具体描述
The LEGO(r) MINDSTORMS(TM) robotics kits make it easy and fun to build working robots with LEGO bricks, motors, and a programmable controller. In his landmark book, Jin Sato introduces the basic principles of robotics engineering, including how to plan and build robots with tires, legs, and grasping hands. Readers learn how to build Sato's famous robotic dog MIBO as well as four other robots.
探索创意的无限可能：《LEGO® 机械设计与编程大师指南》 本书面向所有对机械结构设计、机器人技术以及图形化编程感兴趣的爱好者、教育工作者和学生。它不侧重于特定的产品系列或品牌，而是深入探讨构建复杂、功能性 LEGO 机械装置背后的核心工程原理与编程逻辑。 --- 第一部分：机械设计的基础与精进 本部分将带您穿越结构工程的殿堂，从最基础的搭建技巧，逐步深入到构建稳定、高效能机械系统的复杂考量。我们聚焦于如何利用现有的 LEGO 机械组件——如齿轮、梁、轴和连接件——来实现平稳、可靠的动作输出。 第一章：零件的潜力与限制 组件的力学特性分析： 深入解析不同类型零件的承重能力、摩擦系数和弹性范围。了解如何选择最适合特定负载和运动模式的梁和连接件。 结构稳定性： 探讨“三角化”在 LEGO 结构中的关键作用。如何设计出即使在承受侧向力时也能保持几何形状的底盘和框架。 冗余与效率： 识别结构设计中的薄弱环节和不必要的重量。实践如何用最少的零件实现最坚固的结构。 第二章：传动系统的艺术 传动系统是任何机械装置的心脏。本章将详细剖析如何精确控制速度、扭矩和方向的转换。 齿轮比的精确计算与应用： 学习等速、加速和减速传动的设计方法。重点案例分析：如何设计一个可以实现高扭矩输出的差速器结构。 无摩擦运动的追求： 解决轴承和枢轴点中的摩擦问题。探讨使用特定连接件和巧妙的间隙控制来优化运动的流畅性。 复杂机制的实现： 介绍凸轮、棘轮和万向节等高级机械组件的工作原理及其在模拟真实世界运动中的应用，例如模拟活塞运动或周期性抓取动作。 第三章：动态系统与运动控制 如何让您的结构动起来，并且动得有意义？本章聚焦于如何将静态设计转化为动态系统。 悬挂与减震系统： 设计可吸收冲击的悬挂结构，适用于需要穿越不平坦表面的移动平台。对比螺旋弹簧、橡胶阻尼器和柔性梁在减震效果上的差异。 连杆机构的设计： 深入研究四连杆、曲柄滑块等机制，用于精确控制机械臂的轨迹和工作范围。强调“死点”的识别与规避。 模块化与可替换性： 建立标准化的接口，使得不同的动力模块和功能模块可以快速插拔，加速原型迭代过程。 --- 第二部分：编程逻辑与系统集成 本部分将指导读者掌握构建智能机械所需的编程思维。我们关注的是通用的编程概念，而非特定软件的点击步骤，使读者能够适应任何基于事件驱动或流程控制的编程环境。 第四章：构建坚实的软件架构 一个好的机器人程序始于清晰的架构。本章侧重于如何组织代码以实现复杂功能。 状态机（State Machines）的运用： 学习如何使用有限状态机来管理机器人行为的复杂流程，例如“搜索-导航-抓取-返回”的完整循环。 数据结构与变量管理： 如何有效地存储传感器数据、目标坐标和系统状态。强调变量的命名规范和作用域控制，以减少程序错误。 模块化编程实践： 将重复或特定功能的代码封装成可重用的函数或子程序。讨论如何编写“即插即用”的驱动程序，以分离硬件控制与上层逻辑。 第五章：传感器输入与反馈回路 机器人必须能够感知世界。本章详细讲解如何从各种输入中获取可靠数据并做出反应。 数字与模拟信号的解读： 理解何时使用精确的数字输入，何时需要处理连续变化的模拟数据。 运动反馈的实现： 探讨如何利用编码器（或其他旋转反馈机制）实现精确的里程计数和角度控制。引入 PID 控制器的基础概念，用于校准运动的精度和响应速度。 环境感知： 讨论如何利用距离传感器、颜色传感器和陀螺仪来构建对周边环境的认知，并将其转化为机器人的决策依据。 第六章：高级运动控制与路径规划 超越简单的“前进两秒”指令，本章着眼于实现平滑、智能的路径执行。 速度曲线与加速度管理： 学习如何避免机械冲击，通过平滑的速度过渡（斜坡函数）来延长机械寿命并提高操作精度。 坐标系与相对定位： 建立机器人自身的局部坐标系。如何通过简单的三角函数和向量运算，实现基于起始点或先前定位的相对运动。 人机交互设计： 如何设计直观的用户界面或指令输入方式，让非专业用户也能轻松操作复杂的机械系统。探讨程序中断、暂停和紧急停止机制的可靠实现。 --- 结语：从设计到实现的迭代循环 本书强调工程思维的核心——迭代。最后，我们将回顾如何将机械设计和软件编程相结合，形成一个高效的开发流程：快速构建原型、精确测试性能瓶颈、有针对性地优化代码和结构，直至实现您对机械系统的最终愿景。这不是终点，而是您探索更宏大、更复杂机械挑战的起点。
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