开题报告书2012.doc

攻读硕士学位研究生论文计划学 号： 20111100001 研究生姓名： 张荣 学 科： 机械工程 研究方向： 机械设计及理论 指导教师： 李卫国 2012年 12月 20日 制 订论文题目：足球机器人带球机构的优化设计1 选题目的及意义 随着我国科学技术的发展，机器人也开始向智能化发展，机器人足球问题已经成为当前机器人学、人工智能和计算机控制领域研究的热点问题。Robocup中型组足球机器人系统是典型的多智能体系统（Multi agent System)1-2。每对的两个机器人通过彼此间的相互合作来完成给定的任务。机器人的整个工作环境是一个动态变化的，而且在场的各个机器人的动作是不可预测的，这就要求机器人球员不仅能准确的控球，而且还要求机器人球员能够准确传球。这对移动机器人来说，必须保证其自身具有良好地稳定性、高清的图像处理能力、先进的传感技术和人工智能系统。许多球队一直致力于对机器人整体性能的研究，以便为提高算法和策略的有效性提供一个理性的执行体。目前Robocup系列足球机器人比赛主要包括仿真组、小型组、中型组、四腿组、救援机器人、两腿机器人六个正式比赛类别。根据比赛规则的不同，每组机器人在结构及设计方面也存在着一些不同之处。我校以中型组为例，对足球机器人的机构设计及方法进行了研究，并在传统中型组的基础上进行了修改，使很多方面的性能得到了改进，同时在全国的足球机器人中型组的比赛中取得了优异的成绩。中型组比赛一直作为我校的研究课题其具有如下的特点：场上的个个队员都是彼此独立的，每个机器人自身都具有处理器系统、传感器系统、执行机构和通信系统构成，同时规定了不能在比赛场地外安装传感器，这就要求机器人在比赛过程中既要对场上瞬息万变的情况进行预测，又要与其他队友之间进行协同合作。在机构的设计方面实现了击球与挑球的彼此独立，根据机器人在球场上所处的位置采取适当的进攻方式，整场比赛下来，双方的进攻机会都增多了，同时也减少了双方在传球过程中丢球的次数。采用三轮驱动的全向机器人，它可以向任意方向作直线运动而不必要做旋转运动，并且在以直线运动到达目标点的过程中同时可以做自身的旋转运动调整机器人的姿态从而达到最终的角度。足球机器人比赛虽然刚刚开展几年时间，但是它吸引了越来越多人的关注。因为它以喜闻乐见的方式走进了我们的视野，虽然它的体积很小，但是在科研方面和其他方面都有很大的意义。它是综合了计算机技术，自动化技术，机电一体化技术，人工智能技术，模式识别技术的一门综合技术。 足球机器人的核心技术是人工智能技术，它的目地是使机器具有人的智慧。它能使机器具有像人一样的感知环境，向环境学习的能力。其中视觉系统相当于人的眼睛、触觉系统相当于人的皮肤、协同与合作机构相当于人的大脑、移动机构相当于人的双腿，机器人所实现的动作完全是按照人的意愿来进行的，在很多方面都做到了人类难以解决的问题。综上所述，足球机器人的研究是目前机器人研究的热点问题。并且对机器人带球机构和挑球机构彼此独立做了重点的研究。通过建立适当的数学模型，并对模型做进一步的运动学和动力学的分析，得出理论测量数据。最后，通过软件分析与数据实验相结合，将该结论应用到足球机器人的设计中，使机器人的性能大大提高。2 国内外研究现状 1993年，Mackworth在一篇题为“On Seeing Robots”的文章中提出，足球可以作为机器人学和AI研究的试验平台，随后其他几位研究人员也在足球领域分别做了一些工作。在这些成果的基础上，1996年韩国首次举办了世界杯机器人足球大赛，1997年成立国际机器人联盟（FIRA)，同年在日本名古屋举行的第15届人工智能国际会议上举办了机器人足球世界杯大赛(Robocup)，中国第一支机器人足球队于1997年8月在哈工大成立，可以说，中国的机器人足球几乎与国际上同时起跑。从目前机器人足球的国际发展来看，主要有以下几个方面的特点：(1)发展迅速，比赛规模逐年扩大。经过4年的发展，现有成员国近40个，参赛队已经从最初的37支代表队发展到今天的154支球队。FIRA已经从最初的37支代表队发展到30多个国家组织的上百支球队。可见机器人足球发展之迅速。(2)竞争激烈，比赛水平提高很快。由于参赛队伍多，且除一些一流强队外，大部分实力接近，竞争趋于激烈。这表明机器人足球已受各国的高度重视。每届杯赛各队的战术水平都有明显的提高，都会出现新颖的软、硬件设计和巧妙的战术配合。 (3)国际研讨，著名期刊、会议倍加重视。一些有影响的国际学术会议如WAC98，AROBIII98，AROB99等安排了这方面的专题讨论。一年一度的世界杯赛也同时召开学术会议，推动相关学科的进展。 (4)欧美优势，韩国、日本的机器人足球水平仍处于领先地位。在Robocup已经举办的4届比赛中，欧美的优势不断扩大，尤其是德国，参赛规模和竞赛成绩都处于一流的水平，美国的竞赛成绩仍居于各国之首，韩国FIRA系列在比赛内拥有绝地优势。(5) 我国足球机器人发展迅速，从中国科技大学在2000年Robocup杯赛中取得仿真组的第九名的成绩，到美国亚特兰大RoboCup2007比赛，荣获仿真2D亚军、仿真3D冠军和季军、微软仿真组冠军、小型组第四名、四腿组第四名、救援智能体仿真季军等奖励，并且在青少年组的竞赛中也有出色表现。 (6) 赞助支持，国际产业界对机器人足球的发展进一步关注、参与。日本的SONY公司是Robocup国际组织的全球赞助商。而FIRA组织的主要赞助商是韩国三星公司。 (7)科普教育，面向中、小学生的机器人足球普及和科技活动初具规模。Robocup已经开展面向中、小学生的普及型比赛。把机器人寓教于乐，如上海广茂达公司生产的“能力风暴个人机器人”，融合了现代工业设计、机械、电子、传感器、计算机和人工智能等诸多领域的先进技术，学生可以通过使用“能力风暴”个人机器人接触到多方面的知识和技术。3 研究内容和方法 1) 研究内容 本文主要是对现有参考文献中所提到的对足球机器人机构设计的基础上，提出了一种新的设计方法：即足球机器人的击球机构和挑球机构共存于一个系统中，且在进行工作时两者彼此独立、互不干扰。通过建立模型，对上述机构机行运动学和动力学的计算，最后将理论数据应用到试验中对机构的整体性能进行验证。本研究 针对机器人机构的设计进行可行性分析，主要从以下三个步骤进行，计算出机构的理论运行参数：步骤一：为了使足球机器人在有限的空间了发挥出强大的作用，使它的功能更加的完善。通过Pro/E对足球机器人的机构进行建模，参见图一。 图一 挑球机构原理图步骤二：通过对挑球机构运动学模型的建立，分析出挑球机构的最佳挑球时的初始角，同时要分析出影响初始角的因数有哪些，参见图二。 xy C I 图二 挑球机构动力学模型图 步骤三：通过对击球机构运动学模型的建立，分析出最佳击球点的高度和角度，并分析理论击球点与实际击球点的误差，参见图三。IOvC 图三 击球机构动力学模型图综上所述，对足球机器人每个机构的运动状态的分析，分析出足球机器人在运动过程中所受到的影响因数，从而在实际的比赛过程中减少不确定因数对机器人整体性能的影响，使机器人整体的性能得到有效的提高。 2) 研究方法通过对足球机器人整体结构的了解，利用Pro/E对机构进行整体性的建模，同时将模型导入到ADAMS环境中进行仿真，在仿真的基础上通过改变运动参量的变化，使机构的整体性能得到优化，最后在最优解的基础上对机器人各个机构的速度、加速度及其位移进行分析，并通过建立适当的目标函数及约束条件等，使机器人的各个参量基本上符合目前研究的范围。具体方法如下： Pro/E环境下建立实体模型 Pro/E是一个交互式的CAD，CAE，CAM系统。它具备了当今机械加工领域所需的大多数工程设计和制图功能，是一个全三维、双精度的造型系统，使用户能够比较精确地描述任何集合形体，通过对这些形体的组合，就可以对产品进行设计、分析和制图。在整个足球机器人机构的三维实体建模过程中，主要涉及到Pro/E的实体建模、特征建模、装配建模三个模块。实体建模模块具有唯一的复合建模能力，提供业界最强的复合建模功能。Solid Modeling完全集成了基于约束的特征建模和几何建模，用户可以取得集成于一个高级的基于特征环境下的传统实体。Solid Modeling包括了曲线建模和线框建模功能的优点。它使用户能够方便地建立二维和三维线框模型，扫描和旋转实体，及进行参数化编辑，还包括进行快速和有效的概念设计的变化量的草图绘制工具以及更通用的建模和编辑任务的工具。特征建模创建集成在一个高级的基于特征环境的实体，它具有曲面建模和线框建模的能力。这个模块提高了表达式的级别，因而设计可以在具有工程特征的意义中来定义。提供对建立和编辑标准设计特征的支持，包括几种变形的孔、键槽、型腔、凸垫、凸台及全集的圆柱、块、锥、球、管道、杆、倒圆、倒角等，也包括实体模型挖空和建立薄壁对象。装配建模是在总装配中设计和编辑部件，并提高一个并行的自上而下的产品开发方法。组件被灵活地配对或定位，并且它们之间是相关的改进了性能和减少存储的需求。参数化地装配建模提供为描述组件间配对关系和为规定共同的紧固件组和其他重复的零件的附加功能。ADAMS/View环境下建立仿真模型目前，虚拟样机技术的商业软件中ADAMS软件可以非常方便地对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，ADAMS/View虽然功能强大，但造型功能相对薄弱，难以创建具有复杂特性的零件。但ADAMS/View可以输入Pro/E的CAD图形文件。将模型从Pro/E中导入ADAMS中，通过Para solid格式进行数据交换,数据转换的具体步骤如下：(1) 在Pro/E中建模、装配。(2) 将Pro/E建好的模型输出为Para solid格式。选择FileExportPara solid，此时弹出对话框，在Pro/E中选择相应实体模型进行输出即可。因为Pro/E、ADAMS目前只支持英文路径，所以应将文件输出在英文名路径下。(3) ADAMS导入Pro/E输出的Para solid格式文件。选择FileImport，弹出文件导入对话框，在File Type下拉框中选Para solid类型，然后选择读入Pro/E输出的文件。3 研究特色与创新点 (1)通过Pro/E对足球机器人整体机构进行建模，并分析出各个机构在运动时所需参数的最优数值，使机构运动的整体性能的已保证。(2)在结构设计方面既体现了击球机构与挑球机构的彼此独立，又突出了击球机构与挑球机构的相互融合。4 课题可行性分析 (1) 理论可行性 本课题在导师的指导下，前期阅读了大量的关于足球机器人方面的国内外论文，在此基础上，通过对相关理论知识、研究技术和方法的了解，为本课题奠定了良好的基础。 (2) 实验可行性 本课题的研究实验室中有大量的关于足球机器人的资料和实物，有利于课题研究的顺利进行，从而确保了本课题研究的切实可行性。 (3) 合作与交流 通过机器人大赛，能够清楚的看到本校机器人与其它高校机器人的不同之处，以便在较短的时间内取长补短，从而使机器人的发展进入一个快车道。 NN 结束 整理结果结果 机构的优化 机构的仿真Pro/E导入ADAMS 检验数据 机构运动学、 动力学分析开始Pro/E三维建模工作流程图： 图四 技术路线图 参考文献：1 李尚荣，李永新，孙刚，等.RoboCup小型足球机器人结构设计与分析J.机械与电子,2003， (5):49-51.2 李永新，李尚荣，杜华生，等. 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