內容簡介

本書以一位受睏於荒島的年輕人的視角帶領讀者進行一場冒險。他必須尋找到一種給機器人編程的方法纔能得以逃離。本書作為一本控製自主機器人編程指南，介紹瞭編程機器人傳感器、電動機以及將想法轉換為機器人可以自主執行任務的實際方法和技術。對於硬、製造商、DIY項目，這些技術可以用於當今領先的機器人微控製器（ARM9和ARM7）和機器人平颱（包括廣泛流行的低成本Arduino平颱，LEGOMindstormsEV3、NXT，以及WoweeRSMedia機器人）。

目錄

Contents目錄

譯者序

前言

緻謝

第1章究竟什麼是機器人1

1.1定義機器人的7個標準1

1.1.1標準1：感知環境2

1.1.2標準2：可編程的動作和行為2

1.1.3標準3：改變環境、與環境交互或作用於環境2

1.1.4標準4：具備電源2

1.1.5標準5：適用於錶示指令和數據的語言3

1.1.6標準6：無需外部乾預的自主性3

1.1.7標準7：一個沒有生命的機器4

1.1.8機器人分類4

1.1.9傳感器6

1.1.10執行器7

1.1.11末端作用器8

1.1.12控製器8

1.1.13機器人所在的場景12

1.2給機器人指令14

1.2.1每個機器人都有一種語言14

1.2.2遷就機器人的語言16

1.2.3在可視化編程環境中錶示機器人場景18

1.2.4Midamba的睏境18

1.3下文預告20

第2章機器人詞匯21

2.1為什麼需要更多努力22

2.2確定動作25

2.3自主機器人的ROLL模型26

2.3.1機器人的能力27

2.3.2場景和態勢中的機器人角色28

2.4下文預告30

第3章機器人場景圖形規劃31

3.1建立場景地圖31

3.1.1創建平麵圖32

3.1.2機器人的世界34

3.1.3RSVPREAD設置36

3.2僞代碼和繪製RSVP流程圖38

3.2.1控製流程和控製結構39

3.2.2子程序43

3.3目標和機器人狀態圖46

3.4下文預告50

第4章檢驗機器人的實際能力51

4.1微控製器的實際檢驗53

4.2傳感器的實際檢驗56

4.3執行器和末端作用器的檢驗60

4.4REQUIRE機器人效能62

4.5下文預告64

第5章詳解傳感器65

5.1傳感器感知66

5.1.1模擬和數字傳感器68

5.1.2讀取模擬和數字信號69

5.1.3傳感器輸齣71

5.1.4讀數存儲72

5.1.5有源和無源傳感器72

5.1.6傳感器與微控製器的連接74

5.1.7傳感器屬性77

5.1.8範圍和分辨率78

5.1.9精度和準確度78

5.1.10綫性度79

5.1.11傳感器校準80

5.1.12傳感器相關問題81

5.1.13終端用戶校準過程81

5.1.14校準方法82

5.2下文預告83

第6章通過編程控製機器人的傳感器84

6.1使用顔色傳感器84

6.1.1顔色傳感器模式86

6.1.2探測距離87

6.1.3機器人環境的照明87

6.1.4校準顔色傳感器88

6.1.5編程顔色傳感器89

6.2用於檢測和跟蹤顔色目標的數碼相機92

6.3利用RSMedia跟蹤顔色目標92

6.4使用PixyVision傳感器跟蹤顔色目標95

6.4.1訓練Pixy以檢測目標96

6.4.2編程Pixy98

6.4.3詳解屬性101

6.5超聲波傳感器101

6.5.1超聲波傳感器的局限性和準確性102

6.5.2超聲波傳感器的模式106

6.5.3采樣讀數106

6.5.4傳感器讀數的數據類型107

6.5.5校準超聲波傳感器107

6.5.6編程超聲波傳感器108

6.6羅盤傳感器計算機器人的航嚮117

6.7下文預告121

第7章電動機和伺服機構編程122

7.1執行器是輸齣轉換器122

7.1.1電動機特性123

7.1.2電壓123

7.1.3電流123

7.1.4轉速123

7.1.5扭矩123

7.1.6電阻123

7.2不同類型的直流電動機124

7.2.1直流電動機124

7.2.2轉速和扭矩126

7.2.3齒輪電動機127

7.3電動機配置：直接和間接動力傳動係統134

7.4室內和室外機器人的地形挑戰134

7.4.1應對地形挑戰135

7.4.2機器人手臂和末端作用器的扭矩挑戰138

7.4.3計算扭矩和轉速需求138

7.4.4電動機和REQUIRE139

7.5通過編程使機器人移動140

7.5.1一個電動機，還是兩個、三個、更多個電動機140

7.5.2執行動作140

7.5.3編程動作141

7.5.4通過編程使電動機移動到指定位置145

7.5.5使用Arduino實現電動機編程151

7.6機器人手臂和末端作用器154

7.6.1不同類型的機器人手臂154

7.6.2機器人手臂的扭矩155

7.6.3不同類型的末端作用器157

7.6.4為機器人的手臂進行編程159

7.6.5計算運動學163

7.7下文預告166

第8章開始自主：構建機器人所對應的軟件機器人167

8.1初探軟件機器人169

8.1.1部件部分171

8.1.2動作部分171

8.1.3任務部分171

8.1.4場景（態勢）部分171

8.2機器人的ROLL模型和軟件機器人框架172

8.2.1BURT把軟件機器人框架轉換為類173

8.2.2第一次實現自主機器人程序設計184

8.3下文預告185

第9章機器人SPACES186

9.1機器人需要自身的SPACES187

9.1.1擴展的機器人場景187

9.1.2REQUIRE檢查錶188

9.1.3前提或後置條件不滿足時會發生的情況190

9.1.4前提或後置條件不滿足時的行動選擇191

9.2詳解機器人初始化後置條件192

9.2.1啓動前提條件和後置條件194

9.2.2編碼前提條件和後置條件195

9.2.3前提和後置條件的齣處200

9.3SPACES檢查和RSVP狀態圖204

9.4下文預告206

第10章自主機器人需要STORIES207

10.1不隻是動作208

10.1.1BirthdayRobotTake2208

10.1.2機器人STORIES

前言/序言

　　Preface機器人新兵訓練營警示作為機器人程序員，我們應確保所從事的編程對於公眾和機器人自身都是安全的，這是我們的特殊責任。當對機器人進行編程時，首先要考慮機器人與人類、動物、其他機器人或資産互動時的安全。這對於所有類型機器人的編程都是適用的，尤其是可編程自主機器人，即本書所介紹的機器人類型。本書所涉及的機器人命令、指令、程序和軟件僅用於展示，就安全性而言其不適閤用於與人類、動物、其他機器人的互動。

　　對機器人安全的深入研究超齣瞭本書的範圍。雖然本書所給齣的機器人示例和應用經過測試可以確保其正確性和恰當性，但是不能保證其中的命令、指令、程序和軟件沒有任何瑕疵和錯誤，與任何適售性的特定標準一緻，或滿足針對任何特彆應用的要求。

　　機器人代碼段、程序和示例僅用於闡述，在任何情形下當它們的使用會導緻人身傷害、造成財産或時間損失，以及産生理念衝突時，都不應該再繼續使用。對於因本書中呈現或在相應支持網站上的機器人、命令、指令、機器人程序和示例的使用所帶來的直接或間接損害，作者和齣版商不負任何責任。

　　機器人編程新兵訓練營歡迎閱讀本書。機器人編程“新兵訓練營”將確保你著手開始前掌握所有必備的信息。我們已經構建瞭很多類型的機器人並對它們進行編程，從簡單的單用途機器人到先進的多功能自主機器人組群，因而發現這個短期機器人編程訓練營對於不熟悉機器人編程或想要學習新技術進行機器人編程的人來說是不可缺少的。

　　準備、設置、走起！無需繁瑣接綫圖I1給齣瞭機器人控製和操作的兩種基本分類。

　　圖I1機器人操作的兩種基本分類遙控機器人是由一名操作員用某種遠程控製裝置或木偶模式（puppetmode）遠程控製機器人的操作。有些遠程控製要求一條連綫（某種類型的綫）以物理方式連接於機器人，而其他遠程控製類型則是無綫的（如無綫電控製或紅外控製）。

　　自主機器人是一類不需要人類操作員控製的機器人。它們能自主地訪問和執行一組指令，不需要遠程控製的乾預或中斷。

　　本書主要關注自主機器人操作和編程。雖然我們常討論、解釋、比較遙控機器人和自主機器人，但是本書將重點介紹對能夠自主運行和執行所分配任務的機器人進行編程的基本概念。

　　如第9章所述，為滿足運行策略而進行不同混閤並匹配，存在兩種類型機器人控製或操作的混閤物。我們將會介紹混閤並匹配不同的機器人控製策略的技術。

　　警示雖然本書並未假定讀者具有機器人編程的經驗，但是全書假定讀者在標準編程語言（如Java或C++）方麵具有一定基礎，熟悉基本的編程技巧。同時，本書並非以Java或C++呈現最終的機器人程序，而是先以圖或通俗易懂的語言給齣基本的機器人指令技巧和概念。本書將引導讀者熟悉一些程序用於設計、規劃和分析，比如機器人場景圖形規劃（RobotScenarioVisualPlanning,RSVP）和實際環境中的機器人效能熵（RobotEffectivenessQuotientUsedinRealEnvironments,REQUIRE）。

　　注釋本書所有機器人指令、命令和程序已經在基於ARM7、ARM9微控製器的機器人以及流行並廣泛使用的LEGONXT、EV3機器人上進行瞭測試。本書中使用的所有其他機器人軟件也均在MacOSX和Linux環境下進行瞭測試與運行。

　　新兵訓練營基礎在試圖對機器人進行編程前一定要迴答五個基本問題：

　　1.?機器人屬於哪種類型？2.?機器人將要做什麼？3.?機器人將要在哪裏執行任務？4.?機器人如何執行任務？5.?如何對機器人進行編程？許多新手和準機器人程序員不能迴答這些基本問題，導緻機器人項目不能成功實現。在令任意類型的機器人執行所分配任務的過程中，迴答這些基本問題是第一步。本書演示瞭如何通過迴答這些問題來形成一個分步的方法，從而成功指導一個機器人自主地執行一係列任務。

　　本書介紹的機器人編程核心技巧本書中，我們將在機器人新兵訓練營中講解的基本技巧如錶I1所示。

　　錶I1機器人新兵訓練營技能錶技巧描述機器人運動規劃與編程手臂運動夾持器編程末端作用器運動機器人導航利用不同類型的傳感器對機器人編程紅外傳感器超聲波傳感器觸碰傳感器光傳感器射頻識彆傳感器攝像機傳感器溫度傳感器聲音傳感器分析傳感器使用電動機機器人導航中使用的電動機機器人手臂、夾持器和末端作用器中使用的電動機傳感器定位中使用的電動機決策機器人動作選擇機器人方嚮選擇機器人路徑選擇指令轉換將英文指令和命令轉換成一種編程語言或一種機器人可以處理的指令形式上述技巧是讓機器人執行幾乎任何所分配任務必需的核心技巧。對上述五個方麵做齣標注是因為它們代錶瞭夯實機器人編程基石的第二步。

　　基本的通用機器人轉換器我們將在本書中使用兩個助手以一種易於理解和快速參考的形式呈現機器人程序和常見的機器人編程問題。第一個助手，基本通用機器人轉換器（BasicUniversalRobotTranslator，BURT），用於呈現本書中所有的代碼段、命令和機器人程序。BURT給齣瞭每個代碼段、命令或機器人程序的兩個版本：

　　純英文版本機器人語言版本BURT用於將一組簡單且易於理解的英文指令轉換成相應的機

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