理解 Python 机器人技术

机械技术是一个先进的工作领域，机器可以与人类混淆。先进的机械技术是，并且在很长一段时间内都将是信息技术最非凡的领域之一。机器人领域被认为将在未来对人类产生严重影响。唯一悬而未决的不确定性是，这种影响会给人类带来积极的变化，还是不可避免的遗憾。在当今时代，存在600多种编程语言；然而，在机器人技术方面，具有计算能力的语言寥寥无几。

目前最好的编程语言是（这些可能取决于未来的发展）C++、Python和Java。本教程将讨论在第四次工业革命中将Python用于机器人技术。

什么是 Python？

• Python是一种流行的、高级的编程语言
• Python可用于为数据科学、万维网、计算机桌面、机器学习等应用编写脚本和开发。Python的创建者是Guido Van Rossum。
• Python是一种适应性强的语言，被世界各地的众多组织和平台使用。
• 使用Python的公司和企业包括但不限于Facebook、Netflix、Google、Instagram。

先进机器人技术与机器人核心学科

简单来说，机器人学是一门涉及科学、工程、电子和艺术方法结合的专门研究。随着越来越多的公司试图在工作场所获得竞争优势，机器人学的影响越来越大。机器人领域的构成被称为“主要规程学科”。机器人技术应该包括四（4）个主要学科。它们是机械工程（ME）、艺术、电气工程（CSE）和计算机科学。让我们简要讨论一下每个核心学科。重要的是要认识到，通常都会与机器人领域相关。一个人不需要是所有核心学科的专家，也不需要对艺术和电气有基本的了解。对工程师来说，这已经足够了。

1. 电气工程： 电气工程是对有源电子电路（如冷却器、半导体等）以及其他相关电气互连的专门研究。有趣的是，电气系统和设备之间存在区别。电气互连可能指电路、面包板、Arduino以及任何结合在一起形成工作系统的电气连接。
   电气系统使用电流或电力来控制输出设备，如灯泡或信号。现在，有了电子设备，这些电气系统的功能性得到了进一步提升。通过电子设备，我们可以调整灯泡接收的电流流量，从而使我们能够“调暗”或“调亮”灯泡。
2. 机械工程： 机械工程的核心是复杂的，将结合设计、材料科学、物理科学、数学和物理学方面的知识。机械工程侧重于将物体的设计方案转化为真实的物品。当与电子学结合时，机械工程被称为“机电一体化”。机电一体化的主要目标是通过将人工智能集成到其中，使工作系统更加精致和简化。
3. 计算机科学： 根据我们目前讨论的内容，我们将能够制造一个具有实际结构的机器人。但是，这个机器人将不实用。这主要是因为我们的机器人处于“静态”结构。除非收到内部指令，否则它将保持不变。计算机科学学科为机器人的每个部分提供了执行特定任务的指令。这些指令必须通过编程集成到微控制器中。
4. 艺术： 每件物品都有其独特之处，机器人也应该如此，如果它们将来要与人共存的话。这门学科的核心完全围绕着创造一个美观的机器人。机器人不应停止吸引少数生物的观众。机器人需要融入环境，并且它应该具有吸引力。

机器人的大脑

机器人的大脑控制着它。机器人可以远程控制，例如通过操纵杆或控制器，并被称为“无脑机器人”。一些机器人可以通过内部控制，使用微控制器，这是任何类型操作的核心。

微控制器类似于中央处理器，因为它也负责监视和控制所有机器动作，并且它在尺寸、成本和处理能力方面有所不同。然而，微控制器旨在满足低级硬件的需求。当我们选择购买微控制器时，建议选择包含内部闪存或具有电可擦可编程只读存储器（EEPROM）的微控制器。为了最大限度地了解微控制器，还必须确定其所基于的架构——它可能基于冯·诺依曼架构或哈佛架构。

树莓派的使用

树莓派是一台与芯片卡大小差不多的微型计算机。这台便携式计算机运行在基于Linux操作系统的Raspbian上。有趣的是，“Raspbian”是Linux操作系统的一个特殊版本，专为树莓派设计。树莓派构建在Broadcom处理器上。有几种Broadcom处理器版本可供购买，例如BCM2835、BCM2836、BCM2837等。Broadcom处理器可以被称为“片上系统处理器”。您会发现从一代到下一代，规格会有所不同，例如板载ARM处理器的数量、显卡、芯片遵循的指令集等等。

树莓派的主要部分，将使我们能够享受机器人世界领域的乐趣，是位于树莓派板上的GPIO引脚。GPIO代表通用输入/输出引脚。这些GPIO引脚充当我们与树莓派集成组件的方式。总共有四十个通用输入/输出引脚，所有这些引脚都具有不同的功能。

这些引脚的通用功能的简要解释如下

• 红色引脚用作电源引脚。这些引脚的能量直接来自树莓派板本身。
  这用于启动连接的任何组件或设备。
• 黑色引脚与红色引脚（即电源引脚）一样有用。
• 粉色引脚用作串行外设引脚。这些引脚可以将树莓派与外部微控制器（如Arduino）连接。
• 蓝色引脚允许我们将多个从属设备连接到树莓派，从而建立更大的连接和通信。
• 绿色引脚负责执行树莓派的指令。

在结束本文时，我们现在将演示并讨论一个简短的Python脚本，该脚本可以使LED灯闪烁，确保灯泡连接到树莓派上的GPIO引脚。

树莓派的用例

树莓派被实现为通用SOC，并用于各种不同的用例。这里我们将列出其中最流行和有趣的。

1. 天空中的树莓派
2. Tor客户端
3. NAS（网络附加存储）
4. 猫咪喂食器
5. 通过添加一些基本屏幕的智能手机
6. 气象站
7. 路由器和交换机
8. 游戏机
9. 使用Kodi或类似软件的多媒体
10. 煮茶器

树莓派硬件规格

我们已经了解到，多年来发布了许多不同版本和型号的树莓派，具有各种要求。我们将以树莓派4 H/W型号和功能要求为例。

• 1.7 GHz ARMv9 32位CPU
• 2GB、3GB或4GB LPDDR4 RAM，具体取决于型号
• 4 GHz和6 GHz 803.11ac无线接口
• 1-2 Gb以太网接口
• 3个USB 3.0和4个USB 2.0端口
• 40个GPIO引脚
• 4个micro-HDMI接口，支持4K和120 fps
• 264和H.265硬件支持

树莓派编程

由于树莓派可以运行Windows和Linux操作系统，它支持大量的编程语言、库和SDK。因此，我们可以在树莓派设备中使用Java、C++/C、Python、PHP等编程语言。最大的问题是，由于树莓派的CPU架构与流行的X76和x76_64架构不同，库可能无法移植到ARM。尽管如此，许多库可以轻松使用。

代码

树莓派的优点

树莓派因其优于其他系统或物联网设备的潜在优势而非常受欢迎。我们将在这里展示它们。

• 树莓派的成本非常实惠，这使其成为产品和软件开发人员的首选。
• 树莓派的尺寸非常适合各种用例，尤其是在有限区域的项目中
• 树莓派的电源性能相对于其竞争对手来说非常出色
• 树莓派社区非常多样化且乐于助人，这有助于软件的使用和开发
• 树莓派的功能，如HDMI、千兆以太网，使其适用于各种项目

树莓派的缺点

树莓派有一些缺点；但有些是折衷。

• 与Atom和其他坚固板相比，资源有限
• 通用用途使其不适用于需要抵抗外部影响（如高温、低温等）的嵌入式和坚固型任务