時間：2023-05-30 09:05:16
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇機器人設(shè)計，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
【關(guān)鍵詞】履帶式爬壁機器人 優(yōu)化 設(shè)計
爬壁機器人為特殊機器人，具有可靠性高、負載能力強、結(jié)構(gòu)簡單以及避免適應(yīng)強等優(yōu)點。為進一步提高其應(yīng)用效果，需要對其運行原理進行分析，以優(yōu)化功能和滿足實用要求為目的，對其運行受力狀態(tài)進行研究，確定其結(jié)構(gòu)設(shè)計形式，確保可以滿足實際應(yīng)用需求。
1 機器人壁面運動受力分析
1.1 勻速運動受力
如果機器人向上爬行運動，單邊履帶上電機驅(qū)動轉(zhuǎn)矩需要克服1/2重力轉(zhuǎn)矩與Mf，且Mf計算公式為：
MQ-Mf-MG=0
MG=1/2GTH
其中，MQ表示單側(cè)電機減速后輸出驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；Mf表示機器人履帶上最下面一塊電磁鐵受力所產(chǎn)生的阻力矩；MG表示1/2重力產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩；F1表示履帶最下面一塊磁鐵對壁面的壓力，且F1=Fn-N1。則：Mf=F1h=（Fn-N1）h，由此可得單側(cè)電機所需驅(qū)動轉(zhuǎn)矩：MQ≥（Fn-N1）h+（HGcosα）/2
1.2 轉(zhuǎn)彎運動受力
如果機器人沿壁面轉(zhuǎn)彎運動，對其運動模型進行分析，需要通過兩臺履帶差速來玩完成轉(zhuǎn)彎動作，而在實際設(shè)計中，基本上都選擇通過正、反轉(zhuǎn)兩條履帶方式來完成轉(zhuǎn)彎。假設(shè)機器人重力分布在兩側(cè)履帶上，這樣在對轉(zhuǎn)彎運動模型進行分析時，就需要同時考慮摩擦阻力矩MZ、Mf與GT對電機所需驅(qū)動力矩的影響[1]。機器人做壁面右轉(zhuǎn)彎動作時，左側(cè)履帶所需力矩大于右側(cè)履帶力矩，則機器人轉(zhuǎn)彎動作時履帶所需力矩方程：
Mq-MZ-Mf-1/4GTL=0
其中，Mq表示履帶驅(qū)動力矩；MZ表示履帶上每塊磁鐵與壁面摩擦力合力產(chǎn)生的摩擦阻力矩；（1/4）GTL表示機器人左側(cè)質(zhì)量產(chǎn)生的力矩。其中：
Mq=1/2FPL+1/2FPL=FPL
FP=MQ/R
則可得：Mq=MQL/R
履帶式機器人做壁面轉(zhuǎn)彎動作時，接觸壓力分布并不均勻，摩擦阻力反抗履帶轉(zhuǎn)彎阻力越小，壓力均勻分布時所受轉(zhuǎn)彎阻力矩越大，分析時按照均勻分布計算，則：
MA=u（nFn-GN）L/4
則，履帶式機器人轉(zhuǎn)彎時電機所需驅(qū)動轉(zhuǎn)矩：
MQ≥R/L[（Fn-N1）h+uL（nFn-GN）/4+1/4GTL]
2 履帶式爬壁機器人設(shè)計要點
2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計
履帶式機器人移動設(shè)計方式，在實際應(yīng)用中吸附性更好，且具有耐腐蝕效果，即便作業(yè)時控制器故障，也不會脫離壁面。結(jié)構(gòu)形式的選擇需要根據(jù)實際需求來確定，例如針對大型油罐檢測作業(yè)用履帶式爬壁機器人，油罐受腐蝕影響，壁面存在不同程度的變形、生銹等情況。在對機器人結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，除了要提高其對作業(yè)避免的適應(yīng)能力，還要保證其能夠垂直直線行走，重點控制偏斜度，將定位精度控制在規(guī)定范圍內(nèi)[2]。同時，在對控制系統(tǒng)進行設(shè)計時，要引入修正環(huán)節(jié)，對因為避免變形造成的機器人爬行軌跡偏差進行修正。
2.2 壁面靜力分析
同樣以大型油罐容器檢測履帶式爬壁機器人為例，對永磁吸附履帶式爬壁機器人受力狀態(tài)進行分析。爬壁機器人履帶主要以鉸鏈進行聯(lián)接，垂直于牽引力方向時并不存在剛性，因此不能將垂直于履帶平面的荷載分布到每個永磁體上，降低了機器人作業(yè)穩(wěn)定性。假設(shè)機器人具有分布荷載，并將荷載分散機構(gòu)看作為一個彈簧，將機器人在GN方向上所受到的力，分散到吸附在避免其他磁鐵上，且單條履帶上荷載分散機構(gòu)所產(chǎn)生的總拉力為彈簧彈力T。為更方便分析荷載分散系數(shù)uL對爬壁機器人穩(wěn)定性的影響，本文確定uL=2T/G。機器人運動過程中彈簧變形量不發(fā)生變化，則可以認為由荷載分散機構(gòu)產(chǎn)生的拉力始終為T。為保證機器人在壁面作業(yè)時不會掉下，要求作用的外力應(yīng)滿足靜力學平衡方程組：
2（N1+N2+2T）-GN=0
2Ff-GT=0
2T（a-a）+2N2b-2N1b-2FfH=0
其中，F(xiàn)f表示單條履帶所受摩擦力，F(xiàn)f=1/2GT，且便于計算分析，設(shè)定Ff為最大靜摩擦力，滿足Ff≥GT，則機器人不會在避免作業(yè)時下滑，根據(jù)此要求計算磁鐵所需吸附力。并引入荷載分布系數(shù)uL，替換T，分析uL對N1、N2影響。則可獲得方程組：
N2b-N1b-GTH=0
2（N1+N2+T）=GN
由上述公式可得：
N1=1/4GN-1/4uLG-GTH/2b
N2=1/4GN-1/4uLG-GTH/2b
其中，N1N2表示機器人在垂直于履帶方向上吸附在墻壁上的最下面與最上面電磁鐵拉力；Ff表示兩條履帶與壁面間最大靜摩擦力；G表示整個機器人重力，GT=Gcosα，GN=Gsinα；b表示支撐力N1N2相對于機器人重心力臂；H表示摩擦力Ff相對于機器人重心力臂。要求機器人在避免作業(yè)時不下滑，則Ff≥GT，F(xiàn)f=（nFn-GN）u。Fn表示單個磁鐵吸附力；n表示永磁鐵個數(shù)；u表示摩擦系數(shù)。
將公式Ff=（nFn-GN）u代入Ff≥GT中，便可得到單個電磁鐵吸附力：
Fn≥1/n（1/uGT+GN）
機器人壁面上爬運動作業(yè)時，不會出現(xiàn)翻轉(zhuǎn)，則要求最上面一塊地鐵不會被掀起，則：Fn≥N2，即：
Fn≥1/4GN-1/4uLG+GTH/2b
3 結(jié)語
爬壁機器人在很多特殊作業(yè)中具有重要應(yīng)用效果，其可以搭載多種工具在垂直墻壁上移動，現(xiàn)在已經(jīng)被廣泛的應(yīng)用到建筑、能源、石化等行業(yè)中。對其進行設(shè)計研究，需要遵循其運行原理，做好受力分析，根據(jù)實際需求確定結(jié)構(gòu)形式，保證能夠滿足各種狀態(tài)作業(yè)要求。
參考文獻：
關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 智能機器人； 遠程控制； 太能； STC11F32E
中圖分類號： TN915?34； TN923； TP399 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）08?0073?04
Design of IOT intelligent robot
TANG Lili1， WANG Jinyong1， HUANG Wei2
（1. Zhixing College， Hubei University， Wuhan 430011， China； 2. System Design Institute of Hubei Aerospace Technology Academy， Wuhan 430040， China）
Abstract： The network intelligence robot system was developed on the basis of STC11F32E MCU， TCP / IP network communication protocols and Android. The system is composed of video capture module， WiFi transmission module， PC upper computer software， Android mobile client， robot， intelligent control module， etc. The system can utilize PC or mobile phone APP to make robot switch among following mode， obstacle avoidance mode or intelligent tracking mode according to the needs of different environments， and control the robot′s movement direction and action. It can make the real?time picture taking， data acquisition and display throughout the course of the operation. Of cause， the operator can also control the robot to complete the set task. The experiment result indicates that the network intelligence robot is basically completed， and the predicted functions have realized.
Keywords： Internet of Things； intelligent robot； remote control； solar energy； STC11F32E
物聯(lián)網(wǎng)智能機器人是機器人家族中的一種，具有智能跟蹤、環(huán)境監(jiān)控、數(shù)據(jù)測試、遠程操作、跟蹤拍攝、路線循跡等功能，可以通過電腦上位機或手機客戶端遠程控制電視、空調(diào)等。也可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的智能自動跟蹤、自動循跡和自動避障。在整個運作過程中可以實時拍攝周圍視頻資料，創(chuàng)新云臺設(shè)計，實現(xiàn)全方位無死角拍攝。
當前我國大力提倡節(jié)能減排，創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，為了響應(yīng)國家號召，在設(shè)計物聯(lián)網(wǎng)機器人時創(chuàng)新加入太陽能充電裝置，雖然充電效率不高，但太陽能是最環(huán)保、有很大前景的能源。
1 總體設(shè)計方案
物聯(lián)網(wǎng)智能機器人的總體設(shè)計方案如圖1所示。
圖1中有兩種控制模式，一種是組成機器人控制局域網(wǎng)，將上位機PC端，手機客戶端APP和智能機器人連接起來，實現(xiàn)上位機PC端或手機APP客戶端控制機器人和顯示視頻數(shù)據(jù)的目的；另一種遠程控制方案是將機器人通過網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)相連，再將上位機PC端或手機APP客戶端通過數(shù)據(jù)線連入互聯(lián)網(wǎng)，可以實現(xiàn)遠程終端通過互聯(lián)網(wǎng)和機器人相連，進而實現(xiàn)控制機器人和視頻傳輸。這兩種設(shè)計方案的核心技術(shù)相同，都是通過網(wǎng)絡(luò)地址和端口號的設(shè)定，再通過指令傳輸和視頻數(shù)據(jù)傳輸，進而達到控制的目的。由于考慮到演示的效果和方便操作，本設(shè)計用局域網(wǎng)機器人控制的方式進行分析說明。
從數(shù)據(jù)傳輸方面來說，無線路由器是手機APP客戶端、上位機PC端和下位機的數(shù)據(jù)核心，終端可以通過一個套接字編程，建立網(wǎng)絡(luò)接口，進而與無線路由器進行連接，智能機器人便可以通過一個網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口的WiFi模塊，再將機器人的串口數(shù)據(jù)通過這個模塊轉(zhuǎn)變成WiFi信號，就可以實現(xiàn)和無線路由器進行數(shù)據(jù)傳輸。其中，手機客戶端APP、上位機PC端和下位機都有相應(yīng)的局域IP地址。通過設(shè)置正確的IP地址，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。
從控制的方面來說，手機客戶端APP和上位機PC端是智能機器人的控制中心[1]，這兩者可以通過按鍵，發(fā)出相應(yīng)的指令給智能機器人，智能機器人解說到對應(yīng)的指令后給上位機，再由上位機將接收到的指令進行解析，并執(zhí)行相應(yīng)的程序，完成對應(yīng)的動作。
1.1 上位機PC端軟件設(shè)計
上位機PC端[2]的功能是控制機器人的運動，控制機械手的動作，顯示機器人當前的速度，采集機器人所在環(huán)境的溫濕度，控制云臺方向，顯示機器人周圍的視頻數(shù)據(jù)。同時，可以在上位機PC端上切換智能機器人的工作模式，其中機器人的工作模式有：循跡模式、紅外避障模式、雷達避障模式、智能模式等，可以根據(jù)環(huán)境的需要切換不同的模式，也可以通過上位機PC端發(fā)送對應(yīng)的指令，控制家用電器如電視、空調(diào)等。上位機PC端軟件設(shè)計如圖2所示。
圖2中的功能實現(xiàn)主要由兩個流程完成：第一個流程核心任務(wù)是完成從機器人端傳過來的視頻數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)，而這部分的技術(shù)主要是DirectShow；第二個流程核心任務(wù)是完成從機器人端傳輸過來的機器人當前速度和溫濕度等信息，選擇當前機器人的工作模式，以及完成在上位機PC端和機器人之間的指令傳輸，實現(xiàn)機器人的向前、向后、向左、向右、加速、減速、停止、開燈和鳴笛等[3]功能。在上位機PC端上有控制機械手的進度條，可以遠程控制機械手的操作完成相應(yīng)的動作，也可以設(shè)置機械手和云臺舵機的初始狀態(tài)，避免開機時燒壞舵機。在雷達模式下，上位機PC端可以顯示當前有無障礙物，并會做出轉(zhuǎn)向的動作避開障礙物。在整個運動過程中上位機PC端都可以顯示拍攝的視頻畫面，可以用鼠標在上位機視頻顯示區(qū)控制云臺，實現(xiàn)機器人無死角拍攝。且兩個流程都設(shè)置有各自互不干擾的套接字，第一個流程與機器人的攝像頭模塊完成數(shù)據(jù)傳輸，第二個流程與機器人網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口模塊完成數(shù)據(jù)交互。
1.2 手機客戶端APP軟件設(shè)計
本文中的手機APP客戶端采用Android系統(tǒng)，在Eclipse平臺上用Java語言編寫開發(fā)的[4]。可以通過APP手機客戶端完成的設(shè)置和操作有：設(shè)置機器人的運動方向指令；設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址、視頻存儲和拍照存儲地址；設(shè)置是否用觸摸屏控制云臺；顯示視頻畫面；控制攝像頭方位和機械臂動作角度；重力控制機器人。
手機APP客戶端軟件控制設(shè)計流程如圖3所示。
1.3 下位機軟件設(shè)計
下位機設(shè)計是機器人核心處理器程序的設(shè)計。其設(shè)計內(nèi)容主要包含視頻傳輸控制、云臺操作控制、溫濕度采集、紅外對管模塊和紅外控制家電的設(shè)置，以及采集到的視頻數(shù)據(jù)和控制指令互傳等。在設(shè)計過程中每部分都是分模塊編寫的，都有相應(yīng)的程序模塊，再由主函數(shù)將所有模塊綜合起來，當下位機程序接收到上位機PC端或手機客戶端APP的相關(guān)指令后，就調(diào)用相對應(yīng)的程序模塊，執(zhí)行設(shè)定好的動作，并將完成的結(jié)果發(fā)送給終端，其設(shè)計流程如圖4所示[5]。
下位機能夠完成上位機PC端或手機客戶端APP指令，并做出相對應(yīng)的動作的核心是機器人中有網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口模塊。機器人將代碼指令通過串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口模塊，再以WiFi的形式傳出去，上位機PC端或手機客戶端APP便可以接收到下位機發(fā)出的指令，通過解析并顯示出來，為機器人的下一步動作做好準備。使用模塊時必須設(shè)置正確的IP地址以及端口號，只有對應(yīng)的設(shè)置正確了，上位機PC端、手機客戶端和下位機才能進行數(shù)據(jù)傳輸。
2 設(shè)計方案特點及擴展說明
2.1 特點介紹
本設(shè)計是以PC軟件、安卓軟件、網(wǎng)絡(luò)通信、物聯(lián)網(wǎng)以及單片機技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合當今提倡的利用環(huán)保型能源，創(chuàng)新的構(gòu)想設(shè)計出來的。從機器人處理器的選型，各個模塊的選取，通信協(xié)議方案的制定，以及上位機PC端、手機客戶端APP的設(shè)計都與現(xiàn)有的“機器人”有較大的區(qū)別。本設(shè)計利用當前最普通的處理器，完成不同尋常的動作，其特點總結(jié)如下：攝像頭全方位拍攝； 上位機PC端和APP客戶端可以顯示視頻畫面，并可以實現(xiàn)控制；上位機PC端可以控制云臺，檢查機器人狀態(tài)； 上位機PC端、APP手機客戶端和機器人上位機可以指示小車的運動狀態(tài)[6]；可以實現(xiàn)遠程操作機械手； 可以實現(xiàn)遙控家用電器如電視、空調(diào)等；可以用太陽能給蓄電池充電，并有指示燈顯示蓄電池電量；可以接收上位機的控制指令，實現(xiàn)控制，上位機亦可接收反饋指令和視頻的數(shù)據(jù)流。
其中本設(shè)計中的通信方式利用的是TCP/IP協(xié)議，采用無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實現(xiàn)對機器人的控制。只要設(shè)置好IP地址和端口號后就可實現(xiàn)連接，可以實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)機器人的控制，也可以實現(xiàn)超遠程對機器人的控制。另外上位機PC端軟件和手機客戶端APP軟件，控制模式多樣，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，符合當前機器人的發(fā)展趨勢，為當前機器人的發(fā)展提供可行方案。
2.2 擴展說明
物聯(lián)網(wǎng)智能機器人不僅可以完成上文介紹的功能，還可以擴展以下功能[7]：帶有指示燈顯示運動方向并能夠?qū)崿F(xiàn)通過重力感應(yīng)對機器人的控制；帶有GPS全球定位功能在危機時刻或者必要時可以發(fā)送信息；太陽能電池板減輕重量，實現(xiàn)對機器人供電補給；語音功能，可以實現(xiàn)語音播放；可以利用機器人無線設(shè)備上網(wǎng)，打電話等。
3 方案難點及關(guān)鍵技術(shù)
本設(shè)計方案難點在于：
（1） 上位機PC端在操作控制機器人時，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性要求很高，并要用相應(yīng)的表盤顯示出來，且對數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性要求更高，網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)不間斷傳輸更是困難；
（2） 手機客戶端APP通過觸屏控制云臺，并顯示拍攝視頻畫面。顯示視頻就很困難，而通過觸摸屏幕不同方位，控制云臺方向更是困難；
（3） 視頻處理是利用M?JPEG格式圖片，在規(guī)定時間內(nèi)傳輸一定張數(shù)，顯示出視頻畫面。如果對DierctShow技術(shù)內(nèi)部細節(jié)掌握不夠，處理視頻時就會很困難。關(guān)鍵技術(shù)有：下位機程序模塊化編寫；上位機PC端軟件編寫；手機客戶端APP的編寫；TCP/IP通信協(xié)議的設(shè)定；機器人作為無線網(wǎng)接入網(wǎng)絡(luò)；機器人智能模式的完成。
4 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析
4.1 物聯(lián)網(wǎng)智能機器人整體外觀
物聯(lián)網(wǎng)智能機器人外觀設(shè)計見圖5，整個設(shè)計主要分為上位機PC端、手機客戶端APP和機器人三個部分。
4.2 系統(tǒng)整體調(diào)試
機器人調(diào)試主要包括上位機PC端的調(diào)試、手機客戶端APP調(diào)試和機器人整體調(diào)試。其中機器人整體調(diào)試包括機械手調(diào)試，太陽能板調(diào)試，智能傳感器模塊調(diào)試，智能控制電視、空調(diào)調(diào)試、視頻顯示調(diào)試等。
4.2.1 上位機PC端調(diào)試
上位機PC端界面可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接模式，顯示視頻、溫濕度和速度等，并實現(xiàn)對機器人運動控制、云臺控制、機械手控制以及對應(yīng)的功能調(diào)試，如圖6所示。
（1） 網(wǎng)絡(luò)連接。網(wǎng)絡(luò)連接IP地址為192.168.1.1，端口號為2001。其中此IP地址和端口號分別為機器人的網(wǎng)絡(luò)地址和 WiFi模塊默認的端口號。上位機設(shè)置成以上地址和端口號后就可以實現(xiàn)連接了。這里著重調(diào)試通信協(xié)議，通信指令按照之前設(shè)定好的代碼，當發(fā)送相應(yīng)的代碼，機器人就可以做出相應(yīng)的動作。
（2） 機器人的運動。機器人上位機PC端連接好網(wǎng)絡(luò)后，用鍵盤就可以控制機器人的運動。分別點擊W，S，A，D是向前、向后、向左、向右的運動，當拖動鼠標時就可以控制云臺，進而控制攝像頭方位。
為了能更清晰地指示當前機器人的運動狀態(tài)。在機器人的上端設(shè)置有指示燈，當機器人向前運動時，向前的指示燈亮；當向后時，向后的指示燈亮；向左、向右情況相同。并且機器人運動的方位不同，指示燈顯示的顏色不同。智能機器人在上位機PC端可以設(shè)置不同的控制模式，在不同的應(yīng)用領(lǐng)域應(yīng)采用不同的模式。不同的控制模式和控制模式命令代碼分別為：FF130100FF，F(xiàn)F130200FF，F(xiàn)F130300FF，F(xiàn)F130400FF，F(xiàn)F130000FF，F(xiàn)F50000XFF。
（3） 遙控電視。智能機器人可以通過紅外控制家中電器電視和空調(diào)等。首先通過上位機PC端發(fā)送FF500001FF，讓智能機器人學習一個“頻道加”按鈕，之后再通過上位機PC端發(fā)送FF510001FF就可以使用智能機器人來控制家中電視“頻道加”。
4.2.2 手機客戶端APP調(diào)試
（1） 網(wǎng)絡(luò)連接。在APP端上可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)地址為192.168.1.1，再設(shè)置端口號為2001。確認連接后，即可以顯示機器人拍攝的畫面。
（2） 機器人運動。在APP上可以通過遙感、按鈕控制機器人，也可以通過手機的重力感應(yīng)控制機器人。同時亦可通過控制機械臂進度條來控制機械手，實現(xiàn)機械手的操作自如。
（3） 視頻顯示。在整個控制過程中，可以實時顯示拍攝的視頻畫面。在進行超遠程控制時，畫面仍然可以傳輸回來，且能清晰顯示。另外在調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，設(shè)置波特率時不能調(diào)的特別大，不然顯示的畫面不清晰。
5 結(jié) 語
在經(jīng)過多次調(diào)試和反復修改程序，物聯(lián)網(wǎng)智能機器人基本完成，實現(xiàn)了預期的功能。視頻傳輸和指令傳輸正常，系統(tǒng)穩(wěn)定，機器人各個控制功能都可以完成，電量顯示的靈敏性，數(shù)據(jù)采集的準確性，太陽能充電的能量利用率都達到要求，且無論是在局域網(wǎng)還是超遠程互聯(lián)網(wǎng)中都可以對機器人操控，其系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性可以和近距離控制相比。
本設(shè)計將PC軟件技術(shù)、安卓手機APP、通信技術(shù)、傳感器技術(shù)和單片機技術(shù)有機地結(jié)合起來，順應(yīng)了當今電子行業(yè)的發(fā)展趨勢，擴展了物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域。本設(shè)計應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，有很大的市場價值，另外，機器人還可以擴展GPS全球定位、無線上網(wǎng)、語音對話等。
參考文獻
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【關(guān)鍵詞】感應(yīng)式機器人；傳感器；循跡；鋁箔；火炬接力
感應(yīng)式機器人是采用感應(yīng)循跡的方法制作的一種循跡機器人，機器人的軌道被隱藏起來，循跡方式與傳統(tǒng)的光電循跡機器人完全不同，由于這種循跡方式不受光線的干擾，因而大大擴展了這種循跡機器人活動空間，特別方便在室外進行這樣的競賽活動。競賽時，三個機器人組成一個競賽隊，分別放置在賽道的不同位置，在裁判一聲哨響之后，第一個機器人被哨聲啟動，點亮火炬，尋著賽道前進，在與賽道第二個機器人相會時，第一個機器人火炬熄滅，停止前進，第二個機器人點亮火炬繼續(xù)前進，同樣的方式，第三個機器人接過火炬后，一直前進至終點指定位置，機器人停止運行，火炬熄滅。本競賽以達到終點的時間評定成績，時間越短，成績越好。與傳統(tǒng)光電循跡機器人競賽不一樣，在競賽的賽道上，沒有明顯的軌道線，機器人競賽的賽場就是一副寫真的圖畫，機器人循跡的軌道，是隱藏在這幅圖畫背面的不干膠鋁箔膠帶，正因為這樣，這個競賽給觀眾們增添了更多的神奇和樂趣。
1.感應(yīng)式火炬接力機器人結(jié)構(gòu)
機器人包括循跡傳感器、傳感器電路板、單片機控制電路板、動力電機、導向輪、碰觸開關(guān)、LED火炬燈、電源等，和光電循跡機器人結(jié)構(gòu)基本相同，可以直接用光電循跡機器人改裝。圖1是本文機器人車體結(jié)構(gòu)示意圖。
2.感應(yīng)式循跡機器人電路設(shè)計
感應(yīng)式循跡機器人電路結(jié)構(gòu)與光電循跡機器人也基本相同，由循跡傳感器電路，單片機控制電路，電動機驅(qū)動電路等組成，不同點在于，感應(yīng)式循跡機器人采用了金屬探測器作為循跡電路。
2.1 感應(yīng)式循跡原理
感應(yīng)式循跡傳感器就是一個電感線圈。傳感器電路是一個電感三點式振蕩電路，這實際上是一個金屬探測器電路，見圖2-a，工作原理是，電感線圈L與電路中C1、C2、C3、VT1等構(gòu)成一個電感三點式振蕩電路，正常工作時，其產(chǎn)生的震蕩信號經(jīng)VT2放大，由D1、D2、C6等進行整流、濾波，使三極管VT3的基極獲得了一定幅度的基極電壓而導通，其集電極輸出低電平。若把電感線圈L靠近金屬物體，線圈的變化磁場會在金屬物體內(nèi)感應(yīng)出渦流而產(chǎn)生鐵損，線圈的Q值下降，電路振蕩減弱直至停止振蕩。作用在VT3基極上的電壓將不復存在，三極管VT3由導通變?yōu)榻刂梗浼姌O輸出高電平，我們把這個信號經(jīng)處理后送給單片機I/O端口，單片機就可以通過檢測該端口的信號變化，了解機器人的運行狀態(tài)，給出相應(yīng)的控制指令。電路中，通過調(diào)整可調(diào)電阻RP的電阻大小，可調(diào)節(jié)電路的正反饋幅度，使振蕩電路剛好處于振蕩的臨界點上，這樣可調(diào)節(jié)傳感器的探測靈敏度。圖2-b是作為傳感器的電感線圈實物。把不干膠鋁箔粘貼在賽道上作為軌道，就可以通過電感線圈與鋁箔的位置了解機器人的運行狀態(tài)并進行方向控制。
2.2 機器人控制電路
本電路需要實現(xiàn)這樣一些功能，1）聲控啟動。第一棒機器人在拍手或有哨聲響后，要自動進入運行狀態(tài)，點亮火炬，開始循跡前進。2）第二、第三棒機器人由碰撞來啟動電路。3）第一、第二棒機器人碰撞后停止運行。4）火炬點亮和熄滅控制。5）循跡控制。6）電機的驅(qū)動控制等。控制電路采用AT89S51單片機，根據(jù)上述這些功能，要為單片機的控制設(shè)置合理的I/O口。電路見圖2，P1.0口為聲控電路連接口，P3.2、P3.3為火炬交接時，碰撞開關(guān)連接口，在電路板上焊裝兩個按鈕開關(guān)，可以對碰撞效果進行檢驗、調(diào)試。P0.0為火炬連接口，該口連接一只LED模擬火炬。P3.4-P3.7為傳感器電路的連接口，這里安排了4個端口，連接4個感應(yīng)式傳感器電路。單片機的P2.0-P2.3連接電動機驅(qū)動電路，驅(qū)動電路采用L293D專用集成塊，可使電路設(shè)計制作變得簡單一些，圖4是一個聲控模塊電路原理圖。
3.感應(yīng)式機器人循跡控制設(shè)計
3.1 循跡軌道線與傳感器布局
循跡用鋁箔軌道線寬度為25mm，設(shè)置在賽道的中間，帶不干膠，可以直接粘貼在賽場上。傳感器由4個電感組成，排布在鋁箔線兩邊，中間兩個電感基本騎跨在鋁箔線上，見圖5-a。
3.2 循跡狀態(tài)分析
圖5示列出了機器人循跡過程中，傳感器可能出現(xiàn)的5種循跡狀態(tài)，圖5-a，傳感器L2、L3跨騎在鋁箔線上，此時，L1out=0，L2out=1，L3out=1、L4out=0。此時，機器人工作在前進狀態(tài)。圖5-b，機器人出現(xiàn)右偏，傳感器L3向右脫離鋁箔線，4個傳感器對應(yīng)輸出狀態(tài)為：L1out=0，L2out=1，L3out=0、L4out=0，這時，機器人需要向左調(diào)整運動方向，其運行狀態(tài)應(yīng)為：左轉(zhuǎn)。圖5-c，L2也向右脫離鋁箔線，L1靠上鋁箔線，傳感器狀態(tài)為：L1out=1，L2out=0，L3out=0、L4out=0，此時，機器人運行狀態(tài)應(yīng)為：急左轉(zhuǎn)。圖5-d，鋁箔線出現(xiàn)轉(zhuǎn)角，傳感器狀態(tài)為：L1out=1，L2out=1，L3out=1、L4out=0，機器人運行狀態(tài)：左轉(zhuǎn)90度。有時機器人運行過快，可能沖出賽道循跡線，如圖5-e，此時傳感器狀態(tài)為：L1out=0，L2out=0，L3out=0、L4out=0，機器人離線處理方法：后退！運行中傳感器的可能出現(xiàn)的狀態(tài)有很多，將其分類歸納，然后建立一個和運行方式對應(yīng)的控制表，以此為基礎(chǔ)，作為我們的單片機程序編寫依據(jù)。
3.3 建立循跡狀態(tài)與電機控制編碼表
表1中，列出了部分循跡狀態(tài)的編碼，這個編碼對應(yīng)著電動機狀態(tài)的控制編碼，每個控制狀態(tài)要維持一定的時間，把時間參數(shù)的編碼和電機控制狀態(tài)的編碼組合后放入一個字節(jié)中，控制碼放入字節(jié)的高4位，時間參數(shù)的編碼放在低4位，這樣可以讓機器人運行程序的編寫變得簡捷起來。
4.火炬接力賽程序編寫
4.1 循跡控制程序編寫方法
按照表1的編碼方法，可以得到一個更加完整的編碼表，這個表以循跡碼為序，從0至F進行編排，對不可能出現(xiàn)的循跡狀態(tài)，以“/”表示，這種狀態(tài)時，讓機器人的控制狀態(tài)都為“前進”。這樣，我們就可以獲得16種循跡狀態(tài)下對應(yīng)的機器人運行狀態(tài)的組合控制碼。編寫程序時，按循跡編碼的大小順序，把這個組合碼放在表中，機器人運行時，讓單片機不斷掃描P3口獲取循跡碼的情況，通過查表的方式，取得到組合編碼，直接把高4位控制編碼送入P2端口，控制電動機運行，把延時參數(shù)送入延時子程序，就可以實現(xiàn)對感應(yīng)式機器人的運行控制。
4.2 火炬接力賽軟件流程圖
除了實現(xiàn)感應(yīng)循跡控制外，還要完成機器人火炬接力競賽任務(wù)，前面我們在單片機控制電路設(shè)計中，已經(jīng)為火炬接力安排了單片機控制端口，按照上述要求，實現(xiàn)火炬接力的軟件流程圖見圖6。
5.電路安裝與調(diào)試
5.1 感應(yīng)式傳感器的安裝與調(diào)試
感應(yīng)式機器人電路中，采用的元件和光電循跡機器人基本相同，可以直接用光電循跡機器人改裝，其循跡傳感器的傳感器元件L選用電感量為6.8mH的立式成品電感，根據(jù)傳感器數(shù)量，每個傳感器要制作一個金屬探測器電路，本文采用了4個傳感器，因此，需要把四個金屬探測器電路集中做在一個電路板上，這樣便于安裝。作為傳感器的電感元件，要事先固定在一個支架上，然后安裝在機器人前方底盤的合適位置。要注意的是：1）中間兩個傳感器不能距離太近，至少要相距20mm，不然會相互干擾，不能正常工作。2）傳感器底面距地面的距離3-5mm為宜，傳感器靈敏度交高的，可以適當高一點，一般5mm足夠了。3）安裝之前，需要調(diào)整好傳感器的靈敏度，方法是，把要調(diào)的傳感器電路接入電感，傳感器電路板接上電源，如果電路處于震蕩狀態(tài)，電路板上的LED會亮著，這是，用螺絲刀調(diào)電路中相應(yīng)的可調(diào)電阻RP的大小，讓這個LED由亮變滅，滅了以后，再輕輕的旋動螺絲刀，讓這個LED正好亮起來，這樣做，是為了讓電路處于震蕩的臨界狀態(tài)。這時，把螺絲刀靠近被調(diào)的這個電感元件的底部，LED應(yīng)該熄滅，讓螺絲刀正好熄滅的這個距離，就是傳感器的靈敏度，這個距離一般在3-8mm之間。每個傳感器電路，都要用這種方法進行調(diào)試，這是感應(yīng)式循跡機器人正常工作的關(guān)鍵步驟，由于這個調(diào)試與環(huán)境因素沒有關(guān)系，較之光電傳感器的調(diào)試，要方便很多。
5.2 碰撞開關(guān)的安裝與調(diào)試
這之前，需要先把機器人運行程序下載到單片機中，分別按下S1、S2，機器人應(yīng)能啟動和停止，這表明碰撞開關(guān)的控制程序沒有問題。
碰撞開關(guān)選用成品輕觸開關(guān)比較好，機器人前后各安裝兩個，兩兩并接起來，然后接入單片機對應(yīng)接口，在調(diào)試整機的時候，按下后面碰觸開關(guān)，機器人能被啟動，作為火炬的LED亮起來，按下前面的碰觸開關(guān)，機器人能停止工作。
5.3 聲控模塊的調(diào)試
第一把火炬手機器人需要聲控啟動，聲控模塊在接收到哨聲或拍手聲后，會輸出一個脈動信號給單片機端口，以此來啟動機器人運行，模塊的靈敏度不要太高，不然會出現(xiàn)還沒有準備好，機器人就被外界聲音啟動工作，在1米距離內(nèi)拍手或哨音能啟動機器人就行。
5.4 接力運行實驗
最后，檢驗編寫的程序正確與否，可以把機器人接通電源后，用聲控或碰后面碰觸開關(guān)的方法啟動機器人，把機器人拿在手上觀察，此時，機器人應(yīng)工作在后退狀態(tài)，把機器人放在貼好的鋁箔線上，機器人前進運行，并能在轉(zhuǎn)彎處自動轉(zhuǎn)彎，把機器人4個傳感器都壓在鋁箔線上時，機器人也應(yīng)該停止運行。通過這樣的試驗，就可以組隊參加機器人火炬接力的競賽了。
6.結(jié)語
感應(yīng)式機器人由于采用了新的循跡方法，傳感器制作簡單，調(diào)試方便，運行可靠。大大提高了循跡機器人抗干擾能力，擴展了機器人的活動空間，有利于促進學生的機器人制作競賽等科技活動的開展，機器人火炬接力賽很好地利用了這一特點，受到學生的廣泛歡迎和積極參與。
參考文獻
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【關(guān)鍵詞】四軸飛行器 運載 機器人 微控制器
四軸飛行器自從被發(fā)明以來，由于它具有靈活、穩(wěn)定、可懸停等優(yōu)點，得到人們的廣泛關(guān)注。目前它在商業(yè)領(lǐng)域中主要是用于執(zhí)行低成本航空拍攝任務(wù)，如體育賽事、綜藝節(jié)目的拍攝錄制。與此同時，四軸飛行器在其他領(lǐng)域的運用也在不斷拓展，比如軍事偵察，地形勘察等。考慮到四軸飛行器具有一定的運載能力，本文打算從另一運用出發(fā)，讓四軸飛行器執(zhí)行貨物的運載與投放任務(wù)。傳統(tǒng)的貨物運輸主要是靠人力完成，比如說快遞等，在這個人力資源越來越寶貴的今天，我們有必要嘗試將人力資源從這些事務(wù)中解放出來。近年來由于與四軸飛行器的有關(guān)各個核心難題被逐漸攻克，四軸飛行器的價格也逐漸走低，而性能卻在不斷的提升，因此得以實現(xiàn)高效能，低成本的無人機載貨與投放方案 。
1 主要器件選型
為了實現(xiàn)低成本的目的以及便于程序的開發(fā)、調(diào)試，選擇合適的微控制器和姿態(tài)傳感器是關(guān)鍵。本設(shè)計采用意法半導體公司的STM32F103RBT6單片機。STM32系列是基于ARM公司Cortex-M3內(nèi)核的一款高性能的微控制器，它的功耗低，在72MHz時消耗36mA（所有外設(shè)處于工作狀態(tài)），而待機時則下降到2μA；集成度高，內(nèi)部集成了復位電路、低電壓檢測、調(diào)壓器、精確的RC振蕩器等；資源豐富，最多多達11個定時器和112個的快速I/O端口，同時還具備12位高精度AD轉(zhuǎn)換，具備PWM波調(diào)制，I2C總線控制，串行通信等功能，使得電路大大簡化。豐富的硬件資源使得它非常適合用作四軸飛行器的主控芯片。
姿態(tài)測量系統(tǒng)是用于感知四軸飛行器的飛行姿態(tài)。如何實時，低噪聲地獲取飛行器的姿態(tài)信息是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。MPU9250[5]是InvenSense公司推出的第二代9軸組合傳感器，它將6軸慣性測量單元（加速度計+陀螺儀）和3軸磁力計集成于3mm×3mm QFN封裝中，相比上一代產(chǎn)品，面積減小了45%。它解決了陀螺儀與加速器安裝時的軸間差問題，占用很少的PCB空間。它具有131 LSBs/°/sec 的敏感度與測量范圍為±250、±500、±1000、±2000°/sec 的3軸角速度感測器（陀螺儀）和可編程測量范圍為±2g、±4g、±8g和±16g的3軸加速度計。MPU9250擁有高達400kHz快速模式的I2C，或最高至20MHz的SPI串行主機接口，使得它與控制芯片能夠做到快速、實時地通信。
電磁鐵在通電狀態(tài)下可以產(chǎn)生強吸附力，把它安裝在自動化設(shè)備中可對被吸附物體起到停止或移動作用。廣泛應(yīng)用于自動化配送生產(chǎn)線，分揀機器，機械手，實驗設(shè)備，醫(yī)療研磨、切割、切削等自動化加工生產(chǎn)線上材料或產(chǎn)品的輸送、傳遞。它具有控制簡單，省力省電，安全可靠，并且可以進行遠程操作等優(yōu)點。它要求被吸附物表面應(yīng)該盡可能地平整，吸引力是指電磁鐵吸合面與被吸附的鐵塊完全接觸之后通電產(chǎn)生的吸力。本設(shè)計從簡易性和可靠性出發(fā)，選用ELE-P2015型號的電磁鐵來實現(xiàn)貨物的運載與投放。ELE-P2015自重輕，僅25g；體積小，三維為20mm×18mm×15mm；吸附力強，在12V供電，理想接觸的情況下可達2.5kg。只需要在貨物的表面貼一塊薄鐵片，便可利用電磁鐵通電產(chǎn)生強磁將貨物吸住，斷電后退磁釋放貨物以實現(xiàn)我們的目的。
2 電路設(shè)計
這里的設(shè)計主要分為四個部分，第一部分是微控制器STM32的基本電路，作為整個設(shè)計的控制核心，通過對傳感器采集回來的數(shù)據(jù)加以分析處理然后發(fā)出控制信號；第二部分是各個傳感器，負責飛行器姿態(tài)數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)換并通過I2C總線發(fā)送給微控制器；第三部分是控制部分由無感無刷電子調(diào)速器和無刷電機以及電磁鐵組成，起到控制輸出以調(diào)節(jié)姿態(tài)的作用；第四部分是通信電路，由藍牙串口模塊組成，起到飛行器與PC或手持設(shè)備交換數(shù)據(jù)的作用。
主控芯片STM32核心電路與部分器件連接電路如圖1所示。
傳感器電路設(shè)計與電磁鐵控制電路如圖2所示。
3 PID控制算法
我們以飛行器的橫滾軸roll為例介紹四軸飛行器的PID控制算法。首先是由微控制器通過姿態(tài)傳感器獲得的飛行器的姿態(tài)角rol_now，其值在+-90°之間。然后由微控制器解算遙控接收機的PPM信號，得到控制的目標姿態(tài)角rol_tar，其值在1000-2000之間。通過它們的差值就可以得到控制偏差量rol_err。對rol_err進行積分并限幅可以得到rol_i，乘以控制系數(shù)PID_ROL.I即可得到積分控制PID_ROL.iout。同理可得到比例控制PID_ROL.pout和微分控制PID_ROL.dout。其中微分控制PID_ROL.dout中的rol_d來源于橫滾軸的陀螺儀直接測量輸出，能起到很好的抑制飛行器振蕩。將PID_ROL.pout、PID_ROL.iout和PID_ROL.dout相加即可得到四軸飛行器的橫滾軸控制輸出。再將輸出分別作用于四個電機便可以完成對roll軸的控制。相關(guān)代碼如下
rol_err= rol_now-（rol_tar-1500）/10.0；
rol_i+=rol_err；
rol_i=Number_Limit（rol_i，10，-10）；
PID_ROL.pout = PID_ROL.P * rol_err；
PID_ROL.iout = PID_ROL.I * rol_i；
rol_d =（GYRO.X/1000.0）
PID_ROL.dout = PID_ROL.D *rol_d；
PID_ROL.OUT = PID_ROL.dout + PID_ROL.iout + PID_ROL.pout；
moto1 = throttle - PID_ROL.OUT + PID_PIT.OUT - PID_YAW.OUT；
moto2 = throttle + PID_ROL.OUT + PID_PIT.OUT + PID_YAW.OUT；
moto3 = throttle + PID_ROL.OUT - PID_PIT.OUT - PID_YAW.OUT；
moto4 = throttle - PID_ROL.OUT - PID_PIT.OUT + PID_YAW.OUT；
4 硬件電路設(shè)計
電磁鐵的安裝以及整機效果如圖3和 圖4所示。
5 結(jié)論
本文利用STM32F103RBT6作為核心控制器件，再加上整合性9軸運動處理組件MPU9250， ELE-P2015型電磁鐵和必要的電路及硬件資源，設(shè)計實現(xiàn)了具備實時姿態(tài)控制、懸停、飛行、貨物運輸與投放等功能的四軸飛行機器人。利用電磁鐵作為物體的拾取和投放方式，改變了以往的機械手結(jié)構(gòu)復雜、體積大、容易滑脫等缺點，達到了重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性更高等優(yōu)點。這樣同時減少了飛行器的總體質(zhì)量，使得飛行器的有效載荷更大、滯空時間更長，這也為以后的各項擴展應(yīng)用打好了基礎(chǔ)。
參考文獻
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作者簡介
李浩蜜（1993-），男，重慶市人。現(xiàn)為重慶大學通信工程學院本科生，研究方向為電子與通信工程。
作者單位
【關(guān)鍵詞】搜索引擎；CBIR；線程池；Agent；智能機器人
【中圖分類號】G40-057 【文獻標識碼】A 【論文編號】1009―8097 (2009) 02―0092―04
引言
物質(zhì)資源、能源資源和信息資源是現(xiàn)代社會經(jīng)濟與技術(shù)發(fā)展的三大支柱性資源。教育信息資源作為信息資源的重要組成部分，在提高教育教學質(zhì)量，挖掘教育的發(fā)展?jié)摿ι习l(fā)揮著重要的作用。為此，各個國家都成立了自己的國家級教育資源中心，如美國的國家教育資源信息中心，我國教育部基礎(chǔ)教育課程教材發(fā)展心和中央電化教育館主辦國家基礎(chǔ)教育資源網(wǎng)等。國之源、K12、科利華、中教育星、同方思科、騰圖、清華同方等資源庫的建設(shè)也日益成熟，教育資源已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)資源中的一個重要部分,用戶在通過教育資源庫獲取海量信息的同時,解決對信息的篩選、信息的辨識、信息的消化以及信息的質(zhì)量、信息的個性化等問題已顯得日趨重要。
對文本、圖像、視頻、動畫、課件等教育資源的聚類、分類、檢索[1]－[5]是十分活躍的研究領(lǐng)域，是有效地利用海量教育資源、實現(xiàn)個性化智能尋找教育資源的必然之路。我們在傳統(tǒng)算法中引入一種自適應(yīng)的參數(shù)選擇機制，對關(guān)鍵參數(shù)進行動態(tài)設(shè)置，以滿足互聯(lián)網(wǎng)上復雜多變的應(yīng)用環(huán)境和資源智能搜索引擎這一網(wǎng)上特定主題的服務(wù)，CBIR教育圖像資源搜索引擎智能機器人的設(shè)計與開發(fā)則是基于內(nèi)容的教育圖像資源智能搜索引擎的核心工作之一[6]。
一 CBIR教育圖像資源搜索引擎智能機器人設(shè)計
1總體設(shè)計方案
圖像內(nèi)容搜索引擎機器人采用Spider程序進行構(gòu)造。構(gòu)造時采用基于多任務(wù)、多線程的線程池模式，即采用非遞歸的設(shè)計方案，Spider程序在發(fā)現(xiàn)每個新網(wǎng)頁或圖像URL時，它將使用一個不調(diào)用自身的方法，而是使用線程池。為得到Spider程序的處理，每一個新發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)頁或圖像URL必須在線程池中等待。給定Spider程序一個要訪問的網(wǎng)頁或圖像URL，把這一網(wǎng)頁或圖像URL加入到線程池中去；當Spider程序發(fā)現(xiàn)新的網(wǎng)頁或圖像URL時，把它們加入到線程池；當Spider程序處理完當前的URL，在線程池中查找要處理的下一URL。總體設(shè)計方案如圖1。
2 系統(tǒng)模塊設(shè)計方案
基于內(nèi)容的教育圖像資源搜索引擎智能機器人主體由多線程池循環(huán)模塊構(gòu)成，系統(tǒng)模塊設(shè)計方案如圖2所示。
二 教育圖像資源搜索引擎機器人中的線程池技術(shù)
多線程池循環(huán)模塊是基于內(nèi)容的教育圖像資源搜索引擎智能機器人的主控模塊，負責在網(wǎng)絡(luò)上循環(huán)搜索教育圖像資源。教育圖像資源搜索引擎智能機器人同時也就是知識庫專家系統(tǒng)中的推理機，與知識庫專家系統(tǒng)成為一體，以線程池的方式工作，多個Agent相互協(xié)作，這對提高機器人的搜索效率有著重要的作用。據(jù)此我們開發(fā)了以知識庫為后臺支持的，以中間件技術(shù)為支持的基于內(nèi)容的教育圖像資源搜索引擎。
1 教育圖像資源搜索引擎機器人線程池技術(shù)優(yōu)越性
教育圖像資源搜索引擎智能機器人使用圖像的獲取、圖像的下載、圖像的匹配等Agent并行地協(xié)同工作，使得搜索工作持續(xù)進行，采用多線程技術(shù)進行處理。我們發(fā)現(xiàn)，這樣處理存在以下問題：
其一，圖像的獲取、圖像的下載、圖像的匹配等Agent自身的線程創(chuàng)建和銷毀很費時間，創(chuàng)建一個對象要獲取內(nèi)存資源或者其它更多資源。提高智能機器人效率的方式就是盡可能減少創(chuàng)建和銷毀對象的次數(shù)，特別是一些很耗資源的對象創(chuàng)建和銷毀。
其二，智能機器人采用多線程技術(shù)創(chuàng)建的線程花費了大量時間在睡眠狀態(tài)來等待事件的發(fā)生，還有一些線程進入睡眠狀態(tài)后定期被喚醒以輪詢工作方式來改變或者更新狀態(tài)信息。這樣降低整個搜索的吞吐量, 導致系統(tǒng)性能的下降而不是最初設(shè)計時期望要提高系統(tǒng)性能。
采用線程池技術(shù)可以更有效地使用線程，它為智能機器人提供一個由系統(tǒng)管理的工作者線程池。至少會有一個線程來監(jiān)聽放到線程池的所有等待操作，當?shù)却僮魍瓿珊螅€程池中將會有一個工作者線程來執(zhí)行相應(yīng)的回調(diào)函數(shù)。在系統(tǒng)啟動或空閑時創(chuàng)建一定量的線程保存在線程池中, 在系統(tǒng)關(guān)閉時銷毀線程及其資源。當有任務(wù)來時不需要創(chuàng)建就從線程池中取一線程執(zhí)行任務(wù), 執(zhí)行完任務(wù)后又放回至空閑線程池中。如果長時間沒有任務(wù)執(zhí)行也可銷毀一定量的線程, 使線程池中保持一定的線程數(shù)。當有任務(wù)來時線程池中沒有空閑線程, 且此時線程數(shù)沒有達到最大線程數(shù)時, 創(chuàng)建新線程。如果達到最大線程數(shù)而沒有空閑線程時, 任務(wù)等待, 直到池中有空閑線程。采用線程池技術(shù)解決了的獲取、圖像的下載、圖像的匹配等多Agent地協(xié)同工作的效率問題，特別是圖像匹配與的獲取、圖像的下載不同速度的協(xié)同問題，具有相當?shù)膬?yōu)越性。
2 教育圖像資源搜索引擎機器人線程池技術(shù)的優(yōu)化
簡單線程池存在一些問題，如果有大量的線程要求智能機器人為其服務(wù)，但由于線程池的工作線程是有限的，智能機器人只能為部分線程服務(wù)，其它線程提交的任務(wù)，只能在任務(wù)隊列中等待處理。但智能機器人的響應(yīng)時間要求不能太長，則需要調(diào)整優(yōu)化線程池尺寸[7]，主要有下列優(yōu)化措施：
其一，動態(tài)增加工作線程。在智能機器人線程池中提供一個可以動態(tài)改變的工作線程數(shù)目的功能，以適應(yīng)線程變化的需要。一旦請求變少了將逐步減少線程池中工作線程的數(shù)目。線程增加采用超前方式，即批量增加一批工作線程。同時在線程池中限制線程池中工作線程數(shù)目的上限和下限，以防止這種靈活的方式也就變成一種錯誤的方式或者災難，因為頻繁的創(chuàng)建線程或者短時間內(nèi)產(chǎn)生大量的線程將會背離使用線程池原始初衷――減少創(chuàng)建線程的次數(shù)。
其二，優(yōu)化工作線程數(shù)目。根據(jù)統(tǒng)計學的原理來統(tǒng)計線程的請求數(shù)目，比如高峰時段平均一秒鐘內(nèi)有多少任務(wù)要求處理，并根據(jù)系統(tǒng)的承受能力及客戶的忍受能力來平衡估計一個合理的線程池尺寸。線程池的尺寸確實很難確定，智能機器人中采用實驗結(jié)果的經(jīng)驗值來做為線程池的尺寸。
其三，智能機器人提供多個線程池。智能機器人根據(jù)不同任務(wù)或者任務(wù)優(yōu)先級來采用不同線程池處理。圖像的獲取、圖像的下載、圖像的匹配等Agent采用不同的線程池進行處理，分而治之，體現(xiàn)不同任務(wù)的任務(wù)優(yōu)先級。
智能機器人中替換成圖像的獲取、圖像的下載、圖像的匹配等Agent需要大量的線程來完成任務(wù)，且完成任務(wù)的時間比較短，使用線程池技術(shù)取得了較好的效果。
3 教育圖像資源搜索引擎機器人線程池的通信
消息對話通信是實現(xiàn)靈活和復雜的協(xié)調(diào)策略的基礎(chǔ)[8]。Agent使用規(guī)定的協(xié)議相互交換信息，用于建立通信和協(xié)調(diào)機制。其具體通信過程如圖3所示。
教育圖像資源搜索引擎智能機器人中替換成圖像的獲取、圖像的下載、圖像的匹配等各Agent相互通知該世界中已經(jīng)探索過的部分， 使每個Agent可能少做一些探索，向其他Agent詢問世界特定部分的情況，回答問題，請求或者命令其他Agent采取行動，許諾做某事或者提供幫助，確認請求和提議，分享感受和經(jīng)驗。在面向消息的智能機器人多Agent系統(tǒng)中，發(fā)送Agent把特定消息傳送至另一Agent(接收Agent)，兩Agent之間的消息是直接交換的，執(zhí)行中沒有緩沖。
教育圖像資源搜索引擎智能機器人中線程池間各Agent的通信存在以下問題：每個Agent對于所要完成的任務(wù)擁有全面的信息或能力，系統(tǒng)的宏觀的問題求解；Agent成員之間以及與系統(tǒng)的目標、意愿和行為的一致；合作對象的明確選擇；沖突的檢測和協(xié)調(diào)；通信的協(xié)商的合時合理；對分散的共享數(shù)據(jù)和資源的有效分配和管理；系統(tǒng)的安全機制；Agent的靈活管理方式；有效及時地對環(huán)境的變化做出反應(yīng)等。為了有效地解決這些問題，我們采用集中式管理的通信機制，負責對所有或部分Agent成員的行為、協(xié)作、任務(wù)分配以及共享資源等進行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)和管理,可以是管理Agent、協(xié)調(diào)Agent、監(jiān)督Agent等，與各Agent成員之間具有一定程度的管理和被管理的關(guān)系，如圖4所示。
智能機器人中集中式MAS機制在一定程度上推理成員Agent的能力行為，判斷成員Agent之間行為的相互影響，幫助成員Agent更為迅速和準確地確定協(xié)作對象，組織成員Agent之間的相互合作，協(xié)調(diào)成員Agent之間的矛盾和沖突，使成員Agent通過學習產(chǎn)生對整體行為有益的影響 。集中式MAS機制推測協(xié)作對象的行為和通信，減少了協(xié)調(diào)和通信代價，提高了成員之間協(xié)作的有效性。
三 教育圖像資源搜索引擎智能機器人實現(xiàn)
根據(jù)輸入的URL建立多IP數(shù)組到獲取線程池；依據(jù)各個IP建立各自的線程；各個線程完成每個IP的教育圖像資源搜索；通過各線程池協(xié)作，反復，至規(guī)定寬度與深度頁面全部搜索完成。教育圖像資源CBIR Robot系統(tǒng)運行結(jié)果如圖5所示。
線程池技術(shù)對CBIR教育圖像資源搜索引擎智能機器人的性能有著顯著的改善。但因整個系統(tǒng)還涉及到知識庫、圖像內(nèi)容的表示、圖像內(nèi)容的搜索等多方面的技術(shù)，多文種技術(shù)等，如何更好地優(yōu)化搜索系統(tǒng)，是進一步需要解決的問題。
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【關(guān)鍵詞】自動駕駛；救援機器人；APM2.8飛控；遙控機械手
0 前言
近些年，戰(zhàn)爭、恐怖襲擊等突發(fā)事件，地震、海嘯等自然災害及潛在的核、化、生和爆炸物等嚴重威脅著人類的生命與財產(chǎn)安全。災難發(fā)生后的72小時為黃金搶救時間，但受災難現(xiàn)場的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境的影響，救援人員難以快速、高效、安全地進行工作，且救援任務(wù)逐漸超出了救援人員的能力范圍。因此，救援機器人已經(jīng)成為一個重要的發(fā)展方向。但是傳統(tǒng)救援機器人搜救中，救援機器人的搜索半徑往往較小，而且搜救環(huán)境往往復雜多變，在有些大范圍搜查救援中往往采取人力搜查。傳統(tǒng)救援機器人進行搜救工作需要人工操作，既要進行駕駛又要進行信息采集，效率很低。這些原因致使地面救援機器人無法在大范圍的救援巡查中的發(fā)展與應(yīng)用。在國內(nèi)，救災機器人的研究起步較晚，但受到的重視程度很高。
1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案
本設(shè)計主要采用手持遙控器和計算機遠程自動控制，其中遙控器控制機械手模塊和高壓水泵，還可切換APM 2.8飛控的控制模式，計算機控制通過433MHz的數(shù)據(jù)傳輸模塊導入機器人的預訂行進路線，并可實時監(jiān)控機器人各種數(shù)據(jù)，如機器人所搭載的攝像頭將現(xiàn)場視頻信號傳入飛控的osd視頻疊加模塊，該模塊將機器人的電池電壓、位置、信號強度等信息疊加在視頻信號中，然后通過圖像傳輸模塊將視頻信息回傳至監(jiān)控屏幕。機器人各功能模塊及實物分別如圖1，2所示。
圖1 機器人系統(tǒng)組成
機械人系統(tǒng)運行時，手動控制和自動控制兩種操控模式可及時切換。在手動模式中，操縱者觀察利屏幕圖像（圖3），通過wfly9型調(diào)頻遙控器選擇手動模式，APM2.8飛控系統(tǒng)不介入機器人行進的控制，遙控器直接通過pwm信號通過電子調(diào)速器操控驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速來操縱機器人前進、后退、轉(zhuǎn)彎。整套系統(tǒng)中機器手、消防水泵、相機云臺始終處于手動控制狀。手動模式適用于無GPS信號，地形復雜，任務(wù)復雜的情況。當GPS信號良好且需要進行大規(guī)模巡查時即可通過wfly9 遙控器切換至自動模式。自動控制模式需要地面站軟件對機器人巡查的路線進行設(shè)計，通過數(shù)據(jù)傳輸模塊寫入apm2.8飛控系統(tǒng)。機器人將按照設(shè)計路徑自動駕駛，如果遙控器信號丟失，機器人將進入失控返航模式，利用GPS信號回到機器人開機地點。在巡航過程中操縱者可以利用機器人頭部搭載三軸陀螺儀感知頭部運動，利用遙控器直接操控攝像頭云臺的兩個舵機，從而更靈活調(diào)整攝像頭朝向，對周邊環(huán)境靈活觀察，如果發(fā)現(xiàn)緊急情況可以立即切換到手動模式進行處置。該機器人配置了水泵和水箱具有一定的消防能力。此外，機械手采用六個mg996r舵機驅(qū)動，通過遙控控制機械手前端可進行高扭矩機械抓取動作。
1.數(shù)據(jù)傳輸模塊；2.APM2.8飛控；3.GPS模塊；4.圖像傳輸模塊；5.天地飛九接收機；6.高壓水泵；7.機械手模塊；8.攝像頭
2 硬件設(shè)計
機器人本體部分----硬件核心為APM2.8飛控核心MCU，并整合性6軸運動處理組件MPU6000。高度測量功能采用高精度數(shù)字空氣壓力傳感器MS-5611，GPS定位模塊選用MTK 3329，存儲部分采用板載16MB的AT45DB161D存儲器。信息采集功能選用OSD模塊將機器人姿態(tài)、模式、速度、位置等重要數(shù)據(jù)疊加到圖像上實時回傳，機械手采用大扭力舵機jx6221。
遙控部分----Wfly9是一款2.4GHz跳頻9通道遙控器（如圖4所示），采用了高速度，高分辨率，優(yōu)化的2.4GHz PCMS 4096制式，具有很高的抗干擾能力。
3 系統(tǒng)軟件
控制計算機使用開源的地面站軟件Mission planner（圖5）。該軟件可以完成飛控的初始設(shè)置完成對電機調(diào)速器、舵機的方向、行程的設(shè)置。該軟件可以對飛控進行航點編輯導入：執(zhí)行任務(wù)前，軟件通過外網(wǎng)加載的離線衛(wèi)星地圖，也可以加載災害發(fā)生后的航測圖，通過點擊地圖圖像獲得經(jīng)緯度參考點，逐一設(shè)置航點后可以設(shè)置機器人圍繞航點的自動環(huán)繞偵查，之后完成對初始航點和結(jié)束航點的設(shè)置，設(shè)置完成后直接通過算法生成二進制文件通過串口燒寫入飛控。
4 結(jié)論
該機器人采用的APM 2.8飛控系統(tǒng)可以完成127個航點路徑的自動巡查，適用于3km范圍內(nèi)的自動續(xù)航、探查填補了以往此類救援機器人的功能空白，由頭部動作直接控制的相機云臺可以更加靈巧的控制CCD攝像頭實現(xiàn)最大范圍的探查。這一救援機器人配備的消防系統(tǒng)可以執(zhí)行一些消防任務(wù)，也可以搭載其他模塊利用其自動續(xù)航的功能實現(xiàn)其他功能大大提高巡查效率，減少搜救人員勞憂慷取
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近幾年智能機器人在我發(fā)展迅速，其主要通過計算機編寫軟件程序來控制智能機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)相應(yīng)功能。在學生教育領(lǐng)域，引入智能機器人教育具有非常重要的教育意義，可以提高學生的動手能力，開闊學生的視野，增長在計算機技術(shù)方面的專業(yè)知識。本文主要通過對教育領(lǐng)域所進行的基于計算機軟件技術(shù)的智能機器人系統(tǒng)應(yīng)用進行研究，以期能夠?qū)χ悄軝C器人的研究和設(shè)計產(chǎn)生一定的推動作用。
【關(guān)鍵詞】智能機器人 計算機 軟件 應(yīng)用研究
機器人的理念對于很多人來說并不陌生，隨著時代的發(fā)展，其已經(jīng)成為未來智能化與自動化發(fā)展的重要方向，并引領(lǐng)著時代科技向著更高層次邁進。
1 智能機器人設(shè)計與制作所具有的重要價值
1.1 機器人技術(shù)保障機器人設(shè)計與制作項目的健康發(fā)展
機器人設(shè)計與制作具有集成性，其集成了大量的先進技術(shù)，并對其進行應(yīng)用。比如信息技術(shù)、機械設(shè)計、電子科學、材料工程、能源工程等眾多領(lǐng)域智能機器人都有涉及。智能機器人技術(shù)還具有先進性，其所涉及的高科技熱門話題一直在世界范圍內(nèi)火熱發(fā)展，其作為高科技話題中的一員，引領(lǐng)著先進的功能，也正在改變著我們的生活。機器人技術(shù)的終極目標就是制作出可以為人類服務(wù)的智能化機器人，所以機器人的發(fā)展性需要不斷堅持與時俱進的創(chuàng)新原則，研發(fā)與提高機器人技術(shù)，讓其走在發(fā)展道路的前列。
1.2 機器人設(shè)計與制作項目學生參與性強、實踐性強
對于機器人設(shè)計與制作項目，學校一般放在社團活動中舉行，鼓勵學生積極參與其中，很多學生對其有著強烈情緒，參與的積極性很高。很多學生通過自己動手參與設(shè)計與制作，對其進行研究，這就讓學生的機器人技術(shù)實踐性得到提高。部分學生在開發(fā)機器人過程中大膽創(chuàng)新，設(shè)計方案新穎，取得了不錯的成果。機器人設(shè)計與制作簡單，創(chuàng)新設(shè)計制作則富有挑戰(zhàn)性，互動性，在課堂上能夠滿足學生各種層次的需求，并可以讓學生像現(xiàn)實工程師一樣，完成組裝，調(diào)試和運行，帶給學生極強的實踐性和應(yīng)用性。
1.3 機器人設(shè)計與制作項目發(fā)展給高等教育帶來的新氣象
通過智能機器人的設(shè)計與制作項目，讓學生的思維更加廣闊，提高學生的動手能力。機器人設(shè)計與制作項目引入到學生教育中來，是對新時代教育的一種創(chuàng)新，能夠給高等教育帶來更為廣闊的發(fā)展空間。其所具有的創(chuàng)新性和科技性也將會引領(lǐng)學生向著更加廣闊的領(lǐng)域發(fā)展，可以讓學生接觸到更高層次的教育理念，給接受高等教育的學生帶來一絲清新的氣息。因此，政府應(yīng)當重視機器人技術(shù)方面的投入，給計算機教育帶來新的發(fā)展。
2 基于計算機軟件技術(shù)的智能機器人系統(tǒng)建設(shè)
2.1 基于計算機視覺的移動機器人導航
計算機視覺興起于二十世紀五十年代，其涵蓋了心理學、生理學、神精神力學等多方面的理論成果，是迄今為止非常完善的視覺理論。該系統(tǒng)構(gòu)建主要分為三個層次，即計算理論層次，表達算法層次，以及硬件實施層次。其視覺建設(shè)主要采用CCD攝像機對二維圖像信息進行采集，通過移動機器人工作環(huán)境所劃分的結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境和非結(jié)構(gòu)化道路環(huán)境的區(qū)分實現(xiàn)視覺的簡易化處理。其一般以簡易檢測為主，搭配Hough變換、模式匹配等，對最小二乘法處理應(yīng)用道路邊界線條，從而得出道路的幾何描述。
2.2 圖像處理
在圖像處理方面，主要是用的數(shù)字圖像插值算法為最近鄰點差值法、雙線性插值法、雙三次插值法。最近鄰點插值法主要是對采樣點周圍的四個相鄰像素點進行采取，選擇距離最近的灰點值作為灰度值，其公式為：
其中i，j均為非負整數(shù)，u，v為[0，1]區(qū)間的浮點數(shù)，數(shù)值可以取0.5，f（i，j）表示原圖像（i，j）處的像素值。
雙線性插值法所根據(jù)的是采樣點與相鄰點的距離，從而確定相應(yīng)權(quán)值，通過此計算待采樣點的灰度值。其公式為：
雙線性插值法與最近鄰點法相比，其更加考慮了最近四個點采樣影響，對于灰度的不連續(xù)性有所考慮，但同樣，其所進行的計算量增大了。
雙三次插值法考慮到了各鄰點之間的灰度變化率，其數(shù)學表達式為：
其中w為自變量，S（w）為三次多項式的值。
差值公式為：
計算的時候需要對周圍十六個灰度值依照公式進行內(nèi)插，其考慮到了直接鄰點的灰度值對采樣的影響，提高了精準度，但同時也加大了計算量。
2.3 移動機器人的運動控制
根據(jù)相應(yīng)目標，其主要分成三個基本問題進行研究：即軌跡跟蹤、路徑跟蹤、點鎮(zhèn)定。對于軌跡跟蹤來說，通過合適方法的尋找讓機器人沿著預期的路徑運行；軌跡跟蹤則是讓機器人沿著既定的軌跡運行，其可以是時間有關(guān)的幾何路徑；點鎮(zhèn)定則主要是讓機器人能夠從任意位置鎮(zhèn)定道目標位置上。在機器人運動方面，所使用的主要控制方法為模糊控制方法。其主要的目的是將客觀存在的三維場景，通過攝像機以二維的形式予以攝取，將投影變成圖像描述，進行透視變換。其涉及到了不同坐標之間的變化，比如，世界坐標、車體坐標、像平面坐標等等，為了能夠讓圖像空間中機器人點與目標點對應(yīng)的空間人物相一致，則需要解決好圖像空間與任務(wù)空間的轉(zhuǎn)換問題。通過對路徑信息的采集，通過模仿人工瞄準的行為，運用直接圖形信息的方式對機器人的輸入控制量進行控制則不失為一個較好的方法。此方面通過實驗可以了解到，運用NXT移動機器人跟蹤，可以讓機器人達到很好的運動效果，對機器人控制的效果也更為顯著。
3 結(jié)語
綜上所述，機器人制作項目的開展可以引導學生健康發(fā)展，可以讓學生的實踐能力得到提升，可以讓教育領(lǐng)域的科技性更強。教師在進行教學過程中，要注重做好計算機軟件技術(shù)的智能機器人系統(tǒng)應(yīng)用探索，通過計算機與機器人技術(shù)的結(jié)合，讓機器人更加智能化，讓其程序更加完善，讓其應(yīng)用的領(lǐng)域更加廣闊，為其未來的發(fā)展提供更加豐沃的土壤。
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作者簡介
龐天杰（1980-），山西省太谷縣人。碩士學位。現(xiàn)為太原師范學院計算機系講師。研究方向為機器學習及數(shù)據(jù)挖掘。
Design, Modeling and
Characterization of
Bio-Nanorobotic Systems
2011
Hardcover
ISBN 9789048131792
納米機器人的研制屬于分子仿生學的范疇，是根據(jù)分子水平的生物學原理為設(shè)計原型，在納米尺度上應(yīng)用生物學原理，研制可編程的分子機器人，是納米機械裝置與生物系統(tǒng)有機結(jié)合的產(chǎn)物。在生物醫(yī)學上，科學家們利用納米技術(shù)制造納米機器人，讓它在人的血管網(wǎng)絡(luò)中漫游，進行巡邏和檢查，盡早發(fā)現(xiàn)異常細胞，而且可以對人體內(nèi)細胞組織進行修復。它不僅可以完成早期診斷工作，更重要的是可以充當微型醫(yī)生而發(fā)揮治療作用，解決傳統(tǒng)醫(yī)生難以解決的問題，如：殺死癌細胞、疏通血栓、清除動脈脂肪沉積物等。納米機器人發(fā)展到現(xiàn)在大致分成三代：第一代，是把生物系統(tǒng)和機械系統(tǒng)有機結(jié)合的新系統(tǒng)；第二代，是由原子或者分子裝配成的具有特定功能的納米尺度的分子裝置；第三代，可能是包含有納米計算機的一種可以進行人機對話的裝置。
納米機器人代表了一種納米級器件。在這個器件中諸如DNA的蛋白質(zhì)和碳納米管可以充當馬達、機械接頭、傳動元件或傳感器。當這些不同的組件組合在一起時，它們可以形成多度自由的納米機器人，能夠在納米世界中對對象施加力以及進行操縱。本書重點講述了兩種納米機器人的研究方法。第一種方法：結(jié)合虛擬現(xiàn)實的先進技術(shù)的多尺度建模工具（量子力學，分子動力學，連續(xù)介質(zhì)力學）。為了設(shè)計和評估分子機器人的特點，本書提出了互動基于納米物理的仿真。這種仿真允許在分子動力學模擬時帶有實時力反饋和圖形顯示的操縱分子、蛋白質(zhì)和工程材料。第二種方法：使用一種新的協(xié)同原型方法，具體表現(xiàn)為納米機器人的多尺度模型與實驗測量的耦合。本書通過5章來說明上述兩種方法，1.納米機器人組件與設(shè)計發(fā)展現(xiàn)狀，主要介紹了納米機器人設(shè)備結(jié)構(gòu)、生物納米技術(shù)設(shè)計的虛擬現(xiàn)實技術(shù)、建模和表征方法；2.生物納米器件和納米機器人設(shè)計和表征方法，主要講述了生物納米器件的設(shè)計和表征方法、納米機器人結(jié)構(gòu)的協(xié)同原型；3.生物納米機器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計和計算分析，主要講述了基于蛋白質(zhì)的納米彈簧的表征，基于蛋白質(zhì)的納米機械的多尺度設(shè)計和建模、DNA納米機器人、用DNA激勵的線性納米管馬達的設(shè)計和計算分析、藥物輸送中應(yīng)用的多尺度平臺的表征；4.納米結(jié)構(gòu)的表征與原型，基于直線軸承的NEMS表征，基于主管到主管碳納米管梭旋轉(zhuǎn)馬達的設(shè)計， 通過碳納米管的阿克物質(zhì)傳輸和汽化；5.結(jié)論和展望，對本書的內(nèi)容進行了總結(jié)，對納米機器人的發(fā)展進行了展望。
本書以實現(xiàn)在納米機器人系統(tǒng)內(nèi)的最優(yōu)納米級運動為目標，研究了生物和人造分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計、組裝、仿真以及原型，提出了一個新的基于DNA的納米機器人、生物納米執(zhí)行器和基于碳納米管的旋轉(zhuǎn)納米器件的概念，所提出的平臺有助于表征新型藥物輸送系統(tǒng)和細胞膜之間的相互作用，是從事納米機器人學研究的相關(guān)科研人員與工程師的很好的參考書。
作者Mustapha Hamdi和 Antoine Ferreira在法國布爾日國立高等工程師學校工作，主要從事機器人及醫(yī)學成像技術(shù)研究。
杜利東，助理研究員
（中國科學院電子學研究所）
生病的人都很難受，還得叫人請醫(yī)生治病。當然機器人可以幫忙呀！
但是，機器人萬一沒電怎么辦？或者有些表面看不出的病和治不了的病又怎么辦？
嘿嘿，這可難不倒我：把這個機器人設(shè)計成一個很小很小的機器人，能在人體內(nèi)自由活動的機器人。手是鉗子型的，專門來消滅有害的東西，帽子里是一個個工具，獨自里方細菌的，還有一臺特殊的機器能讓細菌轉(zhuǎn)化成電用……
如果小形“吃”菌機器人治完病出來后，會立刻變大報告治病情況。
地球上有很多的垃圾無法處理或有細菌太多的現(xiàn)象。當然“吃”菌機器人也會幫忙。
這個機器人使用“吸菌塵器”把所有細菌都吸進肚子里。如果要清除垃圾就會把上面的細菌吸完把這些垃圾便回“原形”。
山西大學附屬小學三年級:高思淼
【關(guān)鍵詞】虛擬仿真設(shè)計；六足機器人；Inventor；運動仿真
【中圖分類號】G64.32 【文獻標識碼】A 【文章編號】
引 言
Inventor是一種全面的可視化設(shè)計工具，用于創(chuàng)建和驗證完整的數(shù)字樣機，可以檢驗機械產(chǎn)品的外型、結(jié)構(gòu)和功能，也可以對其進行運動仿真和應(yīng)力分析，設(shè)計師應(yīng)用這種軟件可對數(shù)字化樣機進行優(yōu)化，并預測機械產(chǎn)品在未來的實際工作情況[1]。
本文設(shè)計了六足雙斗機器人，機器人采用足式移動方式優(yōu)點在于控制簡單，移動比較迅速，同時可以相對較容易地跨過比較大的障礙，但是當機器人在行走時，整個物體的重心會發(fā)生變化，各個關(guān)節(jié)受到的速度及加速度也不同，在不行走，進行挖掘工作，不同部位受到的力也不一樣。本文應(yīng)用Inventor對六足機器人在平地行走和爬坡過程中重心的位置、速度加速度變化進行仿真分析，Inventor集設(shè)計、建模和仿真于一體，且操作簡單，這給設(shè)計工作帶來了許多方便，節(jié)約了研究時間和研制費用，實現(xiàn)了高質(zhì)量、高速度、高效率、低成本的整體設(shè)計。
本文所應(yīng)用的軟件為虛擬設(shè)計方法又提供了一個方便可行的辦法，同時，設(shè)計的六足機器人為足類機器人的設(shè)計也提供了一些思路。在Inventor的虛擬仿真下，得到所設(shè)計的六足機器人的一些有用信息，為更好的設(shè)計新型六足機器人提供了參考依據(jù)。小型物理樣機試驗，行走和利用雙斗夾取物體。
1.六足機器人整體結(jié)構(gòu)
Inventor軟件注重產(chǎn)品外觀設(shè)計，同時其渲染功能也易于操作，效果良好，應(yīng)用Inventor對六足機器人進行整體結(jié)構(gòu)造型和渲染，其中腿部結(jié)構(gòu)輸入旋轉(zhuǎn)運動，在滑塊和曲柄的作用下轉(zhuǎn)化為腿部搖擺運動[2]，腿部機構(gòu)的搖擺幅度為[-24°～+24°]，由于該機器人的腿部關(guān)節(jié)是鉸接和滑動副，因而在步行時即使出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象也具有較強的姿態(tài)恢復能力[3]，足部使用減震和緩沖作用的橡膠材料。
2.機器人步態(tài)分析
在機器人研究領(lǐng)域，支撐相和擺動相隨時間變化的順序集合稱為步態(tài)。對勻速行走的機器人來說，其足相呈周期變化規(guī)律，由于這時步態(tài)是周期性變化的，故稱為周期步態(tài)，在一個周期T內(nèi)，支撐相的時間為 ，則該足的有荷因數(shù)β按下式計算[4]：
（1）
一個步態(tài)周期中，步行機器人機體重心向前移動的距離稱為步距s，各足處于支撐相時相對于機體的移動距離稱為足的行程R，兩者的關(guān)系為[4]：
R=s?β（2）
三角步態(tài)是六足仿生步行機器人實現(xiàn)步行的典型步態(tài)。其核心思想是把機器人的六足分為兩組（軀體一側(cè)的前、后足和另一側(cè)的中足構(gòu)成一組，其余足構(gòu)成另一組），三足支撐機體并推動機器人前進（稱為支撐相），另三足擺動為下一步支撐做準備（稱為擺動相），整個機器人的運動過程就是支撐相與擺動相交替、循環(huán)的過程。
六足機器人爬坡行走狀態(tài)及整體受力分析可知，腿部形成的摩擦力克服重力的一個分力達到向前行走的目的。在爬坡時雙斗的位置嚴重影響機器人的穩(wěn)定性和爬坡能力，設(shè)計雙斗的最佳放置位置，有利于機器人的爬坡動作。
3.基于Inventor的機器人運動仿真
3.1 Inventor運動仿真簡介
Inventor運動仿真能夠完成裝配下的零部件運動和載荷條件下的動態(tài)仿真，可以在任何狀態(tài)下將載荷條件輸出到應(yīng)力分析中，也能展示運動過程以及某瞬間的動態(tài)載荷；可以設(shè)計模型在其整個運轉(zhuǎn)周期內(nèi)的動態(tài)運行條件，并精確調(diào)整電動機和傳動器的尺寸，以便承受實際的運轉(zhuǎn)載荷；可以分析機械裝置中每個零部件的位置、速度、加速度以及承受的載荷[5]。進入Inventor運動仿真模塊的操作過程如下：打開一個需要進行運動仿真的裝配文件，在“應(yīng)用程序”菜單下選擇“運動仿真”，即可進入Inventor運動仿真界面。
本文在仿真時定義腿和地面為摩擦副，定義摩擦系數(shù)f為0.5。制作實物樣機時，兩排行走足各有一個電機，依靠鏈傳動帶動各個足運動。在仿真時，為了方便起見，定義6個電機驅(qū)動6個足，保持主要工作原理不變。仿真內(nèi)容主要有：爬坡角度θ分別為0°、15°和22°時，機器人重心位置、速度和加速度的變化情況。
3.2 重心變化情況分析
六足機器人重心位置、速度、加速度對機器人整體的穩(wěn)定性有重要影響，通過仿真得到在不同爬坡角度下重心的變化曲線，分析機器人的穩(wěn)定性。如圖5所示，機器人在平面上行走時的重心變化曲線，由前面設(shè)計的腿部結(jié)構(gòu)可知，機器人每走一步，在豎直方向上重心都有一個上升和下降的過程，豎直方向波動幅值越大說明機器人步距也越大，太大的步距影響機器人的穩(wěn)定性。水平方向上的波動越小越好，如圖5（b）所示，Y方向上的速度波動非常小，加速度對機器人零部件有一個動載荷的作用，求出行走每一步的加速度后還可以計算出零部件上的動載荷。從圖中可以看出，重心在各種情況下的變化曲線有很強的周期性，這與前面的分析一致。
4.物理樣機試驗
通過在Inventor環(huán)境下的虛擬設(shè)計和仿真，以及在裝配模式下仿真得到行走時的步態(tài)和爬坡能力，六足機器人設(shè)計合理，為了驗證設(shè)計的可行性和仿真的真實性，將六足機器人在各個Inventor環(huán)境下的三維零件圖轉(zhuǎn)化成二維CAD圖紙，依據(jù)圖紙的設(shè)計尺寸制造了一小型物理樣機。
參考文獻
[1]陳伯雄.Inventor R8 應(yīng)用培訓教程：機械設(shè)計[M].清華大學出版社，2004.9
[2]孫恒，陳作模，葛文杰.機械原理[M].高等教育出版社，2006
[3]閆尚彬，韓寶玲，羅慶生.仿生六足步行機器人步
態(tài)軌跡的研究與仿真[J].計算機仿真.2007.10.156～160
關(guān)鍵詞：Arduino 機器人 課程資源 中小學
中圖分類號：G62 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）11（a）-0070-02
Development and Research of Robot Course Resources Based on Arduino Open Source Hardware
YI Xiangdong
（Dept. of Physics and Information Engineering，Guangdong University of Education，Guangzhou Guangdong，510303，China）
Abstract：Robot course is a comprehensive practical course which involves a number of subjects. With the deepening of the implementation of the new curriculum reform of basic education in primary and middle schools in China， Robotics Education has been developing rapidly， but there has been little research robot curriculum resources， this paper expounds the development of robot curriculum resources Arduino open source hardware based on robot， curriculum goal， curriculum content， curriculum implementation and the development of teaching materials， teaching equipment etc. aspects of the study.
Key Words：Arduino；Robot；Course resources；Primary and middle school
今社會機器人教育越來越受人重視，國家的各種政策支持更是為機器人教育的普及提供了新的契機。但是，目前用于機器人教育的開發(fā)平臺種類繁多，質(zhì)量參差不齊，而且各種機器人平臺之間無法兼容，開放性較低，機器人的課程資源不完善。由于Arduino開源硬件的機器人產(chǎn)品的開放程度高，價格低廉，編程方便。因此，開發(fā)配套的Arduino機器人課程資源有著重大的現(xiàn)實意義。
1 Arduino機器人的特點
Arduino是一個基于單片機并且開放源碼的計算機平臺，和一套為Arduino板編寫程序的開發(fā)環(huán)境組成[1]。Arduino機器人相比于同類的教育機器人的優(yōu)點主要有以下幾個方面。
1.1 開放性
Arduino機器人作為一款開源的機器人產(chǎn)品，它的硬件和軟件的開放性讓其能極好地應(yīng)用在科學研究和教學上。
1.2 廉價
Arduino機器人的價格相比較同類的教育機器人來說價格優(yōu)勢相當明顯，例如樂高機器人的一套最低配置的價格也需要2 000元起，而同樣功能的Arduino機器人的教學套件大概需要五六百元左右。
1.3 容易搭建教學環(huán)境
Arduino機器人可以利用學校的計算機室進行教學活動，不需要設(shè)計專門實驗室或者興趣活動中心。
1.4 編程軟件
分為文本式的編程環(huán)境和圖形化積木式的編程環(huán)境，可以方便學生理解。
2 Arduino機器人課程資源的開發(fā)
2.1 課程性質(zhì)和理念
Arduino機器人設(shè)計是通過老師講授、學生小組實踐等方法鍛煉學生創(chuàng)新能力、協(xié)作能力、解決實際問題能力的課程，課程理念遵循STEM科學、技術(shù)、工程、數(shù)學四位一體的理念[2]，力求通過此課程讓學生將所學的眾多科學類學科知識融會貫通，綜合應(yīng)用。它的科學性、實踐性、綜合性、創(chuàng)新性對學生的綜合能力培養(yǎng)有很大的幫助。
2.2 課程目標
Arduino機器人課程總體目標是通過Arduino機器人課程讓學生對機器人的開發(fā)有所了解，并建立學習興趣，從而在學習過程中鍛煉他們的創(chuàng)新能力、合作能力、解決問題的能力[3]，培養(yǎng)學生動手動腦獨立思考的學習習慣。
2.3 課程內(nèi)容
通過對Arduino機器人課程的研究，設(shè)計出的課程內(nèi)容主要包括Arduino機器人元件的應(yīng)用和智能小車的設(shè)計[2]。通過Arduino機器人各類元件的學習，讓學生逐步掌握機器人編程方法、搭建思路、多個元件配合使用方法等，為Arduino機器人小車課程的開展打下基礎(chǔ)，讓學生將所學知識帶入生活提高創(chuàng)新能力。具體課程內(nèi)容如表1所示。
2.4 教材編寫
Arduino機器人教材編寫要充分理解Arduino機器人課程性質(zhì)與理念，明確把握課程目標，把培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)融入進教材中，充分發(fā)揮Arduino開源教育機器人的特點和優(yōu)勢，給出以下幾點體會。
2.4.1 編程平臺的選擇
在編寫Arduino機器人教材時所選用的編程平臺應(yīng)該選擇圖形化的編程平臺。首次接觸機器人課程，編程也是零基礎(chǔ)。中小學生的邏輯思維能力正在以形象的思維能力向抽象的思維能力過渡，不宜過早接觸文本化的編程平臺。
2.4.2 以中小學生的視角解釋Arduino機器人
編寫教材時應(yīng)以中小學生的視角去解釋Arduino機器人的結(jié)構(gòu)和功能，將各種傳感器的功能和人體器官的功能進行對照講解等，各種元件的作用原理需要相應(yīng)地簡化，不要太過復雜[3]。
2.5 課程實施建議
開展Arduino機器人課程時要注意顯性課程資源與隱性課程資源的結(jié)合應(yīng)用，多總結(jié)利用課堂生成性課程資源，激發(fā)課堂活力，潛移默化地改變學生的身心發(fā)展，讓他們從被動的學習轉(zhuǎn)到主動的渴求知識。在此給出以下幾點建議。
2.5.1 根據(jù)學生實際情況來進行學生分組
機器人教學適合以團隊的形式開展，讓學生分組互相交流學習是機器人教學時常用的方式。從學生的情況來講，有的學生適合機器人結(jié)構(gòu)功能設(shè)計，有的學生擅長編程，有的學生擅長統(tǒng)籌規(guī)劃，所以教師可以開展一次機器人設(shè)計創(chuàng)意課，從而更加了解學生的能力之后ρ生進行分組以增強學生的參與程度、相互學習、積極性、合作能力等。
2.5.2 將生活實踐融入到機器人課程中
教師可以開展一些活動，讓學生制作的機器人能應(yīng)用到他們的學習生活中去，甚至應(yīng)用到其他科目中去。例如，利用Arduino制作LED顯示板用來顯示值日生表、上課搶答器等，提高他們的觀察能力和解決實際問題的能力。
2.5.3 Arduino機器人課程要以探究為主
中小學生有著很強烈的好奇心，教師在開展課程時主要以引導為主，讓學生自己去發(fā)現(xiàn)問題，讓他們在錯誤的過程中找出原因。注意不要把自己固有的想法強加給學生，讓他們自由去創(chuàng)造。
3 結(jié)語
該文從機器人課程的目標、內(nèi)容、教材開發(fā)、課程實施以及教學器材等方面，研究了基于Arduino開源硬件的機器人課程資源的開發(fā)。在課程資源開發(fā)時，應(yīng)當加強對Arduino機器人的理解，要從中小學學生的心理生理特點出發(fā)，以學校為中心進行開發(fā)。要充分地利用家庭和社會等相關(guān)課程資源，將它們有機地與課堂結(jié)合起來。
參考文獻
[1] 駱巍.開源平臺在中小學機器人教學中的應(yīng)用―基于Arduino的機器人學習平臺建構(gòu)與實踐[J].中國信息技術(shù)教育，2012（9）：48-49.
關(guān)鍵詞：送餐服務(wù)；點/送餐；迎賓；娛樂
送餐機器人的應(yīng)用范圍很廣，只要是服務(wù)行業(yè)都可以使用它，譬如在學校、醫(yī)院、餐廳等地方，都可以使用它來替代服務(wù)人員為顧客服務(wù)，大大滿足人們對快捷服務(wù)的需求。目前設(shè)計點餐，送餐、迎賓、娛樂等功能的一款送餐服務(wù)機器人，不但能提高服務(wù)效率，減少服務(wù)人員數(shù)量，更能建立餐廳特色，打造餐廳品牌，進而提升餐廳的業(yè)績。
1 總體設(shè)計方案
送餐機器人總共分為三個模式狀態(tài)，根據(jù)用戶的選擇，可以對三種模式進行切換，以下是對三種模式的描述。
模式一：點餐/送餐模式，一方面通過機器人攜帶觸摸屏顯示，向顧客呈現(xiàn)當前的菜單以及打折信息。另一方面通過手機或者按鍵模塊控制機器人移動，通過巡線傳感器、紅外線傳感器以及行走電機使機器人按照規(guī)定的行進路線前進，使機器人順利到達對應(yīng)的餐桌位置。
模式二：迎賓模式設(shè)計，當用戶選擇迎賓模式時，則送餐機器人自動通過循跡走到相應(yīng)的迎賓位置，并通過監(jiān)測當有人進入時則機器人發(fā)出聲音。
模式三：娛樂模式設(shè)計，包括播放音樂、動作表演等。
設(shè)計是采用單片機（STC89C51RC）為主要控制電路，配有各式傳感器、執(zhí)行驅(qū)動、人機交互、界面顯示等模塊。同時采用藍牙模塊配合手機使其創(chuàng)建鏈接，從而使手機通過藍牙模塊向單片機發(fā)送指令，人們可以通過手機藍牙執(zhí)行相應(yīng)的操作，完成送餐、點餐、娛樂等功能。如圖1所示。
2 機器人整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
機器人設(shè)計完成后，對其進行行走路線的設(shè)計，設(shè)計一條主干道，在主干道上增加幾條分支用來工位的設(shè)置。UG設(shè)計圖如圖2所示。
3 機器人系統(tǒng)測試
對于送餐機器人來說，行走路線的測試尤為重要，通過紅外線對黑標的色差識別，來達到巡線的目的，在機器人行走過程中，當機器人朝左偏時，則左電機速度提高，右電機速度下降。當機器人朝右偏時，右電機速度提高，左電機下降，使得機器人會走線。加工設(shè)計的機器人如圖3所示。
送餐機器人的使用讓服務(wù)行業(yè)的發(fā)展得到了更快的發(fā)展，會代替人力在餐飲業(yè)做到主導作用，這樣大大降低了人力成本，在市場經(jīng)濟發(fā)展中有著不錯的前景，未來將是機器人的時代，高科技的時代。
參考文獻
[1]袁銀瑤，盧亞平.“探索者”全地形機器人創(chuàng)新設(shè)計[J].探索科學，2016，34（6）：195.
