简易机器人制作

简易机器人制作课标关于《简易机器人制作》的大纲要点•基于计算机技术的学习平台，将机械、电子和单片机的应用有机组合起来。通过本课程的学习，学生应该知道单片机和机械传动的基本知识，能设计与制作由单片机和传动机械等组成的简易自动控制机器或简单的自动控制系统。•课程由“单片机及其控制程序”、“单片机与控制电路”、“单片机与传动机械”三个主题构成。•给学生提供了运用当代先进技术和先进思想方法进行设计、制作，以解决实际问题的机会。一、概述1.机器人的定义2.能力评价标准3.组成4.发展特点5.分类6.阿西莫夫机器人三定律7.简易机器人的结构与应用机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它的任务是协助或取代人类工作的工作，例如生产业、建筑业，或是危险的工作。1、机器人的定义目前世界上有关机器人的定义没有统一的答案。日本——机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等七个特征的柔性机器。法国——机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法为研究对象。国际标准化组织——工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。中国——机器人是一种自动化的机器，它具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种高度灵活的自动化机器。2.能力评价标准机器人能力的评价标准包括：智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、可靠性、联用性和寿命等。因此，可以说机器人就是具有生物功能的实际空间运行工具，可以代替人类完成一些危险或难以进行的劳作、任务等。3.组成机器人一般由执行机构、驱动装置、检测装置和控制系统和复杂机械等组成。执行机构即机器人本体，其臂部一般采用空间开链连杆机构，其中的运动副（转动副或移动副）常称为关节，关节个数通常即为机器人的自由度数。根据关节配置型式和运动坐标形式的不同，机器人执行机构可分为直角坐标式、圆柱坐标式、极坐标式和关节坐标式等类型。出于拟人化的考虑，常将机器人本体的有关部位分别称为基座、腰部、臂部、腕部、手部（夹持器或末端执行器）和行走部（对于移动机器人）等。驱动装置是驱使执行机构运动的机构，按照控制系统发出的指令信号，借助于动力元件使机器人进行动作。它输入的是电信号，输出的是线、角位移量。机器人使用的驱动装置主要是电力驱动装置，如步进电机、伺服电机等，此外也有采用液压、气动等驱动装置。检测装置是实时检测机器人的运动及工作情况，根据需要反馈给控制系统，与设定信息进行比较后，对执行机构进行调整，以保证机器人的动作符合预定的要求。作为检测装置的传感器大致可以分为两类：一类是内部信息传感器，用于检测机器人各部分的内部状况，如各关节的位置、速度、加速度等，并将所测得的信息作为反馈信号送至控制器，形成闭环控制。一类是外部信息传感器，用于获取有关机器人的作业对象及外界环境等方面的信息，以使机器人的动作能适应外界情况的变化，使之达到更高层次的自动化，甚至使机器人具有某种“感觉”，向智能化发展，例如视觉、声觉等外部传感器给出工作对象、工作环境的有关信息，利用这些信息构成一个大的反馈回路，从而将大大提高机器人的工作精度。控制系统有两种方式一种是集中式控制，即机器人的全部控制由一台微型计算机完成。另一种是分散（级）式控制，即采用多台微机来分担机器人的控制，如当采用上、下两级微机共同完成机器人的控制时，主机常用于负责系统的管理、通讯、运动学和动力学计算，并向下级微机发送指令信息；作为下级从机，各关节分别对应一个CPU，进行插补运算和伺服控制处理，实现给定的运动，并向主机反馈信息。根据作业任务要求的不同，机器人的控制方式又可分为点位控制、连续轨迹控制和力（力矩）控制。4.发展特点如今机器人发展的特点可概括为：横向上，应用面越来越宽。由95%的工业应用扩展到更多领域的非工业应用。像做手术、采摘水果、剪枝、巷道掘进、侦查、排雷，还有空间机器人、潜海机器人。机器人应用无限制，只要能想到的，就可以去创造实现；纵向上，机器人的种类会越来越多，像进入人体的微型机器人，已成为一个新方向，可以小到像一个米粒般大小；机器人智能化得到加强，机器人会更加聪明。5.分类诞生于科幻小说之中一样，人们对机器人充满了幻想。也许正是由于机器人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。中国的机器人专家从应用环境出发，将机器人分为两大类，即工业机器人和特种机器人。所谓工业机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。而特种机器人则是除工业机器人之外的、用于非制造业并服务于人类的各种先进机器人，包括：服务机器人、水下机器人、娱乐机器人、军用机器人、农业机器人、机器人化机器等。在特种机器人中，有些分支发展很快，有独立成体系的趋势，如服务机器人、水下机器人、军用机器人、微操作机器人等。目前，国际上的机器人学者，从应用环境出发将机器人也分为两类：制造环境下的工业机器人和非制造环境下的服务与仿人型机器人，这和中国的分类是一致的。空中机器人又叫无人机器，近年来在军用机器人家族中，无人机是科研活动最活跃、技术进步最大、研究及采购经费投入最多、实战经验最丰富的领域。80多年来，世界无人机的发展基本上是以美国为主线向前推进的，无论从技术水平还是无人机的种类和数量来看，美国均居世界之首位。6.阿西莫夫机器人三定律科幻小说家艾萨克·阿西莫夫在小说中所订立的“机器人三定律”。阿西莫夫为机器人提出的三条“定律”，程序上规定所有机器人必须遵守：一：机器人不得伤害人类，或袖手旁观坐视人类受到伤害；二：除非违背第一法则，机器人必须服从人类的命令；三：在不违背第一及第二法则下，机器人必须保护自己。7.简易机器人的结构与应用•简易机器人结构相对简单，价格便宜。一般分为控制与机械两大部分。机械包括机体结构、动力装置、传动机构和执行机构等；控制包括单片机（或嵌入式）系统及其软件、传感器及其电路、控制驱动电路等。简易机器人的基本结构框图对“简易”的理解与在现实生活各个领域服役的机器人比较，“简易机器人”有如下不同：“麻雀虽小，五脏俱全”。《简易机器人》满足机器人的几大基本特征，是专门为中学生科技制作度身定制的。比较项目简易机器人在役机器人应用场合教具、玩具各类产业领域体系结构单片机最小系统分层递阶系统、分布式系统控制系统单片机（8位）嵌入式、驱动芯片、软件开发资源丰富、单任务简单编程专用控制板或计算机（32位）、专用电机驱动单元、软件开发环境复杂和昂贵、多任务实时操作系统机械结构拼装、模型额定负载下满足刚度和强度传感器简单、廉价高质量、高水平、高价格环境室内、结构环境室外、非结构环境材料单一（ABS塑料）多种高强度、轻质材料重量/尺度小大二、教材涉及的知识•1、简易机器人的控制核心：单片机的基本知识。•2、单片机硬件结构•3、简易机器人的控制电路。•4.简易机器人的机械传动。21单片机概述目录1.1什么是单片机1.2单片机的发展历史1.3单片机的特点1.4单片机的应用1.5单片机的发展趋势1.6MCS-51系列与AT89C5x系列单片机1.6.1MCS-51系列单片机1.6.2AT89C5x（AT89S5x）系列单片机1.7其它的51单片机1.7.1ADμC812单片机1.7.2C8051Fxxx单片机1.7.3台湾华邦公司W78系列和W77系列单片机1.8AVR系列单片机与PIC系列单片机1.8.1AVR系列单片机1.8.2PIC系列单片机1.9各类嵌入式处理器简介1.9.1嵌入式微控制器（单片机）1.9.2嵌入式DSP处理器(DSP)1.9.3嵌入式微处理器1.9.4嵌入式片上系统SOC(SystemOnChip)介绍单片机基础知识、发展历史、应用领域及发展趋势。8位单片机的主流机型，较大市场份额的MCS-51系列单片机及其兼容的单片机（统称为51系列单片机）对目前流行的51单片机的代表性机型：美国ATMEL公司的AT89C5x/AT89S5x系列单片机及代表性产品AT89S51详细介绍。简要介绍其它类型的单片机。初步了解嵌入式处理器：单片机，数字信号处理器（DSP）、嵌入式微处理器内容概要2420世纪70年代问世，广泛地应用在工业自动化、自动检测与控制、智能仪器仪表、机电一体化设备、汽车电子、家用电器等各个方面。什么是单片机？1.1什么是单片机一片半导体硅片集成：中央处理单元（CPU）、存储器（RAM、ROM）、并行I/O、串行I/O、定时器/计数器、中断系统、系统时钟电路及系统总线的微型计算机。具有微型计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。25主要应用于测控领域。单片机使用时，通常是处于测控系统的核心地位并嵌入其中，所以国际上通常把单片机称为嵌入式控制器（EMCU，EmbeddedMicroControllerUnit），或微控制器（MCU，MicroControllerUnit）。我国习惯于使用“单片机”这一名称。单片机是计算机技术发展史上的一个重要里程碑，标志着计算机正式形成了通用计算机系统和嵌入式计算机系统两大分支。单片机体积小、成本低，嵌入到工业控制单元、机器人、智能仪器仪表、汽车电子系统、武器系统、家用电器、办公自动化设备、金融电子系统、玩具、个人信息终端及通讯产品中。26按照其用途可分为通用型和专用型两大类。（1）通用型单片机就是其内部可开发的资源（如存储器、I/O等各种外围功能部件等）可以全部提供给用户。用户根据需要，设计一个以通用单片机芯片为核心，再配以外围接口电路及其它外围设备，并编写相应的软件来满足各种不同需要的测控系统。通常所说的和本书介绍的是指通用型单片机。（2）专用型单片机是专门针对某些产品的特定用途而制作的单片机。例如，各种家用电器中的控制器等。由于用于特定用途，单片机芯片制造商常与产品厂家合作，设计和生产“专用”的单片机芯片。由于在设计中，已经对“专用”单片机的系统结构最简化、可靠性和成本的最佳化等方面都做了全面的综合考虑，所以“专用”单片机具有十分明显的综合优势。无论“专用”单片机在用途上有多么“专”，其基本结构和工作原理都是以通用单片机为基础的。271.2单片机的发展历史单片机按其处理的二进制位数主要分为：4位单片机、8位单片机、16位单片机和32位单片机。发展大致分为4个阶段。第一阶段（1974年～1976年）：单片机初级阶段。因工艺限制，单片机采用双片的形式而且功能比较简单。1974年12月，仙童公司推出了8位的F8单片机，实际上只包括了8位CPU、64BRAM和2个并行口。第二阶段（1976年～1978年）：低性能单片机阶段。1976年Intel的MCS-48单片机（8位）极大地促进了单片机的变革28和发展，1977年GI公司推出了PIC1650，但这个阶段仍处于低性能阶段。第三阶段（1978年～1983年）：高性能单片机阶段。1978年，Zilog公司推出Z8单片机，1980年，Intel公司在MCS-48系列基础上推出MCS-51系列，Mortorola推出6801单片机。使单片机的性能及应用跃上新的台阶。此后，各公司的8位单片机迅速发展。推出的单片机普遍带有串行I/O口、多级中断系统、16位定时器/计数器，片内ROM、RAM容量加大，且寻址范围可达64KB，有的片内还带有A/D转换器。由于这类单片机的性能价格比高，所以被广泛应用，是目前应用数量最多的单片机。29第四阶段（1983年～现在）：8位单片机巩固发展及16位单片机、32位单片机推出阶段。16位典型产品Intel公司的MCS-96系列单片机。而32位单片机除了具有更高的集成度外，其数据处理速度比16位单片机提高许多，性能比8位、16位单片机更加优越。20世纪90年代单片机制造业大发展时期，Mortorola、Intel、ATMEL、德州仪器（TI）、三菱、日立、飞利浦、LG