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第1章 导言1

1.1 “中国制造2025”的创新与人才问题1

1.2 “大众创业、万众创新”全民创客运动浪潮2

1.3 基于“中国制造2025”的创新工程教育改革2

第2章 机器人的零件3

2.1 零件体系3

2.1.1 创新的必备条件——零件的扩展性3

2.1.2 连杆类零件4

2.1.3 平板类零件4

2.1.4 框架类零件4

2.1.5 辅助类零件4

2.1.6 空间关系6

2.2 基本结构与几何造型9

2.2.1 刚体结构10

2.2.2 可动结构10

2.2.3 实验1：机构造型设计实验11

2.3 构建机械原理模型12

2.3.1 平面连杆机构12

2.3.2 凸轮机构13

2.3.3 齿轮机构14

2.3.4 轮系机构15

2.3.5 棘轮机构16

2.3.6 实验2：机械原理模型组装实验17

第3章 机器人的模块化设计19

3.1 机器人的功能模块19

3.1.1 驱动轮模块19

3.1.2 随动轮模块20

3.1.3 履带模块21

3.1.4 关节模块22

3.1.5 机械手模块23

3.1.6 其他功能模块23

3.1.7 实验1：功能模块组装实验24

3.2 模块化设计的通用思路25

3.2.1 整机的构成25

3.2.2 机构库的管理26

3.3 机器人模块化设计案例28

3.3.1 底盘转向机构设计案例28

3.3.2 收集装置设计案例29

3.3.3 机械臂设计案例30

3.3.4 仿生机器人设计案例31

3.3.5 实验2：模块化设计及CDIO教学实验32

第4章 机器人的主控和IDE34

4.1 ARM7主控板34

4.1.1 接口介绍34

4.1.2 编程手柄36

4.1.3 实验1：安装ARM7主控板下载驱动38

4.2 TKStudio38

4.2.1 各功能函数39

4.2.2 底层代码41

4.2.3 实验2：编写并烧录一个简单的ARM程序43

4.3 Basra主控板49

4.3.1 Arduino概述49

4.3.2 接口介绍49

4.3.3 扩展板系统51

4.3.4 实验3：安装Basra驱动54

4.4 Click56

4.5 Arduino58

4.5.1 C语言界面58

4.5.2 图形化界面59

4.5.3 常用图块与函数60

4.5.4 实验4：编写并烧录一个简单的Arduino程序61

4.6 示教编程64

4.6.1 ARM7实现64

4.6.2 Basra实现65

4.6.3 Click实现67

4.6.4 实验5：用示教编程的方法编写程序67

第5章 机器人的执行器68

5.1 伺服电机68

5.1.1 伺服电机概述68

5.1.2 舵机的控制方法69

5.1.3 舵机的工作原理69

5.1.4 实验1：控制伺服电机71

5.2 直流电机72

5.2.1 直流电机概述72

5.2.2 实验2：控制直流电机74

5.3 其他执行器76

5.3.1 6V大功率直流电机77

5.3.2 12V大功率直流电机77

5.3.3 无刷电机78

5.3.4 步进电机79

5.3.5 气动系统80

第6章 机器人的检测与交互81

6.1 数字量传感器81

6.1.1 在ARM7上使用数字量传感器84

6.1.2 实验1：ARM上的传感器信号接收实验85

6.1.3 在Basra/Click上使用数字量传感器86

6.1.4 实验2.：Basra/Click上的传感器触发实验87

6.2 模拟量传感器87

6.2.1 模拟量传感器概述87

6.2.2 模拟量传感器的编程90

6.2.3 实验3：模拟量传感器的编程91

6.3 传感器类模块92

6.3.1 自平衡模块92

6.3.2 摇杆模块93

6.3.3 语音识别模块93

6.3.4 HBR740语音识别模块94

6.3.5 摄像头95

6.4 传感器的测值95

6.4.1 Serial Monitor95

6.4.2 模拟量传感器的监测97

6.4.3 数字量传感器的监测100

6.4.4 实验4：Basra/Click串口监控实验101

6.4.5 实验5：ARM7串口监控实验102

6.5 检测功能方案举例103

6.5.1 开关功能103

6.5.2 障碍识别功能104

6.5.3 悬崖识别功能104

6.5.4 搜索／跟随功能104

6.5.5 循迹功能104

6.5.6 姿态／体感／平衡功能104

6.5.7 对话／语音命令功能105

6.5.8 物体辨认功能105

6.5.9 反馈功能105

6.6 ARM7的输出模块105

6.6.1 语音模块105

6.6.2 LED模块106

6.6.3 实验6：ARM7控制LED模块实验106

6.7 Basra的输出模块108

6.7.1 实验7：Basra控制LED模块实验108

6.7.2 实验8：LED点阵显示实验109

6.7.3 实验9：贪食蛇游戏实验113

6.7.4 实验10：OLED显示实验116

第7章 机器人的通信119

7.1 ARM7的通信模块119

7.1.1 红外接收头119

7.1.2 蓝牙模块120

7.2 Basra的通信模块120

7.2.1 蓝牙串口模块120

7.2.2 NRF无线串口模块121

7.2.3 Wi-Fi无线模块122

7.2.4 ZigBee模块123

7.2.5 串口通信——强大的扩展技术123

7.3 通信实验124

7.3.1 实验1：ARM7蓝牙串口通信实验124

7.3.2 实验2：Basra蓝牙串口通信实验127

7.3.3 实验3：NRF无线遥控实验130

第8章 机器人经典编程框架134

8.1 编程的思想134

8.2 条件判断136

8.2.1 实验1：ARM7控制扫地机器人项目136

8.2.2 实验2：Basra控制扫地机器人项目139

8.3 for循环139

8.3.1 实验3：ARM7控制机械手爪缓慢抓取139

8.3.2 实验4：Basra控制机械手爪缓慢抓取141

8.4 有限状态机141

8.4.1 状态表142

8.4.2 二进制状态表144

8.4.3 算法144

8.4.4 策略表145

8.4.5 实验5：ARM7控制三轮循迹小车147

8.4.6 实验6：Basra控制双轮循迹小车148

8.5 运动规划149

8.5.1 实验7：ARM7控制机器人运动及步态规划实验149

8.5.2 实验8：Basra控制5自由度蛇形机器人161

8.5.3 实验9：Basra控制6自由度双足机器人170

第9章 机器人综合创新项目177

9.1 双轮自平衡车177

9.1.1 双轮自平衡车的组装177

9.1.2 参考代码177

9.1.3 调试要点178

9.2 5自由度机械臂179

9.2.1 5自由度机械臂的组装179

9.2.2 参考代码179

9.2.3 调试要点180

9.2.4 按颜色分拣工件182

9.3 月球车模型186

9.3.1 月球车模型的组装187

9.3.2 手机端控制方法187

9.3.3 参考代码188

第10章 开放性创新项目与活动198

10.1 机器人黑标竞速赛199

10.2 机器人自主搬运比赛199

10.3 机器人自主格斗赛200

10.4 码垛机器人设计赛200

10.5 全地形机器人设计赛201

附录202

附录A ARM7主控板端口列表202

附录B Basra Pin Mapping204

附录C Mehran Pin205

参考文献206