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1、第1章 绪论1.1机器人概述机器人技术现在已经成为当代十分活跃和被广泛应用的技术之一，是一种综合性高技术，它涉及到多种相关技术及学科，如机构学、控制工程、计算机、人工智能、微电子学、传感技术、材料科学以及仿生学等科学技术，是各学科先进技术的高度集成。机器人的研究水平已成为衡量一个国家科技发展水平的重要标志之一。机器人是机电一体化产品，即是一个完整的机械电子系统。它的六大要素，即计算机、动力、传感器、驱动系统、执行器、机械本体，可以比拟为人的大脑、内脏、五官、肌筋腱、四肢、身驱，是人的整体在自然领域的复现和延伸。计算机是机器人的指挥系统它与人的大脑作用相似。计算机将来自各传感器的检测信息集中、储
2、存并进行处理，然后按照一定的程序和节奏发出各种指令，指挥和控制整个系统的运行。动力是机器人的能源，它与人的内脏作用相似。它为驱动系统提供能量和动力功能，并驱使执行器运行。传感器是机器人感知外界的器官，其功能是将系统运行中所需的各种参数及状态检测出来，变成一种可以测定的物理量，传到计算机，信息处理后根据需要做出反应。驱动系统是在计算机的指挥下，支驱动各执行器，完成各种动作和功能。执行器是机器人完成抓取物件和扩大行走范围的环节，它和人的四肢作用类似。机械本体是指机器人的机械结构和支撑装置，类似人的身躯1。上个世纪五十年代中期，人类历史上诞生了第一个机器人。从此，机器人技术开始迅速发展，并逐渐走进各
3、个领域。到了上个世纪80年代，计算机技术的发展推动了机器人技术的发展，并达到了新的水平。国民经济的各个领域中都采用了机器人。上到宇宙飞船，下至海洋开发都采用了机器人作业。在核电站、汽车工业、电子工业乃至教育行业中都引进了机器人。机器人技术已成为高科技应用领域中的重要组成部分。随着移动机器人运动性能的进一步提高，其应用领域将更加广泛，从而为人类迅速扩大的生产生活空间提供移动载体方面的基础技术保障，特别是在未来的航天技术领域中，人类将在可以到达的外天体上开展各种各样的科学探测和考察活动，甚至进行太空生产活动和移民，而能够长期生存和灵活扩展的复合式多功能移动机器人系统正是人类在空间环境中的重要工具之
4、一。大多数时间内，人们的研究眼光多集中在机器人的工业控制领域，以至于形成了今天的传统工业机器人领域：笛卡尔坐标（三个直线轴）机器人，如IBM公司的RS-1型机器人和Olivetti公司的Sigma机器人；柱坐标（两个直线轴和一个旋转轴）机器人，如Prab公司的Versatran 600型机器人；球坐标（一个直线轴两个旋转轴）机器人，如Unimation公司的Unitian 2000B型机器人；旋转或关节坐标（三个旋转轴）机器人，如Cincinnati Milacron公司的T3型机器人和Unition公司的PUMA型机器人等。21世纪，机器人可能会成为与我们朝夕相处的伙伴，各国都在加大力度，进
5、行机器人共性技术的研究，并朝着智能化和多样化方向发展。机器人未来应用前景广阔。机器人的推广，方兴未艾，其涉及范围，几乎无所不及。工业机器人，在柔性系统和无人工厂的应用引人注目，扮演着重要角色2。太空机器人和水下机器人的崛起战功显赫，是太空探测和海洋揭秘的开路先锋。自动诊断及人机器人对话通讯的开发初露锋芒，是机器人智能化的重要标志。家庭、办公室、护理机器人的发展已初见端倪，机器人将迈步进入家庭、办公室和医院，为人类文明增添异彩。1.2机器人竞赛机器人竞赛是近年来国际上迅速开展起来的机器人技术对抗活动，它涉及人工智能、机构学、通讯、传感、精密机械和仿生材料等诸多领域的前沿研究和技术融合，集高新技术
6、、娱乐和比赛于一体，所以引起了社会的广泛关注和极大的兴趣。未来世界上高科技领域的竞争不公是技术上和整体国力的竞争，更重要的是人才的竞争。因此，从现在开始就应该注意培养后备力量。为加大普及力度，培养青年一代具有热爱科学的良好素质，举办机器人竞赛是非常必要的。现代科学技术的发展，各类边缘学科和综合学科的兴起，要求学生必须拥有较为广博丰厚的知识基础，才能融会贯通、有所发现、有所创新，机器人技术是未来高科技的方向之一，机器人竞赛是教育和高科技的结合。机器人竞赛是以娱乐为载体的前沿高科技研究和高技术对抗，它广泛涉及机构学、人工智能、计算机视觉、自动控制、精密仪器、传感和信息等一系列学科的创新研究和综合集
7、成，能够集中反映出一个国家在信息和自动化方向的水准和实力。机器人大赛，不仅仅因为机器人技术综合了多种科学知识，学生对机器人技术有着浓厚的兴趣，而且学生可以自己编写程序、搭建、调试机器人，灵活地综合运用多学科知识，结合日常观察、积累、去寻求自己独特而完美的解决方案，创造出自己心中的机器人，摆脱了机械地接受知识，从而到达启迪青少年创新意识的目的。因此，机器人大赛对推动大学生课外科技活动与培养大学生科技创新能力、实践能力和合作能力，具有不可替代的作用。1.3课题研究背景随着智能技术突飞猛进的发展、教育理念的不断更新，作为综合了信息技术、电子工程、机械工程、控制理论、传感技术以及人工智能等前沿科技的机
8、器人技术也在为教育改革贡献自己的力量。为了推动机器人技术的发展，培养学生创新能力，在全世界范围内相继出现了一系列的机器人竞赛。机器人竞赛是一种高技术对抗活动，它涉及人工智能、自动控制、机械电子、通信、传感及机构等多个领域的前沿研究和技术融合，集高技术、娱乐和比赛于一体，引起了公众的广泛关注和极大兴趣。目前，国际上推出了各种不同类型的机器人大赛，如机器人足球、机器人灭火、机器人相扑、机器人舞蹈、机器人走迷宫和机器人赛跑、ABU ROBOCON等。机器人大赛，不仅为青少年提供了良好的寓教于乐的载体，也极大地促进了实用智能机器人的研发。我校从02年起开始参加ABU ROBOCON全国大学生机器人电视
9、大赛。亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛（简称ABU-ROBOCON，以下同）是由亚广联节目部发起的致力于培养各国青少年对于开发、研制高科技的兴趣与爱好，提高各参与国的科技水平，为机器人工业的发展发掘培养后备人才的一项重要赛事。 各个亚洲广播电视联盟成员都有权参加该项比赛，但参赛对象只限于各国的大学或工科院校的在读本科学生。该大赛每年举办一次，自2002年第一届ABU-ROBOCON在日本举办以来已经成功举办了七届，在“非典”横行的2003年也没有中断。每年的ABU-ROBOCON决赛由亚洲广播电视联盟的成员国轮流承办，2009年第八届ABU-ROBOCON将在日本东京举行。该项赛事作为亚广联
10、的重要项目，将每年一届持续举办下去，并继续扩大其规模和影响，最终发展成为吸纳欧、亚、北美著名高校和大学生参加的重大国际赛事。除了每年的承办国之外，其它国家或地区每年只能有一只参赛队代表国家出征ABU-ROBOCON。中国中央电视台为了选拔能够代表中国参赛的代表队，自2002年开始举办中央电视台机器人电视大赛（简称CCTV-ROBOCON，以下同），并且由每年的国内赛冠军代表中国参加ABU-ROBOCON的比赛，至今已成功举办七届。第一届比赛的主题是“抢攀珠穆朗玛峰”(“Reach for the Top of Mt.Everest”)。北京交通大学进入16强，并获最佳策略提名。第二届全国大学生
11、机器人电视大赛的主题是“太空征服者”(“Takraw Space Conqueror”) ，采用的规则和亚广联第二届大学生机器人比赛的规则一致。本次报名参加的大学有39所，参加本次筹备会的有34所，国内最有影响的大学如：清华大学、北京交通大学、上海交通大学、西安交通大学、浙江大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等都参加了比赛。我校制作了4台机器人参加，比赛中先后战胜华南理工大学、上海交通大学、浙江大学、中国科技大学，获得第三名。第三届全国机器人电视大赛的主题是“鹊桥相会”（Reunion of Separated Lovers,Gyeonwoo and Jiknyeo）。我校取得了优秀奖。第
12、四届全国机器人电视大赛的主题是“登长城，点圣火”（ Climb on the Great Wall ，Light the holy fire）。报名参加此次大赛的学校有近40多个队。我校在小组赛中遭遇了电子科技大学、华南理工大学和兰州交通大学，最终取得十六强的成绩。第五届全国机器人电视大赛的主题是“建造双子塔”，我校在击败第四届冠军西南科技大学后遇到未冕冠军北京科技大学惨遭淘汰，只进入32强。第六届全国机器人电视大赛的主题是“华夏之光”，因准备不充分导致没能进入小组赛。这也是历年来北京交通大学最差的成绩。第七届全国机器人电视大赛的主题是“竞技牛郎”，经过精心准备，我们闯入16强，但在遭遇传统强
13、队西南科技大学时由于平分称重量比对方重而被淘汰，止步16强。本届（第八届）全国机器人电视大赛的主题是“一起敲响胜利之鼓”，目前机器人已经进入演练阶段，我们机器人小组全体成员在全力以赴地备赛争创新的辉煌。1.4大赛的主题、规则及要求本次比赛主题源于日本，核心是抬轿子，传统的日本轿子。人们经常坐着轿子去远点的地方。轿子是挂在一个木撑上的，这里我们叫它抬杆，像照片上的样子。两个人来抬，一个在前面一个在后面。 古代的旅行并不是平坦的一帆风顺的。需要跋涉崇山峻岭，陡峭的山坡和蜿蜒的小路。抬轿子的轿夫们必须要通力合作来减少摆动和保证路上的安全。具体规则见附录三第2章 参赛策略及机器人组成、功能分析出发区2
14、.1参赛策略森林山坡鼓区图2-1场地图图2-1为比赛的场地图。通过对场地地形图和规则的分析，我们认为过山任务和绕森林任务是比赛的重点和难点。在完成这两个任务时所消耗的时间将直接决定队伍的成绩。为此，我们为自动轿夫机器人和手动轿夫机器人设计了两种路线，分别如图2-2，图2-3。前一种对控制要求较低，比较容易实现并保证稳定，但路线太长，耗时太多。后一种几乎规划了规则允许范围内的最短路径，可以节省很多时间，但难以稳定。经过激烈讨论，我们决定采用采用后一种较快的策略，希望可以通过机械方面的设计制作以及控制方面的反复调试来解决稳定性的问题3，以争取在比赛中取得好成绩。图2-2轿夫机器人路线图对于旅客机器
15、人下轿后的路线也有两种方案。图2-3旅客机器人路线图第一种是绕弧线过去从正面敲鼓，这套方案有几个好处。它的路径很短，节省时间，在比赛中这就意味着你比对手更有希望获得胜利4。这条路径还能抢占有利位置，给对方机器人的敲鼓造成障碍。对方机器人在这种情况下只能选择爬楼梯击鼓或者侧面击鼓，这样浪费的时间要比我们多得多。然而，这套战术也有着缺点：一旦我方下轿时间比对方慢的话，很可能这个位置已经被对方抢占，这样我方没有办法击鼓。如果我方抢占到了这个 位置，很容易受到对方T机器人的干扰导致我方机器人无法正常完成比赛。第二种方案是爬台阶敲鼓。相比于第一种方案而言，第二种方案的最大的好处就是不用担心对方的干扰，因
16、为规则规定对方的T机器人不允许进入我方的台阶区域。另外，由于完成了爬楼梯，T机器人敲鼓的高度也降低了500mm。然而这种方式的缺点也有很多。这种方案的路径太长，长度达到了前一种方案的两倍，浪费时间。此外，这种方案需要攀爬台阶。两级台阶的高度都是250mm，台阶面积为500mmx500mm。而由于轿子面积的限制，我们T机器人的地盘最大面积才能有500mmx500mm。而以这样的地盘面积去攀爬250mm的台阶难度很大5。2.2机器人组成及功能分析经过漫长而细致的规则分析及策略讨论，最终我们决定制作三台机器人：手动轿夫机器人、自动轿夫机器人和旅客机器人。下面我将对三台机器人的功能定位及组成作详细的分析：手动轿夫机器人：本次比赛手动轿夫机器人需要有灵活的走行功能，以确保轿子不会掉落。它还需要有一个快速的抬轿功能，用最短的时间完成上下轿等相关任务。此外，他还应该有跟
