毕业论文-基于武术擂台机器人得结构设计及进攻策略分析研究

基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - II - 摘 要 随着机器人技术 的不断发展，机器人被进一步应用于 各个 领域，运动的实时性和可靠性要求也越来越高。尤其，机器人 正 作为一种重要的教学手段，帮助教育部门、高等院校实施教学研究。发展 同期 ， 机器人 擂台赛 在世界各地 也 蓬勃兴起，目前我国正掀起一股机器人竞赛的热潮。 反 观 擂台机器人 ，不但 激发了更多的人 对 机器人技术 产生 兴趣， 而且为其科学领域的不断发展埋下伏笔 。 本文通过对 国内外 擂台 赛 机器人 技术的 研究， 对创博公司相关知识材料、说明书的学习， 搭建出一 台 能够自动检测边缘 、敌方 和 定位 的擂台机器人，在保证本方不掉落擂台的前提下，可以主动 对敌方机器人进行攻击，在搭建的同时加深了 对控制系统 、 驱动系统的了解，能够在现有的条件下完成预期的任务 ，并研究了一套可行的进攻策略 。 另一方面， 主要介绍了 主控制器 、 外围模块 的 设计 和搭建 情况 ，扩展性 也 做了简要的叙述 。 本文还介绍了 相关软件的调试与编程，在设计过程中通过 North STAR 软 件进行 设置、编程 和仿真模拟，提高设计的可靠性。为擂台机器人提供一个可靠的系统 平台，为机器人多种功能的实现提供便利，为今后机器人产业化提供了可能性。 关键词 ：擂台机器人， 机械结构 ， 进攻策略 基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - II - Abstract With the continuous development of robot technology, the robot is further applied to service industries, industrial process. More widely involved in the field, sports, real-time and reliability requirements are also increasing. In particular, the robot also as an important teaching tool to assist the education sector, the implementation of teaching and research universities. To meet this development, the robot challenge competitions around the world, booming, China is now set off a wave of robot competitions. Instead, the robot Challenge Cup inspired more people interest in robot technology, the emergence of more and more mature scientific results. Based on the Challenge Cup at home and abroad robotics research, the knowledge of his company created materials, brochures to learn and build an ability to automatically detect and locate the edge of the ring robot, to ensure the party does not fall under the premise of the ring can take the initiative to attack the enemy robots in the structures at the same time learn more about control systems, drive systems for understanding the existing conditions can be expected to complete the task, and study a possible attack strategy. Mainly expressed in the host controller and peripheral modules in the design and construction, expansion is also briefly introduced. This article also describes the debugging and programming software in the design process through the North STAR software setup, programming and simulation, increase design reliability. For the ring to provide a reliable platform for the robot, the robot to facilitate， the realization of a variety of functions for the future provide the possibility of the robot industry. Key words: Robot Challenge， Mechanical structure， the offensive strategy- III - 目 录 第一章 前 言 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.2 擂台机器人概况 . 1 1.2.1 机器人擂台赛的研究现状 . 1 1.2.2 擂台赛机器人存在的问题 . 3 1.2.3 擂台机器人的发展 . 4 1.3 本文的研究内容及 步骤 . 4 1.3.1 基本内容和问题 . 4 1.3.2 总体的设计方案及步骤 . 5 第二章 武术擂台机器人的结构设计 . 6 2.1 总体设计方案的确定 . 6 2.1.1 竞赛规则 . 6 2.1.2“创意之星”机器人套件 . 7 2.2 机器人的结构设计 . 8 2.2.1 机器人控制决策系统 MultiFLEX2-PXA270 控制器 . 8 2.2.2 机器人的感知系统 . 9 2.2.3 擂台机器人运动系统 . 12 2.3 机器人结构搭建 . 15 第三章 进攻策略分析 . 19 3.1 规则分析 . 19 3.2 解决方案 . 19 3.3 路径规划 . 21 3.4 具体策略 . 22 第四章 机器人的调试与改进 . 23 4.1 机器人软件调试 . 23 4.1.1 舵机的调试 . 23 4.1.2 North Star 编程软件 . 23 4.2 结构改进 . 27 第五章 总结及展望 . 28 5.1 总结 . 28 基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - IV - 5.2 展望 . 29 参 考 文 献 . 30 致 谢 . 32 附录 1 . 33 源程序 . 33 附录 2 . 52 绘图和照片 . 52 声 明 . 54 基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 1 - 第一章 前 言 1.1 课题背景 机器人技术作为 20 世纪人类最伟大的发明之一， 在过去 40 余年的发展 历程中， 已取得了可观的进步。未来的机器人 将 是一种能够代替人类在非结构化环境下 从事危险、复杂劳动的自动化机器，是集机械学、力学、电子学、生物学、控制论、计算机、人工智能和系统工程等多学科知识于一身的高新技术综合体。走向成熟的工业机器人，各种用途的特种机器人的多 元 化，使我们看到了机器人技术发展的美好前景。 为了使机器人能更好的应用于工程作业、日常生活 ， 不仅各个国家的大学、研究机构和 工商企 业 的专业人士 对机器人系统开发投入了大量精力，也涌现出越来越多的机器人爱好者、机械迷 。 希望 机器人 科学的明天可以像人们操作电视遥控器 、开汽车一样 简单 普遍 。 本文以 机器人武术擂台赛 （无差别组） 为主要研究 范围，针 对参赛用机器人的结构及进攻策略做出详细的分析研究。机器人武术擂台赛已被列为 全国机器人大赛的正式项目，首次出现在 2008 年 Robot Cup 中国公开赛中。武术擂台赛融合了机器人学、电机学、无线通信、信号处理和计算机软件技术等多学科的内容，是人工智能研究的重要平台。举办机器人武术擂台赛的目的就是促进自主识别和自主决策智能机器人技术的普及和推广。 本文根据擂台赛 基本 规则 ，自 主 设计、组装机器人 模型，编写一套完整匹配的 比赛进攻策略（包括探测擂台边缘、检测敌方机器人及棋子、 实现 进攻躲闪动作等） ， 并 将程序 导入机器人 进行调试 ， 最终 完成模拟演示。 “基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究”这一课题的主要研究意义分为两点，首先是 在设计、搭建机器人的过程中，实现 教学目的，通过动手实践，加深理解相关的机械 原理、运动力学 知识 ，使其系统化、综合化 。第二，通过比赛的形式， 激发大众兴趣，使更多的人关注机器人研究，从而 推动机器人的 模块 化 、性能 的不断完善 、软硬件 的更新 等科学研究在我国的发展。 1.2 擂台机器人概况 1.2.1 机器人 擂台赛 的研究现状 机器人是一种能够通过程序控制，自主完成某类任务的机器系统，机器人的应用范围十分广泛，可以 用于工业、农业、医疗、空间探测、教育领域等等。擂基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 2 - 台机器人只是机器人广义 概念 下的一个小分支 ，与教学机器人同步发展，相辅相成。如果说教学机器人偏向于益智“玩具”，那么擂台机器人就可以被理解为科学知识发展的潜在摇篮。 开展各种展示和竞赛活动 就成为了 普及机器人知识的一个重要途径，机器人竞赛项目的内容、规则及评分办法等的创意设计都极富创造性和挑战性。通过组织丰富多彩的机器人竞赛，可以激发人们对科技的热情外，提高 全民基础科学素养 ，并为机器人研究和开发储蓄后备人才。国际、国内几项影响较大的机器人竞赛包括 : FIRA 机器 人足球赛，由国际机器人足球联盟 FIRA 举办，自 1995 年以来，FI-RA 在全球每年举行一次机器人世界杯比赛 （ FIRA Cup)，同时举办学术会议(FIRA Congress),供参赛者交流他们在机器人足球研究方面的经验和技术。 图 1 机械狗足球赛 机器人足球世界杯赛 RoboCup,这是为促进人工智能技术以及相关领域的发展而设立的一个国际性的研究和教育组织，选择了足球赛作为基本领域来促进人工智能和机器人的研究。目前 RoboCup 包括小型机器人、中型机器人、四腿机器人等比赛项目，在比赛的同时还开展其 它相关活动。 机器人灭火比赛、 FLL 机器人世界锦标赛、机器人迷宫也是较有影响的机器人国际赛事。 2006 年 10 月，由中国自动化学会、 RoboCup 中国委员会和科技部高技术研究发展中心联合主办的 2006中国机器人大赛及 2006 RoboCup中国公开赛在苏州举行。 基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 3 - 图 2 一款小型灭火机器人 “ 中国青少年机器人竞赛 ” 是 2001 年起由中国科协青少年工作部积极创意并组织开展的一项青少年科技活动，该赛事每年一度，己相继在广东、河南、广西、陕西举办，第六届中国青少年机器人竞赛于 2006 年 7 月在云南昆明举行，竞 赛分为 “ 智能机器人单项竞技 ”、“ 机器人工程设计 ”、“ 机器人足球杯 ”、“ FLL机器人世锦赛中国区赛 ” 四个类别，按照高中、初中、小学三个组别进行比赛。 每年一度的 广茂达杯 中国智能机器人大赛开创于 2000 年，第七届 广茂达杯 中国智能机器人大赛于 2006 年 8 月在上海华东师范大学举行，竞赛共设 14个项目，包括机器人灭火、机器人足球、机器人擂台赛、机器人排雷、创新项目展示和机器人论文等。 这些机器人 具有认知能力、思维能力 以及适应环境的能力。机器人一般由三大部分组成： 行走 部分、 决策 部分和感 知 部分。 行走 部分，包括行 走机构、 驱动机构 ；智 能部分，包括有认知能力、学习能力、思维能力和决策能力的装置；感知 部分，包括有视觉、触觉、接近 测距 的装置。 这些研究成果，进一步 充分贯彻了中央“科教兴国”战略方针，是“科教兴国”战略方针的具体体现和创新举措。机器人竞赛已经成为一个能激发学生们的学习兴趣、引导他们积极探索未知领域、参与国际性科技活动的良好的平台。同时，机器人竞赛实际上是高 新 技术的对抗赛，从一个侧面反映了一个国家信息与自动化领域基础研究和高技术发展的水平。机器人竞赛使研究人员能够利用各种技术，获得更好的解决方案，从而又反过来促进 各个领域的发展，这也正是开展机器人竞赛的深远意义，同时也是机器 人竞赛的魅力所在。 1.2.2 擂台赛 机器人存在的问题 目前，机器人 比赛 已经越来越被人们所关注， 自主设计 机器人的各项活动也基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 4 - 在学校中得到一定程度的开展，但是所存在的问题也不容忽视 : 1.擂台赛中的机器人分类 尚欠科学。 中小学、大学、社科类比赛 的分阶段目标的划分不够明确与合理，导致相关 的 教材 和手册 区分度低、特色不强。 另一方面，现在主流的机器人比赛不过足球、灭火、对抗三类，这导致各类比赛用机器人功能 不完善，形式单一、难有突破。 2.缺乏科学规划与设计 向 导。目前擂台机器人 的 教材 质量不高，大多属于产品说明书 或 用户指南 式的，缺少课程与教学专家的参与和指导，不便形成完善的知识体系。 3.机器人产品缺少规范。目前 机器人已有的 品牌 中大多自成体系，互不兼容，开放度低。可用配件选择少，许多机械零件需要自制、换接，对机器人外观和设计都存在一定阻力。 适应于不同学 习阶 段的性能价格 比高的机器人产品就更不多见 。 4.随着机器人教育的逐渐深入与普及，目前亟需 解决的是在机器人比赛结束后的知识总结与反馈，使好多初具规模的创新设计不能在工业，生活中得到更好的应用发展 ，这就需 要政府和相关企业更多的关注。 1.2.3 擂台机器人的发展 为使机器人得到进一步的发展，更好的服务于人类。主要就以下几个方面进行研究 与 攻破 。 擂台机器人的视觉技术，即实现机器人对所处环境的描述、识别与理解。主要包括对环境中的物体识别、人体识别，以及通过各类传感器、视觉元件实现对机器人自身和它所处环境中的对象物体，任务进行准确定位等关键技术的研究。 擂台机器人的语音识别技术 :即使智能机器人与服务对象间具备智能对话能力 ，实现基本的人机，机器人与机器人的语音功能。 擂台机器人的自导航与避障技术：即使机器人行走 于各种静态和动态的物体之间，完成自动避障，路径规划，最优规划等相关功能。 开发机器人的自建地图技术：即使机器人具备自动适应新环境的能力。 擂台机器人的不断创新 ：缺乏新思路的机器人是没有意义的， 科技是第一生产力，创新 为科技的发展提供了原动力，擂台机器人的创新将使得他在更广泛的领域得到应用，为人类的机器人研究做出更多的贡献。 1.3 本文的研究内容及步骤 1.3.1 基本内容和问题 基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 5 - 在对武术擂台机器人有一定感官认识的基础上，以最新的 Inno STAR“创意之星”机器人套件为材料 ，学习包括控制卡、传感器、驱动器 、舵机等相关组件的工作原理和运动关系， 通过创新可重构模块撘建出擂台机器人 的 模型，研究出一套可行的进攻策略， 在由 North STAR 软件加以编程后， 下载程序到机器人，完成任务。 1.3.2 总体的设计方案及步骤 （ 1）确定设计对象，准备资料。 （ 2）阅读文献，提出要研究的问题，并对要设计对象进行分析。 （ 3）围绕设计的问题进行文献阅读，论证选题背景、现状、发展趋势及设计意义，找到本次设计的起点。 （ 4）完成英文翻译，开题报告。 （ 5）参考创意之星模块化机器人研究设计，构建研究课题的理论模型，研究现有机器人 模块化结构设计的相关技术。 （ 6）在理论成熟的基础上选择设计运动路径和控制方法。 （ 7）对机器人芯片与电脑连接传输做插装及其他练习具体实践，仿真。 （ 8）把知识进行整理和汇总，对各个设计中遇到的问题进行分析解答，初步的完成整体设计。 （ 9）制定武术擂台机器人进攻、遇敌策略。 （ 10）通过实验反复调试，对设计结果进行讨论和分析，找出设计方案中的不足。修正设计方案，完成论文。 基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 6 - 第二章 武术擂台机器人的结构设计 2.1 总体设计方案的 确定 2.1.1 竞赛 规则 在指定的擂台上有双方机器人和 5 个 中国象棋棋子。 双方机器人模拟中国传统擂台搏击的规则，互相击打或者推挤。如果一方机器人整体离开擂台区域或者不能再继续行动，则另一方获胜。如果双方均未离开擂台且都能自主移动，则在比赛时间结束后，推下擂台上象棋棋子数量多的一方获胜，否则双方判为平局。 每局比赛时间不超过 2 分钟，裁判员以鸣锣形式发出比赛结束指令。比赛后可休息 20 秒，此时间内，裁判读秒，参赛队交换场地并可更换机器人 。 1.比赛场地情况 比赛场地（即擂台，如图 3 所示）大小为长、宽分别为是 2400 mm，高 150mm的正方形矮台，台上表面即为擂台场地 。底色从外侧四角到中心分别为纯黑到纯白渐变的灰度。 场地的两个角落设有坡道，机器人从出发区启动后，沿着该坡道走上擂台。场地四周围 700mm 处有高 500mm 的方形黑色围栏。比赛开始后， 围栏内区域不得有任何障碍物或人。 图 3 擂台赛场地整体 3D 效果 象棋棋子则被放置在擂台对角线上间距大致相等的位置上，材质为松木，重约 50100g，直径 70mm, 高 44mm 的圆桶状 (两个棋子粘连叠放高 44mm)，颜色为松木原色，字体颜色为红色。 2. 无差别组机器人要求 参加无差别组竞赛的机器人，其结构形式不限。尺寸 和重量限制条件如下： 基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 7 - 每台机器人的参赛重量不得超过 3kg。 机器人在场地上的投影尺寸不超过 300x300mm 的正方形， 高度不超过400mm。 比赛开始后机器人可以自主变形，不再受以上尺寸限制。变形过程不得由人工遥控。 2.1.2 “创意之星”机器人套件 针对上述比赛规则和机器人规格要求，不难发现比赛 制胜的关键 是在 自己的机器人不掉下台的前提下，将敌方机器人和棋子推下武台。这就要求在 结构设计中，要充分考虑 重心 、马力 ，传感器在各个方向上的合理布置等问题。所以 ，本文选择 北京博创科技公司的“创意之星”模块化机 器人套件组装搭建机器人，完成武术擂台 机器人的结构设计 任务。 创博公司简介 ： 北京博创兴盛机器人技术有限公司（简称“博创科技 ,UPTECH Robotics.”）是国内知名的机器人产品与服务提供商。公司地处中关村核心知识经济区，依托清华大学、北京航空航天大学等一流高校的强大技术与丰富资源，拥有一支实力雄厚的以博士、硕士为主的研究开发团队，以及覆盖全国的销售、服务网络。 博创科技专注于机器人技术研发与推广。 表 1 机器人系统平台组成 系统名称 组件方案 功能描述 控制决策系统 MultiFLEXTM2-PXA270 控制器 机器人的核心控制单元 感知系统 红外测距传感器（ 4 个） 探测棋子和敌方机器人的精确距离 灰度传感器（ 4 个） 机器人定位 红外接近传感器（ 6 个） 检测擂台边缘 运动系统 BDMC1203驱动器 (2个 ) 驱动机器人运动 2342 电机 (4 个 ) 电机提供大功率，驱动轮子运动 CDS5500 机器人舵机 机器人机械铲，驱动机器人前铲运动 机械结构 创意之星套件 搭建竞赛机器人主体结构 工作电源 一组 7.2V 2.5Ah 的锂聚合物电池 机器人系统电源 机器人 业务包括两大方向：面向高校教育 /研究 /竞赛的机器人产品及解决方案；面向国家公共安全和工业应用的机器人及其特种设备产品。面向高校教育方基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 8 - 面，博创科技推出了全系列国内最先进的高校教育机器人产品，并已成功应用在清华、北航、西安交大、香港理工大学等一流高校的学科课程建设和研究课题中，促进了国内高校机器人教育和研究的发展；依托我们强大的高校教学资源，博创科技在国内首先提供面向各专业的机器人实验室建设解决方案，包括产品、参考教学体系、培训等全系列服务，为中国高校和职业类院校提供世界领先的机器人教学解决方案。在机器人技术交 流方面，博创科技联合中国自动化学会等单位，邀请机器人领域的知名国内外专家，每年举办“全国高校机器人教学与研究研讨会”。各高校代表在会上交流教学心得，倾听专家精彩报告，交流教学研究心得，该研讨会已经成为国内高校机器人 教学与研究领域的优秀平台。 机器人系统平台组成如表 1 所示。 2.2 机器人的结构设计 硬件功能介绍 及 工作 原理 ： 机器人的结构主要由三部分组成，即机器人控制决策系统、感知系统和运动系统 ，相互配合完成任务 。 可以形象的说决策系统就像人的大脑，是机器人的核心单元，负责支配其他各部分组件工作；而感知系统相当 于人的眼睛，辅助探路定位。 2.2.1 机器人控制决策系统 MultiFLEX2-PXA270 控制器 控制器结合已编写的程序，对传感器采集的外部信息进行分析、判断，并得出最终结果，将其导入执行元件来完成相关动作。 MultiFLEX2-PXA270 控制器集成开关量传感器、模拟量传感器、 RC 舵机、机器人总线舵机控制接口，具有RS422 总线接口和 USB 接口、以太网接口，具有丰富的扩展能力，具体特点如下： 图 4 MultiFLEX2-PXA270 控制器 高运算能力、低功耗、体积小。 520MHz、 32 位的高性能嵌入式处理器和 Linux基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 9 - 操作系统，运算处理能力强大，以 30 帧 /s 的速度进行识别处理图像，而功耗不到 2W；体积小巧。 控制接口丰富。可以控制 RC 舵机、机器人总线舵机，直流电机伺服驱动器等。 数据接口丰富。 12 路双向 IO 接口， 8 路 10 位精度的 AD 接口； RS-422 总线、以太网接口、 USB 接口。 多种开发环境。配套 North STAR 图形化集成开发环境，纯代码开发环境； MultiFLEX2-PXA270 控制器有丰富的自我保护机制，对于超负荷功率输出、电源反向输入、电池电压过低、电源输入电压过高等 具有软硬件保护，可以及时有效保护控制器，并提示用户错误信息。 MultiFLEX2-PXA270 控制器可以配备无线卡，实现机器人无线控制，机器 人组网，可为群体机器人研究、多机器人协作等科研领域提供快速机器人原型。 2.2.2 机器人的感知系统 机器人通过多个传感器的合理配置与协调工作 ,利用多个传感器提供的综合外部信息 ,对外界环境进行判断分析 ,决定机器人的运动路线和任务执行。 （ 1）红外接近传感器 红外接近传感器是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。光电开关将输入电流在发 射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。工作原理如下图所示。多数光电开关选用的是波长接近可见光的红外线光波型，因此也称为红外开关。 图 5 红外接近传感器工作原理 本文采用的漫反射式光电开关：它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号，所以检测距离和被检测物体的表面反射率将决定接收器接收到光线的强度。粗糙的表面反射回的光线强度必将小于光基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 10 - 滑表面反射回的强度 。 表 2 常用材料反射率 据上表可知，开关量红外接近传感器若正常检测到擂台（木质）得到的反射率和检测到敌人（塑料、金属等）、擂台外地面的反射率必然不同，从而判断在测量距离内（ 触发距离约为 20cm）有无障碍物。 图 6 红外接近传感器 （型号为 E18-B0） 规格数据为： VCC： 5V； 工作电流：小于 100mA； 输出形式： NPN 三极管 OC 输出； 封装形式：工程塑料。 （ 2）红外测距传感器 本文选用的 GP2D12 红外测距传感器，用来测量前方物体和传感器探头之间的距离。它的输出为： 02.5V 模拟量（电压值随距离变 化）；量程范围 1080 cm。体积小（手指大小）、重量轻（不到 10 克重），接口简单 ，模拟量输出电压和探测距离非比例相关 。 红外测距传感器在测量距离时，与障碍物的反射角度、颜色基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 11 - 及材质基本无关，对于不同的反射角度，其输出误差值很小，且其实际输出不随材质而变化。 图 7 GP2D12 及其原理图 GP2D12 主要是由红外发射器、 PSD（位置敏感检测装置）及相关处理电路构成，红外发射器发射一束红外光线，红外光线遇到障碍物被反射回来，通过透镜投射到 PSD 上，投射点和 PSD 的中心位置存在偏差值 a， GP2D12 根据上图所示的 a、 b、 三个值就可以计算出 H 的值，并输出相应电平的模拟电压。 图 8 红外测距传感器 （ 3）灰度传感器 灰度传感器通过自身的高亮白色 LED 照亮被检测物体，被检测物体反射LED 的白光。由于不同的颜色对白光的反射能力不一样，同样材质白色反射度最高，黑色反射度最低。灰度传感器前端有一个光敏电阻，用于检测反射光的强弱，据此可以推断出被检测物体的灰度值。 其 输出模拟量信号，接 AD0AD7 的任意一个接口都可以通过 North STAR 进行数值读取和编程。在机器人武术擂台赛中，使用多个灰度传感器组成阵列就可以判 断比赛场地的颜色梯度。 基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 12 - 图 9 灰度传感器 2.2.3 擂台机器人运动系统 （ 1）大功率电机驱动模块与减速电机 BDMC1203 工作电压 6.5V12V，峰值电流 3A，最高可以提供接近 36W 的功率输出。 图 10 BDMC1203 驱动器 其线序被定义为： 表 3 驱动器线序定义 左侧接线端子 L1 L5 右侧接线端子 R1 R4 编号 文字 定义 编号 文字 定义 L1 +12V 电源正 R1 SGND 信号地 L2 PGND 电源负 R2 SIG 信号 L3 EGND 机壳地 R3 SGND 信号地 L4 MOTO+ 电机绕组 + R4 SIG 信号 L5 MOTO- 电机绕组 - 配合电机的驱动模块，选用 FAULHABER 2342 24CR电机能够提供接近 36W的功率。该电机功率大，输出扭矩大，其结构为为空心杯直流电机，运转平稳、效率高。配套的减速器也具有良好的机械性能，非常适合作为轮子驱动。 基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 13 - 直流电机选型计算： （ 1） 估算电枢电阻 Ra: Pn =输入功率 -输出功率 （ 2-1） =UnIn-Pn = UnIn-UnIn =（ 1-） UnIn 图 11 2342 直流电机 Ra =(0.50.75)(1-Pn/UnIn)Un/In 因为电源输出电压为 5V,输出电流为 0.625A,通常小型电机机械效率为70%80%,即 =0.70.8,取 =0.8，则 Ra=1.2欧姆。 (2)求 Ken , 额定运行条件下的反电势 等于 Kn=UIra Ken =(Un-InRa)/nN （ 2-2） Ken =0.34 (3) 求理想空载转速 : n0 =Un/( Ken) =14.7r/s=140rpm （ 2-3） (4) 求工作时转矩 TN1 =9.55 PN /nN =0.17NM （ 2-4） (5)计算电机额定转矩 由于额定电压 U=12V 额定电流 I=1.5A， 根据 (1)中的公式 ,求得 Ra值， 根据 (2)中 公式求出 Ken=0.81， 根据 (3)中公式求出理想空载转速 n0=140rpm， 根据 (4)中公式求出理想转矩 为 TN2 =9.55 PN /nN =0.98N M （ 2-5） 由于 N1TFENEMY) /后 方 检测到敌人 （ 3） 推 下敌方机器人 力学策略 从动力学中不难发现，最终影响进攻效果的不外乎两点： 动力与摩擦力。这也就解释了本文为什么组装了这么多传感器、舵机（电机），尽可能增加小车质量，增大摩擦力。当然这种作法总是有局限性的，只能在敌方机器人身上动脑筋，安装攻击小铲 。 在撞击敌人时把它架起，使敌方机器人只能两轮着地 ， 摩擦力大幅 减小 ，而本方机器人质量增加 。 在双方僵持状态下， 同时配合舵机加全速的指令，本方机器人会 更有优势。 3.3 路径规划 路径规划技术是机器人学研究领域中的一个重要部分。机器人的最优路径规划就是依据某个或某些优化准则 ( 如工作代价最小、行走路线最短、行走时间最 短等 ) , 在其工作空间中找 到一条从起始状态到目标状态的最优路径。根据对环境信息的掌握程度不同 , 路径规划可分为 : （ 1） 全局路径规划 : 环境信息完全已知 ,根据环境地图按照一定的算法搜寻一条最优或者近似最优的无碰撞路径 , 规划路径的精确程度取决于获取环境信息的准确程度 ; （ 2） 局部路径规划 : 环境信息完全未知或部分未知 , 根据传感器的信息来不断地更新其内部的环境信息 , 从而确定出机器人在地图中的当前位置及周围局部范围内的障碍物分布情况 , 并在此基础上 , 规划出一条从当前点到某一子目标点的最优路径。 路径规划是一个 具体的 问题，有很多种 不同的解决方法，本文使用快速扩展随机树算法 （ RRT）。 RRT 算法通过在起点与目标点之间扩展一棵搜索树来寻找路径。在搜索的每一步中，都以一定的概率 p（ 0程序 North STAR目录运行程序，从菜单或者工具栏选择“新建”，弹出工程选项，选择控制器为 MultiFlex2-PXA270，构型为 Customized后，设置基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 24 - 舵机个数为 3，将 ID为 1和 2的舵机设置为电机模式，不用设置 AD，直接点击下一步，设置 好 IO个数，点击完成。 图 24 舵机的设置 开始进入主题，第一步 定义变量 （给红外取名字） ，从“控件窗口”的“程序模块”中拖变量模块到“流程图编辑 窗口”， 在 “变量”图标上 右键“设置属性”设置变量类型为 int、 变量名称为 io0，第二个变量模块设置为 io1，依次设置完毕 。 图 25 定义变量 然后建立一个循环， 从“控件窗口”的“程序模块” 中拖一个条件循环模块到“编辑窗口” （在拖动“条件循环”时，“循环结束”模块也会被自动拖到编辑窗口，把“循环结束”和程序结束先连到一起）， 把刚才定义的变量赋给 对应的io口，从“控件窗口”的“功能模块”中拖 相应的 数字输入模块到程序窗口， 在图标上点鼠标右键，选择“设置属性”， 在通道选择中，选择通道 0，当前通道基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 25 - 数值选择 io0。 将另一数字输入模块设置为通道 1， io1， 依次设置完毕后， 将 这些数字模块 连 接 到程序中。 图 26 数字输入模块属性设置 添加条件判断时，从“控件窗口”的“程序模块”中拖动一个条件判断到编程窗口 （拖动时，“条件结束”也会被拖到编程窗口）， 将其连接到程序中 。右键设置属性， 红外探测时，前方 不能探测到擂台 ，返回为 1， 正常 探测到 擂台 ，返回为 0。故判断条件为机器人到达擂台边缘时 ： io0=1且 io1=1。当前方 安全有台 时，小车 继续 向前走。从“控件窗口”的“功能模块”中，拖动舵机模块到“编程窗口”，并设置各舵 机前进速度。（ 1号舵机速度为正向前转， 2号舵机速度为负向前转）； 再次遇到边缘 时， 继续 判断，是否是左方 到达边沿 ，再次添加“条件判断”，并设置条件。 图 27 条件判断 当 io1=1，即左方 到达边沿时 ， 让小车后退 1秒，再右转 1秒。 在“控件窗 口” 的“功能模块” 拖 2个舵机和 2个延时到程序窗口，并设置参数 （ 小车后退基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 26 - 就是把各个舵机的速度值调成与前进时相反 ）。 同样 ，当右方 到达边缘时 ，小车后退 1秒，再左转 1秒。 图 28 延时设置 最终完成程序如图： 综上，用以上拖图法完成模块调试还可以，但如果擂台赛程序也 用以上拖图法完成，思路很容易混乱，且效率低。所以本文改用手写代码开发编程，从 Tools菜单或者工具栏点击 Edit Code，软件切换到代码编辑模式，如图所示。此时手动输入代码，然后编译，下载运行程序。 （ 详细程序见附件 ） 图 29 探测边缘部分 程序 延时 1s 基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 27 - 图 30 手写代码 4.2 结构改 进 根据调试和安装中的实际情况，对机器人基础模型做了以下改 进 ： 基础件的升级。以前版的创意之星套件材料主要以薄塑料片为主，在安装拆卸时易损坏，针对这一情况做了加厚，电机底座换为钢制。 电池摆放。以往的设计中电池总是被习惯于 水平放置，重心比较低。但是作为易耗品更换起来非常麻烦，和机械小铲组合会容易倾倒。所以本次设计改为竖立，节省了有限的空间 ，上方不做限制容易换取，另一方面重心集中在板心，比较安全。 增加红外测距传感器，控制传感器合理布局，以 更好的 实现进攻策略。针对传感器支撑件连接脆弱点，做滴蜡和缠绕加固。 将小铲由搭建结构改为单板，并作磨边。更容易实现将敌方抬起的进攻动作。 在程序调试过程中，发现机器人执行指令期间，有总是转圈不直行的问题。经多次调试，发现是轮子手工安装时存在距离、角度偏差，使得力矩不同两轮速度不一样，所 以添加了统一的中间件。 将理想模型中的舵机驱动改为电机驱动，舵机控制轮子虽然转向比较灵活，但是速度慢、冲击小，不适宜攻击型机器人。 基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 28 - 第 五 章 总结及展望 5.1 总结 本文在研究了国内外其它武术擂台机器人结构与策略的基础上，同时参考了创博公司创意之星机器人的相关资料，设计了一台能参加武术擂台实战的机器人。包括机器人的控制系统，外围部件的选择，以及各硬件的安装调试，完成了以下内容： 1.完成了擂台机器人机械结构的设计与搭建，对传感器的位置进行了反复调整并最终调整到最佳位置。 2.根据控制系统的功能要求，设 计了移动机器人主控制电路和电机运动控制电路，选择了主要元器件，实现了控制系统与执行系统之间的信息的交互，并由执行系统完成对电机的控制，进而对机器人的行走做出控制和调整。 3.完成了与电机控制盒的通讯，并采取了合适的编码机制，使通讯过程能够更加高效，而且准确性很高。 4.开发了基于 PCI的运动控制卡，使多处理器相互协调完成总体系统功能。 5.在整体结构设计完成的情况下，应用经济学分析理论，提出了可行性方案。 6.找到进攻策略的核心解决方案， 将编写的程序成功应用于擂台机器人，效果显著，达到要求。 由此得出了以下 结论： 1.机器人具有检测和攻击等功能 ，可以根据传感器的信号进行路径规划， 在PC机的控制 下， 进行独立的动作。 2.设计的运动控制电路将大量系统功能高度集成，节省了逻辑电路，占用较小的线路板空间，使成本降低， PCI部件采用地址、数据复用，减少了 PCI部件的引脚数。提高了传输速率，增加了扩展性。 3. 擂台机器人的机械结构设计要倾向于： (1)边缘检测一定要灵敏可靠。 (2)敌方检测一定要方位准确、转向准确。 (3)重量要足够，重心要尽可能低，进攻武器要锐利，智能化要高。 (4)尽量不要与敌方机器人正面交锋，首 选其背面，其次是侧面。 毕业设计正一步步走向尾声，其实在设计过程中曾遇过许多繁琐的小问题 ，像因为线路接插有误，烧毁元件；手动安装过程中存在误差，需要反复调试平衡；红外接近传感器、测距传感器、灰度传感器功能上存在重复性，如何取舍；轮子基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 29 - 的驱动方式等；软件调试过程中更是绞尽脑汁。但这些都是在锻炼综合能力的同时，擂台机器人研究本身的确实意义和魅力所在。 5.2 展望 本文设计的机器人 通过反复的调整 和 多次实验，完成了擂台机器人 外围结构的选择 、搭建 ， 及完整的内部程序与策略编写， 效果还是让人满意的。为了擂台机器人特性进一 步的完善， 使其工业化成为可能， 在此还有几点可以改进，具体如下 ： 1. 为了使机器人更加智能化，需要对控制系统进行更好的联合调试 。 2. 对传感器之间的信息交流以及安装位置需要进一步调整。 3. 机器人还可以进行扩展上的改造，整体加外壳、在各个方向加攻击小铲。 4. 对于控制卡的设计还有待于进一步完善。 基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究 - 30 - 参 考 文 献 1 顾震宇 . 全球工业机器人产业现状与趋势 J. 机电一体化，