競賽機器人設計與實踐

內容概要

　　《競賽機器人設計與實踐》重點介紹競賽機器人的設計過程，重點說明了競賽機器人的機械部分、電子電路部分、程序設計部分的設計思想及方法。全書以三種具體的競賽機器人為例，分別詳細說明了競賽機器人比賽的特點及要求，機械部分的設計過程，電子電路部分的電機、傳感器、CPU、電源的選擇及電路板的設計過程，程序設計過程；同時在每章當中穿插了一些機械、電子、程序方面的基礎知識。
　　《競賽機器人設計與實踐》涉及的理論知識并不高深，沒有枯燥的數學公式，特別介紹了在設計制作機器人過程中會遇到的各種實際問題，是作者的實踐經驗總結，實用性較強。
　　《競賽機器人設計與實踐》可作為T科院校師生補充機械電子學、人工智能、計算機控制、機械制造等領域知識的參考書，還可作為廣大機電技術愛好者的參考資料，對欲參加機器人大賽、電子設計大賽等比賽的讀者也有很高的參考價值。

書籍目錄

第1章 緒論
　1.1 機器人比賽的發(fā)展
　1.2 機器人比賽的特點
　1.3 機器人比賽的分類
　1.4 機器人比賽的場地及環(huán)境
　1.5 機器人比賽的要求
　1.6 評分標準
　1.7 競賽機器人的構成
第2章 競賽機器人的機械結構設計
　2.1 機械結構設計軟件Pro／ENGINEER
　2.2 機械零件設計的一般準則及步驟
　2.3 傳動方式及通用零部件
　2.4 工具準備
　　2.4.1 鋸切工具
　　2.4.2 打孔工具
　　2.4.3 夾持定位工具
　　2.4.4 劃線工具
　　2.4.5 螺絲刀
　　2.4.6 常用機床
　2.5 常用材料
　　2.5.1 鋁
　　2.5.2 輕木頭
　　2.5.3 碳纖維
　　2.5.4 HDPE
　2.6 競賽機器人移動方式的選擇
　2.7 電機選擇
　　2.7.1 轉動慣量的物理定義
　　2.7.2 轉動慣量與轉矩的關系
　　2.7.3 負載慣量的計算
　2.7 機構經加速或減速后負載慣量的計算
　　2.7.5 負載轉矩的計算
　　2.7.6 伺服電機的選用
　　2.7.7 步進電機的選用
　　2.7.8 單位換算
　　2.7.9 電機選用實例
第3章 驅動與控制
　3.1 直流電機的結構特點，
　3.2 PwM功率放大電路
　　3.2.1 直流電機的驅動
　　3.2.2 PwM功率放大原理
　　3.2.3 標準的PwM功率放大器
　　3.2.4 集成PWM功率放大器
　3.3 直流電機的伺服控制
　　3.3.1 伺服系統(tǒng)的一般結構
　　3.3.2 全數字伺服系統(tǒng)
　　3.3.3 伺服系統(tǒng)的數字PID算法
　　3.3.4 使用集成電機控制器構成的電機伺服系統(tǒng)
　　3.3.5 多軸電機運動控制器簡介
　3.4 步進電機控制
　　3.4.1 步進電機的驅動
　　3.4.2 步進電機的單極性驅動
　　3.4.3 步進電機的雙極性驅動
　　3.4.4 步進電機的細分驅動
　　……
第4章 無線遙控收發(fā)裝置
第5章 電源
第6章 機器人的感覺
第7章 材料分選機器人設計案例
第8章 搬運競賽機器人設計案例
第9章 “飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽

章節(jié)摘錄

第1章 緒論1.1 機器人比賽的發(fā)展機器人是人工智能領域與機器人領域的基礎研究學科，是一個極富挑戰(zhàn)性的高技術密集型項目。它涉及的主要研究領域有：機器人學、機電一體化、單片機、圖像處理與圖像識別、知識工程與專家系統(tǒng)、多智能體協調及無線通信等。機器人不但在科學研究方面具有深遠的意義，而且是一個很好的教學平臺。通過機器人，學生可以將理論與實踐緊密地結合起來，提高動手能力、創(chuàng)造能力、協作能力和綜合能力。目前國家所提倡的素質教育中，能力培養(yǎng)是核心。機器人提供了一個對學生的能力進行培養(yǎng)的大舞臺。為了推動機器人技術的發(fā)展，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，每年在全世界范圍內都會舉行一系列的機器人競賽。最早的機器人比賽是機器人足球競賽，這個想法是1995年由韓國科學技術院（KAIST）的金鐘煥（Jong-HwanKim）教授為了發(fā)展多智能體技術而提出的。1996年11月，他在韓國政府的支持下舉辦了首屆世界杯微型機器人足球比賽（即FIRAMiroSot’96）。目前，國際上最具影響力的機器人足球賽是FIRA和RoboCup兩大世界杯機器人足球賽，這兩大比賽都有嚴格的比賽規(guī)則，融趣味性、觀賞性、科普性為一體，為更多的青少年參與國際性的科技活動提供了良好的平臺。FIRA（FederationofInternationalRobot-SoccerAssociation）是國際機器人足球聯合會的縮寫，該組織于1997年第二屆微型機器人錦標賽（MiroSot’97）期間在韓國成立。FIRA每年舉辦一次機器人足球世界杯賽（FIRARobot-SoccerWorldCup），簡稱FIRARWC，至今已經分別在韓國、法國、巴西、澳大利亞、中國等國先后舉辦了15屆賽事。網址為http：//www.fira.net/。比賽項目主要包括：半自主型機器人足球（MicroSot）、全自主型機器人足球（Robot-Sot）、仿真機器人足球（SimuroSot）、超小型半自主機器人足球（NaroSot）、超小型全自主機器人足球（KheperaSot）、類人機器人足球（HuroSot）。RoboCup機器人足球比賽種類包括：11對11仿真組比賽、5對5小型機器人組比賽、小型機器人組標準比賽（每隊11人）、中型機器人組比賽、Sony四腿機器人比賽。RoboCup（RobotWorldCup）是一個國際性組織，1997年成立于日本。RoboCup以機器人足球作為中心研究課題，通過舉辦機器人足球比賽來促進人工智能、機器人技術及相關學科的發(fā)展。RoboCup的最終目標是在2050年成立一支完全自主的擬人機器人足球隊，能夠與人類進行一場真正意義上的足球賽。網址為http：//www.robocup.org/。比賽項目主要有：計算機仿真比賽（SimulationLeague）、小型足球機器人賽（Small-SizeLeague）、中型自主足球機器人賽（Middle-SizeLeague）、四腿機器人足球賽（Four-LeggedRobotLeague）、擬人機器人足球賽（HumanoidLeague）等項目。除了機器人足球比賽，RoboCup還舉辦機器人搶險賽（RoboCupRescue）和機器人初級賽（RoboCupJunior）。機器人搶險賽是研究如何將機器人運用到實際搶險救援當中，并希望能夠通過舉辦比賽在不同程度上推動人類實際搶險救援工作的發(fā)展。比賽項目包括計算機模擬比賽和機器人競賽兩大系列。近幾年還增加了水中機器人巡游比賽、武術擂臺比賽、機器人游中國比賽、家庭服務機器人比賽、雙足機器人競步比賽、舞蹈機器人比賽、醫(yī)療與服務機器人比賽、助老機器人比賽等。同時，為了激發(fā)青少年的學習興趣，在1999年12月成立了一個專門組織中小學生參加的分支賽事――RoboCupJunior。無論是機器人足球比賽系列，還是機器人搶險賽，都主要圍繞一個主題進行。在國際上，除了這些機器人單項競賽之外，還有把各項機器人競賽組合在一起的比賽系列，即機器人綜合比賽。這些比賽主要包括國際機器人奧林匹克競賽和FLL世錦賽。1.國際機器人奧林匹克競賽國際機器人奧林匹克委員會（IROC）是一個非營利性的國際機器人組織，成立于1998年，總部設在韓國。IROC從1999年開始組織首屆“國際機器人奧林匹克競賽”，這是一項將科技與教育目的融為一體的亞太地區(qū)的競賽，目的是為了使青少年有更多機會參加國際科技交流活動、展示自己的才華和能力，激發(fā)他們對科技和機器人世界的不懈探索。迄今為止，已經連續(xù)在韓國及中國香港、北京等地舉辦了六屆比賽。賽事網址為http：//www.wroboto.cn/，比賽分為常規(guī)賽與創(chuàng)意賽，常規(guī)賽（RegularCategories）的比賽項目如下：小學組（12歲以下）（JuniorLeague）、挑戰(zhàn)組（13～8歲）（ChallengeLeague）、成人組（19歲以上）（RobotLeagueCategories）、機器人軌跡賽（RobotLineTracing）、機器人爬樓梯（只向上）［StairClimbingRobot（Uponly）］、機器人生存挑戰(zhàn)賽（RobotSurvivalGame）、有腿機器人障礙賽（LeggedRobotObstacleRace）、機器人爬樓梯（StairClimbingRobot）、機器人足球（FIRARobotSoccer）、視覺機器人救援賽（Vision-RobotRescueOperation）、機器人籃球（RobotBasketball）、機器人拳擊（RobotBoxing）、機器人馬拉松（RobotMarathon）、機器人平衡賽（RobotBalancingBeam）、機器人跳舞（RobotDancing）、機器人舉重（RobotWeightLifting）、微型機器人足球5對5（RobotSoccer，MicroSot5vs.5）、擬人機器人足球（RobotSoccer，HuroSot）。2.FLL世錦賽FLL（FirstLegoLeague）是另一項綜合的機器人競賽。FLL是一個為全世界9～16歲的孩子提供機器人競賽的國際性組織。每年秋天，大賽組委會將統(tǒng)一在全球公布本年度的FLL挑戰(zhàn)賽主題，以及按照主題細化的具體比賽項目，參賽隊要在任務公布后的兩個月時間內設計出能夠完成任務的機器人，參加區(qū)域選拔賽，優(yōu)勝者可以進入全球決賽。FLL每年的挑戰(zhàn)主題都不同，有的是根據實際問題提出的，有的是引導孩子們進行科幻想象的。這些主題不僅有趣，而且提供開放性的問題解決方案，學生可以用不同的方法達到同一項目標，從而鼓勵學生充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力，培養(yǎng)學生的開發(fā)性思維?？梢姍C器人競賽已經成為一個能激發(fā)孩子們的學習興趣、引導他們積極探索未知領域的良好平臺。FLL的比賽項目還包括常規(guī)賽、足球賽、計算機機器人創(chuàng)意設計與動手做比賽等。FLL的網址為http：//www.firstlegoleague.org.cn/。國內比較著名的機器人比賽是亞太大學生機器人大賽選拔賽，它是中央電視臺少兒頻道的品牌賽事，已經成功舉辦了多次，這項賽事于2002年由亞洲太平洋地區(qū)廣播電視（ABU）倡導，每年舉辦一次，以選拔國內冠軍隊參加亞太地區(qū)桂冠的爭奪。網址為http：//space.tv.cctv.com。隨著高職類學生綜合能力的不斷提升，這幾年國內連續(xù)舉辦了幾次高職類的機器人比賽，比較著名的分別是2008年7月在天津舉行的“全國職業(yè)院校技能機器人大賽”和2011年“全國職業(yè)院校技能大賽――機器人技術應用賽”，賽事難度與亞太機器人大賽不相上下。此外，還有飛思卡爾智能車大賽，吸引了眾多的大學參加，賽事網址為http：//www.smartcar.au.tsinghua.edu.cn/。本書以材料分選機器人、搬運競賽機器人和競速類的飛思卡爾智能車大賽中的機器人為例詳細介紹競賽機器人的設計過程。1.2 機器人比賽的特點具體地說，機器人比賽具有以下特點。（1）比賽規(guī)模不斷擴大。FIRA1996年舉辦第一屆賽事時，只有來自10個國家的23個參賽隊參加，發(fā)展到2002年第七屆時，已經有25個國家的207支代表隊參賽。國內高職機器人大賽2008年時只有30支隊伍參加，到2011年時已擴大到80多支隊伍。無論是參賽的人數，還是參賽的國家，都充分顯示了機器人競賽的勃勃生機以及在全世界范圍內的普及程度。（2）比賽項目不斷完善。1996年第一屆FIRA只有微型機器人足球賽一項比賽，發(fā)展到現在，已經擴展到六個比賽系列。項目設置由少到多的變化既可以給更多層次的參賽選手提供比賽機會，又可以從多角度推動各個相關學科技術的發(fā)展。（3）比賽的影響力不斷增強。在機器人競賽的同期，各個組委會都會舉辦各種機器人展覽、相關論壇，各種論壇旨在為參賽選手及專家提供一個交流經驗、互相學習的平臺，并對機器人及其相關技術的發(fā)展以及機器人在娛樂、教育、服務等各領域的應用起到推動作用。因此，每屆比賽都會吸引各國科學家、科研人員、學生和企業(yè)界人士的共同參與，機器人競賽的影響力也相應得到提高。（4）推動技術進步。機器人競賽對機器人技術及其相關學科領域的發(fā)展起到了明顯的推動作用，這在機器人足球系列比賽上表現得更加明顯。比如，機器人足球比賽對機器人的視覺功能要求非常高，機器人裝備的顯卡性能越好，機器人的識別速度就越快，運動速度也就越快，這樣才能取得比賽的勝利，這極大地促進了視覺技術的發(fā)展。在1996年FIRA第一屆比賽的時候，大部分參賽隊所用顯卡的工作頻率是10幀/s，機器人的運動速度也僅在50cm/s；僅僅兩年之后的FIRA第三屆世界杯時，顯卡的頻率就達到了60幀/s，機器人的運動速度也相應提升到2m/s，技術指標翻了幾倍。機器人競賽實際上是高技術的對抗賽，側面反映了一個國家信息與自動化領域基礎研究和高技術發(fā)展的水平。機器人競賽使研究人員能夠利用各種技術，獲得更好的解決方案，反過來又促進各個領域的發(fā)展，這也正是開展機器人競賽的深遠意義，同時也是機器人競賽的魅力所在。（5）促進學校教育。機器人足球系列比賽以推動技術進步為主要著眼點，而其他綜合性的比賽則更加側重于教育意義。以FLL為例，FLL的每個參賽隊在每年的工程挑戰(zhàn)賽主體公布之后，大約有8個星期的時間來做準備工作，具體包括分析競賽題目、設計解決方案、用樂高的配件搭建智能機器人模型、編寫程序、反復調試程序、優(yōu)化程序和機器人結構，使機器人能夠完成挑戰(zhàn)賽的任務。在這8個星期的時間里，學生要想完成任務，就必須在互聯網上搜集資料、向專家請教問題、到圖書館查閱資料以及與其他伙伴交流和探討問題等，這同時也是一個面對實際問題、解決困難、克服障礙的過程。因此，學生除了學到了機器人相關知識之外，還能夠在自尊心、溝通能力、動手能力等方面得到一定的提高，而這也正是FLL以及其他機器人競賽所要達到的目的之一。1.3 機器人比賽的分類1.按比賽類型來分（1）競技類。這類項目一般由人形機器人參加，包括短跑、點球、避障、搬運、舉重、投球等。①短跑比賽的目標是在一系列比賽中機器人盡可能快地完成從起點移動到終點。②點球比賽中，機器人必須接近球并將放在球門區(qū)內將球踢進球門，其他隊的機器人一般作為守門員。③避障項目類似于短跑比賽，機器人必須盡快地從場地一端移到另一端。但是在該項比賽中，一些障礙物擺放在場地上，機器人必須繞過或爬過障礙物并到達終點。④負重跑項目考驗機器人的動態(tài)平衡能力。一般會在機器人身上固定一個小筐，機器人不斷地從一塊不平坦地面上來回移動，每通過一次在小筐里增加一些重量，直到不能通過該地面為止，計算負重量，負重量最多的為獲勝者。⑤舉重項目考驗機器人舉起、平衡重物的能力。⑥投球項目是一個機器人進行比賽，但在將來會有多個機器人進行比賽。在比賽中，機器人將球投進帶顏色的目標里。⑦足球項目在比賽中是一個團隊項目。每隊一般由兩到三名機器人隊員組成。（2）表演類。這類比賽一般有彈琴、千手觀音、街舞等項目，評委將從機器人設計、創(chuàng)意、舞步編排、動作復雜度、舞蹈和音樂的協調等方面進行綜合評分。2.按機器人的結構形式分（1）人形機器人。人形機器人比賽項目是最近幾年隨著人形機器人技術的發(fā)展才開展的，一般參賽的機器人要求外形與人類相似，有時是全類人型，有時是雙足型，如圖1.1所示。（2）多足式機器人。多足式機器人如圖1.2所示。（3）輪車式機器人。輪車式機器人如圖1.3所示。

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《競賽機器人設計與實踐》是由科學出版社出版的。

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