中学生机器人竞赛培训教材精讲

中学生机器人竞赛中学生机器人竞赛 培训教材培训教材 广州市第四十七中学 机器人兴趣小组 2006 年 3 月 机器人竞赛培训教材 第一章第一章机器人的历史及定义机器人的历史及定义. .2 2 第一节机器人的历史.2 第二节机器人的定义.2 第三节机器人的种类.3 第四节机器人的未来.3 第五节未来的机器人.4 第二章第二章机器人的运作原理机器人的运作原理. .5 5 第一节机器人的基本机能.5 第二节机器人的基本特征.6 第三章第三章教育机器人的组件教育机器人的组件. .7 7 第一节机器人核心——微型电脑控制器.7 第二节感觉器官.8 第三节动作器官.17 第四节第四节 程序基础知识程序基础知识. .2727 第一节模块的操作.27 第二节循环结构.29 第三节分支结构.31 第四节变.33 第五节计算模块.35 第五章第五章机器人竞赛项目机器人竞赛项目. .3737 第一节赛事介绍.37 第二节机器人竞赛项目——灭火方案.39 第三节机器人竞赛项目——足球比赛.55 1 机器人竞赛培训教材 第一章第一章机器人的历史及定义机器人的历史及定义 第一节第一节机器人的历史机器人的历史 几千年前人类就渴望制造 一种像人一样的机器， 以便将人类从繁重的劳动中解脱出来。 如古希腊诗人 Homeros 的长篇叙事诗《伊利亚特》中的冶炼之神瘸腿海倍斯特司，就用黄 金铸造出一个美丽聪颖的侍女；希腊神话《阿鲁哥探险船》中的青铜巨人泰洛斯（Taloas)； 犹太传说中的泥土巨人等等，这些美丽的神话时刻激励着人们一定要把美丽的神话变为现 实，早在两千年前就开始出现了自动木人和一些简单的机械偶人。 1920 年捷克斯洛伐克作家雷尔.卡佩克发表了科幻剧《罗萨姆的万能机器人》 。在剧本 中，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot” ， “Robota”是农奴的意思。该剧预告了机 器人的发展对人类社会的悲剧性影响， 引起了大家的广泛关注， 被当成了机器人的起源。 剧 情是： 罗萨姆公司把机器人作为人类生产的工业产品推向市场， 让它去充当劳动力。 机器人按 照其主人的命令默默地工作，没有感觉和感情，以呆板的方式从事繁重的不公平的劳动。 后来， 罗萨姆公司取得了成功， 使机器人具有了感情， 导致机器人的应用部门迅速增加。 在工厂和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员。机器人发觉人类十分的自私和不公正， 终于造反了，开始屠杀人类。因为机器人的体能和智能都非常优异，因此消灭的幸存者，但 它们不知道如何制造自己。最后，一对感知能力优于其他机器人的男女机器人相爱了。 这时 机器人进化为人类，世界又起死回生了。 1950年， 美国作家埃萨克· 阿西莫夫在他的科幻小说 《I， Robot》 中首次使用了 “Robotics” ， 即“机器人学” 。阿西莫夫提出了“机器人三原则” ： 1、机器人不应伤害人类，且在人类受 到伤害时不可袖手旁观；2、机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外； 3、机器 人应能保护自己， 与第一条相抵触者除外。 机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的 准则，阿西莫夫因此被称为“机器人学之父” 。1954 年，美国人 George C. Devol 提出了第 一个工业机器人方案并在1956 年获得美国专利。 1960 年，Conder 公司购买专利并制造了样 机。 1961 年， Unimation 公司 （通用机械公司） 成立， 生产和销售了第一台工业机器 “Unimate” ， 即万能自动之意。1962 年，A.M.F.（机械与铸造）公司，研制出一台数控自动通用机，取 名“Versatran” ，即多用途搬运之意，并以“Industrial Robot”为商品广告投入市场。 到了近代， 机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人问世之后， 不同功能的机器人 也相继出现并且活跃在不同的领域，从天上到地下，从工业拓广到 农业、林、牧、渔，甚 至进入寻常百姓家。机器人的种类之多，应用之广，影响之深，是我们始料未及的。 第二节第二节机器人的定义机器人的定义 机器人问世已有几十年， 但没有一个统一的意见。 原因之一是机器人还在发展， 另一原 因主要是因为机器人涉及到了人的概念， 成为一个难以回答的哲学问题。 也许正是由于机器 人定义的模糊，才给了人们充分的想象和创造空间。 美国机器人协会（RIA)：一种用于移动各种材料、零件、工具或专用装置的，通过程 序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机（Manipulator） 。 美国家标准局： 一种能够进行编程并在自动控制下完成某些操作和移动作业任务或动作 的机械装置。 2 机器人竞赛培训教材 1987 年国际标准化组织(ISO)对工业机器人的定义：工业机器人是一种具有自动控制的 操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。 日本工业标准局： 一种机械装置， 在自动控制下， 能够完成某些操作或者动作功能。英 国：貌似人的自动机，具有智力的和顺从于人的但不具有人格的机器。 中国科学家对机器人的定义是： 机器人是一种自动化的机器， 这种机器具备一些与人或 生物相似的智能能力，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活 性的自动化机器。 尽管各国定义不同，但基本上指明了作为“机器人”所具有的二个共同点：是一种自动 机械装置， 可以在无人参与下， 自动完成多种操作或动作功能， 即具有通用性； 可以再编程， 程序流程可变，即具有柔性(适应性） 。 第三节第三节机器人的种类机器人的种类 机器人集中了机械工程、材料科学、电子技术、计算机技术、自动控制理论及人工智能 等多学科的最新研究成果， 代表了机电一体化的最高成就， 是当代科学技术发展最活跃的领 域之一。 机器人的分类方法有很多，根据机器人的应用可以分成下面几类： （1）工业机器人。可以分成搬运、焊接、装配、喷漆、检查等机器人，主要用于工厂 内，代替人类完成繁重、精密而重复的工作。 （2）极限作业机器人。主要应用在人们难以进入的场所和环境， 例如在核电站、海底、 宇宙空间等进行作业的机器人。也包括建筑、农业机器人等。 （3）娱乐机器人。有弹奏乐器的机器人、舞蹈机器人、宠物机器人等，具有某种程度 的通用性。也有适应环境而改变行动宠物机器人。 此外，也还有正在研制开发中的福利机器人、 医疗机器人、灾难救援机器人、乒乓球机 器人一类机器人。在上述的分类中，工业机器人最早开始普及， 极限作业机器人和娱乐机器 人多是由工业机器人改进的。近来正在积极开展拟人（类人）机器人的研究和制作。 第四节第四节机器人的未来机器人的未来 在已经过去的 20 世纪，机器人的家族逐渐发展、壮大。在科学技术高度发展的今天， 你能预测一下 21 世纪中的机器人会是什么样子呢，对于现有机器人的功能，这个人丁兴旺 的大家族又会对人类的文明和社会的进步产生怎样的影响呢？ 1、机器人会越来越小 目前各国的研究现状而言， 表明微型机器人大多还处于实验室或原型开发阶段， 但可以 预见，在 21 世纪，微型机器人将广泛出现。 由德国工程师莱纳尔· 格茨恩发明的微型机器人， 可直接由针头注射进入人体血管、 尿 道、 胆囊或肾脏。 它依