本书是以“亚广联亚太地区机器人大赛（ABU\|ROBOCON）国内选拔赛”为背景，介绍了机器人制作的基本方法。从制作机器人所需材料的选用，常用元器件、传感器以及电机的基本原理和使用方法入手，结合哈尔滨工程大学连续五届的参赛机器人，并从大赛规则出发，剖析了从概念设计、结构设计、加工制作以及参赛方案制定的全过程。

本书运用大量的实例和通俗的文字，介绍了机器人的制作，其知识性强，趣味性浓。本书可作为机器人爱好者制作机器人的教材，也可以作为机械、电子、自动化专业的学生实践创新的参考书，同时也可供从事机电一体化及相关专业的工程技术人员参考。

随着机器人技术的飞速发展，机器人竞技运动在世界各地蓬勃兴起，目前我国正掀起一股机器人竞赛的热潮。

其中尤为引人注目的是，以亚洲广播电视联盟发起的亚太地区大学生机器人电视大赛为背景的全国大学生机器人电视大赛。该赛事由中央电视台举办，从2002年至今已成功举办了五届。“让思维沸腾起来，让智慧行动起来”是大赛的宗旨。大学生机器人电视大赛在全国大学生及全国广大青少年中产生了强烈的反响，影响日益扩大，已经成为展示大学生创新能力、团队合作精神和当代大学生风采的舞台。

创新是全国大学生机器人电视大赛的精髓，每届比赛内容和规则均不同。每届参赛机器人都要从概念设计入手，经历设计、制作、调试、改进等过程，最终选出最优方案参加比赛。通过此项赛事，大学生的创造热情得到充分的发挥，创新思维和动手能力得到锻炼和培养。

本书结合哈尔滨工程大学连续5年参加机器人电视大赛的参赛经验和策略，选择机器人创新设计与制作的精华部分编写而成，旨在提高参赛机器人的制作水平。

本书分为上下两篇，共9章，第1章介绍机器人制作的基本知识和通用零部件的选择与设计；第2章介绍电机的基本原理、性能参数等，重点介绍电机的选型、驱动和控制；第3章介绍常用传感器技术；第4章介绍常用元器件及集成电路的基本知识；第5章至第9章介绍第一届至第五届全国大学生机器人电视大赛的规则、参赛策略及参赛机器人的设计与制作。

本书凝聚了本校参加第一届至第五届全国大学生机器人大赛全体队员的心血和智慧，由于篇幅所限，不能一一列举他们的姓名，在此对他们为机器人大赛所付出的创造劳动表示衷心的谢意；机器人大赛得到学校领导、团委的高度重视和大力支持，在此一并表示感谢。

感谢孟庆鑫教授在本书编写过程中提出的宝贵建议，同时感谢薛开院长和王永有、李修志、夏宝会、何晓华书记的大力支持。

因时间仓促、水平有限，在编写过程中难免出现错误和疏漏，敬请读者批评指正。

作者

2006年11月

上篇基础篇

第1章机器人通用零部件的选择与设计1

1.1制作材料的选择1

1.1.1选材原则1

1.1.2选材方法2

1.2零部件的设计3

1.2.1设计概述3

1.2.2机构的选型5

1.2.3机构的设计方法7

1.2.4零件的设计与校核11

1.3常用的能源15

1.3.1充电电池的选择15

1.3.2电池充电器的制作17

第2章机器人驱动电机的选择与使用21

2.1步进电机21

2.1.1步进电机的工作原理21

2.1.2步进电机的性能指标23

2.1.3步进电机的选用24

2.1.4步进电机的基本控制系统25

2.1.5步进电机的典型驱动电路29

2.2直流电机38

2.2.1有刷直流电机的工作原理39

2.2.2无刷直流电机的工作原理40

2.2.3直流电机的选用41

2.2.4直流电机的基本控制系统42

2.2.5直流电机的典型驱动电路45

2.3伺服电机（舵机）57

2.3.1舵机的工作原理57

2.3.2舵机的单片机控制58

第3章机器人常用传感器的基本知识63

3.1光电传感器63

3.1.1光敏二极管的结构及原理64

3.1.2光敏二极管的主要技术参数64

3.1.3光敏二极管的应用实例65

3.1.4光敏三极管的结构及原理65

3.1.5光敏三极管的主要技术参数66

3.1.6光敏三极管的应用实例66

机器人创新设计与制作

3.2色敏传感器67

3.2.1色敏传感器的工作原理67

3.2.2色敏传感器的应用67

3.2.3红外传感器的工作原理68

3.2.4红外传感器的应用70

3.3磁传感器72

3.3.1霍尔元件的工作原理72

3.3.2霍尔元件的主要技术参数73

3.3.3霍尔元件的基本应用74

3.3.4霍尔集成电路的工作原理77

3.3.5霍尔集成电路的基本应用77

3.4压力传感器78

3.4.1力应变电阻效应78

3.4.2力压电效应79

3.4.3力压阻效应80

3.4.4压力采集技术实例80

3.5超声波传感器81

3.5.1超声波传感器的工作原理81

3.5.2超声波传感器的主要参数82

3.5.3超声波传感器的应用实例83

3.6数字式传感器85

3.6.1栅式数字传感器85

3.6.2编码器87

第4章机器人常用元器件及集成电路的基本知识93

4.1常用元器件的介绍93

4.1.1电阻器93

4.1.2电位器97

4.1.3电容器99

4.1.4电感器100

4.1.5二极管102

4.1.6三极管104

4.2模拟集成电路的基本知识107

4.2.1集成运算放大器107

4.2.2集成稳压器110

4.2.3集成功率放大器112

4.3数字集成电路的基本知识113

4.3.1TTL型数字集成电路113

4.3.2CMOS型数字集成电路114

4.3.3TTL和CMOS器件间接口转换115

4.4单片机的介绍116

4.4.1八位单片机AT89C51116

4.4.2十六位单片机SPCE061A119

下篇实战篇

第5章第一届全国大学生机器人电视大赛125

5.1大赛规则及参赛方案125

5.1.1大赛规则125

5.1.2参赛方案130

5.2机器人机械结构设计133

5.2.1结构设计133

5.2.2机械加工137

5.3机器人驱动设计139

5.3.1驱动电机的选用139

5.3.2行走机构的驱动142

5.3.3投球机构的驱动144

5.3.4其他驱动145

5.4机器人控制系统设计147

5.4.1控制芯片的选用147

5.4.2驱动轮旋转角度控制147

5.4.3传感器控制147

5.4.4数据采集及处理149

第6章第二届全国大学生机器人电视大赛151

6.1大赛规则及参赛方案151

6.1.1大赛规则151

6.1.2参赛方案154

6.2外围自动机器人155

6.2.1行走机构设计155

6.2.2投球机构设计155

6.3冲顶机器人157

6.3.1总体方案157

6.3.2底盘设计157

6.3.3定位机构设计158

6.3.4升降机构设计158

6.3.5投球机构设计159

6.3.6机械加工161

6.4手动机器人162

6.4.1总体方案162

6.4.2取球机构设计163

6.4.3球道设计164

6.4.4分球机构设计164

6.4.5发射机构设计164

第7章第三届全国大学生机器人电视大赛169

7.1大赛规则及参赛方案169

7.1.1大赛规则169

7.1.2参赛方案173

7.2金色礼物搬运机器人175

7.2.1总体方案175

7.2.2底盘设计176

7.2.3取放块机构设计177

7.2.4提升与翻转机构设计178

7.2.5控制系统设计178

7.3干扰机器人Ⅰ189

7.3.1总体方案189

7.3.2底盘设计191

7.3.3弹性轨道设计192

7.3.4子机器人设计193

7.3.5动作流程194

7.4干扰机器人Ⅱ196

7.4.1总体方案196

7.4.2行走机构设计197

7.4.3干扰机构设计197

7.5手动机器人200

7.5.1总体方案200

7.5.2夹持式结构设计201

7.5.3传送带式结构设计203

7.5.4控制系统设计206

7.6普通礼物搬运机器人207

7.6.1总体方案207

7.6.2行走机构设计208

7.6.3夹取机构设计209

7.6.4升降机构设计210

7.6.5投块机构设计211

7.6.6控制系统设计211

第8章第四届全国大学生机器人电视大赛213

8.1大赛规则及参赛方案213

8.1.1大赛规则213

8.1.2参赛方案217

8.2“君主号”自动机器人220

8.2.1总体方案220

8.2.2底盘设计220

8.2.3行走机构设计221

8.2.4伸臂机构设计225

8.2.5投球机构设计226

8.2.6机械加工227

8.3子母式自动机器人228

8.3.1总体方案228

8.3.2主机器人的导向机构设计229

8.3.3主机器人的推车机构设计230

8.3.4主机器人的底盘设计231

8.3.5子机器人的伸缩杆机构设计232

8.3.6子机器人的储能机构设计232

8.3.7子机器人的导向机构设计233

8.3.8子机器人的投球机构设计234

8.4手动机器人237

8.4.1总体方案237

8.4.2拾球机构设计238

8.4.3打球机构设计240

8.4.4分球机构设计240

8.4.5升球机构设计242

8.4.6送球机构设计243

8.4.7其他机构设计244

8.4.8操作策略245

8.5干扰机器人246

8.5.1总体方案246

8.5.2底盘设计248

8.5.3传动机构设计248

8.5.4阻挡机构设计251

8.6外围自动机器人252

8.6.1总体方案252

8.6.2“开拓者”机器人252

8.6.3“守护者”机器人254

8.6.4机械加工257

8.7机器人的驱动控制258

8.7.1驱动部分258

8.7.2控制部分263

8.7.3各机器人的控制系统265

第9章第五届全国大学生机器人电视大赛275

9.1大赛规则及参赛方案275

9.1.1大赛规则275

9.1.2参赛方案279

9.2主自动机器人281

9.2.1总体方案281

9.2.2行走机构设计282

9.2.3目标定位及锁定机构设计283

9.2.4气动储能机构设计284

9.2.5控制系统设计285

9.3子自动机器人286

9.3.1总体方案286

9.3.2行走机构设计287

9.3.3抓手机构设计287

9.3.4固定积木机构设计288

9.3.5底盘设计289

9.3.6控制系统设计289

9.4手动机器人290

9.4.1总体方案290

9.4.2底盘设计291

9.4.3抓取提升机构设计293

9.4.4控制系统设计294

9.5履带机器人294

9.5.1总体方案294

9.5.2行走机构设计294

9.5.3机械手设计296

9.5.4控制系统设计298

9.6干扰机器人299

9.6.1总体方案299

9.6.2机械结构设计300

9.6.3气动系统设计303

9.6.4控制系统设计303

参考文献307