机器人工程师成长三部曲之一--机器人设计与制作入门

1.摒弃枯燥的术语和原理，基于项目化的学做方式，在做前知道要做什么，有什么用，激发读者探索的兴趣。 2.本书将一个个独立功能单元设计成独立训练学习项目，让初学者不用耗费太多精力和面临过多困难就可以完成，可以看到自己的阶段性成果，在每个阶段都可以获得满足感和成就感，容易坚持。 3.书中每个项目均是作者亲自设计制作完成并验证，过程有效，数据可靠。

制造业是国民经济的主体，是立国之本、兴国之器、强国之基。国务院于2015年5月印发了部署全面推进实施制造强国的战略文件“中国制造2025”，为我国制造业未来的发展设计了顶层规划和路线图，推动我国向制造强国行列前进。随着“中国制造2025”纲要的颁布实施，机器人行业迎来了大发展的良好机遇，市场和社会对机器人设计师和机器人工程师的需求正在随着机器人的快速普及应用而变得越来越旺盛。
同时，随着信息技术的发展、知识社会的来临，传统的以技术发展为导向、以科研人员为主体、以实验室为载体的创新1.0模式，正在向以用户为中心、以社会实践为舞台、以共同创新和开放创新为特点的创新2.0模式转变，也就是我们常说的创客。在机器人领域，做机器人创客，是很多人的梦想，但常常被设计制作机器人所需的机械、电子、计算机、工程和艺术设计等各方面的知识与技能的高门槛要求挡驾。
笔者经过十多年的机器人教育创新实践，探索和总结出了一套适合不同认知和技能段人群的机器人设计与制作课程，为机器人爱好者和致力于成为机器人工程师和机器人设计师的读者提供了一个新的进阶渠道。在此基础上，笔者结合近年来指导大学生参加机器人竞赛的经验，开发出了一套适合零起点读者的、从新手到高手甚至专家的，循序渐进的、学做教学模式的“机器人工程师成长三部曲”系列图书。
“机器人工程师成长三部曲”图书的特点如下。 
1.摒弃枯燥的术语和原理，基于项目化的学做方式，在做前知道要做什么，有什么用，激发读者探索的兴趣。 
2.项目过程详细，一步步带着读者做，并及时提醒可能面临的危险，让读者在行进中接受挑战和磨练，但又确保不会因为无知或失误导致难以挽回的损失和危险。 
3.三本书既可组成体系，从易到难，帮助读者完成从新手到高手的进阶过程；又可以自成一体，每本书学完后，都能获得一定的阶段性成果。 
4.书中每个项目均是作者亲自设计制作完成并验证的，过程有效，数据可靠。
本书是“机器人工程师成长三部曲”的第一部，着重于机器人设计与制作的入门级知识。对于相关知识和经验不足的入门级读者而言，模仿是首选的入门策略。机器人很复杂，但分成一个个独立单元就变得简单易实现了。本书将一个个独立功能单元设计成独立训练学习项目，让初学者不用耗费太多精力和面临过多困难就可以完成，可以看到自己的阶段性成果，在每个阶段都可以获得满足感和成就感，容易坚持。 
本书由明子成、李茗妍编著。在编写过程中，得到了学校领导、同事及各位专家、朋友的大力支持与帮助，在此一并表示衷心的感谢！
由于编者水平所限，书中不足之处在所难免，敬请广大专家与读者批评指正。

编著者

本书基于项目化的学做方式，将一个个独立功能单元设计成学习项目，带领读者完成机器人设计与制作的入门学习。
主要内容包括：如何制作“飞毛腿”机器人、构建机器人开发平台、机器人如何用灯光表达信息、机器人如何用声音传情达意、机器人如何实现移动、机器人如何感知环境、为机器人造型、机器人需要怎样的电源系统、桌面助理机器人的设计、自主移动机器人的设计。
每个项目均是作者亲自设计制作完成，过程有效，数据可靠。
书中配有二维码，扫码即可观看视频讲解。
本书可为想学习机器人设计与制作相关知识的入门级读者、初级机器人工程师提供帮助，也可供大学院校相关专业师生学习参考。

第1章 如何制作“飞毛腿”机器人1
1.1从神坛走出的机器人1
1.2如何制作飞毛腿机器人2
1.2.1制作目标2
1.2.2制作所需材料2
1.2.3制作步骤及注意事项3
1.2.4问题与解决4
1.2.5项目小结4
1.2.6思考4
1.3什么是机器人5
1.4本书中要介绍的机器人6
1.5本章小结与思考7

第2章 构建机器人开发平台8
2.1机器人的主控制器8
2.2配置机器人开发环境10
2.2.1PC端Arduino软件开发环境10
2.2.2Tinkercad在线开发环境11
2.3通过程序点亮LED11
2.4Fritzing（电路搭建工具）14
2.5本章小结与思考14

第3章 机器人如何用灯光表达信息15
3.1用灯光显示心跳的感觉16
3.1.1用程序实现心跳的感觉16
3.1.2在Arduino IDE中实现模块化开发19
3.1.3问题与思考22
3.2让机器人以灯光的形式发送“SOS”求救信号23
3.2.1求救信号简介23
3.2.2用灯光发送“SOS”信号23
3.3让机器人展示呼吸的样子26
3.3.1用PWM控制LED模仿呼吸27
3.3.2呼吸灯的控制电路设计28
3.3.3呼吸灯的程序设计31
3.4机器人如何进行文字符号表示33
3.4.1数码管与数码的表示34
3.4.2控制LED数码管从“0”到“9” 滚动显示35
3.5用8×8点阵LED显示更复杂的图形40
3.5.18×8点阵LED显示屏简介40
3.5.2用8×8点阵LED显示屏显示“I Love U”41
3.6用LCD显示屏滚动显示一段文字50
3.6.1LCD1602简介50
3.6.2用LCD显示“Hello，robot！To a new world！”52
3.7本章小结与思考58

第4章 机器人如何用声音传情达意59
4.1声音和发声装置59
4.1.1机器人常用的发声装置60
4.1.2蜂鸣器的种类及发声方法60
4.1.3用计算机记录和合成声音62
4.2用程序控制蜂鸣器模仿警笛声62
4.2.1如何发出警笛声62
4.2.2电路部分设计63
4.2.3程序设计63
4.2.4运行与观察思考65
4.3如何让机器人演奏音乐66
4.3.1计算机中的音乐是怎么产生的66
4.3.2将简谱的内容转换成程序68
4.3.3为乐曲编写播放程序72
4.4实现灯光随着音乐节拍变幻74
4.4.1在现有项目基础上迭代开发74
4.4.2修改程序代码75
4.5本章小结与思考76

第5章 机器人如何实现移动78
5.1用直流电机控制机器人移动79
5.1.1直流电机的驱动79
5.1.2搭建用Arduino UNO控制电机的电路80
5.1.3通过程序控制电机进行各种形式的转动81
5.2控制舵机精确转动84
5.2.1舵机的驱动85
5.2.2通过程序控制舵机转到指定位置86
5.2.3控制舵机来回扫描88
5.3控制步进电机转动89
5.3.1步进电机的驱动89
5.3.2通过程序控制步进电机90
5.4本章小结93

第6章 机器人如何感知环境94
6.1感知触碰94
6.1.1用程序监控按钮的状态95
6.1.2实现键盘按键控制程序100
6.1.3用按键控制数字累加显示105
6.2感知物体表面状态108
6.2.1感知物体表面灰度109
6.2.2感知物体表面色彩113
6.2.3感知物体表面凹凸118
6.3感知物体的距离121
6.3.1用超声波测距传感器测距122
6.3.2用红外传感器避障126
6.4感知周边环境130
6.4.1用数字方法感知环境温度130
6.4.2用模拟温度传感器检测温度134
6.4.3感知环境光138
6.4.4感知人的活动140
6.5机器人如何实现自我感知144
6.5.1机器人如何实现振动及倾斜感知144
6.5.2机器人自我状态的其它感知147
6.6本章小结147

第7章 为机器人造型148
7.1轻松造型148
7.2为机器人3D打印造型149
7.2.1用Tinkercad设计3D模型149
7.2.2用SketchUp设计3D造型150
7.3用SketchUp绘制一个方盒153
7.3.1方形盒的设计153
7.3.2爱心音乐盒的制作159
7.4爱心音乐盒的3D打印162
7.4.1从SketchUp中将爱心音乐盒文件导出162
7.4.2用切片软件将stl文件生成切片文件163
7.5本章小结166

第8章 机器人需要怎样的电源系统168
8.1机器人的电源系统168
8.2锂电池170
8.3稳压模块171
8.4电源保护与监控172
8.5为机器人设计供电系统173
8.5.1机器人总电源的设计173
8.5.2机器人主控制器模块的供电173
8.5.3机器人传感器模块的供电173
8.5.4机器人驱动模块的供电174
8.6本章小结174

第9章 桌面助理机器人的设计175
9.1总体设计175
9.1.1机器人的总体认知和功能框图176
9.1.2桌面助理机器人的任务176
9.2桌面助理照明机器人的设计178
9.2.1硬件设计178
9.2.2程序设计179
9.2.3结构设计180
9.3自适应调光机器人的设计181
9.3.1硬件设计182
9.3.2软件设计183
9.3.3结构设计185
9.4具有警示功能的自主照明助理机器人设计185
9.4.1硬件设计185
9.4.2软件设计187
9.4.3结构设计189
9.4.4项目运行与调试189
9.5人类活动助手机器人的设计189
9.5.1硬件设计189
9.5.2软件设计190
9.5.3结构设计与调试192
9.6人类习惯感知机器人的设计192
9.6.1硬件设计192
9.6.2软件设计193
9.6.3结构设计196
9.7本章小结198

第10章 自主移动机器人的设计199
10.1总体设计199
10.1.1需求分析199
10.1.2规划自主移动机器人的开发过程200
10.2制作可按程序运行的机器人小车201
10.2.1机器人小车的结构设计201
10.2.2硬件设计202
10.2.3通过程序控制机器人的移动203
10.3自主避障机器人的设计206
10.3.1自主避障机器人的硬件设计206
10.3.2自主避障机器人程序设计207
10.3.3自主避障机器人的结构设计和调试210
10.4自主巡线机器人设计211
10.4.1自主巡线机器人的硬件设计211
10.4.2自主巡线机器人的程序设计212
10.4.3结构设计需要考虑的因素214
10.5安防巡逻机器人设计214
10.5.1安防巡逻机器人的硬件与结构设计214
10.5.2安防巡逻机器人的程序设计215
10.6智能巡线机器人设计216
10.6.1智能巡线机器人的硬件设计216
10.6.2智能巡线机器人的软件设计217
10.7本章小结219