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NorthSTAR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-II-基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究AbstractWiththecontinuousdevelopmentofrobottechnology,therobotisfurtherappliedtoserviceindustries,industrialprocess.Morewidelyinvolvedinthefield,sports,real-timeandreliabilityrequirementsarealsoincreasing.Inparticular,therobotalsoasanimportantteachingtooltoassisttheeducationsector,theimplementationofteachingandresearchuniversities.Tomeetthisdevelopment,therobotchallengecompetitionsaroundtheworld,booming,Chinaisnowsetoffawaveofrobotcompetitions.Instead,therobotChallengeCupinspiredmorepeopleinterestinrobottechnology,theemergenceofmoreandmorematurescientificresults.BasedontheChallengeCupathomeandabroadroboticsresearch,theknowledgeofhiscompanycreatedmaterials,brochurestolearnandbuildanabilitytoautomaticallydetectandlocatetheedgeoftheringrobot,toensurethepartydoesnotfallunderthepremiseoftheringcantaketheinitiativetoattacktheenemyrobotsinthestructuresatthesametimelearnmoreaboutcontrolsystems,drivesystemsforunderstandingtheexistingconditionscanbeexpectedtocompletethetask,andstudyapossibleattackstrategy.Mainlyexpressedinthehostcontrollerandperipheralmodulesinthedesignandconstruction,expansionisalsobrieflyintroduced.ThisarticlealsodescribesthedebuggingandprogrammingsoftwareinthedesignprocessthroughtheNorthSTARsoftwaresetup,programmingandsimulation,increasedesignreliability.Fortheringtoprovideareliableplatformfortherobot,therobottofacilitate，therealizationofavarietyoffunctionsforthefutureprovidethepossibilityoftherobotindustry.Keywords:RobotChallenge，Mechanicalstructure，theoffensivestrategy-II-目录第一章前言.11.1课题背景.11.2擂台机器人概况.11.2.1机器人擂台赛的研究现状.11.2.2擂台赛机器人存在的问题.31.2.3擂台机器人的发展.41.3本文的研究内容及步骤.41.3.1基本内容和问题.41.3.2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.62.1总体设计方案的确定.62.1.1竞赛规则.62.1.2“创意之星”机器人套件.72.2机器人的结构设计.82.2.1机器人控制决策系统MultiFLEX2-PXA270控制器.82.2.2机器人的感知系统.92.2.3擂台机器人运动系统.122.3机器人结构搭建.15第三章进攻策略分析.193.1规则分析.193.2解决方案.193.3路径规划.213.4具体策略.22第四章机器人的调试与改进.234.1机器人软件调试.234.1.1舵机的调试.234.1.2NorthStar编程软件.234.2结构改进.27第五章总结及展望.285.1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RobotCup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-1-基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究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（FIRACup)，同时举办学术会议(FIRACongress),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2006RoboCup中国公开赛在苏州举行。-2-基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究图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-3-基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究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-4-基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究在对武术擂台机器人有一定感官认识的基础上，以最新的InnoSTAR“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NorthSTAR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。-5-基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究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2400mm，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：-6-基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究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,UPTECHRobotics.）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7.2V2.5Ah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-7-基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究面，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4MultiFLEX2-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-8-基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究操作系统，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NorthSTAR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-9-基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究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1080cm。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7GP2D12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NorthSTAR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。-11-基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究图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10BDMC1203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L1L5右侧接线端子R1R4编号文字定义编号文字定义L1+12V电源正R1SGND信号地L2PGND电源负R2SIG信号L3EGND机壳地R3SGND信号地L4MOTO+电机绕组+R4SIG信号L5MOTO-电机绕组-配合电机的驱动模块，选用FAULHABER234224CR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112342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=UIraKen=(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=9.55PN/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=9.55PN/nN=0.98NM（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NorthSTAR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。延时1s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EditCode，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-基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究图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，2006，（2）：6102王恩惠.根据国情开展工业机器人研究工作R.航空部303所:1985年3毕胜.国内外工业机器人的发展现状J.机械工程师，2008，（7）：574博创科技.2008机器人武术擂台赛-创意之星解决方案OL.博创科技公司，2008年5博创科技.创意之星模块化机器人指导书M.北京：博创科技公司，2010年.全6博创科技.创意之星模块化机器人手册M.北京：博创科技公司，2010年.全7刘明尧、谈大龙、李斌.可重构模块化机器人现状和发展J.机器人,2001，（3）：全8杜启联、余跃庆、张绪平.PowerCube模块化机器人实验系统的研究与开发J.机械设计与研究，2004,20（6）：16199李淑琴、张建丽.机器人仿真赛策略设计与平台改进J.机器人技术与应用，2010，（4）：全10战强、闫彩霞、蔡尧.机器人教学改革的探索与实践J.现代教育技术，2010（3）:全11李爱萍、李元宗.机器人路径规划方法的研究J.机械工程与自动化，2009（5：19419612李卫国、王志刚.进攻型武术擂台机器人的研究与实践J.机器人技术与应用,2009，（4）：414313张悦、盖之慧、赵伟、杨博、指导老师：夏庆锋.武术擂台技术挑战赛机器人整体设计J.机器人技术与应用,2010，（4）：384014刘明尧,谈大龙.基于多Agent可重构机器人控制方法的研究J.中国机械工程,2002,13(20):17371739.15王峰.移动式机器人转向的模糊控制D:硕士学位论文.北京:北京理工大学机器人中心.16郝俊青.武术擂台赛机器人的设计策略J.科技情报开发与经济,2009,19（9）：全17王志良.竞赛机器人制作技术M.第一版.机械工业出版社,2007.18郁有文、常健、程继红.传感器原理及工程应用M.第三版.西安电子科技大学出版社,2008.128-15919陈冬云、杜敬仓、任何燕.ATmega128单片机原理与开发指导M.第一版.机械工业出版社,2006.1-139.20ChenI-Ming.TheoryandapplicationsofmodularreconfigurableroboticsystemsM.第一版.-基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究AnnArbor,1994.-基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究附录1源程序#includeApps/SystemTask.hintAD0=0;/左前红外测距intAD1=0;/右前红外测距intAD2=0;/左后红外测距intAD3=0;/右后红外测距intAD4=0;/左前方灰度intAD5=0;/右前方灰度intAD6=0;/左后方灰度intAD7=0;/右后方灰度/左右灰度没有使用unsignedcharIO0=0;/前方上面红外接近unsignedcharIO1=0;/前方下面红外接近unsignedcharIO2=0;/左红外接近unsignedcharIO3=0;/右红外接近unsignedcharIO4=0;/左前红外接近unsignedcharIO5=0;/右前红外接近unsignedcharIO6=0;/左上红外接近unsignedcharIO7=0;/右上红外接近intnLastLeft=0;/左侧速度备份intnLastRight=0;/右侧速度备份/floatfKS=0.8;uint8SERVO_MAPPING3=1,2,3;/*运动控制*/左侧1203ID为1/右侧1203ID为2/Move(500,500)表示以500的速度前进/Move(-500,500)表示以500的速度原地左转/右转和后退依次类推voidMove(intinLeft,intinRight)MFSetServoRotaSpd(1,inLeft);MFSetServoRotaSpd(2,-inRight);MFServoAction();nLastLeft=inLeft;nLastRight=inRight;-基于武术擂台机器人的结构设计及进攻策略分析研究voidOperateEdgeLed(unsignedcharflag)if(flag=0)MFDigiOutput(11,1);elseMFDigiOutput(11,0);voidOperateEnemyLed(unsignedcharflag)if(flag=0)MFDigiOutput(10,1);elseMFDigiOutput(10,0);/检测灰度#defineFGRAYEDGE200/680/左前方红外测距检测边沿的阈值#defineBGRAYEDGE200/700/右前方红外测距检