機器人技術論文精品(七篇)

序論：寫作是一種深度的自我表達。它要求我們深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隱藏在內心深處的真相，好投稿為您帶來了七篇機器人技術論文范文，愿它們成為您寫作過程中的靈感催化劑，助力您的創作。

篇(1)

焊接機器人的優點在于:焊接參數穩定，大幅提高了焊接產品的質量;使操作工人遠離焊接弧光、煙霧和焊渣飛濺的侵害，極大地改善了工作條件;可以24h連續工作，大幅提高了勞動生產率。我國的工業機器人自上世紀一七五科技攻關開始起步，經過30多年的發展，在機器人的設計、制造、控制系統、傳感器技術和智能應用方面都取得了長足的發展，弧焊機器人已廣泛應用在汽車及裝備制造等領域的焊裝線上?？茖W技術的不斷發展，使工業生產系統不斷向大型復雜開放的方向發展，反過來又對焊接機器人等工業技術提出了更高的要求，虛擬仿真技術、人工智能控制和多智能體協同工作系統等高新技術正成為焊接機器人技術研究的熱點，不斷推進焊接機器人向著更先進的數字化、信息化、智能化方向發展。

1虛擬仿真高新技術

虛擬仿真技術是在信息處理技術和網絡技術發展的基礎上，將先進的仿真技術手段與網絡技術相結合，對事件的現實性從時間和空間上進行分解后重新組合的技術。這一技術包括了三維計算機圖形學技術、人機交互技術、多功能傳感技術、人工智能、高清晰度的顯示技術以及網絡并行處理等技術的最新發展成果，是一種由計算機技術輔助生成的高技術模擬系統。在機器人研發設計階段，由于機器人的機械手是多自由度的空間連桿機構，如果采用傳統的力學和運動學理論來進行計算分析，那么難度非常大。如果利用計算機虛擬仿真技術，將機械手的幾何參數及各組成零件的結構和力學特征與機器人學理論結合，運用三維設計軟件將其模擬出來，再對其進行模擬運動和受力分析，就可以得到直觀且可靠的結果。在機器人試驗過程中，由真實設備和計算機仿真系統綜合組成虛擬現實環境，讓機器人在仿真環境中模擬正常工作狀態，這樣不僅加快了機器人系統的實際應用能力檢測的進度，也縮短了其在工作環境中的安裝和調整周期，更避免了許多在常規計算中難以測算的動態障礙、十涉等問題。

2多智能體協調控制高新技術

多智能體協調控制系統是指多個智能體通過系統控制互相協調、配合，協同工作，能夠共同完成一項工作任務的組合系統，是近年來剛剛興起的一項開放J陛智能新技術。多智能體協調控制系統是在單體智能機器人的基礎上，為了適應復雜工作而將多個機器人的工作組合協調，相互關聯。在搭建該控制系統時，重點考慮多個智能體的協調運作，即每個智能體按控制要求，在規定時間和空間內完成既定任務，且與相關聯的智能體在時間和動作上協調一致，相互間有信息交互，具備一定的調節反饋能力。多智能控制體系利用一個控制系統，組成一個龐大的復雜的體系，完成復雜的工作目標，解決了一個全局性問題。其特點在于，將本應非常復雜的硬件和軟件控制系統，分解成了相對簡單的、獨立的、相互間有信息反饋、彼此協調的多個單智能體單元。整個系統實現了資源共享、信息互通、互相協調、互相控制，通過易于管理、可靈活調整的多個單體，完成各種復雜的工作任務。

3智能傳感器高新技術

近年來，隨著微電子技術的不斷發展，傳感器技術也得到了長足進步，在傳統傳感器的基礎上，發展起了多種新型智能傳感器。在焊接機器人領域應用的有電弧傳感器、超聲波觸覺傳感器、靜電電容式距離傳感器、基于光纖陀螺慣性測量的三維運動傳感器，以及包括光譜、光纖、紅外等在內的光傳感器等。智能傳感器技術對機器人技術向高精方向發展起到了重要的推動作用。電弧傳感器的工作原理是直接從焊接電弧本身獲取焊縫偏差信息，不需要任何附加裝置，具有成本低、實時性強等優點。采用了視覺傳感器的機器人，通過視覺控制不需要預先對工業機器人的運動軌跡進行示教或離線編程，可節約大量的編程時間，提高生產效率和加工質量。同時，為了使智能機器人系統獲取更加全面、準確的環境信息，以滿足其綜合決策的需要，一種以多傳感器聯合為基礎的信息采集處理系統，即多傳感器智能信息融合技術也應運而生，與傳統只能測量一種信息的智能傳感器相比，其性能大為提高。

4結語

篇(2)

【關鍵詞】機器人教學;能力培養;教學內容;教學方法

【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】B 【論文編號】1009―8097(2010)03―0144―03

引言

20世紀是人類科學技術迅速發展的輝煌100年,綜合諸多前沿學科和技術的機器人的誕生和機器人學(Robotics)的建立是上世紀科學技術所取得的重大成就的代表之一。從1962年美國萬能自動化(Unimation)公司的第一臺機器人的投入使用到現在,短短40多年的時間,機器人已從無到有,現在已擁有“百萬大軍”,在世界各個領域和人民生活的諸多方面忠誠地為人類服務,做出了不可磨滅的貢獻。隨著機器人技術的蓬勃發展,目前全國的許多高校甚至中小學都開設了機器人教學的相關課程,而且學生的人數在逐年增多。以北京航空航天大學(簡稱北航)為例,現在每年選修機器人課程的學生都在上百人左右。機器人是一門多學科高度交叉的前沿學科,包括機械學、生物學、人類學、計算機科學與工程、控制論與控制工程學、電子工程學、人工智能、社會學等,無論在基礎理論方面還是在實踐應用方面其發展速度都十分驚人。為了進一步更新教學理念,優化教學策略,保持與國內外機器人教學同步提高,筆者對國內外十幾所著名高校的機器人教學情況,就教學大綱、成績考核等方面進行了調查研究與分析,在此基礎上對筆者從事的機器人教學課程進行了改革和探索,提出了一些建議和改革措施,并在近三年北航的《機器人學》教學過程中進行了實踐,取得了不錯的教學效果。

一 國內外機器人教學的調研

美國是機器人技術的發源地,開展機器人教學的高校比較多,而且教學水平和教學質量在國際上都是首屈一指的。調研的美國高校包括MIT[1]、Stanford[2]、CMU[3]、UC-Berkeley[4]、CIT[5]五所高校,國內高校包括清華大學[6]、上海交通大學[7]、哈爾濱工業大學[8,9]、吉林大學[10]、天津大學[11]、北航六所高校。調研的方式主要是收集各高校網站相關教學信息,包括教學大綱、成績考核等,通過分析比較,總結經驗。

就所調研的國內外高校而言,國內外高校機器人教學特點可概括如下(參見表1和表2):

1 美國高校的機器人啟蒙課程或機器人導論等開設在本科,使本科學生對機器人有個普遍的了解,以“講解+實驗+討論”的形式,利于形象化理解;研究生階段開設《高級機器人學》等更深層次的課程,進行分方向研究。開設的專業較廣,涉及機械工程、電子工程、航空航天、計算機科學等專業,而國內高校本科開設機器人課程的相對較少。

2 國內的機器人課程主要開設在碩士第一學期,部分學校在本科階段開設《機器人概論》課程,現有將《機器人學》從碩士提到本科的傾向。開設方式多樣,如必修、專業選修、全校選修等。國內高校選擇教材較集中,選用蔡自興《機器人學》、熊有倫《機器人學》的居多,部分高校的課外參考書為國外原版教材。

3 美國高校的機器人實驗與課堂講解的學時比例基本上在1:1.5左右,而國內高校的實驗學時數相對較少(實驗與講解的比例最高為1: 3.2),半數以上高校的實驗課時數為零。例如,MIT的課堂教學學時數與北航的差不多,但實驗的學時數已經達到了22學時,而北航的實驗學時數為零。

4 就考核方式而言,美國高校的機器人課程都有期中考核,國內高?；旧蠜]有期中考核。此外,美國高校的機器人課程作業考核占的比重比較大,比如CMU的作業考核占到了總成績的60%。

二 北航機器人教學現狀

以北航機器人所為全校研究生開設的《機器人學》這門課程為例,我們的機器人教學還有較多不合理之處:

1 教學內容陳舊。課程的教學大綱是九十年代制定的,十幾年了沒有什么變化,遠遠落后于機器人技術的發展。而教師在授課時基本按照教學大綱來執行,對教學內容的更新不多。課程設置的大多還是一些傳統基礎內容,而從學生的反饋來看他們對該學科的前沿進展和最新成果更加感興趣,因此需要從興趣方面引導學生積極地自主學習,在該學科上不但具有扎實的基礎同時具有寬廣的知識面。

2 教學環節上也存在諸多不合理之處,過多偏重于教師的講授,學生獨立思考、實踐的課程根本沒有。而實踐環節是檢驗學生創新思維能力的最佳方法, 是鍛煉學生對信息的采集、分析、處理和應用等必不可少的重要環節。

為了全面提高機器人教學的質量和學生的培養質量,使學生能真正學到系統深入的機器人知識并具有較強的實際運用能力,為他們在后續的工程實踐和研究過程中創造出創新性的研究成果奠定基礎,有必要針對上述問題進行《機器人學》課程教學的改革,制定合理的課程內容和教學方案。

三 改革措施與實踐效果

針對《機器人學》這門課程存在的問題,基于“能力培養”的主導思想,對該課程進行了改革和探索。

1 教學內容方面的改革

教學內容方面的改革主要包括兩方面:

(1)在教學內容上增加了入門介紹的內容。針對我校的大部分研究生在本科階段未上過機器人相關課程的情況,借鑒國外本科機器人教學的內容和方式,把緒論部分的學時從原來的1學時增加到了2學時,并采用視頻、圖片、動畫、參觀等直觀形象的方式為學生較系統地介紹機器人的發展歷史、分類、用途、研究方向等,讓學生在2學時的時間內對機器人這個學科有一個基本的認識,避免了過去緒論時間短,學生還未弄明白學習對象的情況下就開始專業知識的學習。此外,在緒論里面每年都增加新的機器人的研究進展,學生們既了解了歷史又開闊了眼界。在過去三年的實踐中,上述教學改革得到了學生的好評。

(2)在教學內容上注重了“深度”與“廣度”的結合。在以前的機器人教學內容中偏重于知識的深度而忽略了知識的廣度,例如偏重于機器人運動學和動力學,機器人控制和運動規劃都不講,這存在一個弊端,即如果有的學生在后期的研究中要進行機器人控制方面的工作,相關的知識是沒有學過的,還要重新自學。因此在教學內容上我們降低了機器人運動學和動力學的講解深度,增加了機器人控制和機器人規劃方面的內容,力求通過該課程的學習讓學生們既比較深入地掌握了機器人運動學和動力學的基礎知識,同時對于其他相關的理論也有一個基本基礎和認識。

2 教學方法方面的改革

(1)在教學方式上增加了課堂討論的環節。以前的機器人教學,主要采用老師講、學生聽的方式,學生與老師之間沒有交互的機會,課堂氣氛比較沉悶,學生比較容易游離于教學環節之外。為了調動學生學習的積極性,讓他們參與到機器人的學習過程中,我們在每章的教學內容中都設置了討論的問題,讓學生自己來表述解題的方法、對問題的看法,并讓他們之間進行互相的辯論,老師是作為一個仲裁者的身份進行討論的組織和總結。在該方式最初試行的時候,由于中國學生天生的內向性格,參入的學生比較少,但在后續的討論中,越來越多的學生敢于發表自己的觀點,并積極地參與辯論。在辯論中學生們都感覺收獲很大,對于一些深奧或難理解的問題理解地比較清楚明了了。

(2)在教學方式上增加了現場講解環節。為了讓學生們能夠更好地理解和掌握機器人運動學的知識,我們把部分課堂環節改在實驗室進行,以真實的機器人為例,講解機器人的關節、坐標系、D-H建模、正運動學和逆運動學的知識,如圖1所示。這種教學方式避免了以往學生學習運動學的知識只是面對機器人簡圖、缺乏真實案例的弊端,讓學生們的學習做到了理論與實際的結合。

(3)在教學方式上增加了專題作業論文的環節。專題作業論文是為了能夠擴展學生的知識面,同時把課堂學習的機器人知識與自己未來的研究方向結合起來,選題的內容由學生跟自己的導師商量,格式按照標準的期刊論文的格式來寫,必須把一個與學習內容相關的專題內容論述清楚。比如,往屆學生有寫輪式移動機器人機構的、機器人視覺的、機器人優化控制的,如圖2所示。這種專題作業論文既讓學生練習了專業論文的寫作格式,同時又結合某個專題擴展了學生們的知識面。

(4)在教學方式上增加了實驗環節。受我校機器人實驗的條件限制,我們一直未能正式地開展機器人的實驗課程,但是機器人實驗對于鍛煉學生的實際操作能力是很重要的。在08年秋季,通過整合部分機器人資源,為學生開設了機器人實驗。實驗內容是編程控制機器人按自設定的軌跡運動,采用的機器人是ABB的1440。由于學生多機器人少,我們采用了四個學生一個組的方式,大家按組輪流來做實驗。盡管學生們在實驗中出現了各種各樣的錯誤,但學生們的興致很高,一直操作到每組許可的時間結束。學生們反映這個實驗對于他們鍛煉的價值很大,因為把理論和實際之間的這層窗戶紙給打通了,讓學生們對于這門機器人的課程有了一個系統的認識和理解。

四 結語

機器人課程在各高校中變得越來越普遍,如何結合機器人技術的發展搞好機器人的教學工作是許多機器人教育者關心的問題。筆者通過對國內外部分高校的機器人教學進行調研,并結合我校機器人教學的實際情況,對《機器人學》這門研究生課程進行了改革與探索,在過去三年的改革與實踐過程中,取得了不錯的教學效果。

本論文得到了北京航空航天大學研究生教育與發展研究專項基金的資助,在此表示感謝。

參考文獻

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Research and Practice in Teaching of a Robotics Lesson

ZHAN Qiang YAN Cai-xia CAI Yao

(Robotics Institute, Beihang University, Beijing 100191, China)

篇(3)

關鍵詞：機器視覺；邊緣檢測；圖象識別；濾波算法

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 02-0082-01

一、機器人系統的發展及機器人視覺

機器人的發展大致經歷了三個成長階段，也即三個時代。第一代為簡單個體機器人；第二代為群體勞動機器人；第三代為類似人類的智能機器人。它的未來發展方向是有知覺、有思維、能與人對話。機器人向著智能化、擬人化方向發展的道路，是沒有止境的。 機器人視覺是計算機學科的一個重要分支，它綜合了光學、機械、電子、計算機軟硬件等方面的技術，涉及到計算機、圖像處理、模式識別、人工智能、信號處理、光機電一體化等多個領域。我國機器人視覺應用主要有以下目的：用以代替人類從事危險、有害和惡劣環境、超凈環境下的工作；提高勞動生產率，改變產品質量，快速相應市場需求，加強在國際市場的競爭能力。

二、機器人視覺的原理

機器視覺是機器人感知周圍環境的主要途徑之一。它可以通過視覺傳感器獲取環境的二維圖像，并通過視覺處理器進行分析和解釋，進而轉換為符號，讓機器人能夠辨識物體，并確定其位置。目前成熟的光電成像技術都只能捕獲二維明暗信息，而不能獲得距離信息，所以直接通過這種途徑獲得的機器視覺也只能是二維的。隨著科學技術的發展，三維立體視覺的解決方案也如雨后春筍般涌出，其中就包括雙目立體視覺，狹縫光投影法，時間差法等。

（一）實現方法

1.圖像的獲取與預處理：用于進行三維特征提取的圖像是一幅常規的二維灰度圖，所以使用一個常規的CCD或CMOS圖像傳感器即可滿足要求。圖像需要進行量化處理，即把圖像信息分成許多像素點，這些亮點經過A/D轉換后即可輸入計算機進行處理。2.邊緣信息提取：邊緣提取算法就是把一副灰度圖像轉化為二值圖像，灰度圖像中的輪廓在二值圖像中用1表示，而非輪廓位置用0表示。邊緣提取算法的種類非常地多，如Robert算子卷積法等。3.邊緣檢測與輪廓連結：邊緣檢測主要采用各種算子來發現、強化圖像中那些可能存在邊緣的像素點。邊緣檢測算子除了有Roberts算子外，還有索貝爾算子（Sobel operator）和Prewitt算子、高斯偏導濾波器以及Canny邊緣檢測器等。4.利用線條分類識別三維物體：提取出二維圖像的輪廓信息，還不足以分析出其中的三維特征，我們必須對輪廓信息進行進一步的模式化處理，從輪廓中提取特征。5.從二維圖像中提取三維特征的局限性：雖然從二維圖像中提取圖像的三維特征的算法對設備的要求低，處理的數據量相對較小，輸出地結果也比較規整。但是這種算法也有其局限性。

（二）攝像機模型及透視技術

透視技術實際是一個非線性映射，這在實際求解時可能需要大的計算量，而且如果透視效果不明顯，直接使用該模型可能會使求解變為病態。透視逆變換把三維物體轉變為二維圖形表示的過程稱為投影變換。

三、基于視覺的機器人路徑規

針對移動機器人規避障礙和尋找最優路徑問題，提出了在復雜環境下移動機器人的一種路徑規劃方法。采用了柵格法建立了機器人工作平面的坐標系，整個系統由全局路徑規劃和局部避碰規劃兩部分組成[8]。在全局路徑規劃中，用改進蟻群算法規劃出初步全局優化路徑；局部避碰規劃是在跟蹤全局優化路徑的過程中，通過基于滾動窗口的環境探測和碰撞預測，對動態障礙物實施有效的局部避碰策略，從而使機器人能夠安全順利的到達目標點。這種方法能在較短時間內找到最佳路徑并規避障礙。

四、機器人視覺處理程序

機器人視覺處理程序的主要功能包括：（1）從USB攝像頭實時讀取視頻數據，進行簡單的預處理；（2）隨后進行圖像處理，主要完成空域的圖像增強。通過對圖像進行二值化，將目標小球從背景中提取出來；（3）計算目標的位置，進而計算出機器人頭部的旋轉角度，通過舵機驅動程序，控制機器人頭部轉動到目標所在角度，實現對目標物體的跟蹤。

經過實驗，機器人頭部可較好地跟蹤目標，實現了視覺原型系統。

（一）機器人視覺的目標與任務

目標：使機器人具有感知周圍視覺世界的能力。讓機器人具有對周圍世界的空間物體進行傳感、抽象、判斷的能力，從而達到識別、理解的目的。

任務：圖象的獲取、預處理、圖象分割與表示與描述、識別與分類、三維信息理解、景物描述、圖象解釋。紅色部分就構成了圖像分析的研究內容。

（二）視覺信息的處理

移動機器人視覺信息的處理通常由圖象獲取、圖象分析、關系描述三部分組成。

五、結束語

移動機器人是目前機器人領域的研究重點之一，吸引著眾多學者的注意。機器人的研究涉及到人工智能、控制理論、傳感器技術和計算機科學等多門學科。通過閱讀大量的期刊、學術論文用于進行三維特征提取的圖像是一幅常規的二維灰度圖，所以使用一個常規的CCD或CMOS圖像傳感器即可滿足要求。圖像需要進行量化處理。為了給形態學處理的圖像提供統一的條件，計算機在把獲得圖像進行形態學處理前，必須先對其進行預處理。由于各方面客觀條件以及個人研究能力的限制，在機器人技術中嵌入式系統的應用及視覺處理程序方面的研究還不夠深入，還需要在今后的研究中不斷深入探討。21世紀是信息化的時代，隨著信息技術的發展和普及，機器人視覺系統無論是在理論研究上上，還是在應用方面都將很大進展。

參考文獻：

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[2]李文錦，吳海彬，何祖恩.基于機器視覺的機械測量及識別技術研究[J].機床與液壓，2010（1）：32-51.

篇(4)

（北京郵電大學世紀學院電子與自動化系，北京 延慶 102101）

【摘　要】雙足類人行機器人一直都是國內外非專業和專業機器人愛好者重點研究的項目。介紹了具有gps定位功能的雙足機器人的行走運動控制，主要研究了對標準的“加藤一郎”約束結構的人形機器人進行行走運動控制，對硬件的控制系統進行合理的設計，動作流程的規劃，完成軟件的編程。機器人選取了被人們廣泛使用的51系列單片機，采用的是單片機STC12C5A60S2，并集成了GPS模塊，使機器人擁有了定位功能。

關鍵詞 人形機器人；單片機STC12C5A60S2；GPS；“加藤一郎”約束結構

0　引言

類人形步行機器人的控制還有它的相關技術的研究無論是在國內還是國外的機器人領域中都有著重要研究價值，同時機器人的研究成果和當今的社會有著密不可分和不容忽視的意義，所以這項科學一直成為機器人研究的熱點之一。

時至今日，設計并完成具有GPS定位功能的類人形機器人的運動控制，需要滿足以下幾個基本功能：其一是研制出兩足步行機構，并使其能在許多結構性、非結構性環境中完成行走任務，從而代替人類進行諸如延伸、作業、擴大活動等領域；二是更多地了解和掌握人類步行時的特性和技巧，并且利用這些特性來為人類服務；三是兩足人形機器人的步行系統，具有極為豐富的動力學特性。在這方面進行的研究，可以拓寬力學以及機器人學的研究方向。

1　系統結構設計

本設計采用STC12C5A60S2 單片機作為主控芯片，集成了兩片存儲芯片AT24C512，GPS定位模塊并設計了35個IO雙向接口，用于傳感器及電機的集成。

硬件部分的控制器主要采用的是STC12C5A60S2 單片機。單片機的工作電壓為3.3 V～5.5 V（5V單片機），兼容普通8051的定時器或4個外部中斷，工作頻率在0-35MHz之間，有6個16位定時器，具有看門狗和EEPROM功能，并且內部集成MAX810專用復位電路 。使用內部R/C振蕩器時鐘 11MHz-17MHz。

GPS模塊性能的價值指標主要有接收靈敏度、定位時間、位置精度、時間精度、功耗等。在不同的啟動模式下，模塊開機定位時間有很大不同。一般來說，模塊內部沒有保存任何有助于定位的數據的情況稱為冷啟動時間，包括星歷、時間等，一般標稱在1分鐘以內；模塊內部有較新的衛星星歷（一般不超過2小時），但時間偏差很大的，稱為溫啟動時間，一般標稱在45秒以內；熱啟動時間是指關機不超過二十分鐘，并且RTC時間誤差很小時的情況。

人形機器人設計了35個IO接口，其中包括萬能接口11個，萬能接口可以選擇7.4V 或5V 電壓供電，可選上拉電阻或下拉電阻。可用于各種擴展舵機和傳感器。

由于雙足機器人運動控制的復雜性，為機器人使用的STC12C5A60S2單片機集成了兩片電可擦除存儲芯片AT24C512，存儲空間共有128KB，這樣可以讓機器人程序存儲器空間擴充至190KB。AT24C512是Atmel公司生產的64KB串行電可擦的可編程存儲器，內部共有512頁，每一頁為128字節，任一單元的地址為16 位，地址范圍為0000～0FFFFH之間。其優點就是，采用8引腳封裝，結構緊湊、存儲容量大。在測控系統中被大量采用，可以在2總線上并接4 片芯片，特別適用于具有大容量數據存儲要求的數據采集系統。

本設計采用由德州儀器公司推出的一款兼容RS232標準的芯片。串口通信指的是數據的各位按順序一位一位傳送。他的優點就是，只需一對傳輸線，占用硬件資源少，適用于遠距離通信，而缺點則是，傳送速度較慢。本設計所采用的是4pinRS232接口帶“CTS”判斷位，可以同時輸出RS232電平和TTL電平。由于電腦串口RS232電平是-10v+10v，而一般的單片機應用系統所采用的信號電壓是TTL電平0+5v，所以需要進行電平轉換，這也就是使用max232的原因，該器件包含兩個驅動器、兩個接收器和一個電壓發生器電路提供TIA/EIA-232-F電平。

2　軟件設計

根據雙足類人形機器人行走控制系統的功能需求和硬件電路特點，軟件系統需要滿足以下3個要求：

1）軟件模塊化，并且需要有很好的可維護性，可擴展性。

2）能夠實現PWM 信號的分時復用，并且要保證PWM 信號的高精度。從而通過軟件，及時地改變PWM 的輸出。

3）可以滿足機器人多自由度控制的實時性。

3　結論

雙足類人行機器人是近年來的前沿學科，它涉及人工智能、自動控制、仿生、通訊、機械電子等多個領域的技術融合。本論文重點研究了機器人的行走規劃以及GPS定位功能的實現，經實驗驗證，所設計的機器人能夠在平坦的地面上自由行走并具有GPS定位功能。

參考文獻

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篇(5)

時光追溯到2002年，年輕的劉連慶到沈陽自動化研究所讀研究生時，所里剛開辟出一個與納米相關的前沿方向，就是基于機器人的理念，研究一種能夠精確操作分子、原子的新型機電系統――納米操作機器人。在導師的引導下，劉連慶很快投入到這樣一項前沿、尖端具有開拓性的科研工作中來。

納米操作機器人是伴隨著納米科技的蓬勃發展而出現的，它是機器人領域新的分支。傳統機器人多注重提高效率，多用來幫助人們完成人有能力但不愿意干的工作，比如焊接、搬運等枯燥、高重復性勞動；與傳統機器人相比，納米操作機器人更注重提升人的能力，主要去執行極端尺度下人們無法完成的工作，如原子精度定位、分子力測量等任務。

歲月如梭，轉眼10余年過去了，劉連慶始終與納米操作機器人研究相伴，取得一個又一個豐碩的成果。他先后主持和參與完成多項863與自然科學基金課題，和他的科研團隊一起研制出我國第一套納米操作機器人系統，并對若干長期困擾納米操作機器人發展的關鍵難題給出了有效的解決途徑，多篇論文在國內外著名學術期刊上以封面形式發表。這些成果讓其本人先后獲得中科院盧嘉錫青年人才獎、中科院沈陽分院優秀青年科技人才獎、中科院院長獎等榮譽和獎勵；這些科研的礪練，讓他從一個懵懵懂懂的學生，變成助研、副研和研究員，一步一個腳印踏踏實實的在納米操作機器人的研究方向上穩步前行。

篇(6)

關鍵詞：刷式；智能；黑板擦；機理

中圖分類號：TP23文獻標識碼：A

智能化是計算機網絡、多媒體、智能白板等高端教學設備的必然發展，也是全球新技術發展的趨勢和重要方向，但授課的效果和高價成本[1，2]，還不能取代傳統的黑板教學。本論文的滾刷式智能機器人黑板擦，就是為了提升傳統的黑板教學、師生交流便利性的關鍵技術。粉筆板書是常用傳統教學的主要方式，但在擦黑板的過程中，費力，不方便，粉筆末等均給師生帶來麻煩。根據研究表明：為了規避人力擦黑板的繁瑣，目前有些新技術發明不斷涌現，但均沒有取得令師生滿意的效果。

因此，本論文提出了滾刷式的、智能便捷、具備識別功能的機器人黑板擦：使用者控制手柄控制器的開啟，根據擦除區域，調整滾筒擦除設備的速度和扭矩，貼近黑板，旋轉的滾筒擦除設備，便可將不需要的粉筆書寫區擦掉，產生的粉塵由吸塵器吸收，吸塵器的驅動系統由離心式驅動電機帶動，通過吸塵風扇將粉塵吸入吸塵囊，累積多的粉塵從排塵口倒出，因而減少粉塵飛揚，降低危害。在擦黑板時，按照黑板上擦除區域的大小，通過改變滾筒擦除設備的檔位：高速、中速及低速，實現高效快捷，使用方便和經濟安全的擦除。從而實現了省時省力，智能便捷，操作簡單，清潔黑板和低碳環保的目標。

1滾刷式智能機器人黑板擦總體設計

滾刷式智能機器人黑板擦的主要由控制系統裝置、執行系統裝置和吸塵器裝置三部分構成?？刂葡到y裝置屬于智能機器人的大腦，包含控制器CPU，要根據市場需求，屬于該智能機器人的核心部分。執行系統裝置中的滾筒擦除設備是新提出的結構設備，屬于該智能機器人執行和實現操作者意圖的關鍵部件。吸塵器裝置中的“鱷魚嘴”式的吸塵口裝置，粉塵測試傳感器、粉塵控制單元等屬于清理除塵的主要部分。

1.1總體布置

根據功能需求，滾刷式智能機器人黑板擦的總體布置如圖1所示，主要由三部分構成，分別是：控制系統裝置、執行系統裝置和吸塵器裝置。

控制系統裝置部分，屬于黑板擦的操作主體，包含殼體的手持面，對滾刷動力控制的中央控制模塊和需要啟停擦刷的開關按鍵。

執行系統裝置部分，屬于具體執行擦除任務的機構，通過在黑板擦的擦刷面設置滾刷，根據中央控制模塊指令驅動電機、泵吸部件、粉塵傳感器以及圖像感應模塊，實現對黑板擦的擦刷工作的自動化智能控制，提供用戶的使用效果；并使滾刷的一端與驅動電機動力連接，形成動力滾刷，從而實現黑板擦自動擦刷功能。

吸塵器裝置，屬于后處理裝置機構。在擦除過程中產生的粉塵，由置于黑板擦后端的吸塵器吸收，其中吸塵器與黑板擦的中空腔體相連通，且所述吸塵器的腔口設有泵吸部件，通過所述泵吸部件，擦除時，揚起的粉塵，通過布置在旋轉滾筒邊的“鱷魚嘴”式吸塵口吸入，如圖1所示，經吸塵管吸入置于殼體的后端設有的吸塵器，如圖2所示。“鱷魚嘴”式的吸塵口中布置檢測吸入的粉塵測試傳感器，根據吸入粉塵量，設定閾值，由粉塵控制單元分析，吸塵器的工作狀態。當吸入的粉塵超過設定的閾值，便報警，通知要清理吸塵器中的粉塵了。

1.2設計思路

滾刷式智能機器人黑板擦，根據設計的成本和方便制造，智能手柄控制器設計成光滑的塑料殼體，把容易磨手的棱角均設計成圓弧過渡；啟停擦刷的開關按鍵置于便于操作的手柄下方；電源集成管理器也設計在方便充電的殼體邊上。

擦除設計的部件主要由旋轉滾筒、旋轉毛刷，支撐執行部件的軸承及軸承座及驅動旋轉毛刷的電機控制架構出。根據中央控制模塊指令驅動電機，內置于空腔體中的4個驅動電機；一端與所述驅動電機動力連接的滾刷，滾刷的刷毛根據需求，擦除黑板上的字；實現對黑板擦的擦刷工作的自動化智能控制，提供用戶的使用效果；并使滾刷的一端與驅動電機動力連接，形成動力滾刷，從而實現黑板擦自動擦刷功能。

2滾刷式智能機器人黑板擦擦除機理

滾刷式智能機器人黑板擦裝置，主要由控制系統、執行系統和吸塵器三部分有機地組合成一體?？刂葡到y屬于智能機器人的大腦，包含控制器CPU，根據設定的擦除區域，識別、判斷和決策擦除的速度和力矩，吸塵的流量和吸塵風扇的轉速等，置于操縱手柄中；執行系統根據控制系統控制器CPU發出的信息，由執行控制單元操縱電機驅動模塊，執行電機的啟停狀態，滾筒擦除設備根據指令，識別出擦除區域[2]，判斷需要擦除的黑板粉筆字，并實施已決策的速度、力矩等；吸塵器屬于關鍵輔助機構。智能機器人黑板擦記憶每次的擦除區域，擦除量的大小，粉塵測試傳感器測試吸入的粉塵量等參數，根據這些參數便識別、判斷和決策新的任務量，從而執行更高效、更節能地執行擦除工作。

2.1擦除機理

智能手柄控制器由操縱手柄，電源集成管理器，驅動控制器，通信接口模塊構成；滾筒擦除設備由驅動模塊與電機，電機控制架，旋轉滾筒等構成；吸塵器由吸塵風扇、吸塵囊，排塵口等構成。滾筒擦除設備由固定毛刷旋轉軸，軸承及軸承座，驅動電機，動力傳動裝置，旋轉滾筒，旋轉毛刷，電機控制架等新發明設備構成；黑板的擦除潔凈程度，主要是由固定毛刷旋轉軸的直徑和毛刷的致密度決定的。與滾筒擦除設備相匹配的吸塵器，“鱷魚嘴”式的吸塵口中布置檢測吸入的粉塵測試傳感器，根據吸入粉塵量，設定閾值，由粉塵控制單元分析，吸塵器的工作狀態。

擦除時，黑板根據需要擦除的區域用紅色的粉筆圈出，設置于黑板擦上的圖像感應模塊，采集到紅色線狀圖像，則即向中央控制模塊發出區域指令，中央控制模塊收到區域指令后，控制驅動電機進入工作狀態，開始擦除。當圖像感應模塊，識別出黑板擦移動至紅色粉筆的邊界時，則使滾刷停止擦刷工作，避免擦除標記區域以外的內容。根據設定，圖像感應模塊還能夠感應其他顏色或其他的特殊標記。

在黑板擦移動的同時，所述圖像感應模塊，還實時檢測黑板擦當前擦除區域的內容疏密程度，通過現有的二值化識別技術[3]，分析得到白色粉筆在當前黑板擦除區域內的疏密程度[4，5]，當圖像感應模塊感應到當前擦除區域需要擦除的內容較為密集，則向中央控制模塊發送密集信號[6]，中央控制模塊接收密集信號后，增大驅動電機的力矩及轉動速率，從而增大滾刷的擦除效率，當圖像感應模塊感應到當前擦除區域需要擦除的內容較為稀疏[7]，則向中央控制模塊發送稀疏信號，中央控制模塊接收稀疏信號后，減小驅動電機的力矩及轉動速率，從而降低滾刷的擦除效率，減少黑板擦的電能損耗。

為了操作者的擦除方便，也可以用手動按鈕進行操作。

2.2控制策略

滾刷式智能機器人黑板擦的控制策略，根據擦除需求，擦除區域識別策略和粉塵收集需求，進行自適應調節，驅動4個MCU滾刷電機進行工作，見圖3所示。

智能機器人黑板擦的驅動控制策略由中央控制模塊發出指令，根據設定感應特殊標記或設定顏色的擦除區域，由圖像感應模塊，按照擦除區域識別策略，感應擦除圖像，確定力矩驅動策略、滾刷電機力矩控制策略和考慮擦除內容力矩速度分配策略，移動黑板擦，使4個MCU滾刷電機執行指令[8]。

粉塵傳感器用于檢測滾刷揚起的灰塵含量，所述粉塵傳感器與所述中央控制模塊電性連接，所述中央控制模塊，根據粉塵傳感器檢測的灰塵含量，控制泵吸部件的泵吸速率，當粉塵傳感器檢測的灰塵含量較大時，所述中央控制模塊控制泵吸部件的泵吸速率加快，當粉塵傳感器檢測的灰塵含量較小時，所述中央控制模塊控制泵吸部件的泵吸速率減慢，節約電力成本。

3結語

本文創新性地提出了教學輔助滾刷式智能機器人黑板擦，包括三部分：控制系統是智能手柄控制器，執行系統是滾筒擦除設備和吸塵器組成，三者有機地組合成一體。智能手柄控制器由操縱手柄，電源集成管理器，驅動控制器，通信接口模塊構成；滾筒擦除設備由驅動模塊與電機，電機控制架，旋轉滾筒等構成；吸塵器由吸塵風扇、吸塵囊，排塵口等構成。

根據生產需求，低成本地提出了滾刷式智能機器人黑板擦總體設計和擦除機理，控制系統裝置屬于智能機器人的大腦，包含控制器CUP，是創新性的內容，要根據市場需求，重點開發。執行系統裝置中的滾筒擦除設備是新提出的結構設備，是本論文的關鍵部件，需要重點開發。吸塵器裝置中的“鱷魚嘴”式的吸塵口裝置需重新開發，粉塵測試傳感器、粉塵控制單元需要重新開發，吸塵風扇和吸塵囊等可采購市場中現有的產品，無需增加成本。從而實現了高效快捷，使用方便和經濟安全的擦除；省時省力，智能便捷，操作簡單，清潔黑板和低碳環保的目標。

參考文獻： 

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[7]張鵬飛.光伏發電自動跟蹤系統的設計.哈爾濱理工大學出版社，2009. 

篇(7)

機器人競賽

機器人競賽是一項很好的科技創新活動，形式繁多，內容豐富。設計方案的開放性，也為學生的創新奠定了基礎。參賽者可以用不同的方法實現同一個項目，通過比賽，激發其對機器人的學習興趣，引導他們積極探索機器人新科技，為其自主創新能力的培養提供良好的平臺。中國機器人大賽暨RoboCup公開賽：1999年，在RoboCup國際委員的支持和授權下，首屆中國機器人大賽暨RoboCup公開賽在中國重慶舉辦，目前是中國機器人最具影響力的賽事，比賽共設立12類65項賽事。機器人競賽種類多、規模大、水平高，為大學生進行創新實踐活動提供了很好的平臺?！拔磥砘锇椤北袊悄軝C器人大賽（暨國際機器人滅火比賽中國賽區選拔賽），是中國人工智能機器人專業委員會等多個單位主辦的一項全國性賽事。大賽包含機器人救火大賽、機器人足球比賽、機器人創新大賽、機器人搜救大賽、機器人擂臺賽和機器人舞蹈戲劇大賽等6個主題項目。其中機器人救火大賽是國際賽制機器人滅火比賽（暨國際機器人滅火比賽中國賽區選拔賽）?！帮w思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽，由教育部委托高等學校自動化專業教學指導分委員會主辦。競賽分競速賽與創意賽兩類比賽。自2006年首次舉辦以來，“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽已經成功舉辦了6屆。

機器人實踐教學的具體實施

機器人競賽、創新實踐是一項很好的科技創新活動，機器人的趣味性易于激發學生學習和研究的興趣，同時將創新實踐、競賽引入教學過程，使學生變被動學習為主動學習和研究。“機器人項目教學法”的一般教學結構如圖1所示：“項目教學法”最顯著的特點是“以項目為主線、教師為引導、學生為主體”，改變了以往“教師講，學生聽”被動的教學模式，創造了學生主動參與、自主協作、探索創新的新型教學模式。本文以參加2012年中國機器人大賽暨RoboCup公開賽的醫療與服務機器人組的項目為例，在比賽初期確定人員，將不同專業和不同年級的學生組成一個競賽小組，研究競賽規則、制定項目方案、機器人結構設計、電路設計、程序調試，學生分工合作，過程中集思廣益、取長補短、團結協作。這種在探索中學習的過程是其他教學環節無法實現的，對于培養學生的實踐創新能力非常重要。本文以一種醫療與服務機器人設計為導向的項目教學法，按照以下六個教學步驟進行：

1.項目的申請

本學院主要參加了醫療服務機器人、機器人游中國、擂臺等機器人項目，學生可以針對感興趣的比賽項目，或者根據江蘇省高等學校大學生實踐創新訓練計劃，申報項目，填寫申請書。教師針對學生申報的項目，分析學生的實際情況，建議選擇項目規模和難度適中的項目。中國已經進入了老齡化社會，而且在今后幾年內老齡人口數量將會呈上升趨勢，老齡化將更加嚴重。老齡化使社會的勞動力減少，一些老年人不僅不能參加勞動，而且有的甚至失去了自理能力，需要人照顧，這就增加了他們的子女以及社會的負擔。年輕人為了工作日益繁忙，在目前服務行業工作者稀缺的背景下，在醫院時不時會有行動不便的病人需要護士和家人的攙扶。而在沒有人幫助的情況下，行動不便的病人寸步難行，稍有不慎就有可能摔倒受傷。所以筆者建議學生選擇參加醫療與服務機器人創新設計與制作賽項，設計一種醫療服務機器人更好的服務病人。

2.項目團隊的建立

建立學生團隊，營造互相競爭、互相幫助的學習氛圍，學生在做項目過程中攜手合作，彌補相互間的不足，遇到問題大家一起討論解決，這讓學生體會到團隊的重要性，做到共同進步。同時，團隊的學生分工明確，每人負責項目的某一部分，使學生真正參與到項目中，整個項目的完成，離不開每一個學生，學生為使項目不會因為自己負責的部分沒有完成而主動學習，主動查資料，可以培養和提高學生的自主學習能力。學生團隊的建立，應考慮學生的專業，年紀，特長等因素。教師確定一名隊長，根據項目的特點，隊長可以自己招學生，實現學生管理學生。參加醫療與服務機器人創新設計與制作賽項，筆者選擇了5名學生，隊長由09級的一名學生擔任，該生組織能力比較強，專業能力也比較脫出，由他負責整個項目的進展，匯報工作。其他學生分別是1名2009級的，2名2010級的，1名2011級的，專業分別是自動化、測控、電氣。

3.項目任務、計劃的制定

團隊負責人制定機器人項目工作計劃，確定工作步驟。機器人是集機械、電子、控制、計算機、傳感器、人工智能等多學科先進技術于一體的智能儀器。本次設計的醫療服務機器人由小組討論決定，醫療服務機器人外形像輪椅，病人能夠獨自駕駛去化驗室拿取報告，去門診找醫生復診，降低護士工作量及病人家屬的負擔。為使醫療服務機器人更好的服務病人，該團隊為機器人設置了兩種模式：座椅模式和病床模式，免去了病人就診、休息時需要被移動到病床上的麻煩。機器人將現場鍵盤控制和遠程控制相結合，實現護士對病人的遠程監護，機器人在前進過程中，檢測到前方有障礙物時就會立刻停下，減少不必要的事故。同時機器人配備了機械手，可以幫助病人取物品，最大程度幫助病人。根據團隊中學生的專業、特長等分配任務，負責機器人機械結構設計的學生需要畫圖紙、電焊等來完成機器人結構的設計、機械手的設計；電路設計的學生制作包括單片機電路、電源穩壓電路、電機驅動電路、紅外避障電路、鍵盤輸入電路；測控專業的學生負責電路的測試、場地的制作等工作；程序編寫的學生，完成程序的設計、調試；控制界面的設計由另外一個學生負責，主要是VB編寫上位機、WIFI攝像頭的調試、藍牙通信的調試。根據機器人項目的特點，學生在制作過程中可適當地作一些調整。根據項目完成的時間確定工作步驟，進行時間分配。最終得到教師的認可才能執行。

4.項目制作

學生自己確定各自在小組中的分工，然后按照已確立的工作步驟和程序工作?；跈C器人項目的作品成果形式多種多樣，可以是調查報告、實物模型、演講稿、論文等。通過展示作品成果，可反映學生在項目完成過程中所掌握的技能。本次設計的醫療服務機器人成果包括機器人模型一個、機器人設計與使用說明書一份、演講稿一份。在本項目比賽結束后，指導學生按照他們設計的醫療服務機器人撰寫論文、申請專利。

5.項目檢查評估

整個項目檢查評估采用答辯的形式向教師匯報，首先由隊長對整個項目進行匯報總結，再由隊員對自己負責的工作進行匯報和自我評估，并且對設計的醫療服務機器人進行展示，教師根據團隊成員的表現、研究成果表述和作品的展示進行檢查，為到現場比賽作準備。針對項目中出現的問題，師生共同討論，教師引導學生獨立思考問題，解決問題。學生通過對比師生評價結果，找出造成結果差異的原因

6.項目資料歸檔或應用

為使學生養成良好的習慣，項目結束后，教師監督學生將項目工作資料整理歸檔，材料包括項目申報書、進度表、機器人機械結構圖、程序設計流程、機器人控制程序、項目結項書、項目報告講義等。

機器人項目教學的成果

機器人創新實踐是一個綜合性、高難度的科技制作過程，有利于提高學生的動手能力和創新能力。在教師指導下，學生通過自己查閱資料、提出有創意的設計方案，選擇合適的元件，設計、焊接電路，編程、測試程序等，充分調動了學生的積極性，發揮學生的創造力，使學生在實踐中進一步提高自己的綜合能力。有助于將學生的興趣應用到教師的科研中，使學生們熱愛科技，投身科技，在學校形成良好的科技學術氣氛。本校參加機器人競賽源于2010年，當時參賽的賽事為“飛思卡爾”杯全國大學生智能汽車競賽、中國機器人大賽暨RoboCup公開賽、江蘇省機器人大賽、“未來伙伴”杯機器人競賽，并因此開設了機器人技術、機器人創新實踐與競賽等公共選修課；制定了《大學生創新實驗室項目負責制實施辦法》，針對項目采取一系列措施，保證學生能在項目的過程中鍛煉自己的能力，同時能保證創新實驗室項目的創新性。實踐教學效果顯著，本校代表隊在2012年第七屆“飛思卡爾”杯華東賽區比賽中，獲得攝像頭組第一名，晉級參加全國決賽的隊伍，獲得全國攝像頭組特等獎。2012年中國機器人大賽暨RoboCup公開賽獲得3項季軍，2010年“未來伙伴杯”獲得滅火比賽冠軍，受邀參加在美國舉辦的國際機器人滅火比賽。