机器人技术论文精品(七篇)

序论：写作是一种深度的自我表达。它要求我们深入探索自己的思想和情感，挖掘那些隐藏在内心深处的真相，好投稿为您带来了七篇机器人技术论文范文，愿它们成为您写作过程中的灵感催化剂，助力您的创作。

篇(1)

焊接机器人的优点在于:焊接参数稳定，大幅提高了焊接产品的质量;使操作工人远离焊接弧光、烟雾和焊渣飞溅的侵害，极大地改善了工作条件;可以24h连续工作，大幅提高了劳动生产率。我国的工业机器人自上世纪一七五科技攻关开始起步，经过30多年的发展，在机器人的设计、制造、控制系统、传感器技术和智能应用方面都取得了长足的发展，弧焊机器人已广泛应用在汽车及装备制造等领域的焊装线上。科学技术的不断发展，使工业生产系统不断向大型复杂开放的方向发展，反过来又对焊接机器人等工业技术提出了更高的要求，虚拟仿真技术、人工智能控制和多智能体协同工作系统等高新技术正成为焊接机器人技术研究的热点，不断推进焊接机器人向着更先进的数字化、信息化、智能化方向发展。

1虚拟仿真高新技术

虚拟仿真技术是在信息处理技术和网络技术发展的基础上，将先进的仿真技术手段与网络技术相结合，对事件的现实性从时间和空间上进行分解后重新组合的技术。这一技术包括了三维计算机图形学技术、人机交互技术、多功能传感技术、人工智能、高清晰度的显示技术以及网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统。在机器人研发设计阶段，由于机器人的机械手是多自由度的空间连杆机构，如果采用传统的力学和运动学理论来进行计算分析，那么难度非常大。如果利用计算机虚拟仿真技术，将机械手的几何参数及各组成零件的结构和力学特征与机器人学理论结合，运用三维设计软件将其模拟出来，再对其进行模拟运动和受力分析，就可以得到直观且可靠的结果。在机器人试验过程中，由真实设备和计算机仿真系统综合组成虚拟现实环境，让机器人在仿真环境中模拟正常工作状态，这样不仅加快了机器人系统的实际应用能力检测的进度，也缩短了其在工作环境中的安装和调整周期，更避免了许多在常规计算中难以测算的动态障碍、十涉等问题。

2多智能体协调控制高新技术

多智能体协调控制系统是指多个智能体通过系统控制互相协调、配合，协同工作，能够共同完成一项工作任务的组合系统，是近年来刚刚兴起的一项开放J陛智能新技术。多智能体协调控制系统是在单体智能机器人的基础上，为了适应复杂工作而将多个机器人的工作组合协调，相互关联。在搭建该控制系统时，重点考虑多个智能体的协调运作，即每个智能体按控制要求，在规定时间和空间内完成既定任务，且与相关联的智能体在时间和动作上协调一致，相互间有信息交互，具备一定的调节反馈能力。多智能控制体系利用一个控制系统，组成一个庞大的复杂的体系，完成复杂的工作目标，解决了一个全局性问题。其特点在于，将本应非常复杂的硬件和软件控制系统，分解成了相对简单的、独立的、相互间有信息反馈、彼此协调的多个单智能体单元。整个系统实现了资源共享、信息互通、互相协调、互相控制，通过易于管理、可灵活调整的多个单体，完成各种复杂的工作任务。

3智能传感器高新技术

近年来，随着微电子技术的不断发展，传感器技术也得到了长足进步，在传统传感器的基础上，发展起了多种新型智能传感器。在焊接机器人领域应用的有电弧传感器、超声波触觉传感器、静电电容式距离传感器、基于光纤陀螺惯性测量的三维运动传感器，以及包括光谱、光纤、红外等在内的光传感器等。智能传感器技术对机器人技术向高精方向发展起到了重要的推动作用。电弧传感器的工作原理是直接从焊接电弧本身获取焊缝偏差信息，不需要任何附加装置，具有成本低、实时性强等优点。采用了视觉传感器的机器人，通过视觉控制不需要预先对工业机器人的运动轨迹进行示教或离线编程，可节约大量的编程时间，提高生产效率和加工质量。同时，为了使智能机器人系统获取更加全面、准确的环境信息，以满足其综合决策的需要，一种以多传感器联合为基础的信息采集处理系统，即多传感器智能信息融合技术也应运而生，与传统只能测量一种信息的智能传感器相比，其性能大为提高。

4结语

篇(2)

【关键词】机器人教学;能力培养;教学内容;教学方法

【中图分类号】G40-057 【文献标识码】B 【论文编号】1009―8097(2010)03―0144―03

引言

20世纪是人类科学技术迅速发展的辉煌100年,综合诸多前沿学科和技术的机器人的诞生和机器人学(Robotics)的建立是上世纪科学技术所取得的重大成就的代表之一。从1962年美国万能自动化(Unimation)公司的第一台机器人的投入使用到现在,短短40多年的时间,机器人已从无到有,现在已拥有“百万大军”,在世界各个领域和人民生活的诸多方面忠诚地为人类服务,做出了不可磨灭的贡献。随着机器人技术的蓬勃发展,目前全国的许多高校甚至中小学都开设了机器人教学的相关课程,而且学生的人数在逐年增多。以北京航空航天大学(简称北航)为例,现在每年选修机器人课程的学生都在上百人左右。机器人是一门多学科高度交叉的前沿学科,包括机械学、生物学、人类学、计算机科学与工程、控制论与控制工程学、电子工程学、人工智能、社会学等,无论在基础理论方面还是在实践应用方面其发展速度都十分惊人。为了进一步更新教学理念,优化教学策略,保持与国内外机器人教学同步提高,笔者对国内外十几所著名高校的机器人教学情况,就教学大纲、成绩考核等方面进行了调查研究与分析,在此基础上对笔者从事的机器人教学课程进行了改革和探索,提出了一些建议和改革措施,并在近三年北航的《机器人学》教学过程中进行了实践,取得了不错的教学效果。

一 国内外机器人教学的调研

美国是机器人技术的发源地,开展机器人教学的高校比较多,而且教学水平和教学质量在国际上都是首屈一指的。调研的美国高校包括MIT[1]、Stanford[2]、CMU[3]、UC-Berkeley[4]、CIT[5]五所高校,国内高校包括清华大学[6]、上海交通大学[7]、哈尔滨工业大学[8,9]、吉林大学[10]、天津大学[11]、北航六所高校。调研的方式主要是收集各高校网站相关教学信息,包括教学大纲、成绩考核等,通过分析比较,总结经验。

就所调研的国内外高校而言,国内外高校机器人教学特点可概括如下(参见表1和表2):

1 美国高校的机器人启蒙课程或机器人导论等开设在本科,使本科学生对机器人有个普遍的了解,以“讲解+实验+讨论”的形式,利于形象化理解;研究生阶段开设《高级机器人学》等更深层次的课程,进行分方向研究。开设的专业较广,涉及机械工程、电子工程、航空航天、计算机科学等专业,而国内高校本科开设机器人课程的相对较少。

2 国内的机器人课程主要开设在硕士第一学期,部分学校在本科阶段开设《机器人概论》课程,现有将《机器人学》从硕士提到本科的倾向。开设方式多样,如必修、专业选修、全校选修等。国内高校选择教材较集中,选用蔡自兴《机器人学》、熊有伦《机器人学》的居多,部分高校的课外参考书为国外原版教材。

3 美国高校的机器人实验与课堂讲解的学时比例基本上在1:1.5左右,而国内高校的实验学时数相对较少(实验与讲解的比例最高为1: 3.2),半数以上高校的实验课时数为零。例如,MIT的课堂教学学时数与北航的差不多,但实验的学时数已经达到了22学时,而北航的实验学时数为零。

4 就考核方式而言,美国高校的机器人课程都有期中考核,国内高校基本上没有期中考核。此外,美国高校的机器人课程作业考核占的比重比较大,比如CMU的作业考核占到了总成绩的60%。

二 北航机器人教学现状

以北航机器人所为全校研究生开设的《机器人学》这门课程为例,我们的机器人教学还有较多不合理之处:

1 教学内容陈旧。课程的教学大纲是九十年代制定的,十几年了没有什么变化,远远落后于机器人技术的发展。而教师在授课时基本按照教学大纲来执行,对教学内容的更新不多。课程设置的大多还是一些传统基础内容,而从学生的反馈来看他们对该学科的前沿进展和最新成果更加感兴趣,因此需要从兴趣方面引导学生积极地自主学习,在该学科上不但具有扎实的基础同时具有宽广的知识面。

2 教学环节上也存在诸多不合理之处,过多偏重于教师的讲授,学生独立思考、实践的课程根本没有。而实践环节是检验学生创新思维能力的最佳方法, 是锻炼学生对信息的采集、分析、处理和应用等必不可少的重要环节。

为了全面提高机器人教学的质量和学生的培养质量,使学生能真正学到系统深入的机器人知识并具有较强的实际运用能力,为他们在后续的工程实践和研究过程中创造出创新性的研究成果奠定基础,有必要针对上述问题进行《机器人学》课程教学的改革,制定合理的课程内容和教学方案。

三 改革措施与实践效果

针对《机器人学》这门课程存在的问题,基于“能力培养”的主导思想,对该课程进行了改革和探索。

1 教学内容方面的改革

教学内容方面的改革主要包括两方面:

(1)在教学内容上增加了入门介绍的内容。针对我校的大部分研究生在本科阶段未上过机器人相关课程的情况,借鉴国外本科机器人教学的内容和方式,把绪论部分的学时从原来的1学时增加到了2学时,并采用视频、图片、动画、参观等直观形象的方式为学生较系统地介绍机器人的发展历史、分类、用途、研究方向等,让学生在2学时的时间内对机器人这个学科有一个基本的认识,避免了过去绪论时间短,学生还未弄明白学习对象的情况下就开始专业知识的学习。此外,在绪论里面每年都增加新的机器人的研究进展,学生们既了解了历史又开阔了眼界。在过去三年的实践中,上述教学改革得到了学生的好评。

(2)在教学内容上注重了“深度”与“广度”的结合。在以前的机器人教学内容中偏重于知识的深度而忽略了知识的广度,例如偏重于机器人运动学和动力学,机器人控制和运动规划都不讲,这存在一个弊端,即如果有的学生在后期的研究中要进行机器人控制方面的工作,相关的知识是没有学过的,还要重新自学。因此在教学内容上我们降低了机器人运动学和动力学的讲解深度,增加了机器人控制和机器人规划方面的内容,力求通过该课程的学习让学生们既比较深入地掌握了机器人运动学和动力学的基础知识,同时对于其他相关的理论也有一个基本基础和认识。

2 教学方法方面的改革

(1)在教学方式上增加了课堂讨论的环节。以前的机器人教学,主要采用老师讲、学生听的方式,学生与老师之间没有交互的机会,课堂气氛比较沉闷,学生比较容易游离于教学环节之外。为了调动学生学习的积极性,让他们参与到机器人的学习过程中,我们在每章的教学内容中都设置了讨论的问题,让学生自己来表述解题的方法、对问题的看法,并让他们之间进行互相的辩论,老师是作为一个仲裁者的身份进行讨论的组织和总结。在该方式最初试行的时候,由于中国学生天生的内向性格,参入的学生比较少,但在后续的讨论中,越来越多的学生敢于发表自己的观点,并积极地参与辩论。在辩论中学生们都感觉收获很大,对于一些深奥或难理解的问题理解地比较清楚明了了。

(2)在教学方式上增加了现场讲解环节。为了让学生们能够更好地理解和掌握机器人运动学的知识,我们把部分课堂环节改在实验室进行,以真实的机器人为例,讲解机器人的关节、坐标系、D-H建模、正运动学和逆运动学的知识,如图1所示。这种教学方式避免了以往学生学习运动学的知识只是面对机器人简图、缺乏真实案例的弊端,让学生们的学习做到了理论与实际的结合。

(3)在教学方式上增加了专题作业论文的环节。专题作业论文是为了能够扩展学生的知识面,同时把课堂学习的机器人知识与自己未来的研究方向结合起来,选题的内容由学生跟自己的导师商量,格式按照标准的期刊论文的格式来写,必须把一个与学习内容相关的专题内容论述清楚。比如,往届学生有写轮式移动机器人机构的、机器人视觉的、机器人优化控制的,如图2所示。这种专题作业论文既让学生练习了专业论文的写作格式,同时又结合某个专题扩展了学生们的知识面。

(4)在教学方式上增加了实验环节。受我校机器人实验的条件限制,我们一直未能正式地开展机器人的实验课程,但是机器人实验对于锻炼学生的实际操作能力是很重要的。在08年秋季,通过整合部分机器人资源,为学生开设了机器人实验。实验内容是编程控制机器人按自设定的轨迹运动,采用的机器人是ABB的1440。由于学生多机器人少,我们采用了四个学生一个组的方式,大家按组轮流来做实验。尽管学生们在实验中出现了各种各样的错误,但学生们的兴致很高,一直操作到每组许可的时间结束。学生们反映这个实验对于他们锻炼的价值很大,因为把理论和实际之间的这层窗户纸给打通了,让学生们对于这门机器人的课程有了一个系统的认识和理解。

四 结语

机器人课程在各高校中变得越来越普遍,如何结合机器人技术的发展搞好机器人的教学工作是许多机器人教育者关心的问题。笔者通过对国内外部分高校的机器人教学进行调研,并结合我校机器人教学的实际情况,对《机器人学》这门研究生课程进行了改革与探索,在过去三年的改革与实践过程中,取得了不错的教学效果。

本论文得到了北京航空航天大学研究生教育与发展研究专项基金的资助,在此表示感谢。

参考文献

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Research and Practice in Teaching of a Robotics Lesson

ZHAN Qiang YAN Cai-xia CAI Yao

(Robotics Institute, Beihang University, Beijing 100191, China)

篇(3)

关键词：机器视觉；边缘检测；图象识别；滤波算法

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 02-0082-01

一、机器人系统的发展及机器人视觉

机器人的发展大致经历了三个成长阶段，也即三个时代。第一代为简单个体机器人；第二代为群体劳动机器人；第三代为类似人类的智能机器人。它的未来发展方向是有知觉、有思维、能与人对话。机器人向着智能化、拟人化方向发展的道路，是没有止境的。 机器人视觉是计算机学科的一个重要分支，它综合了光学、机械、电子、计算机软硬件等方面的技术，涉及到计算机、图像处理、模式识别、人工智能、信号处理、光机电一体化等多个领域。我国机器人视觉应用主要有以下目的：用以代替人类从事危险、有害和恶劣环境、超净环境下的工作；提高劳动生产率，改变产品质量，快速相应市场需求，加强在国际市场的竞争能力。

二、机器人视觉的原理

机器视觉是机器人感知周围环境的主要途径之一。它可以通过视觉传感器获取环境的二维图像，并通过视觉处理器进行分析和解释，进而转换为符号，让机器人能够辨识物体，并确定其位置。目前成熟的光电成像技术都只能捕获二维明暗信息，而不能获得距离信息，所以直接通过这种途径获得的机器视觉也只能是二维的。随着科学技术的发展，三维立体视觉的解决方案也如雨后春笋般涌出，其中就包括双目立体视觉，狭缝光投影法，时间差法等。

（一）实现方法

1.图像的获取与预处理：用于进行三维特征提取的图像是一幅常规的二维灰度图，所以使用一个常规的CCD或CMOS图像传感器即可满足要求。图像需要进行量化处理，即把图像信息分成许多像素点，这些亮点经过A/D转换后即可输入计算机进行处理。2.边缘信息提取：边缘提取算法就是把一副灰度图像转化为二值图像，灰度图像中的轮廓在二值图像中用1表示，而非轮廓位置用0表示。边缘提取算法的种类非常地多，如Robert算子卷积法等。3.边缘检测与轮廓连结：边缘检测主要采用各种算子来发现、强化图像中那些可能存在边缘的像素点。边缘检测算子除了有Roberts算子外，还有索贝尔算子（Sobel operator）和Prewitt算子、高斯偏导滤波器以及Canny边缘检测器等。4.利用线条分类识别三维物体：提取出二维图像的轮廓信息，还不足以分析出其中的三维特征，我们必须对轮廓信息进行进一步的模式化处理，从轮廓中提取特征。5.从二维图像中提取三维特征的局限性：虽然从二维图像中提取图像的三维特征的算法对设备的要求低，处理的数据量相对较小，输出地结果也比较规整。但是这种算法也有其局限性。

（二）摄像机模型及透视技术

透视技术实际是一个非线性映射，这在实际求解时可能需要大的计算量，而且如果透视效果不明显，直接使用该模型可能会使求解变为病态。透视逆变换把三维物体转变为二维图形表示的过程称为投影变换。

三、基于视觉的机器人路径规

针对移动机器人规避障碍和寻找最优路径问题，提出了在复杂环境下移动机器人的一种路径规划方法。采用了栅格法建立了机器人工作平面的坐标系，整个系统由全局路径规划和局部避碰规划两部分组成[8]。在全局路径规划中，用改进蚁群算法规划出初步全局优化路径；局部避碰规划是在跟踪全局优化路径的过程中，通过基于滚动窗口的环境探测和碰撞预测，对动态障碍物实施有效的局部避碰策略，从而使机器人能够安全顺利的到达目标点。这种方法能在较短时间内找到最佳路径并规避障碍。

四、机器人视觉处理程序

机器人视觉处理程序的主要功能包括：（1）从USB摄像头实时读取视频数据，进行简单的预处理；（2）随后进行图像处理，主要完成空域的图像增强。通过对图像进行二值化，将目标小球从背景中提取出来；（3）计算目标的位置，进而计算出机器人头部的旋转角度，通过舵机驱动程序，控制机器人头部转动到目标所在角度，实现对目标物体的跟踪。

经过实验，机器人头部可较好地跟踪目标，实现了视觉原型系统。

（一）机器人视觉的目标与任务

目标：使机器人具有感知周围视觉世界的能力。让机器人具有对周围世界的空间物体进行传感、抽象、判断的能力，从而达到识别、理解的目的。

任务：图象的获取、预处理、图象分割与表示与描述、识别与分类、三维信息理解、景物描述、图象解释。红色部分就构成了图像分析的研究内容。

（二）视觉信息的处理

移动机器人视觉信息的处理通常由图象获取、图象分析、关系描述三部分组成。

五、结束语

移动机器人是目前机器人领域的研究重点之一，吸引着众多学者的注意。机器人的研究涉及到人工智能、控制理论、传感器技术和计算机科学等多门学科。通过阅读大量的期刊、学术论文用于进行三维特征提取的图像是一幅常规的二维灰度图，所以使用一个常规的CCD或CMOS图像传感器即可满足要求。图像需要进行量化处理。为了给形态学处理的图像提供统一的条件，计算机在把获得图像进行形态学处理前，必须先对其进行预处理。由于各方面客观条件以及个人研究能力的限制，在机器人技术中嵌入式系统的应用及视觉处理程序方面的研究还不够深入，还需要在今后的研究中不断深入探讨。21世纪是信息化的时代，随着信息技术的发展和普及，机器人视觉系统无论是在理论研究上上，还是在应用方面都将很大进展。

参考文献：

[1]段峰，王耀南.机器视觉技术及其应用综述[J].自动化博览，2002（3）：43-47.

[2]李文锦，吴海彬，何祖恩.基于机器视觉的机械测量及识别技术研究[J].机床与液压，2010（1）：32-51.

篇(4)

（北京邮电大学世纪学院电子与自动化系，北京 延庆 102101）

【摘　要】双足类人行机器人一直都是国内外非专业和专业机器人爱好者重点研究的项目。介绍了具有gps定位功能的双足机器人的行走运动控制，主要研究了对标准的“加藤一郎”约束结构的人形机器人进行行走运动控制，对硬件的控制系统进行合理的设计，动作流程的规划，完成软件的编程。机器人选取了被人们广泛使用的51系列单片机，采用的是单片机STC12C5A60S2，并集成了GPS模块，使机器人拥有了定位功能。

关键词 人形机器人；单片机STC12C5A60S2；GPS；“加藤一郎”约束结构

0　引言

类人形步行机器人的控制还有它的相关技术的研究无论是在国内还是国外的机器人领域中都有着重要研究价值，同时机器人的研究成果和当今的社会有着密不可分和不容忽视的意义，所以这项科学一直成为机器人研究的热点之一。

时至今日，设计并完成具有GPS定位功能的类人形机器人的运动控制，需要满足以下几个基本功能：其一是研制出两足步行机构，并使其能在许多结构性、非结构性环境中完成行走任务，从而代替人类进行诸如延伸、作业、扩大活动等领域；二是更多地了解和掌握人类步行时的特性和技巧，并且利用这些特性来为人类服务；三是两足人形机器人的步行系统，具有极为丰富的动力学特性。在这方面进行的研究，可以拓宽力学以及机器人学的研究方向。

1　系统结构设计

本设计采用STC12C5A60S2 单片机作为主控芯片，集成了两片存储芯片AT24C512，GPS定位模块并设计了35个IO双向接口，用于传感器及电机的集成。

硬件部分的控制器主要采用的是STC12C5A60S2 单片机。单片机的工作电压为3.3 V～5.5 V（5V单片机），兼容普通8051的定时器或4个外部中断，工作频率在0-35MHz之间，有6个16位定时器，具有看门狗和EEPROM功能，并且内部集成MAX810专用复位电路 。使用内部R/C振荡器时钟 11MHz-17MHz。

GPS模块性能的价值指标主要有接收灵敏度、定位时间、位置精度、时间精度、功耗等。在不同的启动模式下，模块开机定位时间有很大不同。一般来说，模块内部没有保存任何有助于定位的数据的情况称为冷启动时间，包括星历、时间等，一般标称在1分钟以内；模块内部有较新的卫星星历（一般不超过2小时），但时间偏差很大的，称为温启动时间，一般标称在45秒以内；热启动时间是指关机不超过二十分钟，并且RTC时间误差很小时的情况。

人形机器人设计了35个IO接口，其中包括万能接口11个，万能接口可以选择7.4V 或5V 电压供电，可选上拉电阻或下拉电阻。可用于各种扩展舵机和传感器。

由于双足机器人运动控制的复杂性，为机器人使用的STC12C5A60S2单片机集成了两片电可擦除存储芯片AT24C512，存储空间共有128KB，这样可以让机器人程序存储器空间扩充至190KB。AT24C512是Atmel公司生产的64KB串行电可擦的可编程存储器，内部共有512页，每一页为128字节，任一单元的地址为16 位，地址范围为0000～0FFFFH之间。其优点就是，采用8引脚封装，结构紧凑、存储容量大。在测控系统中被大量采用，可以在2总线上并接4 片芯片，特别适用于具有大容量数据存储要求的数据采集系统。

本设计采用由德州仪器公司推出的一款兼容RS232标准的芯片。串口通信指的是数据的各位按顺序一位一位传送。他的优点就是，只需一对传输线，占用硬件资源少，适用于远距离通信，而缺点则是，传送速度较慢。本设计所采用的是4pinRS232接口带“CTS”判断位，可以同时输出RS232电平和TTL电平。由于电脑串口RS232电平是-10v+10v，而一般的单片机应用系统所采用的信号电压是TTL电平0+5v，所以需要进行电平转换，这也就是使用max232的原因，该器件包含两个驱动器、两个接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。

2　软件设计

根据双足类人形机器人行走控制系统的功能需求和硬件电路特点，软件系统需要满足以下3个要求：

1）软件模块化，并且需要有很好的可维护性，可扩展性。

2）能够实现PWM 信号的分时复用，并且要保证PWM 信号的高精度。从而通过软件，及时地改变PWM 的输出。

3）可以满足机器人多自由度控制的实时性。

3　结论

双足类人行机器人是近年来的前沿学科，它涉及人工智能、自动控制、仿生、通讯、机械电子等多个领域的技术融合。本论文重点研究了机器人的行走规划以及GPS定位功能的实现，经实验验证，所设计的机器人能够在平坦的地面上自由行走并具有GPS定位功能。

参考文献

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篇(5)

时光追溯到2002年，年轻的刘连庆到沈阳自动化研究所读研究生时，所里刚开辟出一个与纳米相关的前沿方向，就是基于机器人的理念，研究一种能够精确操作分子、原子的新型机电系统――纳米操作机器人。在导师的引导下，刘连庆很快投入到这样一项前沿、尖端具有开拓性的科研工作中来。

纳米操作机器人是伴随着纳米科技的蓬勃发展而出现的，它是机器人领域新的分支。传统机器人多注重提高效率，多用来帮助人们完成人有能力但不愿意干的工作，比如焊接、搬运等枯燥、高重复性劳动；与传统机器人相比，纳米操作机器人更注重提升人的能力，主要去执行极端尺度下人们无法完成的工作，如原子精度定位、分子力测量等任务。

岁月如梭，转眼10余年过去了，刘连庆始终与纳米操作机器人研究相伴，取得一个又一个丰硕的成果。他先后主持和参与完成多项863与自然科学基金课题，和他的科研团队一起研制出我国第一套纳米操作机器人系统，并对若干长期困扰纳米操作机器人发展的关键难题给出了有效的解决途径，多篇论文在国内外著名学术期刊上以封面形式发表。这些成果让其本人先后获得中科院卢嘉锡青年人才奖、中科院沈阳分院优秀青年科技人才奖、中科院院长奖等荣誉和奖励；这些科研的砺练，让他从一个懵懵懂懂的学生，变成助研、副研和研究员，一步一个脚印踏踏实实的在纳米操作机器人的研究方向上稳步前行。

篇(6)

关键词：刷式；智能；黑板擦；机理

中图分类号：TP23文献标识码：A

智能化是计算机网络、多媒体、智能白板等高端教学设备的必然发展，也是全球新技术发展的趋势和重要方向，但授课的效果和高价成本[1，2]，还不能取代传统的黑板教学。本论文的滚刷式智能机器人黑板擦，就是为了提升传统的黑板教学、师生交流便利性的关键技术。粉笔板书是常用传统教学的主要方式，但在擦黑板的过程中，费力，不方便，粉笔末等均给师生带来麻烦。根据研究表明：为了规避人力擦黑板的繁琐，目前有些新技术发明不断涌现，但均没有取得令师生满意的效果。

因此，本论文提出了滚刷式的、智能便捷、具备识别功能的机器人黑板擦：使用者控制手柄控制器的开启，根据擦除区域，调整滚筒擦除设备的速度和扭矩，贴近黑板，旋转的滚筒擦除设备，便可将不需要的粉笔书写区擦掉，产生的粉尘由吸尘器吸收，吸尘器的驱动系统由离心式驱动电机带动，通过吸尘风扇将粉尘吸入吸尘囊，累积多的粉尘从排尘口倒出，因而减少粉尘飞扬，降低危害。在擦黑板时，按照黑板上擦除区域的大小，通过改变滚筒擦除设备的档位：高速、中速及低速，实现高效快捷，使用方便和经济安全的擦除。从而实现了省时省力，智能便捷，操作简单，清洁黑板和低碳环保的目标。

1滚刷式智能机器人黑板擦总体设计

滚刷式智能机器人黑板擦的主要由控制系统装置、执行系统装置和吸尘器装置三部分构成。控制系统装置属于智能机器人的大脑，包含控制器CPU，要根据市场需求，属于该智能机器人的核心部分。执行系统装置中的滚筒擦除设备是新提出的结构设备，属于该智能机器人执行和实现操作者意图的关键部件。吸尘器装置中的“鳄鱼嘴”式的吸尘口装置，粉尘测试传感器、粉尘控制单元等属于清理除尘的主要部分。

1.1总体布置

根据功能需求，滚刷式智能机器人黑板擦的总体布置如图1所示，主要由三部分构成，分别是：控制系统装置、执行系统装置和吸尘器装置。

控制系统装置部分，属于黑板擦的操作主体，包含壳体的手持面，对滚刷动力控制的中央控制模块和需要启停擦刷的开关按键。

执行系统装置部分，属于具体执行擦除任务的机构，通过在黑板擦的擦刷面设置滚刷，根据中央控制模块指令驱动电机、泵吸部件、粉尘传感器以及图像感应模块，实现对黑板擦的擦刷工作的自动化智能控制，提供用户的使用效果；并使滚刷的一端与驱动电机动力连接，形成动力滚刷，从而实现黑板擦自动擦刷功能。

吸尘器装置，属于后处理装置机构。在擦除过程中产生的粉尘，由置于黑板擦后端的吸尘器吸收，其中吸尘器与黑板擦的中空腔体相连通，且所述吸尘器的腔口设有泵吸部件，通过所述泵吸部件，擦除时，扬起的粉尘，通过布置在旋转滚筒边的“鳄鱼嘴”式吸尘口吸入，如图1所示，经吸尘管吸入置于壳体的后端设有的吸尘器，如图2所示。“鳄鱼嘴”式的吸塵口中布置检测吸入的粉尘测试传感器，根据吸入粉尘量，设定阈值，由粉尘控制单元分析，吸尘器的工作状态。当吸入的粉尘超过设定的阈值，便报警，通知要清理吸尘器中的粉尘了。

1.2设计思路

滚刷式智能机器人黑板擦，根据设计的成本和方便制造，智能手柄控制器设计成光滑的塑料壳体，把容易磨手的棱角均设计成圆弧过渡；启停擦刷的开关按键置于便于操作的手柄下方；电源集成管理器也设计在方便充电的壳体边上。

擦除设计的部件主要由旋转滚筒、旋转毛刷，支撑执行部件的轴承及轴承座及驱动旋转毛刷的电机控制架构出。根据中央控制模块指令驱动电机，内置于空腔体中的4个驱动电机；一端与所述驱动电机动力连接的滚刷，滚刷的刷毛根据需求，擦除黑板上的字；实现对黑板擦的擦刷工作的自动化智能控制，提供用户的使用效果；并使滚刷的一端与驱动电机动力连接，形成动力滚刷，从而实现黑板擦自动擦刷功能。

2滚刷式智能机器人黑板擦擦除机理

滚刷式智能机器人黑板擦装置，主要由控制系统、执行系统和吸尘器三部分有机地组合成一体。控制系统属于智能机器人的大脑，包含控制器CPU，根据设定的擦除区域，识别、判断和决策擦除的速度和力矩，吸尘的流量和吸尘风扇的转速等，置于操纵手柄中；执行系统根据控制系统控制器CPU发出的信息，由执行控制单元操纵电机驱动模块，执行电机的启停状态，滚筒擦除设备根据指令，识别出擦除区域[2]，判断需要擦除的黑板粉笔字，并实施已决策的速度、力矩等；吸尘器属于关键辅助机构。智能机器人黑板擦记忆每次的擦除区域，擦除量的大小，粉尘测试传感器测试吸入的粉尘量等参数，根据这些参数便识别、判断和决策新的任务量，从而执行更高效、更节能地执行擦除工作。

2.1擦除机理

智能手柄控制器由操纵手柄，电源集成管理器，驱动控制器，通信接口模块构成；滚筒擦除设备由驱动模块与电机，电机控制架，旋转滚筒等构成；吸尘器由吸尘风扇、吸尘囊，排尘口等构成。滚筒擦除设备由固定毛刷旋转轴，轴承及轴承座，驱动电机，动力传动装置，旋转滚筒，旋转毛刷，电机控制架等新发明设备构成；黑板的擦除洁净程度，主要是由固定毛刷旋转轴的直径和毛刷的致密度决定的。与滚筒擦除设备相匹配的吸尘器，“鳄鱼嘴”式的吸尘口中布置检测吸入的粉尘测试传感器，根据吸入粉尘量，设定阈值，由粉尘控制单元分析，吸尘器的工作状态。

擦除时，黑板根据需要擦除的区域用红色的粉笔圈出，设置于黑板擦上的图像感应模块，采集到红色线状图像，则即向中央控制模块发出区域指令，中央控制模块收到区域指令后，控制驱动电机进入工作状态，开始擦除。当图像感应模块，识别出黑板擦移动至红色粉笔的边界时，则使滚刷停止擦刷工作，避免擦除标记区域以外的内容。根据设定，图像感应模块还能够感应其他颜色或其他的特殊标记。

在黑板擦移动的同时，所述图像感应模块，还实时检测黑板擦当前擦除区域的内容疏密程度，通过现有的二值化识别技术[3]，分析得到白色粉笔在当前黑板擦除区域内的疏密程度[4，5]，当图像感应模块感应到当前擦除区域需要擦除的内容较为密集，则向中央控制模块发送密集信号[6]，中央控制模块接收密集信号后，增大驱动电机的力矩及转动速率，从而增大滚刷的擦除效率，当图像感应模块感应到当前擦除区域需要擦除的内容较为稀疏[7]，则向中央控制模块发送稀疏信号，中央控制模块接收稀疏信号后，减小驱动电机的力矩及转动速率，从而降低滚刷的擦除效率，减少黑板擦的电能损耗。

为了操作者的擦除方便，也可以用手动按钮进行操作。

2.2控制策略

滚刷式智能机器人黑板擦的控制策略，根据擦除需求，擦除区域识别策略和粉尘收集需求，进行自适应调节，驱动4个MCU滚刷电机进行工作，见图3所示。

智能机器人黑板擦的驱动控制策略由中央控制模块发出指令，根据设定感应特殊标记或设定颜色的擦除区域，由图像感应模块，按照擦除区域识别策略，感应擦除图像，确定力矩驱动策略、滾刷电机力矩控制策略和考虑擦除内容力矩速度分配策略，移动黑板擦，使4个MCU滚刷电机执行指令[8]。

粉尘传感器用于检测滚刷扬起的灰尘含量，所述粉尘传感器与所述中央控制模块电性连接，所述中央控制模块，根据粉尘传感器检测的灰尘含量，控制泵吸部件的泵吸速率，当粉尘传感器检测的灰尘含量较大时，所述中央控制模块控制泵吸部件的泵吸速率加快，当粉尘传感器检测的灰尘含量较小时，所述中央控制模块控制泵吸部件的泵吸速率减慢，节约电力成本。

3结语

本文创新性地提出了教学辅助滚刷式智能机器人黑板擦，包括三部分：控制系统是智能手柄控制器，执行系统是滚筒擦除设备和吸尘器组成，三者有机地组合成一体。智能手柄控制器由操纵手柄，电源集成管理器，驱动控制器，通信接口模块构成；滚筒擦除设备由驱动模块与电机，电机控制架，旋转滚筒等构成；吸尘器由吸尘风扇、吸尘囊，排尘口等构成。

根据生产需求，低成本地提出了滚刷式智能机器人黑板擦总体设计和擦除机理，控制系统装置属于智能机器人的大脑，包含控制器CUP，是创新性的内容，要根据市场需求，重点开发。执行系统装置中的滚筒擦除设备是新提出的结构设备，是本论文的关键部件，需要重点开发。吸尘器装置中的“鳄鱼嘴”式的吸尘口装置需重新开发，粉尘测试传感器、粉尘控制单元需要重新开发，吸尘风扇和吸尘囊等可采购市场中现有的产品，无需增加成本。从而实现了高效快捷，使用方便和经济安全的擦除；省时省力，智能便捷，操作简单，清洁黑板和低碳环保的目标。

参考文献： 

[1]钟新梅，刘建生，等.基于嵌入式技术的智能擦除系统[J].计算机系统应用，2016，25（9）：260264. 

[2]付贵权，王宏立，杨清羽，等.新型全自动黑板擦洗系统设计[J].科技创新与应用，2014，24：17. 

[3]陈岩，刘谱，吴静珠，等.基于WinCE&CMOS 图像传感器的人脸图像采集系统设计[J].仪器技术与传感器，2013，12：164167. 

[4]刘芳.面向移动终端的前后台数据库一致性研究及实现[D].重庆：重庆大学，2011. 

[5]杨二豪，杨真真.基于Linux 视频传输系统的设计与实现[J].物联网技术，2014，1：4749. 

[6]贾继鹏，张永坚，胡延凯.基于WinCE 和ARM 的多串口扩展及485 通信设计[J].计算机系统应用，2015，24（5）：6267. 

[7]张鹏飞.光伏发电自动跟踪系统的设计.哈尔滨理工大学出版社，2009. 

篇(7)

机器人竞赛

机器人竞赛是一项很好的科技创新活动，形式繁多，内容丰富。设计方案的开放性，也为学生的创新奠定了基础。参赛者可以用不同的方法实现同一个项目，通过比赛，激发其对机器人的学习兴趣，引导他们积极探索机器人新科技，为其自主创新能力的培养提供良好的平台。中国机器人大赛暨RoboCup公开赛：1999年，在RoboCup国际委员的支持和授权下，首届中国机器人大赛暨RoboCup公开赛在中国重庆举办，目前是中国机器人最具影响力的赛事，比赛共设立12类65项赛事。机器人竞赛种类多、规模大、水平高，为大学生进行创新实践活动提供了很好的平台。“未来伙伴”杯中国智能机器人大赛（暨国际机器人灭火比赛中国赛区选拔赛），是中国人工智能机器人专业委员会等多个单位主办的一项全国性赛事。大赛包含机器人救火大赛、机器人足球比赛、机器人创新大赛、机器人搜救大赛、机器人擂台赛和机器人舞蹈戏剧大赛等6个主题项目。其中机器人救火大赛是国际赛制机器人灭火比赛（暨国际机器人灭火比赛中国赛区选拔赛）。“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛，由教育部委托高等学校自动化专业教学指导分委员会主办。竞赛分竞速赛与创意赛两类比赛。自2006年首次举办以来，“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛已经成功举办了6届。

机器人实践教学的具体实施

机器人竞赛、创新实践是一项很好的科技创新活动，机器人的趣味性易于激发学生学习和研究的兴趣，同时将创新实践、竞赛引入教学过程，使学生变被动学习为主动学习和研究。“机器人项目教学法”的一般教学结构如图1所示：“项目教学法”最显著的特点是“以项目为主线、教师为引导、学生为主体”，改变了以往“教师讲，学生听”被动的教学模式，创造了学生主动参与、自主协作、探索创新的新型教学模式。本文以参加2012年中国机器人大赛暨RoboCup公开赛的医疗与服务机器人组的项目为例，在比赛初期确定人员，将不同专业和不同年级的学生组成一个竞赛小组，研究竞赛规则、制定项目方案、机器人结构设计、电路设计、程序调试，学生分工合作，过程中集思广益、取长补短、团结协作。这种在探索中学习的过程是其他教学环节无法实现的，对于培养学生的实践创新能力非常重要。本文以一种医疗与服务机器人设计为导向的项目教学法，按照以下六个教学步骤进行：

1.项目的申请

本学院主要参加了医疗服务机器人、机器人游中国、擂台等机器人项目，学生可以针对感兴趣的比赛项目，或者根据江苏省高等学校大学生实践创新训练计划，申报项目，填写申请书。教师针对学生申报的项目，分析学生的实际情况，建议选择项目规模和难度适中的项目。中国已经进入了老龄化社会，而且在今后几年内老龄人口数量将会呈上升趋势，老龄化将更加严重。老龄化使社会的劳动力减少，一些老年人不仅不能参加劳动，而且有的甚至失去了自理能力，需要人照顾，这就增加了他们的子女以及社会的负担。年轻人为了工作日益繁忙，在目前服务行业工作者稀缺的背景下，在医院时不时会有行动不便的病人需要护士和家人的搀扶。而在没有人帮助的情况下，行动不便的病人寸步难行，稍有不慎就有可能摔倒受伤。所以笔者建议学生选择参加医疗与服务机器人创新设计与制作赛项，设计一种医疗服务机器人更好的服务病人。

2.项目团队的建立

建立学生团队，营造互相竞争、互相帮助的学习氛围，学生在做项目过程中携手合作，弥补相互间的不足，遇到问题大家一起讨论解决，这让学生体会到团队的重要性，做到共同进步。同时，团队的学生分工明确，每人负责项目的某一部分，使学生真正参与到项目中，整个项目的完成，离不开每一个学生，学生为使项目不会因为自己负责的部分没有完成而主动学习，主动查资料，可以培养和提高学生的自主学习能力。学生团队的建立，应考虑学生的专业，年纪，特长等因素。教师确定一名队长，根据项目的特点，队长可以自己招学生，实现学生管理学生。参加医疗与服务机器人创新设计与制作赛项，笔者选择了5名学生，队长由09级的一名学生担任，该生组织能力比较强，专业能力也比较脱出，由他负责整个项目的进展，汇报工作。其他学生分别是1名2009级的，2名2010级的，1名2011级的，专业分别是自动化、测控、电气。

3.项目任务、计划的制定

团队负责人制定机器人项目工作计划，确定工作步骤。机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的智能仪器。本次设计的医疗服务机器人由小组讨论决定，医疗服务机器人外形像轮椅，病人能够独自驾驶去化验室拿取报告，去门诊找医生复诊，降低护士工作量及病人家属的负担。为使医疗服务机器人更好的服务病人，该团队为机器人设置了两种模式：座椅模式和病床模式，免去了病人就诊、休息时需要被移动到病床上的麻烦。机器人将现场键盘控制和远程控制相结合，实现护士对病人的远程监护，机器人在前进过程中，检测到前方有障碍物时就会立刻停下，减少不必要的事故。同时机器人配备了机械手，可以帮助病人取物品，最大程度帮助病人。根据团队中学生的专业、特长等分配任务，负责机器人机械结构设计的学生需要画图纸、电焊等来完成机器人结构的设计、机械手的设计；电路设计的学生制作包括单片机电路、电源稳压电路、电机驱动电路、红外避障电路、键盘输入电路；测控专业的学生负责电路的测试、场地的制作等工作；程序编写的学生，完成程序的设计、调试；控制界面的设计由另外一个学生负责，主要是VB编写上位机、WIFI摄像头的调试、蓝牙通信的调试。根据机器人项目的特点，学生在制作过程中可适当地作一些调整。根据项目完成的时间确定工作步骤，进行时间分配。最终得到教师的认可才能执行。

4.项目制作

学生自己确定各自在小组中的分工，然后按照已确立的工作步骤和程序工作。基于机器人项目的作品成果形式多种多样，可以是调查报告、实物模型、演讲稿、论文等。通过展示作品成果，可反映学生在项目完成过程中所掌握的技能。本次设计的医疗服务机器人成果包括机器人模型一个、机器人设计与使用说明书一份、演讲稿一份。在本项目比赛结束后，指导学生按照他们设计的医疗服务机器人撰写论文、申请专利。

5.项目检查评估

整个项目检查评估采用答辩的形式向教师汇报，首先由队长对整个项目进行汇报总结，再由队员对自己负责的工作进行汇报和自我评估，并且对设计的医疗服务机器人进行展示，教师根据团队成员的表现、研究成果表述和作品的展示进行检查，为到现场比赛作准备。针对项目中出现的问题，师生共同讨论，教师引导学生独立思考问题，解决问题。学生通过对比师生评价结果，找出造成结果差异的原因

6.项目资料归档或应用

为使学生养成良好的习惯，项目结束后，教师监督学生将项目工作资料整理归档，材料包括项目申报书、进度表、机器人机械结构图、程序设计流程、机器人控制程序、项目结项书、项目报告讲义等。

机器人项目教学的成果

机器人创新实践是一个综合性、高难度的科技制作过程，有利于提高学生的动手能力和创新能力。在教师指导下，学生通过自己查阅资料、提出有创意的设计方案，选择合适的元件，设计、焊接电路，编程、测试程序等，充分调动了学生的积极性，发挥学生的创造力，使学生在实践中进一步提高自己的综合能力。有助于将学生的兴趣应用到教师的科研中，使学生们热爱科技，投身科技，在学校形成良好的科技学术气氛。本校参加机器人竞赛源于2010年，当时参赛的赛事为“飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车竞赛、中国机器人大赛暨RoboCup公开赛、江苏省机器人大赛、“未来伙伴”杯机器人竞赛，并因此开设了机器人技术、机器人创新实践与竞赛等公共选修课；制定了《大学生创新实验室项目负责制实施办法》，针对项目采取一系列措施，保证学生能在项目的过程中锻炼自己的能力，同时能保证创新实验室项目的创新性。实践教学效果显著，本校代表队在2012年第七届“飞思卡尔”杯华东赛区比赛中，获得摄像头组第一名，晋级参加全国决赛的队伍，获得全国摄像头组特等奖。2012年中国机器人大赛暨RoboCup公开赛获得3项季军，2010年“未来伙伴杯”获得灭火比赛冠军，受邀参加在美国举办的国际机器人灭火比赛。