呢?表1-1列出了比较学习的要点。表1-1 机电系统的比较学习机电系关键特色指标主要主要指标的定位承载共同点统名称机械检测传感器精度能力结构要求高速列0.1 大功率点位控霍尔位置传几十牛顿第二车的电轮轨m量制感器、车轮到几定律,刚力牵引机构级(加速和制动)速度传感器百t体动力学系统数控机低速高精度的光电码盘、丝杠几十1 μm床的一速度和位置控光栅尺、霍 导轨到几量级个数控制(插补运尔位置传感机构百kg轴动)器1.4.2 熟练掌握一门和硬件打交道的语言

我们要知道,机器是不长嘴巴的,绝对不是靠声音来传递情报和下达命令。为此,人类发明了二进制,从而可以用晶体管的“0”和“1”两个状态来表达信息,进而就有了数字电路里的十六进制和“字节”的概念。尽管现在有了32位、64位的计算机,但是我们在用数字表达整个世界的时候,仍然是以8位二进制数组成的字节为基础。为了基于字节来表达世界,来沟通机器和人类,就有了很多的翻译。例如,计算机和英文之间的编码叫作ASC II编码,大写字母“A”的编码是十进制的65;而古老的汉字要走进计算机里,就有了GB2312—1980字符集,即国家标准字符集,这个编码收入汉字6763个,符号682个,总计7445个字符,这是中国大陆普遍使用的简体字字符集,楷体_GB2312、仿宋_GB2312、华文行楷等市面上绝大多数字体支持显示这个字符集 ,它也是大多数输入法所采用的字符集。

机器能听懂的话太少了,所以我们必须把复杂的事情分解为很简单的程序,这样就有了编程的语言,从最早的晦涩的汇编语言,到现在个人计算机和嵌入式计算机普遍流行的C语言,再到图形化的高级语言,这些都是人类自然语言和计算机之间的翻译。

一个优秀的机电工程师,必须理解从人类自然语言到字符再到二进制信号的传递过程,以及最后在不同的总线之间转换,向下一个机器传递的过程。1.4.3 保持对新器件新技术的好奇心

一个好的时装设计师会把新的布料和最新的时尚元素、文化创意加入他的作品当中。同理,一个“时髦”的机电工程师,或者所谓“创客”,他们总是在最新的芯片、传感器,新的算法或者高性能的机械零部件上寻找商业机会。谁最先发现并且验证了“时髦”的组合,谁就有可能取得成功。著名的特斯拉电动汽车就是一个很好的例子,特斯拉汽车的成功,并不是汽车业的成功,从技术上来看,它是笔记本计算机电池的成功。

1996年末,通用汽车研发出EV1,并作为第一款量产电动汽车投放市场,这款车其貌不扬,续航里程140 km,由于投入与产出比不高,在生产了2000多辆之后,通用汽车于2002年宣布放弃,此事让通用汽车背上了骂名。事后,参与EV1项目的工程师艾尔·科科尼(Al Cocconi),在加州创建了一家电动汽车公司AC Propulsion,并生产出仅供一人使用的铅酸电池车T-Zero。

AC Propulsion公司的经营陷入困境时,一名来自硅谷的叫作马丁·艾伯哈德 (Martin Eberhard)的工程师为之投资了15万美元。作为交换,他希望科科尼尝试用数千块笔记本计算机的锂电池作为T-Zero的动力。换用锂电池后,T-Zero行驶里程超过了480 km。马丁·艾伯哈德在寻找创业投资时发现,美国很多停放超级跑车 的私家车道上经常还会出现些丰田混合动力 汽车普锐斯 (Toyota Prius)的身影。他认为,这些人不是为了省油才买普锐斯,普锐斯只是这群人表达对环境问题不满的方式。于是,他有了将跑车 和新能源结合的想法,而客户群就是这群有环保意识的高收入人士和社会名流。

2003年7月1日,马丁·艾伯哈德 在美国加州的硅谷成立了特斯拉汽车公司,并得到了大富豪埃隆·马斯克 的投资,很快成功研发出行驶里程达到480 km的T-Zero原型车。特斯拉电动车引以为傲的续航能力,来自由7000多颗电池组成的电池包,即使短路也不会着火,个别电池损坏不会影响其他。

在这样一个成功的创业故事里,我们可以看到马丁·艾伯哈德对新器件的敏感性和对汽车行业本质的认识,这才是他战胜通用、丰田,取得电动车成功的原因。首先,他认识到电动机的爆发力和功率密度大于内燃机,更适合作为跑车的动力,同时跑车较高的价格定位足以抵消电池带来的成本增加;其次,他认识到笔记本电池具有最大化的重量比能量,而分布式电池管理是一个需要尝试但是风险不大的技术。有了技术和产品定位上契合的方案,马丁·艾伯哈德第一个让纯电动汽车得到了世界人民的认可。第2章结构件

结构件是构型的基础,“卓越之星”结构件按照常用结构或机构的特征要求进行设计,形态丰富。结构件之间,主要采用通用M3螺纹或花键连接方式连接,可以任意拼装。各种结构件的材料是根据它的功能特点及工艺要求进行选择的,包含铝合金(7075/6061/5052/2A12)、碳钢、丙烯腈-丁二烯苯乙烯共聚物(ABS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚四氟乙烯等。结构件在形态上包含钣金、型材、杆、管等多种工程常用材料形式,在功能上包含连杆传动、带传动、螺杆传动、齿轮齿条、凸轮、流体泵阀等机构所需基础零部件。在设计开发中,可根据所需,选择合适的结构件,完成样机的搭建。

这些结构件可以组合成为一些通用的机构组件,在实际操作过程中,往往是利用通用机构组件和其他“卓越之星”结构件(或自制结构件)结合使用。在设计结构之前,全面熟悉这些结构件的分类和特征是非常必要的。2.1 结构件分类“卓越之星”结构件分成4大类,分别是基础件、连接件、传动件、辅助件。每种类别的结构件具有相同的功能特征,在构型的结构设计及搭建中,根据分类能快速定位要选用的零件,提高设计效率。分类说明如下。● 基础件:结构搭建的基本元素。板框通常用于搭建机构的机架或

结构轮廓。条型、角型、梁、杆、管通常作为运动机构的支架使

用。部分零件如图2-1所示。图2-1 基础件● 连接件:实现结构件之间组合连接的零件。对于使用花键连接的

情况,可以通过“连接销”和“连接销帽”及M3螺钉的配合使

用,形成稳定的连接。对于直接使用3 mm孔的螺纹连接,可利

用套件提供的“螺孔板”。部分零件如图2-2所示。图2-2 连接件● 传动件:实现机械传动、拖动功能的零件。包含了齿轮传动、圆

带传动、卷扬机构所必需的零件。通过这些零件,可以搭建齿轮

齿条、圆带传动等基础单元组件。部分零件如图2-3所示。图2-3 传动件● 辅件:为辅助实现某一种特殊组件功能而提供的零件。包含了流

体设备辅件、舵机辅件等。部分零件如图2-4所示。图2-4 辅件2.2 连接方式及组件形态

结构件之间有类似的连接方式。我们可以根据连接方式的特点合理设计结构。

M3螺纹连接(图2-5)是工业常用连接方式,结构件之间使用螺纹连接能方便地实现零件紧固、铰链结构搭建、连杆结构搭建等。图2-5 M3螺纹连接

花键包含了20个齿,齿间夹角18°,结构件的相对位置夹角度数也应该是18°的整数倍。图2-6展示了花键连接的特点。

利用结构件可搭建具有不同功能的组件模块,这些组件往往与驱动装置连接在一起,而形成能控制的运动单元,部分功能组件如图2-7所示。图2-6 花键连接图2-7 部分功能组件2.3 结构搭建

通过上文的介绍,相信读者对“卓越之星”结构件体系有了一个大概的了解,对每种结构件的用处及连接方式也有了自己的思路,下面我们通过一个简单的实验来让大家体验一下“卓越之星”的结构搭建。2.3.1 搭建准备

本次我们将指导读者完成一个载物平台的搭建,读者首先按照表2-1的内容准备好相应的零部件,以及配套的十字螺丝刀、扳手等必要工具。完成后按照2.3.3节的内容逐步进行载物平台的搭建。

载物平台是卓越之星构型中最基础的一种结构,它可以给工件提供一个摆放的平台,并可与其他结构相配合,来模拟加工平台、物流中转站或仓库等场景。2.3.2 准备零件

2.1节介绍了“卓越之星”结构件的分类规则,实际上,在“卓越之星”产品中,每种结构件都在显著位置标明了它的名称,读者可根据2.1节中的分类对应图找到每种类别中的各种结构件,并知道它们的名称,表2-1所示为本实验所需要的结构件及连接件。表2-1 实验所需结构件及标准件BO名  称描  述数  量M ID181型六角螺母 M3连接紧固作用,标准件2DB120平台的主要工作面13KJ1平台的基座,可连接基础平台4P6平台的骨架,起连接支撑作用45TG3-68支撑作用,可调整平台高度十字槽盘头螺钉 M36连接紧固作用,标准件4×14十字槽盘头螺钉 M37连接紧固作用,标准件4×252.3.3 动手搭建一个载物平台

按照图2-8至2-11的提示搭建载物平台,注意:在搭建过程中注意观察组装顺序,如顺序错误,可能会造成有些部件安装位置被覆盖,需要拆卸重新安装。图2-8 步骤1图2-9 步骤1完成图图2-10 步骤2图2-11 步骤2完成图

本书的配套资源中有《FollowMeGo》搭建手册及搭建动画,包含了50余种典型构型的搭建指导,及10套构型的完整搭建过程,包括搭建所需的零件清单、搭建过程等,以及相关配套说明、图纸、接线图。通过搭建手册中的构型练习,用户可以快速熟悉“卓越之星”结构件,并完成相应构型的搭建。2.4 小结

通过本章的学习我们熟悉了卓越之星的结构件,了解了其基本作用、基本的连接方式及组件形态,并动手完成了载物平台的搭建过程。读者通过本章学习,结合《FollowMeGo》中的构型搭建练习,可完全掌握“卓越之星”套件的机械结构组成,为后面学习各构型的控制打下良好基础。第3章控制器“卓越之星”包含了3种控制器和1种PC端接口调试装置,用户可根据控制构型的复杂程度,选择不同的控制器。控制器和PC端接口调试装置如图3-1所示。图3-1 控制器

各控制器及PC端接口装置功能简介如下。● Debugger:多功能调试器,其功能有单片机串口调试、控制器

程序下载、PC与控制器串口通信、执行器数字舵机CDS5516调

试设置等。● Woody:多媒体控制器,采用ARM11核心,主频700 MHz,搭载

了嵌入式Linux操作系统,具有图像识别、图像捕捉、语音识

别、语音交互等高级处理功能,并搭载了蓝牙模块,可添加WiFi

通信功能。● LUBY:“卓越之星”的主控制器,采用STM32控制核心,具有

多路传感器采集及执行器控制接口,并搭载蓝牙、ZigBee无线模

块,同时支持Crater图形化编程环境。

 LUBYmini:迷你控制器,采用STC51控制核心,具有四路传感器采集接口及ZigBee无线模块,功耗较低,可作为无线传感器节点使用,同时在简单构型中,可作为主控制器使用。3.1 多功能调试器

多功能调试器(Debugger)集成了 USB转RS-232串行通信,机器人数字舵机(Robot Servo)调试、控制器ISP下载3种功能,体积小巧,功能集成度高,是一种方便可靠的多功能调试设备,在“卓越之星”中,多功能调试器可用来与LUBY控制器实时通信,为LUBYmini控制器下载单片机程序,对执行器CDS5516数字舵机进行调试。3.1.1 基本结构

多功能调试器(见图3-2)具有下载指示灯、通信指示灯和工作模式指示灯,以及模式选择和4个接口。3个指示灯、USB接口和模式选择位于设备的左侧,机器人舵机接口、舵机电源接口和RS-232及ISP接口位于设备的右侧。图3-2 多功能调试器接口示意图

多功能调试器上的每一个构件都有它独特的特性及功能,并且在各自的场景中扮演着极其重要的角色。关于多功能调试器的具体结构和功能定义如下所示。● USB接口:USB B口,通过USBA口转B口转接线连接到PC机的

USB口,通过USB接口实现PC端与多功能调试器通信、下载、

调试。● 模式选择:用于切换多功能调试器的3种工作模式(RS-232模式、

AVR ISP模式和Servo模式),多功能调试器工作在其中任一模式

时,对应的工作模式指示灯亮起。● RS-232及ISP接口:用于程序下载及串口调试,在多功能调试器

的背面标有该接口的线序,如图3-3所示。

与图3-3中方框中的接口搭配使用的五针接口线线序(ISP下载线)如图3-4所示。图3-3 RS-232及ISP接口线序图3-4 ISP下载线线序● 舵机电源接口:在使用调试器上的机器人舵机接口进行舵机调试

时,此接口连接12V电源,为舵机供电。● 机器人舵机接口:用于调试和设置舵机(配合

RobotServoTerminal软件)。● 通讯指示灯:当串口有数据传输时,通讯指示灯闪烁(发送数据

时为红色,接收数据时为绿色)。3.1.2 驱动安装

在使用之前,需要为多功能调试器安装驱动,驱动安装步骤如下所示。(1)从本书配套资源中找到驱动文件夹。(2)将调试器接入计算机的 USB 接口。如果这台计算机没有用过这款调试器,会弹出安装驱动的要求。通过指定路径,安装驱动。过程如下:选择“否、暂时不”,点“下一步”,选择“从列表或指定位置安装(高级)”,单击“下一步”,点“浏览”找到上一步的驱动程序文件夹,单击“确定”开始安装驱动。(3)驱动安装成功后会在设备管理器中出现这个调试器的端口号。设备管理器的路径是:“我的电脑”右键单击,选择“管理”→选择“设备管理器”→选择“端口(COM 和 LPT)”,即可看到端口号“USB Serial Port(COM1)”,如图3-5所示。图3-5 端口号显示

您可以从本书配套资源“……\卓越之星产品光盘\多功能调试器”找到《多功能调试器用户手册》 。调试器使用之前需要安装驱动,使用过程需要注意选择模式,这些在用户手册里都有详细的说明,在卓越之星系列产品中,多功能调试器用于LUBYmini控制器的程序下载和串口调试,我们可以用它来进行程序下载、串口通信和CDS5516调试。3.1.3 多功能调试器实验1.实验目的(1)了解多功能调试器的功能。(2)熟悉多功能调试器与控制器之间的连接。(3)掌握使用多功能调试器的RS-232接口进行ISP下载,了解多功能调试器用于串口调试时的使用方法。2.实验器材

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