機器人創意設計與製作全攻略（簡體書）

本書主要內容包括對機器人的基本認識、機器人系統的組成部分、機器人的外部結構、機器人的內部程式、常用工具的使用、機器人製作的方法和流程、青少年競賽機器人介紹等。本書努力成為便於讀者平時閱覽學習以及比賽時查找資料的工具書。力求涵蓋全面，在書中將同類技術的各類性能進行對比，便於讀者選擇適合自己的結構與算法。本書適合中小學校內科技教師，培訓機構科技老師；熱愛機器人技術的孩子及家長。還包括需要技術支援的機器人賽事參賽人員學習參考。

1、本書面向中小學校內科技教師，培訓機構科技老師；熱愛機器人技術的孩子及家長；機器人賽事參賽人員。

2、內容定位為便於讀者平時閱覽學習以及比賽時查找資料的工具書。

3、針對STEM教育的應用性需求，對中小學生創客活動，提高工程素養和動手能力，都會很有説明。

4、本書作者指導的北信科“水之隊”屢獲世界比賽冠軍。

為什麼要寫這本書

自主機器人在軍事、工業生產、日常生活等領域的應用已經十分廣泛，機器人與人工智能更是國家戰略性支柱產業。但是中國在機器人核心技術與核心產品上還存在許多不足，為了打破高端機器人技術的發展桎梏，機器人與人工智能技術教育的基礎工作尤為重要。

機器人是機械、電子、控制、計算機、傳感技術、人工智能等多個學科交叉的領域，想要全面地掌握其相關技術絕非易事，對於青少年科技愛好者和機器人初學者來說，學習起來容易無從下手。為了儘量減少機器人學習入門的難度，使讀者僅通過本書就能系統深入地瞭解機器人技術，編者結合大量機器人學科競賽與工程項目經驗編寫本書，以期獻上綿薄之力。

主要內容與表述形式

1. 從硬體與軟件兩個維度進行拆分講解。硬體是機器人完成動作與任務的基礎，例如沒有輪子，小車的底盤就無法移動；軟件則實現對機器人行為的控制，例如程式會控制小車底盤應當是走還是停。

2. 以“總-分-總”的形式介紹機器人硬體，首先介紹機器人系統的組成部分，然後對各部分進行詳解，最後通過實例將機器人的軟、硬體進行結合。

3. 機器人智能性是程式賦予的。由於機器人程序設計涉及計算機和微控制器兩部分，而C語言對這兩部分程序設計的支援程度都很出色，所以本書的程序設計活動以C語言為主。C語言、Python、圖形化程序設計等，都是程序設計語言或者說是程序設計的某種方式。我們的目標是通過程序設計控制機器人，而使用哪種語言進行程序設計是可以根據場景加以選擇的，也就是說終點只有一個，但是路徑有很多條，而C語言在大多數時候都能幫助我們到達終點。

一些閱讀本書的建議

1. 一定要動手實踐！機器人技術不是看一看書就能掌握的，在項目實施的過程中會出現各種意料之外的問題。查找問題與解決問題的能力，與設計、製作機器人的能力是同等重要的。

2. 緒論與第1章是對機器人系統建立概念的重要章節，如果您是機器人技術的初學者，這兩個章節一定要仔細閱讀並理解。

3. 有些讀者可能接觸圖形化程序設計比較多，對代碼形式的程序設計可能會有畏難情緒。圖形化程序設計適合前期對程序設計思維的鍛煉，但是並不適合智能程度更高的機器人項目。

讀者群體

1. 青少年機器人愛好者。

2. 參與機器人競賽或是學習活動的本科生與研究生。

3. 中、小學科技教師。

4. STEAM、創客教育培訓機構的科技講師。

5. 想要自行輔導或是陪伴孩子學習機器人技術的家長朋友們。

支援

本書由北京信息科技大學蘇易衡、王雪雁主編，邱景紅、楊金江、傅景楠、白帆副主編，高宇含、李宇、阿布都依木江、劉小銘參編。

由於作者水準有限，編寫時間較為倉促，書中難免會有不準確的地方和不妥之處，懇請讀者朋友們不吝賜教、批評指正。更多寶貴的意見還煩請發送至出版社，期待能夠聽到同好們的真摯回饋。

致謝

首先感謝我的母校和工作單位——北京信息科技大學，這裡有濃厚的學術氛圍和深厚的機器人底蘊。我也有幸於2012年加入王雪雁老師帶領的RoboCup中型組世界冠軍團隊Team Water，並於2016年加入張奇志與周亞麗兩位元教授帶隊的家庭服務機器人團隊Sun@Home。沒有這些傑出機器人團隊的深厚積澱，就不會有本書的問世。

感謝本書參編成員的共同努力和辛勤付出，以及對本書提供幫助的各位朋友。感謝深圳洲宇教育提供的機器人設備。



編者

緒論 什麼是機器人

0.1 綜述 / 002

0.2 認識機器和機器人 / 002

0.3 機器人的發展歷史 / 003

0.3.1 早期機器人的發展史 / 003

0.3.2 近代機器人的發展史 / 005

0.4 未來機器人的展望 / 010

0.5 形形色色的機器人 / 010

0.5.1 工業機器人 / 011

0.5.2 服務機器人 / 012

0.5.3 醫療機器人 / 014

0.5.4 軍用機器人 / 015

0.6 機器人程式 / 016

0.6.1 低階語言階段 / 017

0.6.2 高階語言階段 / 017

0.7 如何動手做一個機器人 / 018



第1章 機器人系統的組成部分

1.1 綜述 / 021

1.2 機器人系統 / 021

1.3 動力來源——供電系統 / 024

1.3.1 直流電源 / 025

1.3.2 交流電源 / 025

1.3.3 儲存電的倉庫——電池 / 026

1.4 機器人的大腦——控制系統 / 027

1.5 機器人如何觀察世界——傳感系統 / 030

1.5.1 信號與電信號 / 030

1.5.2 各式各樣的傳感器 / 031

1.6 是時候該執行任務了——執行機構 / 032

1.7 動力能源的水龍頭——驅動器 / 033



第2章 機器人的外部結構

2.1 綜述 / 035

2.2 認識零件 / 035

2.2.1 梁零件 / 035

2.2.2 板零件 / 037

2.2.3 桿零件 / 037

2.2.4 片零件和條零件 / 037

2.2.5 連接柱 / 038

2.2.6 角度連接件 / 038

2.2.7 方梁連接件 / 038

2.2.8 L形連接件 / 039

2.2.9 關節軸承 / 039

2.2.10 螺釘、螺栓和螺母 / 039

2.2.11 自攻螺釘 / 040

2.2.12 自鎖螺母 / 040

2.2.13 頂絲 / 041

2.2.14 銷 / 041

2.2.15 直齒輪 / 041

2.2.16 斜齒輪 / 042

2.2.17 錐齒輪 / 042

2.2.18 冠齒輪 / 042

2.2.19 滑輪 / 043

2.2.20 履帶輪和履帶 / 043

2.2.21 齒條 / 044

2.2.22 凸輪 / 044

2.2.23 蝸輪和蝸桿 / 045

2.2.24 棘輪和棘爪 / 045

2.2.25 軸 / 046

2.2.26 軸承 / 046

2.2.27 軸套 / 046

2.2.28 聯軸器 / 046

2.2.29 絲杠 / 047

2.2.30 法蘭盤 / 047

2.2.31 輪轂 / 047

2.2.32 電機支架 / 047

2.2.33 舵機支架和舵機臂 / 048

2.2.34 金屬零件和EV3零件結合 / 048

2.3 機械結構 / 049

2.3.1 連桿機構 / 049

2.3.2 平面鉸鏈四桿機構 / 050

2.3.3 曲柄滑塊機構 / 052

2.3.4 齒輪機構 / 053

2.3.5 齒輪齒條機構 / 054

2.3.6 蝸輪蝸桿機構 / 055

2.3.7 凸輪機構 / 055

2.3.8 棘輪機構 / 056

2.3.9 帶傳動機構 / 057

2.3.10 鏈傳動機構 / 058

2.3.11 螺旋機構 / 058

2.3.12 彈簧機構 / 059

2.3.13 阻尼機構 / 060

2.3.14 機構的串聯 / 060

2.3.15 機構的並聯 / 061

2.4 電路基礎 / 061

2.4.1 電壓 / 062

2.4.2 電流（電流強度） / 063

2.4.3 直流電和交流電 / 063

2.4.4 電阻 / 063

2.4.5 串聯與並聯 / 064

2.4.6 短路 / 064

2.4.7 斷路 / 064

2.4.8 導體、絕緣體、超導體 / 065

2.4.9 半導體 / 065

2.4.10 負載 / 065

2.4.11 單片機 / 066

2.4.12 晶片 / 066

2.4.13 引腳 / 066

2.4.14 印製電路板PCB / 067

2.4.15 絲印 / 068

2.4.16 脈衝 / 068

2.4.17 封裝 / 068

2.5 傳感器 / 070

2.5.1 紅外巡線傳感器 / 071

2.5.2 超聲波傳感器 / 072

2.5.3 光敏傳感器 / 073

2.5.4 聲音傳感器 / 074

2.5.5 碰撞開關和按鍵 / 074

2.5.6 火焰傳感器 / 075

2.5.7 人體紅外傳感器 / 075

2.5.8 溫濕度傳感器 / 077

2.5.9 氣體檢測傳感器 / 078

2.5.10 觸摸傳感器 / 078

2.5.11 傾斜傳感器 / 079

2.5.12 磁性傳感器 / 079

2.5.13 土壤濕度傳感器和水蒸氣傳感器 / 079

2.5.14 壓力傳感器 / 080

2.5.15 顏色傳感器 / 080

2.5.16 電子羅盤 / 081

2.5.17 陀螺儀 / 082

2.6 認識電子元器件 / 084

2.6.1 發光二極管 / 084

2.6.2 二極管 / 085

2.6.3 電阻 / 086

2.6.4 電容 / 087

2.6.5 電感 / 088

2.6.6 三極管 / 088

2.6.7 場效應管 / 089

2.6.8 三端穩壓器 / 090

2.6.9 晶振 / 090

2.6.10 電位器 / 091

2.6.11 熔斷器 / 091

2.6.12 電磁繼電器 / 091

2.6.13 揚聲器 / 092

2.6.14 蜂鳴器 / 092

2.6.15 數碼管 / 093

2.6.16 全彩LED / 094

2.6.17 液晶顯示幕（LCD） / 094

2.6.18 點陣屏 / 096

2.6.19 開關 / 097

2.6.20 自鎖開關 / 097

2.6.21 撥碼開關 / 098

2.6.22 麵包板 / 098

2.6.23 洞洞板 / 099

2.6.24 排針 / 100

2.6.25 杜邦線 / 100

2.6.26 IC插座 / 100

2.6.27 跳線帽 / 100

2.6.28 鱷魚夾 / 101

2.6.29 電池盒和電池座 / 101

2.6.30 USB接口 / 101

2.7 簡單的電路 / 102

2.7.1 LED控制電路 / 102

2.7.2 全彩LED電路 / 103

2.7.3 7805直流降壓電路 / 103

2.7.4 電阻分壓電路 / 104

2.7.5 光控燈 / 105

2.7.6 循跡模組 / 106

2.7.7 惠斯通電橋 / 108

2.7.8 三極管放大電路 / 108

2.7.9 場效應管放大電路 / 110

2.7.10 單片機最小系統 / 111

2.7.11 USB轉串口電路 / 113

2.7.12 L298N驅動電路 / 114

2.7.13 H橋 / 116

2.8 執行裝置 / 117

2.8.1 直流電動機和減速電動機 / 117

2.8.2 舵機 / 118

2.8.3 步進電動機 / 119

2.8.4 伺服電動機 / 121

2.8.5 空心杯電動機和螺旋槳 / 122

2.8.6 無刷電動機和電調 / 122

2.8.7 振動電動機 / 123

2.8.8 電磁鐵 / 123

2.8.9 其他裝置 / 123

2.8.10 手爪 / 125

2.8.11 機械臂 / 125

2.8.12 履帶 / 126

2.8.13 懸掛裝置 / 126

2.8.14 萬向輪和常見的輪式底盤 / 127

2.8.15 麥克納姆輪 / 130

2.8.16 多足機器人 / 132

2.8.17 雙足機器人 / 133



第3章 機器人的內部程式

3.1 綜述 / 135

3.2 認識程式的框架 / 136

3.3 認識編譯環境／編譯器 / 137

3.4 基本元素 / 139

3.4.1 關鍵字 / 140

3.4.2 識別字 / 141

3.4.3 識別字的命名規範 / 142

3.4.4 空白符 / 142

3.5 資料類型 / 143

3.5.1 整數類型 / 143

3.5.2 浮點類型 / 145

3.5.3 void類型 / 145

3.6 變數 / 145

3.7 常量 / 147

3.8 運算子 / 148

3.8.1 算術運算子 / 148

3.8.2 關係運算子 / 151

3.8.3 邏輯運算子 / 153

3.8.4 位運算子 / 154

3.8.5 設定運算子 / 157

3.9 判斷 / 161

3.10 迴圈 / 163

3.10.1 迴圈類型 / 163

3.10.2 迴圈控制語句 / 173

3.10.3 無限迴圈 / 178

3.11 函數 / 179

3.11.1 定義函數 / 181

3.11.2 函式宣告 / 182

3.11.3 調用函數 / 182

3.11.4 函數參數 / 184

3.12 陣列 / 188

3.12.1 聲明陣列 / 188

3.12.2 初始化陣列 / 188

3.12.3 訪問陣列元素 / 189

3.12.4 多維陣列 / 190

3.12.5 傳遞陣列給函數 / 192

3.13 字串 / 195

3.14 輸入和輸出 / 198

3.14.1 標準檔 / 198

3.14.2 getchar和putchar函數 / 200

3.14.3 gets和puts函數 / 201

3.14.4 scanf和printf函數 / 202

3.15 進制 / 203

3.15.1 二進位 / 203

3.15.2 十六進位 / 204

3.15.3 進制間的轉換 / 204

3.16 一些經典程序設計基礎實例 / 205



第4章 工具的使用

4.1 綜述 / 234

4.2 手動工具 / 234

4.2.1 旋具 / 234

4.2.2 扳手 / 235

4.2.3 鉗子 / 237

4.2.4 剝線鉗 / 238

4.2.5 網線鉗 / 239

4.2.6 臺鉗 / 240

4.2.7 錘子 / 240

4.2.8 鋸 / 241

4.2.9 剪刀 / 241

4.2.10 美工刀 / 242

4.2.11 遊標卡尺 / 242

4.3 粘接工具 / 243

4.3.1 熱熔膠槍和膠棒 / 243

4.3.2 螺紋膠 / 243

4.3.3 導熱矽膠 / 244

4.3.4 雙面泡沫膠 / 244

4.3.5 502膠水 / 245

4.3.6 尼龍紮帶 / 245

4.4 電動工具 / 246

4.4.1 電鑽 / 246

4.4.2 電動旋具 / 246

4.4.3 微型磨機 / 246

4.5 電路工具 / 247

4.5.1 萬用表 / 247

4.5.2 電烙鐵、焊臺與焊錫 / 248

4.5.3 熱風槍 / 250

4.5.4 吸錫器、吸錫線 / 250

4.5.5 助焊劑——松香 / 251

4.5.6 熱縮管 / 251

4.5.7 鑷子 / 251

4.5.8 電線 / 251

4.5.9 電工膠帶 / 252

4.6 來認識些更強大的工具吧 / 252

4.6.1 3D印表機 / 252

4.6.2 微型機床 / 253



第5章 機器人製作案例

5.1 綜述 / 259

5.2 木工小車 / 259

5.2.1 準備工作 / 260

5.2.2 理解設計圖紙 / 261

5.2.3 切割外輪廓 / 264

5.2.4 切割內輪廓 / 265

5.2.5 木棒的加工 / 266

5.2.6 銑零件 / 268

5.2.7 磨床打磨零件 / 269

5.2.8 底盤組裝 / 270

5.2.9 車體組裝 / 273

5.2.10 總結 / 274

5.3 EV3-金屬機械臂 / 274

5.3.1 準備工作 / 275

5.3.2 瞭解機械臂 / 276

5.3.3 搭建雲臺 / 276

5.3.4 固定EV3控制器 / 278

5.3.5 組裝機械臂 / 279

5.3.6 手爪組裝 / 281

5.3.7 手爪的固定與優化 / 284

5.3.8 控制電路與接線 / 286

5.3.9 程式的編寫 / 289

5.3.10 總結 / 292

5.4 三輪全向移動底盤 / 292

5.4.1 準備工作 / 293

5.4.2 三輪全向移動底盤概述 / 293

5.4.3 三輪全向移動底盤搭建 / 294