机器人控制技术与实践

本书从设计和实现小型机器人需关注的问题出发，详细探讨了机器人主要功能模块的基本原理、工作过程和具体实现案例。全书共7章，其中前5章为机器人设计的基础理论，主要内容包括绪论、机器人的机械结构系统、机器人电路设计、机器人中的传感器、机器人控制系统等。第6、7章分别为轮式巡线机器人的设计与制作和仿人竞速机器人的设计与制作，详细介绍了针对一个具体需求，如何设计和制作机器人。 本书兼顾机器人关键技术的理论及应用实践，适合作为高等院校机器人工程、机械工程及自动化、电气工程及其自动化、智能科学与控制技术等专业的教材，也可供其他相关专业和从事机器人技术工作的工程技术人员参考。 本书配套授课用教学资源，需要的教师可登录机械工业出版社教育服务网（www.cmpedu.com）免费注册、审核通过后下载，或联系编辑索取（微信：15910938545/电话：010-88379739）。

第1章 绪论1 1.1 机器人的概念和发展历史1 1.1.1 机器人的概念1 1.1.2 机器人的发展历史1 1.2 机器人的组成和分类2 1.2.1 机器人的组成2 1.2.2 机器人的分类3 1.3 机器人的关键技术5 1.3.1 信息感知5 1.3.2 执行机构6 1.3.3 运动控制8 1.4 机器人的应用8 1.4.1 工业机器人8 1.4.2 服务机器人10 1.4.3 水下机器人12 1.4.4 无人机13 1.4.5 空间机器人15 1.5 机器人技术的发展16 1.5.1 软体机器人16 1.5.2 感知与交互16 1.5.3 智能技术18 习题19 第2章 机器人的机械结构系统20 2.1 机械结构系统的主要参数20 2.2 机械臂23 2.2.1 机械臂的结构23 2.2.2 关节24 2.2.3 腕部的结构25 2.2.4 手部结构27 2.2.5 传动方式28 2.3 行走机构33 2.3.1 足式33 2.3.2 轮式36 2.3.3 履带式40 2.4 机械结构设计实例43 2.4.1 SolidWorks简介43 2.4.2 SolidWorks基础知识44 2.4.3 制作零件49 2.4.4 组建装配体51 2.4.5 生成工程图52 2.5 3D打印54 2.5.1 3D打印概述54 2.5.2 3D打印步骤54 习题56 第3章 机器人电路设计58 3.1 机器人的电源系统58 3.1.1 机器人供电方式58 3.1.2 锂电池59 3.1.3 直流稳压电路62 3.1.4 充电装置63 3.2 机器人驱动器系统64 3.2.1 电动机64 3.2.2 舵机66 3.2.3 PWM控制67 3.2.4 驱动电路69 3.3 机器人常用电路接口72 3.3.1 A/D接口电路72 3.3.2 上拉和下拉电路74 3.3.3 OC/OD门电路76 3.4 机器人处理控制器77 3.4.1 单片机概述77 3.4.2 MCS-51系列单片机78 3.4.3 STM32系列单片机82 3.5 机器人中的串口通信87 3.5.1 串行通信和并行通信87 3.5.2 串行通信原理87 3.5.3 串行通信应用90 习题91 第4章 机器人中的传感器92 4.1 传感器92 4.1.1 传感器的概念92 4.1.2 传感器的分类93 4.1.3 传感器的参数93 4.2 测距传感器94 4.2.1 超声波传感器94 4.2.2 激光传感器96 4.2.3 红外传感器100 4.3 灰度和颜色传感器101 4.3.1 灰度传感器102 4.3.2 颜色传感器103 4.4 视觉传感器105 4.5 惯性测量传感器108 4.5.1 加速度传感器109 4.5.2 陀螺仪110 4.5.3 磁传感器111 4.5.4 惯性测量传感器的应用113 习题115 第5章 机器人控制系统116 5.1 机器人的PID控制116 5.1.1 PID运动控制116 5.1.2 智能PID参数整定120 5.2 机器人的上层控制124 5.2.1 机器人的路径规划124 5.2.2 足式机器人步态控制127 5.2.3 多机器人协作129 5.3 机器人控制的MATLAB仿真133 5.3.1 多关节机器人控制算法仿真133 5.3.2 路径规划算法仿真136 5.3.3 双足机器人步态规划算法仿真139 习题142 第6章 轮式巡线机器人的设计 与制作144 6.1 轮式巡线机器人144 6.2 硬件设计145 6.2.1 机械结构设计145 6.2.2 电路设计146 6.3 软件开发环境148 6.3.1 Keil MDK开发环境的安装149 6.3.2 下载及调试软件152 6.4 STM32的I/O端口的应用153 6.4.1 I/O端口的配置及使用153 6.4.2 PWM波产生155 6.4.3 舵机和电动机驱动157 6.4.4 传感器数据采集160 6.5 系统整体调试163 6.5.1 直行纠偏调试163 6.5.2 左转调试164 6.5.3 右转调试165 习题166 第7章 仿人竞速机器人的设计 与制作167 7.1 仿人竞速机器人概述167 7.2 仿人竞速机器人的硬件设计168 7.2.1 机械结构设计168 7.2.2 控制电路设计170 7.3 仿人竞速机器人的程序控制设计172 7.4 仿人竞速机器人的步态规划174 7.4.1 步态规划的方法175 7.4.2 步态规划的方式175 7.4.3 步态稳定性分析176 7.4.4 步行周期与轨迹规划178 7.5 系统整体调试181 习题185