競賽機(jī)器人設(shè)計與實(shí)踐

內(nèi)容概要

　　《競賽機(jī)器人設(shè)計與實(shí)踐》重點(diǎn)介紹競賽機(jī)器人的設(shè)計過程，重點(diǎn)說明了競賽機(jī)器人的機(jī)械部分、電子電路部分、程序設(shè)計部分的設(shè)計思想及方法。全書以三種具體的競賽機(jī)器人為例，分別詳細(xì)說明了競賽機(jī)器人比賽的特點(diǎn)及要求，機(jī)械部分的設(shè)計過程，電子電路部分的電機(jī)、傳感器、CPU、電源的選擇及電路板的設(shè)計過程，程序設(shè)計過程；同時在每章當(dāng)中穿插了一些機(jī)械、電子、程序方面的基礎(chǔ)知識。
　　《競賽機(jī)器人設(shè)計與實(shí)踐》涉及的理論知識并不高深，沒有枯燥的數(shù)學(xué)公式，特別介紹了在設(shè)計制作機(jī)器人過程中會遇到的各種實(shí)際問題，是作者的實(shí)踐經(jīng)驗總結(jié)，實(shí)用性較強(qiáng)。
　　《競賽機(jī)器人設(shè)計與實(shí)踐》可作為T科院校師生補(bǔ)充機(jī)械電子學(xué)、人工智能、計算機(jī)控制、機(jī)械制造等領(lǐng)域知識的參考書，還可作為廣大機(jī)電技術(shù)愛好者的參考資料，對欲參加機(jī)器人大賽、電子設(shè)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(jī)器人比賽的發(fā)展
　1.2 機(jī)器人比賽的特點(diǎn)
　1.3 機(jī)器人比賽的分類
　1.4 機(jī)器人比賽的場地及環(huán)境
　1.5 機(jī)器人比賽的要求
　1.6 評分標(biāo)準(zhǔn)
　1.7 競賽機(jī)器人的構(gòu)成
第2章 競賽機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計
　2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件Pro／ENGINEER
　2.2 機(jī)械零件設(shè)計的一般準(zhǔn)則及步驟
　2.3 傳動方式及通用零部件
　2.4 工具準(zhǔn)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(jī)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(jī)器人移動方式的選擇
　2.7 電機(jī)選擇
　　2.7.1 轉(zhuǎn)動慣量的物理定義
　　2.7.2 轉(zhuǎn)動慣量與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系
　　2.7.3 負(fù)載慣量的計算
　2.7 機(jī)構(gòu)經(jīng)加速或減速后負(fù)載慣量的計算
　　2.7.5 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算
　　2.7.6 伺服電機(jī)的選用
　　2.7.7 步進(jìn)電機(jī)的選用
　　2.7.8 單位換算
　　2.7.9 電機(jī)選用實(shí)例
第3章 驅(qū)動與控制
　3.1 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，
　3.2 PwM功率放大電路
　　3.2.1 直流電機(jī)的驅(qū)動
　　3.2.2 PwM功率放大原理
　　3.2.3 標(biāo)準(zhǔn)的PwM功率放大器
　　3.2.4 集成PWM功率放大器
　3.3 直流電機(jī)的伺服控制
　　3.3.1 伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)
　　3.3.2 全數(shù)字伺服系統(tǒng)
　　3.3.3 伺服系統(tǒng)的數(shù)字PID算法
　　3.3.4 使用集成電機(jī)控制器構(gòu)成的電機(jī)伺服系統(tǒng)
　　3.3.5 多軸電機(jī)運(yùn)動控制器簡介
　3.4 步進(jìn)電機(jī)控制
　　3.4.1 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動
　　3.4.2 步進(jìn)電機(jī)的單極性驅(qū)動
　　3.4.3 步進(jìn)電機(jī)的雙極性驅(qū)動
　　3.4.4 步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分驅(qū)動
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第4章 無線遙控收發(fā)裝置
第5章 電源
第6章 機(jī)器人的感覺
第7章 材料分選機(jī)器人設(shè)計案例
第8章 搬運(yùn)競賽機(jī)器人設(shè)計案例
第9章 “飛思卡爾”杯全國大學(xué)生智能汽車競賽

章節(jié)摘錄

第1章 緒論1.1 機(jī)器人比賽的發(fā)展機(jī)器人是人工智能領(lǐng)域與機(jī)器人領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究學(xué)科，是一個極富挑戰(zhàn)性的高技術(shù)密集型項目。它涉及的主要研究領(lǐng)域有：機(jī)器人學(xué)、機(jī)電一體化、單片機(jī)、圖像處理與圖像識別、知識工程與專家系統(tǒng)、多智能體協(xié)調(diào)及無線通信等。機(jī)器人不但在科學(xué)研究方面具有深遠(yuǎn)的意義，而且是一個很好的教學(xué)平臺。通過機(jī)器人，學(xué)生可以將理論與實(shí)踐緊密地結(jié)合起來，提高動手能力、創(chuàng)造能力、協(xié)作能力和綜合能力。目前國家所提倡的素質(zhì)教育中，能力培養(yǎng)是核心。機(jī)器人提供了一個對學(xué)生的能力進(jìn)行培養(yǎng)的大舞臺。為了推動機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，每年在全世界范圍內(nèi)都會舉行一系列的機(jī)器人競賽。最早的機(jī)器人比賽是機(jī)器人足球競賽，這個想法是1995年由韓國科學(xué)技術(shù)院（KAIST）的金鐘煥（Jong-HwanKim）教授為了發(fā)展多智能體技術(shù)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(jī)器人足球比賽（即FIRAMiroSot’96）。目前，國際上最具影響力的機(jī)器人足球賽是FIRA和RoboCup兩大世界杯機(jī)器人足球賽，這兩大比賽都有嚴(yán)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(jī)器人足球聯(lián)合會的縮寫，該組織于1997年第二屆微型機(jī)器人錦標(biāo)賽（MiroSot’97）期間在韓國成立。FIRA每年舉辦一次機(jī)器人足球世界杯賽（FIRARobot-SoccerWorldCup），簡稱FIRARWC，至今已經(jīng)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(wǎng)址為http：//www.fira.net/。比賽項目主要包括：半自主型機(jī)器人足球（MicroSot）、全自主型機(jī)器人足球（Robot-Sot）、仿真機(jī)器人足球（SimuroSot）、超小型半自主機(jī)器人足球（NaroSot）、超小型全自主機(jī)器人足球（KheperaSot）、類人機(jī)器人足球（HuroSot）。RoboCup機(jī)器人足球比賽種類包括：11對11仿真組比賽、5對5小型機(jī)器人組比賽、小型機(jī)器人組標(biāo)準(zhǔn)比賽（每隊11人）、中型機(jī)器人組比賽、Sony四腿機(jī)器人比賽。RoboCup（RobotWorldCup）是一個國際性組織，1997年成立于日本。RoboCup以機(jī)器人足球作為中心研究課題，通過舉辦機(jī)器人足球比賽來促進(jìn)人工智能、機(jī)器人技術(shù)及相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。RoboCup的最終目標(biāo)是在2050年成立一支完全自主的擬人機(jī)器人足球隊，能夠與人類進(jìn)行一場真正意義上的足球賽。網(wǎng)址為http：//www.robocup.org/。比賽項目主要有：計算機(jī)仿真比賽（SimulationLeague）、小型足球機(jī)器人賽（Small-SizeLeague）、中型自主足球機(jī)器人賽（Middle-SizeLeague）、四腿機(jī)器人足球賽（Four-LeggedRobotLeague）、擬人機(jī)器人足球賽（HumanoidLeague）等項目。除了機(jī)器人足球比賽，RoboCup還舉辦機(jī)器人搶險賽（RoboCupRescue）和機(jī)器人初級賽（RoboCupJunior）。機(jī)器人搶險賽是研究如何將機(jī)器人運(yùn)用到實(shí)際搶險救援當(dāng)中，并希望能夠通過舉辦比賽在不同程度上推動人類實(shí)際搶險救援工作的發(fā)展。比賽項目包括計算機(jī)模擬比賽和機(jī)器人競賽兩大系列。近幾年還增加了水中機(jī)器人巡游比賽、武術(shù)擂臺比賽、機(jī)器人游中國比賽、家庭服務(wù)機(jī)器人比賽、雙足機(jī)器人競步比賽、舞蹈機(jī)器人比賽、醫(yī)療與服務(wù)機(jī)器人比賽、助老機(jī)器人比賽等。同時，為了激發(fā)青少年的學(xué)習(xí)興趣，在1999年12月成立了一個專門組織中小學(xué)生參加的分支賽事――RoboCupJunior。無論是機(jī)器人足球比賽系列，還是機(jī)器人搶險賽，都主要圍繞一個主題進(jìn)行。在國際上，除了這些機(jī)器人單項競賽之外，還有把各項機(jī)器人競賽組合在一起的比賽系列，即機(jī)器人綜合比賽。這些比賽主要包括國際機(jī)器人奧林匹克競賽和FLL世錦賽。1.國際機(jī)器人奧林匹克競賽國際機(jī)器人奧林匹克委員會（IROC）是一個非營利性的國際機(jī)器人組織，成立于1998年，總部設(shè)在韓國。IROC從1999年開始組織首屆“國際機(jī)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(jī)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(jī)器人世界的不懈探索。迄今為止，已經(jīng)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(wǎng)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(xué)組（12歲以下）（JuniorLeague）、挑戰(zhàn)組（13～8歲）（ChallengeLeague）、成人組（19歲以上）（RobotLeagueCategories）、機(jī)器人軌跡賽（RobotLineTracing）、機(jī)器人爬樓梯（只向上）［StairClimbingRobot（Uponly）］、機(jī)器人生存挑戰(zhàn)賽（RobotSurvivalGame）、有腿機(jī)器人障礙賽（LeggedRobotObstacleRace）、機(jī)器人爬樓梯（StairClimbingRobot）、機(jī)器人足球（FIRARobotSoccer）、視覺機(jī)器人救援賽（Vision-RobotRescueOperation）、機(jī)器人籃球（RobotBasketball）、機(jī)器人拳擊（RobotBoxing）、機(jī)器人馬拉松（RobotMarathon）、機(jī)器人平衡賽（RobotBalancingBeam）、機(jī)器人跳舞（RobotDancing）、機(jī)器人舉重（RobotWeightLifting）、微型機(jī)器人足球5對5（RobotSoccer，MicroSot5vs.5）、擬人機(jī)器人足球（RobotSoccer，HuroSot）。2.FLL世錦賽FLL（FirstLegoLeague）是另一項綜合的機(jī)器人競賽。FLL是一個為全世界9～16歲的孩子提供機(jī)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(xì)化的具體比賽項目，參賽隊要在任務(wù)公布后的兩個月時間內(nèi)設(shè)計出能夠完成任務(wù)的機(jī)器人，參加區(qū)域選拔賽，優(yōu)勝者可以進(jìn)入全球決賽。FLL每年的挑戰(zhàn)主題都不同，有的是根據(jù)實(shí)際問題提出的，有的是引導(dǎo)孩子們進(jìn)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(xué)生可以用不同的方法達(dá)到同一項目標(biāo)，從而鼓勵學(xué)生充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力，培養(yǎng)學(xué)生的開發(fā)性思維?？梢姍C(jī)器人競賽已經(jīng)成為一個能激發(fā)孩子們的學(xué)習(xí)興趣、引導(dǎo)他們積極探索未知領(lǐng)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(jī)機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計與動手做比賽等。FLL的網(wǎng)址為http：//www.firstlegoleague.org.cn/。國內(nèi)比較著名的機(jī)器人比賽是亞太大學(xué)生機(jī)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(jīng)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(dǎo)，每年舉辦一次，以選拔國內(nèi)冠軍隊參加亞太地區(qū)桂冠的爭奪。網(wǎng)址為http：//space.tv.cctv.com。隨著高職類學(xué)生綜合能力的不斷提升，這幾年國內(nèi)連續(xù)舉辦了幾次高職類的機(jī)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(jī)器人大賽”和2011年“全國職業(yè)院校技能大賽――機(jī)器人技術(shù)應(yīng)用賽”，賽事難度與亞太機(jī)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(xué)參加，賽事網(wǎng)址為http：//www.smartcar.au.tsinghua.edu.cn/。本書以材料分選機(jī)器人、搬運(yùn)競賽機(jī)器人和競速類的飛思卡爾智能車大賽中的機(jī)器人為例詳細(xì)介紹競賽機(jī)器人的設(shè)計過程。1.2 機(jī)器人比賽的特點(diǎn)具體地說，機(jī)器人比賽具有以下特點(diǎn)。（1）比賽規(guī)模不斷擴(kuò)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(jīng)有25個國家的207支代表隊參賽。國內(nèi)高職機(jī)器人大賽2008年時只有30支隊伍參加，到2011年時已擴(kuò)大到80多支隊伍。無論是參賽的人數(shù)，還是參賽的國家，都充分顯示了機(jī)器人競賽的勃勃生機(jī)以及在全世界范圍內(nèi)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(jī)器人足球賽一項比賽，發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)擴(kuò)展到六個比賽系列。項目設(shè)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(jī)會，又可以從多角度推動各個相關(guān)學(xué)科技術(shù)的發(fā)展。（3）比賽的影響力不斷增強(qiáng)。在機(jī)器人競賽的同期，各個組委會都會舉辦各種機(jī)器人展覽、相關(guān)論壇，各種論壇旨在為參賽選手及專家提供一個交流經(jīng)驗、互相學(xué)習(xí)的平臺，并對機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展以及機(jī)器人在娛樂、教育、服務(wù)等各領(lǐng)域的應(yīng)用起到推動作用。因此，每屆比賽都會吸引各國科學(xué)家、科研人員、學(xué)生和企業(yè)界人士的共同參與，機(jī)器人競賽的影響力也相應(yīng)得到提高。（4）推動技術(shù)進(jìn)步。機(jī)器人競賽對機(jī)器人技術(shù)及其相關(guān)學(xué)科領(lǐng)域的發(fā)展起到了明顯的推動作用，這在機(jī)器人足球系列比賽上表現(xiàn)得更加明顯。比如，機(jī)器人足球比賽對機(jī)器人的視覺功能要求非常高，機(jī)器人裝備的顯卡性能越好，機(jī)器人的識別速度就越快，運(yùn)動速度也就越快，這樣才能取得比賽的勝利，這極大地促進(jìn)了視覺技術(shù)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(jī)器人的運(yùn)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(dá)到了60幀/s，機(jī)器人的運(yùn)動速度也相應(yīng)提升到2m/s，技術(shù)指標(biāo)翻了幾倍。機(jī)器人競賽實(shí)際上是高技術(shù)的對抗賽，側(cè)面反映了一個國家信息與自動化領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和高技術(shù)發(fā)展的水平。機(jī)器人競賽使研究人員能夠利用各種技術(shù)，獲得更好的解決方案，反過來又促進(jìn)各個領(lǐng)域的發(fā)展，這也正是開展機(jī)器人競賽的深遠(yuǎn)意義，同時也是機(jī)器人競賽的魅力所在。（5）促進(jìn)學(xué)校教育。機(jī)器人足球系列比賽以推動技術(shù)進(jìn)步為主要著眼點(diǎn)，而其他綜合性的比賽則更加側(cè)重于教育意義。以FLL為例，F(xiàn)LL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(zhǔn)備工作，具體包括分析競賽題目、設(shè)計解決方案、用樂高的配件搭建智能機(jī)器人模型、編寫程序、反復(fù)調(diào)試程序、優(yōu)化程序和機(jī)器人結(jié)構(gòu)，使機(jī)器人能夠完成挑戰(zhàn)賽的任務(wù)。在這8個星期的時間里，學(xué)生要想完成任務(wù)，就必須在互聯(lián)網(wǎng)上搜集資料、向?qū)＜艺埥虇栴}、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(shí)際問題、解決困難、克服障礙的過程。因此，學(xué)生除了學(xué)到了機(jī)器人相關(guān)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(jī)器人競賽所要達(dá)到的目的之一。1.3 機(jī)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(jī)器人參加，包括短跑、點(diǎn)球、避障、搬運(yùn)、舉重、投球等。①短跑比賽的目標(biāo)是在一系列比賽中機(jī)器人盡可能快地完成從起點(diǎn)移動到終點(diǎn)。②點(diǎn)球比賽中，機(jī)器人必須接近球并將放在球門區(qū)內(nèi)將球踢進(jìn)球門，其他隊的機(jī)器人一般作為守門員。③避障項目類似于短跑比賽，機(jī)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(jī)器人必須繞過或爬過障礙物并到達(dá)終點(diǎn)。④負(fù)重跑項目考驗機(jī)器人的動態(tài)平衡能力。一般會在機(jī)器人身上固定一個小筐，機(jī)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(fù)重量，負(fù)重量最多的為獲勝者。⑤舉重項目考驗機(jī)器人舉起、平衡重物的能力。⑥投球項目是一個機(jī)器人進(jìn)行比賽，但在將來會有多個機(jī)器人進(jìn)行比賽。在比賽中，機(jī)器人將球投進(jìn)帶顏色的目標(biāo)里。⑦足球項目在比賽中是一個團(tuán)隊項目。每隊一般由兩到三名機(jī)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(jī)器人設(shè)計、創(chuàng)意、舞步編排、動作復(fù)雜度、舞蹈和音樂的協(xié)調(diào)等方面進(jìn)行綜合評分。2.按機(jī)器人的結(jié)構(gòu)形式分（1）人形機(jī)器人。人形機(jī)器人比賽項目是最近幾年隨著人形機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展才開展的，一般參賽的機(jī)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(jī)器人。多足式機(jī)器人如圖1.2所示。（3）輪車式機(jī)器人。輪車式機(jī)器人如圖1.3所示。

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