詳解機(jī)器人基礎(chǔ)入門知識

□文/全權(quán)、王帥

機(jī)器人技術(shù)正在走向全民化教育。機(jī)器人的研究、發(fā)明和應(yīng)用技術(shù)進(jìn)入教育范圍是對其領(lǐng)域的拓展。機(jī)器人技術(shù)所涉及到的知識和技術(shù)的廣泛性和綜合性，都使得機(jī)器人與教育的發(fā)展具有了更大的價(jià)值。隨著智能機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛普及應(yīng)用,將機(jī)器人的基礎(chǔ)知識和技能納入中、小學(xué)的信息技術(shù)或綜合實(shí)踐等課程顯得尤其重要。

從目前的比賽和考試看，機(jī)器分類方法很多。簡單地按所處空間，大體可以分為：空中機(jī)器人、攀爬機(jī)器人、地面機(jī)器人、地下（管道）機(jī)器人、水面機(jī)器人，以及水下機(jī)器人等。它們有不同的特點(diǎn)，比如,空中機(jī)器人比賽通?？疾炜刂品€(wěn)定性和感知能力,相比其他種類機(jī)器人，控制調(diào)試最有挑戰(zhàn)性，也最為吸引人；攀爬機(jī)器人、地面機(jī)器人和地下（管道）機(jī)器人比賽主要考察機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；水面機(jī)器人和水下機(jī)器人比賽通?？疾鞕C(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制，也考察感知能力。雖然側(cè)重不同，但有大量相關(guān)知識是相通的。根據(jù)機(jī)器人等級考試與比賽的要求以及一些實(shí)用的技能，我們總結(jié)收集以下有關(guān)機(jī)器人相關(guān)知識，包括機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、機(jī)器人動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)器人傳感器、機(jī)器人通訊單元、機(jī)器人計(jì)算硬件平臺、機(jī)器人計(jì)算軟件平臺和機(jī)器人控制決策算法等七部分。它們的關(guān)系見圖1。

機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)

機(jī)器人機(jī)械連接零部件

（1）軸承。軸承一般分為滑動(dòng)軸承和滾動(dòng)軸承。滑動(dòng)軸承是在滑動(dòng)摩擦下工作的軸承。滾動(dòng)軸承是將運(yùn)轉(zhuǎn)的軸與軸座之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，從而減少摩擦損失的一種精密的機(jī)械元件。

（2）聯(lián)軸器和離合器。聯(lián)軸器和離合器是機(jī)械傳動(dòng)中常用的部件，主要用來連接軸與軸（或連接軸與其他回轉(zhuǎn)零件），以傳遞運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)矩，有時(shí)也可用作安全裝置。不同之處在于，聯(lián)軸器用來把兩軸連接起來，機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩軸不能分離，而離合器在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)過程中隨時(shí)結(jié)合或分離。因此，離合器可用來操縱機(jī)器傳動(dòng)系統(tǒng)的斷續(xù)，以便進(jìn)行變速和換向。

（3）螺紋連接。螺紋連接是一種廣泛使用的可拆卸的固定連接，具有結(jié)構(gòu)簡單、連接可靠、裝拆方便等優(yōu)點(diǎn)。

圖1：機(jī)器人系統(tǒng)整體框圖

（4）鍵連接。鍵連接是通過鍵實(shí)現(xiàn)軸和軸上零件間的周向固定以傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。

機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)軟件設(shè)計(jì)工具

（1）AutoCAD。AutoCAD（Autodesk Computer Aided Design）可用于二維繪圖、詳細(xì)繪制、設(shè)計(jì)文檔和基本三維設(shè)計(jì)，現(xiàn)已經(jīng)成為國際上廣為流行的繪圖工具。

（2）Pro/E。Pro/E是個(gè)全方位的3D產(chǎn)品開發(fā)軟件，它集成了零件設(shè)計(jì)、曲面設(shè)計(jì)、工程圖制作、產(chǎn)品裝配、模具開發(fā)、NC加工、管路設(shè)計(jì)、電路設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、逆向工程、同步工程、自動(dòng)測量、應(yīng)力分析、機(jī)構(gòu)仿真、有限元分析和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理于一體。

（3）SolidWorks。SolidWorks主要有草圖繪制、零件設(shè)計(jì)、裝配模塊、工程圖模塊、鈑金設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)仿真等功能。

機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)加工設(shè)備

（1）3D打印機(jī)。3D打印機(jī)又稱三維打印機(jī)（3DP），是一種累積制造、快速成形技術(shù)。它以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用特殊蠟材、粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過打印一層層的粘合材料來制造三維的物體。

（2）激光雕刻機(jī)。激光雕刻機(jī)是利用激光對需要雕刻的材料進(jìn)行雕刻的一種先進(jìn)設(shè)備。激光雕刻機(jī)的使用范圍廣泛，雕刻精度高，雕刻速度快捷。相對于傳統(tǒng)的手工雕刻方式，激光雕刻也可以將雕刻效果做到很細(xì)膩。

（3）數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床是指可以通過事先編輯的精確指令進(jìn)行自動(dòng)加工的機(jī)床。通過輸入數(shù)控系統(tǒng)的程序指令，計(jì)算機(jī)編譯計(jì)算后，通過位移控制系統(tǒng)，將信息傳至驅(qū)動(dòng)器以驅(qū)動(dòng)馬達(dá)來加工所設(shè)計(jì)的零件。

機(jī)器人動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置

驅(qū)動(dòng)器是給機(jī)器人提供動(dòng)力源，主要包括電磁式、氣動(dòng)式和液壓式。大多數(shù)競賽中使用的是電磁式和氣動(dòng)式，而液壓式往往用于大型工業(yè)機(jī)器人。因此，下面主要簡要介紹下電磁式和氣動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器，以及傳動(dòng)件和基本的控制算法等。

驅(qū)動(dòng)器

（1）電磁式。電磁式電動(dòng)機(jī)能將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，競賽中一般用的是直流電動(dòng)機(jī)。一般通過編程驅(qū)動(dòng)匹配的電子電路，最終驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)。1）直流電動(dòng)機(jī)。根據(jù)是否配置有電刷-換向器可以將直流電動(dòng)機(jī)分為兩類，包括有刷直流電動(dòng)機(jī)和無刷直流電動(dòng)機(jī)。2）步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制電機(jī)。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響。3）伺服電動(dòng)機(jī)。伺服電機(jī)是高品質(zhì)的直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，它在直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)的基礎(chǔ)上配置了控制電子設(shè)備，可以采用閉環(huán)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的位置控制，只要提供相應(yīng)的電信號就可使其旋轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。

（2）氣動(dòng)式。氣壓傳動(dòng)以壓縮空氣來實(shí)現(xiàn)能量的傳遞，傳遞動(dòng)力的系統(tǒng)將壓縮氣體經(jīng)由管道和控制閥輸送給氣動(dòng)執(zhí)行元件，把壓縮氣體的壓力能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能而做功。比賽中常見的氣壓傳動(dòng)裝置所用的高壓氣瓶一般用塑料瓶自制，使用氣體壓縮機(jī)從充氣口充氣后，由穩(wěn)壓閥維持氣壓的穩(wěn)定，并由單片機(jī)控制方向的電磁閥改變氣流進(jìn)出氣動(dòng)裝置的方向，達(dá)到控制氣動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)方向的目的。

傳動(dòng)裝置

（1）連桿傳動(dòng)。連桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)是用鉸鏈、滑道方式，將構(gòu)件相互聯(lián)接成的機(jī)構(gòu)，用以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)變換和動(dòng)力傳遞。

（2）齒輪傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)是指由齒輪副傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的裝置，它的傳動(dòng)比較準(zhǔn)確，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長。

（3）蝸桿傳動(dòng)。蝸桿傳動(dòng)是在空間交錯(cuò)的兩軸間傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力的一種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，兩軸線交錯(cuò)的夾角可為任意值，常用的為90°。蝸桿傳動(dòng)具有傳動(dòng)比大、結(jié)構(gòu)緊湊、傳動(dòng)平穩(wěn)、噪聲低的特點(diǎn)，通常用作減速裝置。

（4）帶傳動(dòng)。帶傳動(dòng)是利用帶輪和傳動(dòng)帶間的摩擦或嚙合作用，將運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞出去的裝置。帶傳動(dòng)具有結(jié)構(gòu)簡單、傳動(dòng)平穩(wěn)、價(jià)格低廉和緩沖吸振等特點(diǎn)。

（5）鏈傳動(dòng)。鏈傳動(dòng)通過鏈輪輪齒與鏈條鏈節(jié)的嚙合來傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。鏈傳動(dòng)具有平均傳動(dòng)比準(zhǔn)確、傳動(dòng)效率高的特點(diǎn)，且能在高溫和潮濕的環(huán)境中工作。

（6）凸輪傳動(dòng)。凸輪傳動(dòng)由凸輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，凸輪機(jī)構(gòu)一般是由具有曲線輪廓或凹槽的凸輪，從動(dòng)件和機(jī)架三個(gè)構(gòu)件組成。只需設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可從?dòng)件得到任意的預(yù)期運(yùn)動(dòng)。

機(jī)器人傳感器

感知單元提供環(huán)境和機(jī)器人系統(tǒng)的狀態(tài)信息，作為控制、決策以及與環(huán)境其他單元進(jìn)行交互的基礎(chǔ)。

距離傳感器

（1）超聲波。超聲波測距原理是超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。通過超聲波在空氣中的傳播速度，根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的時(shí)間，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離。

（2）激光測距儀。激光測距儀是利用調(diào)制激光的某個(gè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的距離測量的儀器，分為相位法測距儀和脈沖法測距儀。進(jìn)一步，二維激光掃描儀是通過旋轉(zhuǎn)的光學(xué)部件發(fā)射形成二維的掃描面，以實(shí)現(xiàn)區(qū)域掃描及輪廓測量功能。二維激光掃描測距系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)360°范圍內(nèi)的激光測距掃描，產(chǎn)生所在空間的平面點(diǎn)云地圖信息用于地圖測繪、機(jī)器人定位導(dǎo)航、物體/環(huán)境建模等應(yīng)用。二維激光掃描儀在目前的掃地機(jī)器人上廣泛使用。

（3）紅外測距傳感器。紅外傳感器的測距原理與激光相似，只是紅外傳感器是利用紅外線。

（4）毫米波雷達(dá)傳感器。與紅外、激光、電視等光學(xué)導(dǎo)引頭相比，毫米波導(dǎo)引頭穿透霧、煙、灰塵的能力強(qiáng)，具有全天候(大雨天除外)全天時(shí)的特點(diǎn)。一般用于室外。

（5）氣壓計(jì)。這主要是測量高度。大氣壓隨高度的增加而減小，氣壓計(jì)正是通過測量大氣壓來估計(jì)高度。壓電式氣壓計(jì)將這種變化變成高度。

姿態(tài)角傳感器

姿態(tài)角是機(jī)器人坐標(biāo)系相對于固定坐標(biāo)系的角度，包括俯仰角、滾轉(zhuǎn)角和偏航角。

（1）加速度計(jì)。加速度計(jì)能夠測量物體的比力，即去掉重力后的整體加速度。比如，當(dāng)加速度計(jì)保持靜止時(shí)，加速度計(jì)測量值為重力加速度，而整體加速度為零；在自由落體運(yùn)動(dòng)中，整體加速度為重力加速度，但是加速度測量值為零。通過這個(gè)原理，可以測量機(jī)器人的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角等。

（2）傾角儀。它是加速度計(jì)的高級形式，根據(jù)工作原理的不同可分為“液體擺”式、“固體擺”式和“氣體擺”式三種，可以測量機(jī)器人的俯仰角和滾轉(zhuǎn)角等。

（3）磁力計(jì)。磁力計(jì)可用于測試磁場強(qiáng)度和方向，確定設(shè)備的方位。磁力計(jì)一般利用各向異性磁致電阻或者霍爾效應(yīng)來檢測空間中的磁場強(qiáng)度。此外，基于洛倫茲力的磁力計(jì)也在發(fā)展?；诼鍌惼澚υ?，切割不同方向的磁場，產(chǎn)生不同大小的力，從而改變電容大小，被電子電路測量得到。該傳感器主要用來測量機(jī)器人的偏航角。

（4）陀螺儀。微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）陀螺儀利用科里奧利力——旋轉(zhuǎn)物體在有徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)所受到的切向力。因?yàn)榭评飱W利力正比于角速度，所以由電容的變化可以計(jì)算出角速度。陀螺儀不能用于測量角度，但可以與以上傳感器融合得到更加準(zhǔn)確的姿態(tài)角。

旋轉(zhuǎn)角和角速度傳感器

一個(gè)圓盤光柵固聯(lián)到旋轉(zhuǎn)軸上，它在不同旋轉(zhuǎn)過程中會產(chǎn)生明暗變化。光電旋轉(zhuǎn)編碼器將這種變化記錄下來，得到相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角和角速度。這一般可用于測量輪式機(jī)器人的輪子的速度和前進(jìn)的距離。

溫度傳感器

（1）紅外傳感器。物體的紅外輻射能量的大小及其按波長的分布與它的表面溫度有著十分密切的關(guān)系。光學(xué)系統(tǒng)匯集其視場內(nèi)的目標(biāo)紅外輻射能量，并轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。這比較適合非接觸式的測量。

（2）熱敏電阻。熱敏電阻器的典型特點(diǎn)是對溫度敏感，不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值，這比較適合接觸式測量。

力傳感器

（1）壓電式傳感器。當(dāng)晶體受到某固定方向外力的作用時(shí),內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當(dāng)外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。

（2）應(yīng)變片。將應(yīng)變片貼在被測定物上，使其隨著被測定物的應(yīng)變一起伸縮，相應(yīng)電阻會隨之變化。

光敏傳感器

光敏電阻不受光照時(shí)的電阻成為暗電阻，此時(shí)流過的電流成為暗電流。在受到光照時(shí)的電阻成為亮電阻，此時(shí)電流稱為亮電流。暗電阻越大越好，亮電阻越小越好。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，暗電阻大約在兆歐級，亮電阻大約在幾千歐以下。光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。利用光敏傳感器，可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)出巡線傳感器和避障傳感器?；驹硎峭ㄟ^主動(dòng)打光和光敏傳感器接收反光，判別周圍情況。

定位傳感器

（1）GPS。全球定位系統(tǒng)GPS是一種全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)，利用衛(wèi)星來定位授時(shí)。GPS接收機(jī)能接收多組衛(wèi)星數(shù)據(jù)，并通過求解方程得到其準(zhǔn)確位置。GPS的絕對精度一般是米級。差分GPS和RTK GPS的精度可以達(dá)厘米級。這些傳感器一般用于室外，但有時(shí)受到遮擋穩(wěn)定性會不太好。

（2）室內(nèi)光學(xué)定位系統(tǒng)。光學(xué)定位系統(tǒng)由多個(gè)相機(jī)、紅外LED燈、路由器、電腦、和反射標(biāo)記點(diǎn)組成。工作原理：多個(gè)相機(jī)組成的捕捉空間，相機(jī)上的近紅外LED照射目標(biāo)物上的反射標(biāo)記點(diǎn)，相機(jī)對標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行紅外成像，提取標(biāo)記點(diǎn)的二維信息，通過多個(gè)相機(jī)對同一標(biāo)記點(diǎn)反饋的空間數(shù)據(jù)，計(jì)算出反射標(biāo)記點(diǎn)的三維位置信息，最終能將機(jī)器人的位置和姿態(tài)計(jì)算出來。靜態(tài)定位精度可以達(dá)毫米級，姿態(tài)計(jì)算精度也很高，滿足大部分的室內(nèi)需求。

（3）UWB定位。UWB，即超寬帶技術(shù)，定位原理和衛(wèi)星導(dǎo)航定位原理很相似。靜態(tài)定位精度可以達(dá)分米級，比較適合室內(nèi)外精度不高的局部定位。

視覺傳感器

人類獲取的信息70%-80%來自視覺，因此視覺傳感器作用非常大，它的潛力需要不斷開發(fā)。

（1）2D相機(jī)

目前越來越多的機(jī)器人采用2D相機(jī)作為傳感器，它通過成像透鏡將三維場景投影到攝像機(jī)二維像平面上。針對相對定位，可以利用類似于二維碼的Tag實(shí)現(xiàn)相對定位，如：AprilTag是一個(gè)由密歇根州立大學(xué)的April實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的、免費(fèi)開源的視覺定位系統(tǒng)，被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人、無人機(jī)定位導(dǎo)引等。除此之外，可以利用如OpenCV的開發(fā)包等或自行開發(fā)用于識別或定位。

（2）3D相機(jī)

目前，3D相機(jī)可以恢復(fù)局部區(qū)域的3D景象。成像原理一般分為ToF（Time of Flight）測量方法和結(jié)構(gòu)光掃描法兩類。ToF成像原理是讓裝置發(fā)出脈沖光,并在發(fā)射處接受目標(biāo)物的發(fā)射光，通過計(jì)算往返的時(shí)間差測量與目標(biāo)物的距離。結(jié)構(gòu)光掃描法的原理是首先將結(jié)構(gòu)光投射到物體表面，再用攝像機(jī)接受該物體表面反射的結(jié)構(gòu)光圖案，通過圖案在圖像上的位置和形變程度來計(jì)算物體表面的空間信息。目前常見的傳感器包括：微軟的Kinect和英特爾的Realsense。

小結(jié)

以上介紹的傳感器總結(jié)如表1所示。

除以上介紹的傳感器之外，還有不少類型傳感器就不一一介紹了，比如聲音傳感器等。不同傳感器在精度、測量范圍、適用范圍、重量、價(jià)格都有差異，因此需要進(jìn)一步根據(jù)任務(wù)進(jìn)行選擇。另外，可以通過組合傳感器，開發(fā)算法搭建新的傳感器。比如：多用幾個(gè)超聲波測距模塊可以設(shè)計(jì)新的避障傳感器。

表1：機(jī)器人傳感器類型

機(jī)器人通訊單元

有線通信

（1）串口。串口按位（bit）發(fā)送和接收字節(jié)。通信使用3根線完成，分別是地線、發(fā)送、接收。由于串口通信是異步的，端口能夠在一根線上發(fā)送數(shù)據(jù)同時(shí)在另一根線上接收數(shù)據(jù)。串口通信最重要的參數(shù)是波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和奇偶校驗(yàn)。對于兩個(gè)進(jìn)行通信的端口，這些參數(shù)必須匹配。

（2）I2C。I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。連接到相同總線上的IC數(shù)量只受總線最大電容的限制，串行的8位雙向數(shù)據(jù)傳輸位速率在標(biāo)準(zhǔn)模式下可達(dá)100Kbit/s，快速模式下可達(dá)400Kbit/s，高速模式下可達(dá)3.4Mbit/s。

（3）SPI。SPI 是由摩托羅拉(Motorola)公司開發(fā)的全雙工同步串行總線，是微處理控制單元(MCU)和外圍設(shè)備之間進(jìn)行通信的同步串行端口。SPI 總線可直接與各個(gè)廠家生產(chǎn)的多種標(biāo)準(zhǔn)外圍器件直接連接，一般使用4 條線：串行時(shí)鐘線SCK、主機(jī)輸入/從機(jī)輸出數(shù)據(jù)線MISO、主機(jī)輸出/從機(jī)輸人數(shù)據(jù)線MOSI 和低電平有效的從機(jī)選擇線SS。

（4）CAN。CAN是控制器局域網(wǎng)絡(luò)(Controller Area Network, CAN)的簡稱，是由以研發(fā)和生產(chǎn)汽車電子產(chǎn)品著稱的德國BOSCH公司開發(fā)的，并最終成為國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO 11898），是國際上應(yīng)用最廣泛的現(xiàn)場總線之一。

（5）I2S。I2S(Inter—IC Sound)總線 , 又稱集成電路內(nèi)置音頻總線，是飛利浦公司為數(shù)字音頻設(shè)備之間的音頻數(shù)據(jù)傳輸而制定的一種總線標(biāo)準(zhǔn)，該總線專門用于音頻設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸，廣泛應(yīng)用于各種多媒體系統(tǒng)。

（6）網(wǎng)絡(luò)通信。網(wǎng)絡(luò)通信模型常使用TCP/IP協(xié)議。TCP/IP提供點(diǎn)對點(diǎn)的鏈接機(jī)制，將數(shù)據(jù)應(yīng)該如何封裝、定址、傳輸、路由以及在目的地如何接收，都加以標(biāo)準(zhǔn)化。

無線通信

（1）藍(lán)牙。藍(lán)牙是一種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備和樓宇個(gè)人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換（使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF無線電波）。

（2）WiFi。WiFi是一種允許電子設(shè)備連接到一個(gè)無線局域網(wǎng)（WLAN）的技術(shù)，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM射頻頻段。連接到無線局域網(wǎng)通常是有密碼保護(hù)的；但也可是開放的，這樣就允許任何在WLAN范圍內(nèi)的設(shè)備可以連接上。

（3）ZigBee。ZigBee是 基 于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率，主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。

（4）紅外。紅外通訊就是通過紅外線傳輸數(shù)據(jù)。為了使各種紅外設(shè)備能夠互聯(lián)互通，1993年，由二十多個(gè)大廠商發(fā)起成立了紅外數(shù)據(jù)協(xié)會(IrDA)，統(tǒng)一了紅外通訊的標(biāo)準(zhǔn)，這就是目前被廣泛使用的IrDA紅外數(shù)據(jù)通訊協(xié)議及規(guī)范。

（5）3G。第三代移動(dòng)通信技術(shù)，簡稱3G，是指支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)電話技術(shù)。3G服務(wù)能夠同時(shí)發(fā)送聲音（通話）及信息（電子郵件、即時(shí)通信等）。3G的代表特征是提供高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，速率一般在幾百kbps以上。第四（五）代移動(dòng)通信技術(shù)（4G，5G），是3G之后的延伸，意味著通信終端能做更多的事情，例如除語音通信之外的多媒體通信、遠(yuǎn)端控制等。

機(jī)器人計(jì)算硬件平臺

處理器單元

（1）51單片機(jī)。51單片機(jī)是對所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機(jī)的統(tǒng)稱，是應(yīng)用最廣泛的8位單片機(jī)之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列。具有如下特點(diǎn)：8位CPU；擁有4kbytes程序存儲器(ROM) ，外部程序存儲器尋址空間為64Kb；128bytes的數(shù)據(jù)存儲器(RAM) ，外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為64kB；2個(gè)可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器；5個(gè)中斷源；2個(gè)優(yōu)先級。

（2）Arduino單片機(jī)。Arduino常見的型號有UNO、MEGA等。以ATMega2560為例，它是配置最高的8位Arduino控制器，有15個(gè)PWM引腳，16MHz時(shí)鐘頻率，256Kb Flash。

（3）STM32單片機(jī)。STM32系列單片機(jī)基于ARM Cortex-M內(nèi)核。以比賽中經(jīng)常使用的STM32F103系列為例，它有如下特點(diǎn)：32位CPU；最高72MHz工作頻率；從16K到512K字節(jié)的閃存程序存儲器；2個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器；2個(gè)DMA控制器，共12個(gè)DMA通道；支持定時(shí)器、ADC、SPI、USB、IIC、UART、CAN等外設(shè)；串行單線調(diào)試（SWD)和JTAG接口；8個(gè)定時(shí)器；2個(gè)看門狗定時(shí)器（獨(dú)立的和窗口型）；一個(gè)24位自減型系統(tǒng)時(shí)間定時(shí)器。

（4）樹莓派。樹莓派是一款基于Linux的單片機(jī)電腦，由英國的樹莓派基金會所開發(fā)。樹莓派面積只有一張信用卡大小，體積大概是一個(gè)火柴盒大小，可以運(yùn)行進(jìn)行1080p視頻的播放。操作系統(tǒng)采用開源的Linux系統(tǒng)：Debian、ArchLinux，自帶 Iceweasel、KOffice等軟件，能夠滿足基本的網(wǎng)絡(luò)瀏覽、文字處理以及電腦學(xué)習(xí)的需要。樹莓派基金會于2016年2月發(fā)布的樹莓派3中首次加入了WiFi無線網(wǎng)絡(luò)及藍(lán)牙功能。

（5）FPGA?，F(xiàn)場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array，縮寫為FPGA），它是在PAL、GAL、CPLD等可編程邏輯器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了全定制電路的不足，又克服了原有可編程邏輯器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。

電路設(shè)計(jì)工具

這里舉例介紹一種。Altium Designer是原Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線、信號完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計(jì)者提供了全新的設(shè)計(jì)解決方案，使設(shè)計(jì)者可以輕松進(jìn)行設(shè)計(jì)，熟練使用這一軟件必將使電路設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率大大提高。

機(jī)器人計(jì)算軟件平臺

操作系統(tǒng)

（1）FreeRTOS。FreeRTOS是一個(gè)迷你的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)內(nèi)核。作為一個(gè)輕量級的操作系統(tǒng)，功能包括：任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理、記錄功能、軟件定時(shí)器、協(xié)程等，可基本滿足較小系統(tǒng)的需要。RTOS需占用一定的系統(tǒng)資源(尤其是RAM資源)，F(xiàn)reeRTOS是少數(shù)能在小RAM上運(yùn)行的操作系統(tǒng)，相對μC/OS-II、embOS等商業(yè)操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS操作系統(tǒng)是完全免費(fèi)的操作系統(tǒng)，具有源碼公開、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點(diǎn)，可以方便地移植到單片機(jī)上運(yùn)行。

（2）uC/OS-III。uC/OS-III(Micro C OS Three 微型的C 語言編寫的操作系統(tǒng)第3版)是一個(gè)可升級的，可固化的，基于優(yōu)先級的實(shí)時(shí)內(nèi)核。它對任務(wù)的個(gè)數(shù)無限制。uC/OS-III 是一個(gè)第3 代的系統(tǒng)內(nèi)核，支持現(xiàn)代的實(shí)時(shí)內(nèi)核所期待的大部分功能。例如資源管理、同步、任務(wù)間的通信等等。

（3）嵌入式Linux。嵌入式Linux 是將日益流行的Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪修改，使之能在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)上運(yùn)行的一種操作系統(tǒng)。嵌入式Linux既繼承了Internet上無限的開放源代碼資源，又具有嵌入式操作系統(tǒng)的特性。典型的嵌入式Linux安裝大概需要2百萬字節(jié)（2M Byte）的系統(tǒng)內(nèi)存。

（4）NuttX。NuttX 是一個(gè)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），強(qiáng)調(diào)標(biāo)準(zhǔn)兼容和小型封裝，具有從8位到32位微控制器環(huán)境的高度可擴(kuò)展性。關(guān)鍵特征：標(biāo)準(zhǔn)兼容，核心任務(wù)管理，圖形化配置工具，支持優(yōu)先級繼承，類POSIX/ANSI 的任務(wù)控制，類似VxWorks的任務(wù)管理和看門狗定時(shí)器，BSD 套接字接口，優(yōu)先級管理的擴(kuò)展，可選的具有地址環(huán)境的任務(wù)（進(jìn)程），可繼承的“控制終端”和 I/O重定向，可以構(gòu)建為開放的、平面的嵌入式RTOS，或單獨(dú)構(gòu)建為具有系統(tǒng)調(diào)用接口的微內(nèi)核，內(nèi)建每線程 CPU 負(fù)載測量。開源飛控PX4中使用了NuttX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

（5）Windows Embedded Compact。Windows Embedded Compact（ 曾 被 稱 為Microsoft Windows CE）是微軟研發(fā)的嵌入式操作系統(tǒng)，可以應(yīng)用在各種嵌入式系統(tǒng)，或是硬件規(guī)格較低的電腦系統(tǒng)（例如很少的內(nèi)存、較慢的中央處理器等）。Windows Embedded Compact允許使用組件化的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)開發(fā)占用空間小的設(shè)備。Windows Embedded Compact 中的組件化功能已針對以下設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化：內(nèi)存和處理資源有限的小設(shè)備、需要電源管理功能的移動(dòng)設(shè)備、需要豐富的聯(lián)網(wǎng)和通信標(biāo)準(zhǔn)的下一代設(shè)備或需要對中斷做出確定性響應(yīng)的實(shí)時(shí)設(shè)備。便攜式導(dǎo)航設(shè)備和通信設(shè)備都屬于基于 Windows Embedded Compact 的設(shè)備。

（6）ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)。ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)是一個(gè)機(jī)器人軟件平臺，它能為異質(zhì)計(jì)算機(jī)集群提供類似操作系統(tǒng)的功能。ROS提供一些標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)服務(wù)，例如硬件抽象、底層設(shè)備控制、常用功能實(shí)現(xiàn)、進(jìn)程間消息以及數(shù)據(jù)包管理。ROS是基于一種圖狀架構(gòu)，從而不同節(jié)點(diǎn)的進(jìn)程能接受、發(fā)布、聚合各種信息（例如傳感、控制、狀態(tài)、規(guī)劃等）。目前ROS主要支持Ubuntu操作系統(tǒng)。

ROS可以分成兩層，低層是上面描述的操作系統(tǒng)層，高層則是廣大用戶群貢獻(xiàn)的實(shí)現(xiàn)不同功能的各種軟件包，例如定位繪圖、行動(dòng)規(guī)劃、感知、模擬等。

軟件開發(fā)工具

（1） Scratch。Scratch是一款由麻省理工學(xué)院（MIT） 設(shè)計(jì)開發(fā)的少兒編程工具。其特點(diǎn)是：使用者可以不認(rèn)識英文單詞，也可以不會使用鍵盤。構(gòu)成程序的命令和參數(shù)通過積木形狀的模塊來實(shí)現(xiàn)。用鼠標(biāo)拖動(dòng)模塊到程序編輯欄就可以了。

（2）LabVIEW。LabVIEW是一種程序開發(fā)環(huán)境，由美國國家儀器（NI）公司研制開發(fā)，類似于C和BASI C開發(fā)環(huán)境，但是LabVIE W與其他計(jì)算機(jī)語言的顯著區(qū)別是：其他計(jì)算機(jī)語言都是采用基于文本的語言產(chǎn)生代碼，而LabVIE W使用的是圖形化編輯語言G編寫程序，產(chǎn)生的程序是框圖的形式。

（3）米思齊（Mixly）。Mixly是北師大教育學(xué)部創(chuàng)客教育實(shí)驗(yàn)室提供的免費(fèi)工具 ，是一款圖形編程工具，并且可以生成相應(yīng)的代碼。

（4）Keil。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、鏈接器、庫管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（μV ision）將這些部分組合在一起。Keil C51版本可用于開發(fā)51系列單片機(jī)，Keil ARM版本可用于開發(fā)ARM7、ARM9、Corte x-M內(nèi)核單片機(jī)。

（5）IAR。IAR Embedded Workbench是瑞典IAR System s公司為微處理器開發(fā)的一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境,支持ARM、AVR、MSP430等芯片內(nèi)核平臺。

（6）Eclipse。Eclipse是著名的跨平臺的自由集成開發(fā)環(huán)境（I DE）。最初主要用來Java語言開發(fā)，通過安裝不同的插件Eclipse可以支持不同的計(jì)算機(jī)語言，比如C++和Python等開發(fā)工具。著名的PX4飛控和Ardupilot飛控就可以使用Eclipse來開發(fā)。

（7）MATLAB。商業(yè)數(shù)學(xué)軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計(jì)算的高級技術(shù)計(jì)算語言和交互式環(huán)境，主要包括MATLAB和Simulink兩大部分。

開發(fā)語言

（1）C語言。C語言具有高效、靈活、功能豐富、表達(dá)力強(qiáng)和較高的可移植性等特點(diǎn)。通過指針，C語言可以容易地對內(nèi)存進(jìn)行低級控制。

（2）C++。C++是一種廣泛使用的計(jì)算機(jī)程序設(shè)計(jì)語言。它是一種通用程序設(shè)計(jì)語言，靜態(tài)數(shù)據(jù)類型檢查，支持多重編程范式，例如過程化程序設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)抽象化、面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、泛型程序設(shè)計(jì)、基于原則設(shè)計(jì)等。

（3）Arduino語言。Arduino使用C/C++編寫程序。早期的Arduino核心庫使用C語言編寫，后來引進(jìn)了面向?qū)ο蟮乃枷耄壳白钚碌腁rduino核心庫采用C與C++混合編寫而成。通常所說的Arduino語言，是指Arduino核心庫文件提供的各種應(yīng)用程序編程接口（Application Programming Interface，簡稱API）的集合。這些API是對更底層的單片機(jī)支持庫進(jìn)行二次封裝所形成的。

（4）Python。Python是一種廣泛使用的高級編程語言。作為一種解釋型語言，Python 的設(shè)計(jì)哲學(xué)強(qiáng)調(diào)代碼的可讀性和簡潔的語法（尤其是使用空格縮進(jìn)劃分代碼塊，而非使用大括號或者關(guān)鍵詞）。相比于 C++或 Java，Python 讓開發(fā)者能夠用更少的代碼表達(dá)想法。

（5）MATLAB。MATLAB可 以 利 用MATLAB編譯器和C/C++數(shù)學(xué)庫、圖形庫，將自己的MATLAB程序自動(dòng)轉(zhuǎn)換為獨(dú)立于MATLAB運(yùn)行的C和C++代碼。允許用戶編寫可以和MATLAB進(jìn)行交互的C或C++語言程序。

機(jī)器人控制決策算法

信息融合算法

一些傳感器的信息需要做些處理，否則噪聲很大甚至不少野值。常用的方法可以加入低通濾波器或者做中值濾波等等。有不少傳感器測量的信息會出現(xiàn)冗余。比如，超聲波測距模塊和氣壓計(jì)都能測量高度，加速度計(jì)也能提供高度方向上的加速度信息，這就需要設(shè)計(jì)的融合濾波。常用的濾波算法包括互補(bǔ)濾波和卡爾曼濾波等。另外，還需要根據(jù)備份的冗余傳感器信息來判斷一些傳感器的健康程度，及時(shí)屏蔽壞的傳感器。

控制算法

驅(qū)動(dòng)器連接傳動(dòng)裝置形成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要完成一定的控制任務(wù)，因此離不開控制算法。控制一般分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制中開環(huán)系統(tǒng)中輸出既不被測量也不被反饋，必須建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型并且仔細(xì)校準(zhǔn)控制系統(tǒng)才能達(dá)到很好的控制效果，在機(jī)器人身上極少被采用。在閉環(huán)系統(tǒng)中，輸出不斷地檢測，并且反饋回來。根據(jù)誤差，被操縱變量不斷地被調(diào)整，以達(dá)到期望目標(biāo)。閉環(huán)系統(tǒng)的主要思想是基于反饋的控制。大多數(shù)閉環(huán)控制器都是基于誤差的，使用最廣泛的閉環(huán)控制器是PID控制器。這個(gè)控制器包含了比例、積分和微分控制器。使用數(shù)學(xué)表達(dá)式表達(dá)施加到對象控制器上的輸出為：

（1）比例控制反映“現(xiàn)在”的反饋?zhàn)饔?。比例系?shù)如果太小，同樣的誤差會讓整個(gè)系統(tǒng)感覺調(diào)節(jié)的力度不夠，使系統(tǒng)輸出量變化緩慢，調(diào)節(jié)所需的總時(shí)間過長。比例系數(shù)如果過大，調(diào)節(jié)力度太強(qiáng)，將造成調(diào)節(jié)過頭，超調(diào)量增大，振蕩次數(shù)增加，調(diào)節(jié)時(shí)間加長，動(dòng)態(tài)性能變壞，比例系數(shù)太大甚至?xí)归]環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。

（2）積分控制反映“過去”的反饋?zhàn)饔谩Ｋ辉试S穩(wěn)態(tài)誤差，否則穩(wěn)態(tài)誤差會一直積累，因此最終穩(wěn)態(tài)誤差為零時(shí)，積分控制才罷休。積分系數(shù)如果太小，積累誤差消除緩慢。積分系數(shù)如果過大，將造成對過去的積分影響過于依賴，整個(gè)系統(tǒng)顯得遲緩。比如，即使現(xiàn)在誤差已經(jīng)消除，但積分誤差不為零，系統(tǒng)仍然會震蕩。

（3）微分控制反映“將來”的反饋?zhàn)饔谩＿@是因?yàn)橥ㄟ^微分，可以預(yù)測“將來”的變化。因此，通過微分控制可以改善輸出響應(yīng)。然而，微分值基本包含著較大的噪聲。微分系數(shù)過大也會放大這些噪聲。

網(wǎng)上流傳一個(gè)PID調(diào)參口訣“參數(shù)整定找最佳，從小到大順序查，先是比例后積分，最后再把微分加，曲線振蕩很頻繁，比例度盤要放大，曲線漂浮繞大灣，比例度盤往小扳，曲線偏離回復(fù)慢，積分時(shí)間往下降，曲線波動(dòng)周期長，積分時(shí)間再加長，曲線振蕩頻率快，先把微分降下來，動(dòng)差大來波動(dòng)慢，微分時(shí)間應(yīng)加長，理想曲線兩個(gè)波，前高后低4比1”。

決策算法

決策算法跟比賽任務(wù)息息相關(guān)。通常需要一些數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的知識和優(yōu)化的知識。比如走迷宮問題，通常需要用“堆?！钡臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，優(yōu)化方面可以參考一些搜索算法，比如深度優(yōu)先或者圖論中的最短路徑算法等等。這里就不一一贅述。更高級的形式是人工智能算法方面，一般更偏實(shí)用的場景。

比賽、等級考試解讀

比賽和等級考試是機(jī)器教育成果的表現(xiàn)形式，它們有著共通的機(jī)器人基礎(chǔ)知識。

比賽解讀

以2017 第七屆中國教育機(jī)器人大賽暨首屆國際教育機(jī)器人邀請賽中搬運(yùn)碼垛項(xiàng)目為例，我們來看該比賽包括哪些以上介紹的機(jī)器人基礎(chǔ)知識。

（1）比賽規(guī)則簡介。在指定地圖中三個(gè)固定點(diǎn)放置三個(gè)碼垛，碼垛是從五種不同顏色物料中隨機(jī)選取的三種顏色不同的物料，并且每種顏色的物料個(gè)數(shù)都是3個(gè)。比賽要求機(jī)器人以最短的時(shí)間將三種顏色的物料放到地圖中相應(yīng)的顏色區(qū)域中，放置的位置越精確得分越高。

（2）機(jī)器人知識。1）機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)器：比賽使用的雙輪差分驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人，每個(gè)輪子都帶有獨(dú)立的伺服電機(jī)，另外還有一個(gè)可旋轉(zhuǎn)從動(dòng)輪，用于保持機(jī)器人的穩(wěn)定。機(jī)器人配有機(jī)器手，機(jī)器手有四個(gè)自由度，由五個(gè)伺服電機(jī)控制。機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)比較簡單，動(dòng)力傳輸基本由齒輪傳動(dòng)完成。2）傳感器：①Q(mào)TI（Quick Track Infrared）傳感器是一種紅外傳感器，它利用光電接收管探測其所面對的表面反射光強(qiáng)度。比賽中使用QTI傳感器巡線，當(dāng)傳感器探測到黑色物體時(shí)輸出高電平（+5V ），探測到白色物體時(shí)輸出低電平（0V）。②顏色傳感器：通過檢測某個(gè)顏色中三原色的比例來識別該顏色，用來識別物料的顏色，輔助決策。③超聲波傳感器：測量機(jī)器人與物料的距離，輔助機(jī)器人準(zhǔn)確抓取物料。3）計(jì)算硬件平臺和開發(fā)工具：硬件平臺為Arduino和STM32。其中Arduino硬件平臺官方推薦的開發(fā)平臺是Eclipse，STM32可以使用Keil集成開發(fā)環(huán)境。4）決策：比賽中物料放置點(diǎn)可能會被堆放的物料擋住，所以需要設(shè)計(jì)合理的算法決定抓取物料的順序，物料是否可以直接放到放置點(diǎn)，以及合理選擇放置點(diǎn)的位置。

等級考試解讀

等級考試需要一級一級考取，符合知識循環(huán)漸進(jìn)的過程。等級考試中涉及的知識面非常廣，同時(shí)注重理論和實(shí)踐。以全國青少年機(jī)器人技術(shù)等級考試為例，其涉及機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)器、電子電路基礎(chǔ)、傳感器使用、有線和無線通信、操作系統(tǒng)、編程語言（著重C++）、計(jì)算單元等知識。