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移动机器人 正文.doc
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第 1 章 绪论
1.1 机器人概述
机器人技术现在已经成为当代十分活跃和被广泛应用的技术之一,是
一种综合性高技术,它涉及到多种相关技术及学科,如机构学、控制工程、
计算机、人工智能、微电子学、传感技术、材料科学以及仿生学等科学技
术,是各学科先进技术的高度集成。机器人的研究水平已成为衡量一个国
家科技发展水平的重要标志之一。
机器人是机电一体化产品,即是一个完整的机械电子系统。它的六大
要素,即计算机、动力、传感器、驱动系统、执行器、机械本体,可以比
拟为人的大脑、内脏、五官、肌筋腱、四肢、身驱,是人的整体在自然领
域的复现和延伸。计算机是机器人的指挥系统它与人的大脑作用相似。计
算机将来自各传感器的检测信息集中、储存并进行处理,然后按照一定的
程序和节奏发出各种指令,指挥和控制整个系统的运行。动力是机器人的
能源,它与人的内脏作用相似。它为驱动系统提供能量和动力功能,并驱
使执行器运行。传感器是机器人感知外界的器官,其功能是将系统运行中
所需的各种参数及状态检测出来,变成一种可以测定的物理量,传到计算
机,信息处理后根据需要做出反应。驱动系统是在计算机的指挥下,支驱
动各执行器,完成各种动作和功能。执行器是机器人完成抓取物件和扩大
行走范围的环节,它和人的四肢作用类似。机械本体是指机器人的机械结
构和支撑装置,类似人的身躯
[1]
。
上个世纪五十年代中期,人类历史上诞生了第一个机器人。从此,机
器人技术开始迅速发展,并逐渐走进各个领域。到了上个世纪 80 年代,
计算机技术的发展推动了机器人技术的发展,并达到了新的水平。国民经
济的各个领域中都采用了机器人。上到宇宙飞船,下至海洋开发都采用了
机器人作业。在核电站、汽车工业、电子工业乃至教育行业中都引进了机
器人。机器人技术已成为高科技应用领域中的重要组成部分。随着移动机
器人运动性能的进一步提高,其应用领域将更加广泛,从而为人类迅速扩
大的生产生活空间提供移动载体方面的基础技术保障,特别是在未来的航
天技术领域中,人类将在可以到达的外天体上开展各种各样的科学探测和
考察活动,甚至进行太空生产活动和移民,而能够长期生存和灵活扩展的
复合式多功能移动机器人系统正是人类在空间环境中的重要工具之一。大
多数时间内,人们的研究眼光多集中在机器人的工业控制领域,以至于形
成了今天的传统工业机器人领域:笛卡尔坐标(三个直线轴)机器人,
如 IBM 公司的 RS-1 型机器人和 Olivetti 公司的 Sigma 机器人;柱坐标(两
个直线轴和一个旋转轴)机器人,如 Prab 公司的 Versatran 600 型机器人;
球坐标(一个直线轴两个旋转轴)机器人,如 Unimation 公司的 Unitian
2000B 型机器人;旋转或关节坐标(三个旋转轴)机器人,如 Cincinnati
Milacron 公司的 T3 型机器人和 Unition 公司的 PUMA 型机器人等。
21 世纪,机器人可能会成为与我们朝夕相处的伙伴,各国都在加大
力度,进行机器人共性技术的研究,并朝着智能化和多样化方向发展。机
器人未来应用前景广阔。机器人的推广,方兴未艾,其涉及范围,几乎无
所不及。工业机器人,在柔性系统和无人工厂的应用引人注目,扮演着重
要角色
[2]
。太空机器人和水下机器人的崛起战功显赫,是太空探测和海洋
揭秘的开路先锋。自动诊断及人—机器人对话通讯的开发初露锋芒,是机
器人智能化的重要标志。家庭、办公室、护理机器人的发展已初见端倪,
机器人将迈步进入家庭、办公室和医院,为人类文明增添异彩。
1.2 机器人竞赛
机器人竞赛是近年来国际上迅速开展起来的机器人技术对抗活动,它
涉及人工智能、机构学、通讯、传感、精密机械和仿生材料等诸多领域的
前沿研究和技术融合,集高新技术、娱乐和比赛于一体,所以引起了社会
的广泛关注和极大的兴趣。
未来世界上高科技领域的竞争不公是技术上和整体国力的竞争,更重
要的是人才的竞争。因此,从现在开始就应该注意培养后备力量。为加大
普及力度,培养青年一代具有热爱科学的良好素质,举办机器人竞赛是非
常必要的。现代科学技术的发展,各类边缘学科和综合学科的兴起,要求
学生必须拥有较为广博丰厚的知识基础,才能融会贯通、有所发现、有所
创新,机器人技术是未来高科技的方向之一,机器人竞赛是教育和高科技
的结合。
机器人竞赛是以娱乐为载体的前沿高科技研究和高技术对抗,它广泛
涉及机构学、人工智能、计算机视觉、自动控制、精密仪器、传感和信息
等一系列学科的创新研究和综合集成,能够集中反映出一个国家在信息和
自动化方向的水准和实力。机器人大赛,不仅仅因为机器人技术综合了多
种科学知识,学生对机器人技术有着浓厚的兴趣,而且学生可以自己编写
程序、搭建、调试机器人,灵活地综合运用多学科知识,结合日常观察、
积累、去寻求自己独特而完美的解决方案,创造出自己心中的机器人,摆
脱了机械地接受知识,从而到达启迪青少年创新意识的目的。
因此,机器人大赛对推动大学生课外科技活动与培养大学生科技创新
能力、实践能力和合作能力,具有不可替代的作用。
1.3 课题研究背景
随着智能技术突飞猛进的发展、教育理念的不断更新,作为综合了信
息技术、电子工程、机械工程、控制理论、传感技术以及人工智能等前沿
科技的机器人技术也在为教育改革贡献自己的力量。为了推动机器人技术
的发展,培养学生创新能力,在全世界范围内相继出现了一系列的机器人
竞赛。机器人竞赛是一种高技术对抗活动,它涉及人工智能、自动控制、
机械电子、通信、传感及机构等多个领域的前沿研究和技术融合,集高技
术、娱乐和比赛于一体,引起了公众的广泛关注和极大兴趣。目前,国际
上推出了各种不同类型的机器人大赛,如机器人足球、机器人灭火、机器
人相扑、机器人舞蹈、机器人走迷宫和机器人赛跑、ABU ROBOCON 等。
机器人大赛,不仅为青少年提供了良好的寓教于乐的载体,也极大地促进
了实用智能机器人的研发。
我校从 02 年起开始参加 ABU ROBOCON 全国大学生机器人电视大
赛。亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛(简称 ABU-ROBOCON,以
下同)是由亚广联节目部发起的致力于培养各国青少年对于开发、研制高
科技的兴趣与爱好,提高各参与国的科技水平,为机器人工业的发展发掘
培养后备人才的一项重要赛事。
各个亚洲广播电视联盟成员都有权参加该项比赛,但参赛对象只限于
各国的大学或工科院校的在读本科学生。该大赛每年举办一次,自 2002
年第一届 ABU-ROBOCON 在日本举办以来已经成功举办了七届,在“非
典”横行的 2003 年也没有中断。每年的 ABU-ROBOCON 决赛由亚洲广播
电视联盟的成员国轮流承办,2009 年第八届 ABU-ROBOCON 将在日本东
京举行。该项赛事作为亚广联的重要项目,将每年一届持续举办下去,并
继续扩大其规模和影响,最终发展成为吸纳欧、亚、北美著名高校和大学
生参加的重大国际赛事。
除了每年的承办国之外,其它国家或地区每年只能有一只参赛队代表
国家出征 ABU-ROBOCON。中国中央电视台为了选拔能够代表中国参赛
的代表队,自 2002 年开始举办中央电视台机器人电视大赛(简称
CCTV-ROBOCON,以下同),并且由每年的国内赛冠军代表中国参加
ABU-ROBOCON 的比赛,至今已成功举办七届。
第 一 届 比 赛 的 主 题 是 “ 抢 攀 珠 穆 朗 玛 峰 ”(“Reach for the Top of
Mt.Everest”)。北京交通大学进入 16 强,并获最佳策略提名。
第二届全国大学生机器人电视大赛的主题是“太空征服者”(“Takraw
Space Conqueror”) ,采用的规则和亚广联第二届大学生机器人比赛的规
则一致。本次报名参加的大学有 39 所,参加本次筹备会的有 34 所,国内
最有影响的大学如:清华大学、北京交通大学、上海交通大学、西安交通
大学、浙江大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学等都参加了比赛。
我校制作了 4 台机器人参加,比赛中先后战胜华南理工大学、上海交通大
学、浙江大学、中国科技大学,获得第三名。
第 三 届 全 国 机 器 人 电 视 大 赛 的 主 题 是 “ 鹊 桥 相 会 ” ( Reunion of
Separated Lovers,‘Gyeonwoo and Jiknyeo’)。我校取得了优秀奖。
第四届全国机器人电视大赛的主题是“登长城,点圣火”( Climb on the
Great Wall ,Light the holy fire)。报名参加此次大赛的学校有近 40 多个
队。我校在小组赛中遭遇了电子科技大学、华南理工大学和兰州交通大学,
最终取得十六强的成绩。
第五届全国机器人电视大赛的主题是“建造双子塔”,我校在击败第四
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