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第1章 绪论 1

1.1 新的教育理论 1

1.1.1 多元智能与多元能力 1

1.1.2 成功智力 2

1.1.3 激进建构主义 2

1.2 本课程的教育理论基石 2

1.3 创新人才的培养 3

1.3.1 21世纪教育的特点 3

1.3.2 创新能力的培养 4

1.4 本课程介绍与目的 6

第2章 创新理论 7

2.1 创新与社会进步 7

2.2 创新及其相关概念 9

2.2.1 创新的概念 9

2.2.2 发现 10

2.2.3 发明 10

2.2.4 革新 11

2.3 创新基本原理 11

2.3.1 综合创新原理 11

2.3.2 分离创新原理 13

2.3.3 移植创新原理 14

2.3.4 逆向创新原理 16

2.3.5 还原创新原理 17

2.3.6 价值优化原理 19

2.3.7 群体创新原理 20

2.3.8 完满创新原理 21

2.3.9 变性创新原理 22

2.3.10 物场分析原理 22

2.4 常用的创新方法 25

2.4.1 群体集智法 25

2.4.2 系统分析法 27

2.4.3 联想类比法 35

2.4.4 转向创新法 40

2.4.5 组合创新法 44

2.4.6 专利文献选读法 46

2.4.7 输入输出分析法 47

2.5 TRIZ理论 47

2.5.1 基本概念 47

2.5.2 物理冲突及其解决原理 49

2.5.3 技术冲突及其解决原理 50

2.5.4 利用冲突矩阵实现创新 52

第3章 机器人概述 54

3.1 机器人的起源 54

3.1.1 哲学起源 54

3.1.2 工程学起源 57

3.2 机器人的行为准则 58

3.3 机器人的定义 58

3.4 机器人的发展 59

3.4.1 国内机器人发展历程 61

3.4.2 国外机器人发展历程 61

3.4.3 机器人未来发展趋势 63

3.5 国内外高校机器人教育发展状况 64

3.5.1 国外高校机器人教育现状 64

3.5.2 国内高校机器人教育现状 67

3.5.3 机器人基础教育发展的趋势 69

3.6 机器人的分类 71

3.7 机器人的基本构成 73

3.7.1 机械本体 73

3.7.2 驱动装置 74

3.7.3 检测装置 74

3.7.4 控制系统 75

第4章 机器人的控制系统 76

4.1 机器人控制系统简述 76

4.1.1 机器人控制系统的基本组成 76

4.1.2 机器人控制系统的工作机理 77

4.1.3 机器人控制系统的主要作用 77

4.2 单片机控制技术 78

4.2.1 单片机的工作原理 78

4.2.2 单片机系统与计算机的区别 79

4.2.3 单片机的驱动外设 79

4.3 ARM控制技术 80

4.3.1 ARM简介 80

4.3.2 ARM的特点 80

4.3.3 ARM的驱动外设 80

4.3.4 ARM CortexTM-M3控制技术 81

4.4 AVR控制技术 94

4.4.1 AVR单片机 94

4.4.2 ATmega128单片机 95

4.4.3 ATmega128存储器 100

4.4.4 定时器／计数器（T/C） 101

4.5 Arduino控制技术 103

4.5.1 Arduino简介 103

4.5.2 Arduino单片机结构 103

4.5.3 CPU内核 107

4.5.4 存储器 112

4.5.5 系统时钟 116

4.5.6 电源管理及休眠模式 118

4.5.7 系统控制和复位 119

4.5.8 看门狗定时器 123

4.5.9 I/O端口 125

第5章 机器人的感知部分 128

5.1 机器人传感器 128

5.1.1 传感器简介 128

5.1.2 传感器的分类 128

5.1.3 传感器选用原则 130

5.1.4 机器人传感器 131

5.2 机器人常用测距传感器 135

5.2.1 超声波测距传感器 135

5.2.2 激光测距传感器 137

5.2.3 红外测距传感器 137

5.3 机器人常用其他传感器 138

5.3.1 碰撞传感器 138

5.3.2 光敏传感器 139

5.3.3 声音传感器 142

5.3.4 光电编码器 143

5.3.5 温度传感器 144

5.3.6 数字指南针——电子罗盘 145

5.3.7 火焰传感器 146

5.3.8 接近开关传感器 147

5.3.9 灰度传感器 148

5.3.10 姿态传感器 149

5.3.11 气体传感器 149

5.3.12 人体热释电红外线传感器 150

5.3.13 视觉传感器 151

5.4 机器人传感器的实践应用——卓越之星的传感器 156

5.4.1 碰撞传感器 156

5.4.2 声音传感器——麦克风 156

5.4.3 光强传感器 156

5.4.4 灰度传感器 157

5.4.5 霍尔传感器 157

5.4.6 倾角传感器 157

5.4.7 温度传感器 158

5.4.8 红外接近传感器 158

5.4.9 RF读卡器 158

5.4.10 寻线传感器 159

第6章 机器人的运动系统 160

6.1 机器人原动机的类型 160

6.1.1 液压驱动 160

6.1.2 气压驱动 165

6.1.3 直流电动机驱动 166

6.1.4 直流减速电动机驱动 185

6.1.5 无刷直流电动机驱动 187

6.1.6 步进电动机驱动 189

6.1.7 伺服电动机驱动 203

6.1.8 舵机驱动 206

6.2 机器人的传动机构 211

6.2.1 齿轮机构 215

6.2.2 轮系 217

6.2.3 平面连杆机构 223

6.2.4 凸轮机构 229

6.2.5 带传动 233

6.2.6 链传动 234

6.3 机器人的执行机构 236

6.3.1 机器人的行走机构 236

6.3.2 机器人的操作机构 239

第7章 编程——赋予机器人智慧 248

7.1 机器人编程语言 248

7.2 C语言编程基础 250

7.2.1 C语言简介 250

7.2.2 C语言基本语法 251

7.3 C语言基础编程实例 255

7.3.1 第一个机器人C语言程序：Hello Robot！ 255

7.3.2 控制机器人运动 256

7.3.3 让机器人获得感知周围环境的能力 257

7.4 C语言高级编程实例 260

7.4.1 第一个多进程程序 260

7.4.2 添加一个新进程 262

7.4.3 C进程同步的基本方法 264

7.5 Arduino软件编程 265

7.5.1 Arduino常用的函数 266

7.5.2 Auduino软件编程实例 272

7.5.3 智能车相关传感器的Auduino软件编程实例 295

7.5.4 智能车相关动力组件的Auduino软件编程实例 297

7.5.5 智能车Auduino软件综合编程实例 300

第8章 工业机器人技术基础 311

8.1 坐标系及其变换 311

8.1.1 机器人坐标系 311

8.1.2 机器人位姿表述 312

8.2 机器人运动学 314

8.3 机器人动力学 315

8.4 机器人控制 315

8.5 机器人路径规划 317

8.6 机器人系统及典型应用 317

8.6.1 机器人外围设备 317

8.6.2 焊接机器人 318

8.6.3 喷涂机器人 323

8.6.4 装配机器人 326

参考文献 327

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