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| 編輯推薦： |
ROBO-ONE委员会编著的《双足步行机器人进化技术》是《双足步行机器人制作指南》的续篇，以参加ROBO—ONE双足步行机器人格斗竞技大赛的机器人为题材，全面介绍机器人硬件制作、机器人动作运动生成程序、无线通信操控及控制器等内容。
本书不仅介绍了串口型伺服电机和各种传感器的构造及其装机方法，同时介绍了对于机器人运动有着重要作用的传感器的控制方法。双足步行机器人的初学者可以通过学习本书掌握正确制作运动机器人的知识，而对于双足步行机器人的制作已有一定经验的读者，则可以通过阅读本书进一步提高制作水平。
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| 內容簡介： |
《双足步行机器人进化技术》以日本ROBO-ONE（双足步行机器人格斗竞技大赛）为背景，全面系统地介绍了双足步行机器人的相关技术，包括机器人硬件结构、机器人开发环境、机器人软件及其编程、无线通信、人机界面等内容。内容新颖，案例丰富，实用性强，寓教与学于乐。
《双足步行机器人进化技术》既可作为机器人初学者掌握机器人制作知识的入门书，也可作为机器人研究者钻研机器人制作新技术的参考书，适合从高中生到研究生的不同知识水平的读者。
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| 目錄：
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第1章 ROBO-ONE介绍
1.1 ROBO-ONE大赛的魅力
1.1.1 引言
1.1.2 ROBO-ONE简介
1.1.3 ROBO-ONE的诞生
1.1.4 正式迈向业余爱好机器人:KHR-1的诞生
1.1.5 ROBO-ONE更进一步的发展
1.1.6 ROBO-ONE大赛的历史[2]
1.1.7 追求新功能
1.1.8 参加者范围扩大
1.1.9 仿人机器人
1.1.10 宇宙应用
1.1.11 抛掷站立
1.1.12 仿真
1.1.13 基于模型的集成开发[6]
1.1.14 培养技术人员
1.1.15 结语
参考文献
1.2 ROBO-ONE竞赛规则及未来发展
1.2.1 引言
1.2.2 ROBO-ONE机器人的规格要求
1.2.3 预赛
1.2.4 机器人格斗竞技的技法
1.2.5 结语
参考文献
第2章 双足步行机器人部件的结构
2.1 电子元器件
2.1.1 引言
2.1.2 电阻器
2.1.3 电容器
2.1.4 线圈
2.1.5 二极管
2.1.6 LED
2.1.7 晶体管
2.1.8 光电晶体管
2.1.9 TTL集成电路与逻辑电路
2.1.10 运算放大器
2.1.11 三端子稳压器
2.1.12 RS485驱动器集成电路
2.1.13 扩音器
2.1.14 按钮开关
2.1.15 结语
2.2 传感器
2.2.1 引言
2.2.2 角度传感器
2.2.3 超声波传感器
2.2.4 光电传感器
2.2.5 PSD距离传感器
2.2.6 人体传感器
2.2.7 陀螺仪传感器
2.2.9 重力加速度传感器加速度传感器
2.2.10 FSR力传感器
2.2.11 压力传感器
2.2.12 结语
参考文献
2.3 伺服电机
2.3.1 引言
2.3.2 无线遥控用伺服电机
2.3.3 机器人用串口型伺服电机
2.3.4 串口通信
2.3.5 伺服电机的位置控制
2.3.6 Dynamixel伺服电机控制表
2.3.7 Dynamixel协议
2.3.8 近藤科学生产的串口型伺服电机
2.3.9 双叶电子工业生产的指令式伺服电机
2.3.10 伺服电机的特性
2.3.11 串口通信型伺服电机的电源线
2.3.12 结语
参考文献
2.4 借助LabVIEW活用传感器
2.4.1 引言
2.4.2 关于LabVIEW[1]
2.4.3 Dynamixel配置器
2.4.4 RS485通信微处理器基板
2.4.5 用重力加速度传感器求取角度
2.4.6 智能超声波传感器
2.4.7 超声波距离传感器
2.4.8 PSD距离传感器
2.4.9 力觉传感器
2.4.10 机器人用伺服电机角度精度的验证方法
2.4.11 机器人用伺服电机瞬态特性的测量方法
2.4.12 机器人用伺服电机转矩的测量方法
2.4.13 脚底传感器的调整方法
2.4.14 结语
参考文献
2.5 电池
2.5.1 二次电池
2.5.2 锂离子电池的工作原理
2.5.3 锂离子电池的构造
2.5.4 锂离子电池的特点
2.5.5 锂离子电池的处理
2.5.6 对锂离子电池的冲击
2.5.7 锂离子电池的外部短路
2.5.8 锂离子电池的充电
2.5.9 锂离子电池的放电
2.5.10 锂离子电池的保管
2.5.11 锂离子电池的特性
参考文献
第3章 机器人开发环境
3.1 概述
3.2 编程工具
3.2.1 GCC Developer Lite
3.2.2 LabVIEW
3.3 机器人用控制器
3.4 ROBO-ONE对硬件的要求
3.4.1 电机
3.4.2 控制器
3.5 以PC为主机的程序
3.5.1 使用带串口IF的PC启动电机之前
3.5.2 GCC Developer Lite和Dynamixel Windows库的准备
3.5.3 Dynamixel Windows库的雏形与编译方法
3.5.4 用DXLIB2驱动电机
3.5.5 通过LabVIEW使用DXLIB2
3.6 以机器人用控制器为主机的程序
3.6.1 使用Dynamixel库
3.6.2 使用FREEDOM III库
3.7 结语
第4章 双足步行机器人的开发软件
4.1 机器人编程基础
4.1.1 引言
4.1.2 双足步行机器人的设计
4.1.3 双足步行机器人系统
4.1.4 自律神经系统
4.1.5 FREEDOM jr.III的准备
4.1.6 驱动双足步行机器人的编程
4.1.7 结语
参考文献
4.2 机器人的控制程序
4.2.1 引言
4.2.2 陀螺仪传感器
4.2.3 脚底传感器的使用方法
4.2.4 倾斜传感器控制
4.2.5 轮廓控制
4.2.6 超出控制范围时的处理
4.2.7 结语
参考文献
4.3 利用MATLAB Simulink Embedded Coder进行编程
4.3.1 引言
4.3.2 双足步行机器人的逆运动学
4.3.3 双足步行模式的生成
4.3.4 生成C语言代码
4.3.5 结语
参考文献
第5章 无线通信
5.1 概述
5.2 Wi-Fi
5.3 WWAN
5.4 蓝牙
5.5 2.4GHz波段无线设备
5.6 结语
第6章 人机界面
6.1 机器人的控制方法
6.1.1 控制终端的种类与特点
6.1.2 机器人指令的内容
6.1.3 机器人控制的基础
6.1.4 对应ROBO-ONE竞技大赛的操作方法
6.2 主从控制
6.2.1 主从控制的特点
6.2.2 主从控制装置的制作
6.3 其他控制方法
6.3.1 PC控制GUI
参考文献
6.3.2 使用Wii控制器的控制
参考文献
6.3.3 使用iPhone的控制
第7章 双足步行机器人制作示例
7.1 钢铁战士的制作
7.1.1 引言
7.1.2 第一步:学习市面上出售的工具包
7.1.3 第二步:改造市面上出售的工具包
7.1.4 第三步:挑战独创的机器人
7.1.5 第四步:制作运动部分
7.1.6 结语
7.2 TokoToko号的制作示例
7.2.1 TokoToko号简介
7.2.2 机构设计概要
7.2.3 步行运动部分
7.2.4 结语
7.3 能抓握物品的手部结构DokaHarumi
7.3.1 双足步行机器人的手
7.3.2 手指的结构
7.3.3 能捕球的手
7.3.4 拿鸡蛋的手
7.3.5 开启瓶盖的手
7.3.6 结语
7.4 大型机器人的构造OmniZero
7.4.1 机器人的大型化
7.4.2 框架强度
7.4.3 安全性
7.4.4 制作示例OmniZero.7
7.4.5 制作示例OmniZero.9
7.5 “凯撒王”机器人制作示例
7.5.1 引言
7.5.2 “凯撒王”系列机器人
7.5.3 轻量级机器人
7.5.4 能在ROBO-ONE大赛取胜的机器人
7.5.5 结语
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| 內容試閱：
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第1章ROBO-ONE 介绍
1.1.1.引.言
ROBO-ONE[1] 机器人竞技大赛始于2002 年。当时，还没有人想到双足步行机器人能够进行格斗。但是现如今，双足步行机器人行进、快跑，都已经是司空见惯的事情。另外，日本各地几乎每月都会举办双足步行机器人业余竞技大赛，特别是低价位机器人的出现，加速了双足步行机器人的普及。
1.1.2.ROBO-ONE简介ROBO-ONE 是双足步行机器人格斗竞技大赛，目的是通过格斗竞赛来提高双足步行机器人的技术。图1.1 所示是ROBO-ONE 大赛会场的场景。ROBO-ONE 大赛也注重培养机器人技术的研发人员。当时，日本的研发人员常常被认为与其他国家的技术人员相比总是不愿表达自己的思想，所以需要提供机会让参赛者在预选赛的机器人展示环节介绍自己的技术思想。例如，预选赛通过设置类似“至少能跑起来”等意义模糊的课题，试图使得被条条框框制约的日本机器人技术开发模式向开放创新的技术开发模式转变。并不是所有能够跑起来的机器人都可以通过预选赛，而是要求必须进入前32 名，所以参赛者必须致力于提高机器人的跑动技能。决赛采用淘汰制，比赛内容是格斗竞赛。打个比方，在预选赛靠体操动作胜出的选手，在决赛阶段必须拿出职业摔跤的本事。目前，机器人活跃于各种场合，需要具备各种各样的功能。特别是，人们期待双足
步行机器人能够具有优于人类的某些能力。这样的能力正一点一点地得以实现，设计人员从中获得成就感，这种成就感又成为人们继续前进的动力。
1.1.3.ROBO-ONE的诞生ROBO-ONE 机器人竞技大赛来源于“让双足步行机器人进行格斗竞赛”的想法，机器人爱好者制作机器人，并通过互联网交流信息，这就催生了ROBO-ONE 大赛。图1.2 所示的双足步行机器人在最初举办FREEDOMROBO-ONE 大赛时，是作为参加者的学习教材出售的。
该机器人拥有24 个自由度，CPU 采用16 位微处理器。伺服电机采用无线电通信控制，最大转矩可达13.5kgf?cm 。采用PWM 信号，通过微处理器的IO 端口接入各个伺服
1.1 ROBO-ONE 大赛的魅力
电机，从而实现伺服控制。由于可以一边进行逆运动学计算，一边行走，所以可以实现一边进行三角函数计算，一边行走。
该机器人是日本首款售价40 万日元以下的低价位双足步行机器人。相关技术在《双足步行机器人制作指南》（原书2004 年5月出版）一书中有详细介绍。由此，ROBO-ONE 大赛借助技术信息的公开取得了较大发展。通过举办技术交流会议，使得优秀的参加者的机器人技术得以公开，并由ROBO-ONE 大赛委员会汇编成书[2,3] 。这些工作不仅使得机器人制作更为容易，同时也吸引了更多的参赛者。
1.1.4.正式迈向业余爱好机器人：KHR-1的诞生在ROBO-ONE 大赛上，大转矩的伺服系统被越来越多的设计人员采用。在无线电遥控汽车上不常用的大转矩伺服系统很快销售一空。当存货不多时，无线电遥控器生产厂商的负责人亲自进行调查。后来，他参加了ROBO-ONE 大赛委员会主办的“技术大会”，并听取了机器人制作者的意见，推出了图1.3 所示的业务爱好型机器人KHR-1 。KHR-1 的后代机型KHR-2HV 在2006 年的“年度机器人”有奖竞赛中获得了“中小企业特别奖”。
在KHR-1 之后，众多的无线电遥控器生产厂商加入了面向ROBO-ONE 大赛的业余爱好机器人的开发行列。
1.1.5.ROBO-ONE更进一步的发展
伺服电机的进化对于双足步行机器人而言非常重要。无线电遥控汽车中的伺服电机和机器人用的伺服电机有明显区别。ROBO-ONE 大赛通过加大预赛规定表演的难度，来进一步完善机器人适用的伺服电机，特别是加大伺服电机的转矩。伺服电机转矩增大与发展大型机器人密切相关。早期伺服电机的最大转矩为13.5kgf?cm ，现在有的伺服电机转矩已超过100kgf?cm 。
图1.4 中的Dynamixel RX-64 是实现了RX-485 标准串口通信的大转矩型伺服电机。串行化使得伺服电机中温度、电流、转矩、电压、控制参数等信息的通信量大幅增加，实现了1Mbps 的高速通信。而且，动作智能化、监控应对等功能也使得该伺服电机越来越适用于机器人。
正是因为适用于机器人的伺服电机不断进化，机器人已经能够完成图1.5 所示的快跑、跳跃、跳绳等各种各样的动作。这种进步是ROBO-ONE 大赛、伺服电机生产厂商和大赛参与者共同努力的结果。图1.4.Dynamixel RX-64
第1章ROBO-ONE 介绍
图1.5.机器人动作的进化
本书还将介绍这些不断进化的无线设备的有效使用方法。
1.1.6.ROBO-ONE大赛的历史[2] 最初的ROBO-ONE 大赛，有30 台左右机器人参加，而其中只有少数机器人能够步行。参赛机器人的数量虽然逐年大幅增加（图1.6 ），但是近年来，从观战者角度考虑，
应该严格审查参加资格，将参加机器人限制在100 台以下。例如，增加了坡道步行等需要高级控制技术的审查条件，在某种程度上控制了参加人数。
图1.6.参赛者逐年增加
即便如此，勇于挑战高级技术的人仍不断增加，挑战者越来越多。
今后，不仅要坚持和发扬ROBO-ONE 大赛的魅力，同时还要完善相关比赛环境。
正是因为有广大参赛者的支持，ROBO-ONE 大赛才得以不断发展。特别是重视娱乐性的、能做出令人耳目一新动作的机器人技术，实现了很大进步。
另外，在满足机器人动作要求的伺服电机以及转矩提升方面，ROBO-ONE 大赛也做出了巨大贡献。今后考虑要向轻量化、实用化方向努力。
1.1 ROBO-ONE 大赛的魅力
对机器人倒下起身、机器人自己感知倒下而后起身、感觉要倒下时站稳立起、快跑、跳绳、不平地面步行等各种动作，这些挑战将一步一步加以实现。将来则要实现被扔出去也能像猫一样站稳的机器人。
1.1.7.追求新功能
机器人传感器技术、机器人控制技术的发展直接关系到机器人的进化。通信技术的进化过程如图1.7 所示。
图1.7.通信技术的进化
最终的设计目标是自律型机器人，在发展过程中按照有效使用机器人的观点，如何能够自由操纵机器人是技术发展的捷径。出于这种考虑，ROBO-ONE 大赛以控制型机器人为中心来促进机器人的研发。在某些细节上，正逐渐形成能够支持自律型机器人的控制技术，因为由人完成判断比让机器人自行判断，效率更高。而开发出高级的图像处理技术及人工智能技术则尚需时日。
目前，采用主从控制方式，也能很好地完成机器人的控制。如果提升机器人的自律程度，实现实用化也是可能的。在机器人控制方面，无线通信占据着重要地位。无线频率资源有限，应尽量采用更少的通信量控制或监控机器人。现在的状况是，主要通过发送位置数据和命令来控制机器人，利用机器人返回的信息来监控机器人。未来，机器人将实现协调动作，那么就需要有机器人之间的通信协议。因此我们也正在推进这方面的研究。
1.1.8.参加者范围扩大
ROBO-ONE 足球赛、商品化机器人的ROBO-ONE 大赛也正在策划之中，同时举办新手也能参加的大赛。另外，各地优胜者的选拔大会也在推进当中。
第1章ROBO-ONE 介绍
图1.8 所示为ROBO-ONE 机器人足球赛的场景，可以采用团队方式进行机器人设计。参加这样的大赛，可以使更多的机器人爱好者得到锻炼，他们将支撑起未来日本的机器人技术。
1.1.9.仿人机器人
ROBO-ONE 大赛委员会与川崎-神奈川机器人商业协会[3] 共同致力于推进仿人机器人项目。该活动旨在实现仿人机器人的商品化，最初目的是让机器人能够购物或做家务。
图1.9 中，仿人机器人正在倒茶，但实际上有人在进行远程控制。安全性等方面还有很多需要改进的地方，并不期望能够马上实现商品化。重要的是，通过实际应用来理解必要的技术，并采取相应对策。
图1.8.机器人足球赛图1.9.仿人机器人
1.1.10.宇宙应用
动画片《钢铁战士高达》（创通?SUNRISE 出品）描写了宇宙中机器人的战争，在不同年龄段都拥有众多的观众。我们也在考虑，一定要让机器人可以在宇宙进行战斗。图
1.10 是机器人宇宙大战想象图。
ROBO-ONE 大赛委员会正在计划举办ROBO-ONE 宇宙大赛。发射ROBO-ONE 卫星，开展4 台机器人参加的循环赛制的格斗战。卫星开发已有多种报告，技术方面的困难并不多。主要问题是如何保证卫星的可靠性，如何完成繁琐的无线使用权申请，以及如何保证发射安全等。
至于让机器人在宇宙进行格斗竞赛，事情就会变得很复杂。最主要的问题是，机器人被释放到宇宙空间完成格斗以后的回收环节。其他问题还包括机器人的释放方法、防护绳的控制方法、无法控制状态下机器人的回收方法等。
一旦这些技术得以实现，可以想象机器人将在清除太空垃圾方面大显身手。机器人的释放和回收过程与处理太空垃圾
图1.10.机器人宇宙大战的想象图相似。在宇宙空间，将机器人朝太空垃圾的方
1.1 ROBO-ONE 大赛的魅力
向释放，机器人捕捉太空垃圾，切断防护绳，此时要对机器人抱住太空垃圾的姿势进行控制。然后，将太空垃圾收入垃圾回收网中，使其减速进入地球大气层，自行焚毁。
1.1.11.抛掷站立
在宇宙空间，控制机器人姿势是最基本的要求。包括抛掷、站立等姿势要求，这些技术可以在地面通过实验加以确认。
第一步操作是，参加者将机器人抬至距地面50cm 处，然后将其抛掷到前方1m 远处。机器人不能跌倒，需以双足着地，并且步行两步以上。如此重复3次均能成功的话，就可以获得参加宇宙机器人竞赛的机会。参赛者手动抛掷会增加状态的不确定性。人在不同状态下，抛掷的角度和力量均会有所变化。因此，重复3次的意义就在于，可以考察在相关条件不稳定的状态下能否正确实现对机器人的控制。
截至目前（2010 年5月），还没有一台确定能够参加宇宙机器人竞赛的机器人。但是，已出现了3次实验中有1次或者2次的成功者。实现最终的目标只是时间问题。图1.11 所示是3次操作中有两次成功[4] 的情景。
图1.11.机器人被抛掷后双足着地然后步行的场景
由图1.11 可知，机器人着地动作干净漂亮，落地后起身完成步行。图1.12 所示为利用LabVIEW 分析的，抛掷机器人时加速度传感器的输出曲线。
掷出机器人的瞬间，产生加速度；机器人在空中飞行过程中，各方向的重力加速度几乎为零，的确实现了无重力空间抛掷，机器人双足着地时产生了较大加速度。
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