机器人初级

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《机器人初级》一本介绍机器人科学和机器人技术的科普读物,而不是一本机器人制作指南或说明书,亦不是一本学术专著。
机器人包含科技范围甚广,在很多地方无法详细阐述(为了避免使您失去重点)。在这种情况,我们为您指出您需要的知识,及参考资料的来源,以帮助您了解其原理。但是我们会尽量全面且简明,使得在大多数情况下,您不必参考其他资料。

何为机器人[编辑]

不平凡的历史[编辑]

“Robot“的来历[编辑]

Robot这个词最早出现在一部讽刺戏剧《罗莎姆万能机器人公司》(1920年)中,作者是捷克斯洛伐克作家恰佩克。在这部戏剧中第一次使用了捷克语“罗伯塔(Robota)”——劳动的奴隶,来称呼机器人。而后来,在艾萨克·阿西莫夫的科幻作品《我,机器人》中,延续了这个称谓,并改为“罗伯特(Robot)”,使得这个名称深入人心。从此诞生了现在用来描述机器人的名词。
早期的机器人形象多来自文学作品,成为科幻小说不可缺少的角色。日本漫画家手塚治虫的漫画《铁臂阿童木》和同名动画片,在20世纪60年代影响巨大,主人公“阿童木”也成为机器人的代名词。2001年,根据小说《我,机器人》改编的电影《机械公敌》再一次将机器人的形象呈现给世人。
文学作品中的机器人神通广大,但现实中的机器人远远没有达到这种水平。直到21世纪初,机器人还只是能够依照事先编写好的程序完成简单运动。

早期的机器人设想[编辑]

达·芬奇设计的机械人的复制品及内部零件

机器人的设想可以追溯到几百年甚至几千年前。

早期关于巧妙机器的记载多属于传说。中国商朝末期,姜子牙为救西伯侯姬昌,向商纣王献上了三件宝物。其中之一的轩辕车,不用牛马拉,也不用人操作,只要坐在车上发号施令,车就可行动。中国东汉末年,蜀汉的诸葛亮用“木牛流马”运输粮草,日夜不停,不饮不食。

近代的机器人,包含巧妙的机械设计,那时还没有计算机的概念。十六世纪,达·芬奇设计了一个靠机械摆驱动的机械人,内部有齿轮等机械零件,能够摆动双臂。十九世纪,一个日本人设计了一个巧妙的“端茶人”。它靠发条和齿轮驱动,能够端着茶盘绕着圆形桌子运动,当坐着的客人拿走盘子中的茶杯时,“端茶人”会停下来;当客人喝完茶,将茶杯放回茶盘,“端茶人”就会继续行动,返回出发点。这些机器人的原型已经不存在了,但后来,人们根据图纸或文字记载,将其复原。

现代机器人出现[编辑]

现代机器人的显著特征是,采用了控制电路和电气化动力。 1947年,美国阿贡国家实验室试制了一种较简单的操作器,用于拿取放射性物质。经过改进,1954年设计的M8型投入实际使用。人可以在安全区内操作机器人,移动放射性物质,而免受辐射伤害。 1958年(待考证),日本东京大学试制了人造手一号。 1963年(待考证),美国麻省理工试制了“MH-1”型操作器。操作器的研制和改进,为机器人积累了技术基础。 二战后,大批士兵肢体伤残,需要大量的假肢和替代器具。1950年,美国国际商用机器人公司开始研究电动假手。以后许多大学和医院都开始研究假肢和轮椅等器材。

一些常识[编辑]

电路基础[编辑]

数字电路[编辑]

逻辑代数[编辑]

程序设计[编辑]

简单机械[编辑]

工具软件[编辑]

我们将向您列举在设计机器人的过程中会用到的一些有力的工具软件。对于大部分机器人的设计,这些软件是不可或缺的。单纯依靠个人的能力是效率低下的,并容易出错。

使用工具软件的优势有:

  • 使工作过程简化,节约时间和精力。
  • 使设计更直观,调理清晰,帮助设计者思考。
  • 能够检查错误或者让设计者更容易发现异常,减少不必要的疏忽导致的错误。
  • 提高设计的质量。
  • 完成人无法完成的巨大工作量和复杂工作。
  • 让协同设计更加容易。
  • 以更加简单、快速、高质量的方式表现设计全貌。

使用工具软件的弊端有:

  • 受计算机的影响,思维僵化。
  • 部分软件需要付出高额费用。
  • 专业软件难于掌握。

CAD&CAM软件[编辑]

CAD是Computer-Aided Design的缩写,意为“计算机辅助设计”。CAM是Computer-Aided Manufacturing的缩写,意为“计算机辅助制造”。

AutoCAD[编辑]
AutoCAD绘制二维工程图

AutoCAD是Autodesk公司推出的CAD软件。在二维工程图方面表现出众,可以快速绘制零件的平面视图。同时也具有三维建模功能,功能全面。相对其他工程软件,价格比较低。在机械、电子、建筑、土木等领域有极为广泛的应用。

虽然现在3D建模日渐兴盛,但AutoCAD的二维建模功能仍然是很多工程师钟爱的设计工具。不论采用哪种方式设计,最后图纸一定是二维的。对比用铅笔和尺的绘图方式,AutoCAD的出现是一次飞跃。关于AutoCAD的书籍非常普遍,每所理工类大学的图书馆中都必不可少。很多大学的机械、电气、建筑等专业都开设了AutoCAD的课程。AutoCAD本身也有详细的入门指导和帮助文档,使得学习AutoCAD简单易学。

除了原版外,AutoCAD拥有众多衍生版本,以适应不同行业的需求。其中AutoCAD Mechanical是面向机械工程师的,在原软件的基础上,添加了许多新功能。

另外有一系列“类AutoCAD”软件,采用和AutoCAD类似的界面、功能、操作方式,并兼容较早版本的DWG格式。比较著名的有:

  • BricsCAD 收费软件,但价格非常低,不具有3D建模功能。
  • QCAD 仅有2D绘图功能。


OpenCASCADE/FreeCAD[编辑]
在Linux中运行的OpenCASCADE

OpenCASCADE是先进的参数化智能CAD/CAM/CAE软件,能够实现参数化建模,数字样机仿真,从三维生成二维工程图等全面的功能。

  • 软件比较小巧,安装文件不足100Mb,安装后也仅占用200Mb左右硬盘空间。
  • 对计算机性能要求不高,初始运行占用50~100Mb内存(与软件版本、插件有关)。
  • 界面简洁易用,运行稳定。
  • 自由软件,可免费获取。
  • 跨平台,支持Microsoft Windows,Linux,MacOS X。由于开放源代码,还可以被移植到其他平台。在Linux平台下,是为数不多的CAX软件之一。

FreeCAD是基于OpenCASCADE的CAX软件。除具备OpenCASCADE的功能之外,FreeCAD建立了灵活易用的Qt图形界面,增加了许多新特性(如IGES,STEP,BRep格式导入等),使用Python编写程序脚本。

Solidworks[编辑]
使用Solidworks设计的轴承(渲染后效果)

Solidworks是达索公司开发的参数化CAM软件,以高效、易用著称,目标是使设计过程简化。Solidworks的优势集中在操作方式和用户界面上,拥有数百项相关专利。使用Solidworks比使用非参数化建模软件,可以节约60%的时间,获得更高的质量。目前,Solidworks占据了CAM市场约10%的份额,位居前列。但Solidworks软件体积庞大,运行缓慢,对计算机性能要求很高。在普通的PC上,只能处理50个零件以下的装配体,若需要处理数百零件的大型装配体,则需要更强的图形工作站。Solidworks的授权费用高昂,如Solidworks2010的市场价格是48,000¥。

Pro/Engineer[编辑]
UG[编辑]
Inventor[编辑]

EDA软件[编辑]

Altium Designer[编辑]
OrCAD/Pspice[编辑]

OrCAD是可用於電子設計,專門用來讓電子工程師設計電路圖及相關圖表,設計印刷電路板所用的印刷圖,及電路的模擬之用。

科学计算与仿真软件[编辑]

科学计算和仿真在复杂机器人设计过程中应用广泛。基础的应用如计算三维运动的雅柯比矩阵,进行电路信号仿真等等;高级的应用如建立碰撞模型,对现实情况进行模拟等。

Matlab[编辑]

一个专业的科学计算与仿真软件,功能强大,体积臃肿,售价高昂。

Scilab[编辑]
Scilab4.0,运行在Ubuntu Linux上

Scilab是法国科学院研发的自由科学计算软件,涵盖了Matlab的几乎所有功能,并提供了Matlab文件到Scilab文件的转换工具,兼容Matlab命令,拥有众多的工具箱。占用空间和内存都比Matlab小很多,界面与Matlab差别较大,大部分功能都通过命令行实现。支持多国语言,包括简体中文。跨平台,支持Linux。

编程软件[编辑]

每一系列的微处理器或微控制器芯片都有对应的编程工具。它们是编程、调试、模拟仿真的工具。

AVRStudio[编辑]
GCCAVR(WinAVR)[编辑]
ICC[编辑]
Arduino IDE[编辑]

Arduino IDE是一個以C語言為基礎,基於一個簡單的微控制器板和實現處理語言的發展環境編譯器軟體。

含控制电路的简易机器人[编辑]

基于单片机的简单机器人[编辑]

微处理器控制复杂机器人[编辑]

处于实验中的高新机器人[编辑]

打开外壳[编辑]