竞赛机器人技术基础

机器人技术是当前具有巨大应用前景的热门科学技术之一。机器人正逐渐被应用到社会的各个领域，工厂、医院甚至家庭都在加快使用机器人完成各类工作的步伐。为了能让更多的人更好地了解机器人技术，与机器人相关的新闻报道、讲座、书籍层出不穷，各类机器人比赛正如火如荼地举行。无论是国际的还是国内的，无论是科研人员还是业余爱好者，无论是中小学还是高校，都积极地参与到机器人比赛的热潮中。

早在2003年，我国教育部把中小学机器人比赛纳入“全国中小学电脑制作活动”，将“人工智能技术及简易机器人制作”列入普通高中新课程的选修内容时，我国的机器人比赛就真正开启了它的发展历程。虽然与国际知名的RoboCup、FIRA等机器人比赛相比，我国的比赛水平尚存在较大的差距，但其发展速度迅猛。几年时间，从国家、省市到地区，都举办了一系列规模不同、层次不同的机器人比赛，至今已形成一套可行的机器人比赛体系。

机器人比赛能否继续顺利地发展，竞技水平能否得到快速的提高，其中一个极其重要的因素是有没有优秀的教师参与这项活动。那么，如何给中小学输送高质量的能够完成教学任务并指导学生参加机器人比赛的教师成为高等师范院校面临的新挑战。当前，许多高等师范院校为其计算机专业学生增设了机器人课程。

本书的编写目的在于，给高等师范院校的机器人课程提供一本合适的教材，让学生既能简单了解机器人知识，把握机器人比赛动态，又能掌握机器人比赛常见项目的实现方法，使即将到中小学工作的“准教师”们奠定扎实的机器人知识基础。

本书主要介绍了机器人的概况、机器人的硬件、机器人的比赛、机器人的编程和机器人的仿真五个方面的内容。全书共分8章：第1章介绍机器人概况；第2章介绍机器人的总体架构；第3章介绍机器人的控制器；第4章介绍机器人的传感器；第5章介绍机器人的动力装置；第6章介绍机器人比赛；第7章介绍仿真足球机器人程序设计；第8章介绍仿真机器人程序设计。

本书适合高等师范院校计算机科学与技术（师范）、电子技术（师范）、教育科学专业学生的教学之用。

全书由吴东、卢利琼任主编，洪伟铭、张立敏、吴涛任副主编。感谢岭南师范学院的张子石、郭春才、曾绍庚等老师提供的宝贵建议，尤其要感谢杨俊杰教授，他中肯的意见和准确的修正对本书起到了至关重要的作用。

在编写过程中，我们参考并引用了大量机器人相关方面的资料，限于篇幅，不能在文中一一列举，在此对其作者致以衷心的感谢。

由于编者水平有限，书中内容难免存在不足和错误，恳请广大读者给予批评指正。

本书的出版受广东省计算机科学与技术专业综合改革试点项目（粤教高函〔2013〕113号）、广东省计算机实验教学示范中心项目（粤教高函〔2015〕133号）、广东高校优秀青年教师培养计划项目（YQ2014117）经费资助。

序
前言

第1章 机器人概述 1
1 机器人的由来 1
2 机器人的定义 1
3 机器人的发展史 2
4 机器人的应用现状 4
5 机器人的发展趋势 12
6 机器人与人类的关系 14
7 小结 15
8 思考题 15
第2章 机器人的总体架构 16
1 机器人的组成 16
2 轨迹机器人 17
3 PINO机器人 18
4 小结 19
5 思考题 20
第3章 机器人的控制器 21
1 控制器的定义 21
2 控制器的分类 21
3 常用控制器的简述 23
4 控制器的发展 29
5 小结 31
6 思考题 32
第4章 机器人的传感器 33
1 传感器的定义及组成 33
2 传感器的分类 34
3 机器人的常用传感器 36
4 传感器的基本特性 46
5 小结 47
6 思考题 47
第5章 机器人的动力装置 48
1 驱动方式的分类 48
2 直流电动机 49
3 步进电动机 52
4 伺服电动机 55
5 电动驱动器 56
6 动力传递简介 57
7 齿轮传动 57
8 带传动 59
9 链传动 60
10 连杆传动 61
11 小结 63
12 思考题 64
第6章 机器人比赛概况 65
1 机器人比赛的现状 65
1.1 RoboCup 66
1.2 FIRA Cup 67
1.3 WER 67
1.4 中国机器人大赛暨RoboCup公开赛 68
1.5 中国青少年机器人竞赛 68
1.6 全国中小学电脑制作活动 69
1.7 广东省省级机器人比赛 69
1.8 广东省各市、地区机器人比赛 70
2 机器人比赛的常见项目 70
2.1 机器人灭火比赛 70
2.2 机器人足球比赛 72
2.3 FLL机器人工程挑战赛 74
2.4 VEX机器人工程挑战赛 75
2.5 2D仿真足球比赛 76
3 机器人比赛的特点 77
4 机器人比赛的发展趋势 78
5 小结 79
6 思考题 80
第7章 仿真足球机器人程序设计 81
1 概述 81
2 AI-RCJ仿真足球机器人平台简介 81
3 AI-RCJ仿真足球机器人编程基础 85
4 AI-RCJ仿真足球机器人基本动作设计 90
4.1 仿真足球机器人的移动和转动 90
4.2 比赛相关信息的获取 92
4.3 仿真足球机器人基本动作 99
5 AI-RCJ仿真足球机器人团队构建 113
5.1 队友信息的获取与应用 114
5.2 仿真足球机器人团队成员设计 116
6 AI-RCJ仿真足球机器人的事件驱动编程 121
7 AI-RCJ仿真足球机器人的数据输出 122
8 小结 124
9 思考题 124
第8章 仿真机器人程序设计 125
1 概述 125
2 VJC仿真平台介绍 125
3 VJC仿真机器人的架构 127
4 VJC仿真机器人的基本动作 129
4.1 运动 129
4.2 信息显示 132
4.3 亮度检测 133
4.4 声音检测 134
4.5 碰撞检测 136
4.6 红外测障 138
4.7 地面检测 140
4.8 转角检测 141
4.9 扩展电机 143
5 VJC仿真机器人的复杂行为 144
5.1 沿线走 144
5.2 跳格子 148
5.3 越障跑 151
5.4 趋光运动 155
5.5 房间中的趋光运动 157
5.6 房间浏览 159
6 小结 163
7 思考题 163
附录 164
参考文献 169

1. 基于双元制的机电一体化技术专业、工业机器人技术专业标准开发 [主编 黄崇富 朱永丽 胡银全]
2. 工业机器人技术应用（ABB） [主编 卢玉锋 胡月霞]