时间：2023-05-30 09:05:16
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇机器人设计，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
爬壁机器人为特殊机器人，具有可靠性高、负载能力强、结构简单以及避免适应强等优点。为进一步提高其应用效果，需要对其运行原理进行分析，以优化功能和满足实用要求为目的，对其运行受力状态进行研究，确定其结构设计形式，确保可以满足实际应用需求。
1 机器人壁面运动受力分析
1.1 匀速运动受力
如果机器人向上爬行运动，单边履带上电机驱动转矩需要克服1/2重力转矩与Mf，且Mf计算公式为：
MQ-Mf-MG=0
MG=1/2GTH
其中，MQ表示单侧电机减速后输出驱动转矩；Mf表示机器人履带上最下面一块电磁铁受力所产生的阻力矩；MG表示1/2重力产生的转矩；F1表示履带最下面一块磁铁对壁面的压力，且F1=Fn-N1。则：Mf=F1h=（Fn-N1）h，由此可得单侧电机所需驱动转矩：MQ≥（Fn-N1）h+（HGcosα）/2
1.2 转弯运动受力
如果机器人沿壁面转弯运动，对其运动模型进行分析，需要通过两台履带差速来玩完成转弯动作，而在实际设计中，基本上都选择通过正、反转两条履带方式来完成转弯。假设机器人重力分布在两侧履带上，这样在对转弯运动模型进行分析时，就需要同时考虑摩擦阻力矩MZ、Mf与GT对电机所需驱动力矩的影响[1]。机器人做壁面右转弯动作时，左侧履带所需力矩大于右侧履带力矩，则机器人转弯动作时履带所需力矩方程：
Mq-MZ-Mf-1/4GTL=0
其中，Mq表示履带驱动力矩；MZ表示履带上每块磁铁与壁面摩擦力合力产生的摩擦阻力矩；（1/4）GTL表示机器人左侧质量产生的力矩。其中：
Mq=1/2FPL+1/2FPL=FPL
FP=MQ/R
则可得：Mq=MQL/R
履带式机器人做壁面转弯动作时，接触压力分布并不均匀，摩擦阻力反抗履带转弯阻力越小，压力均匀分布时所受转弯阻力矩越大，分析时按照均匀分布计算，则：
MA=u（nFn-GN）L/4
则，履带式机器人转弯时电机所需驱动转矩：
MQ≥R/L[（Fn-N1）h+uL（nFn-GN）/4+1/4GTL]
2 履带式爬壁机器人设计要点
2.1 结构设计
履带式机器人移动设计方式，在实际应用中吸附性更好，且具有耐腐蚀效果，即便作业时控制器故障，也不会脱离壁面。结构形式的选择需要根据实际需求来确定，例如针对大型油罐检测作业用履带式爬壁机器人，油罐受腐蚀影响，壁面存在不同程度的变形、生锈等情况。在对机器人结构进行设计时，除了要提高其对作业避免的适应能力，还要保证其能够垂直直线行走，重点控制偏斜度，将定位精度控制在规定范围内[2]。同时，在对控制系统进行设计时，要引入修正环节，对因为避免变形造成的机器人爬行轨迹偏差进行修正。
2.2 壁面静力分析
同样以大型油罐容器检测履带式爬壁机器人为例，对永磁吸附履带式爬壁机器人受力状态进行分析。爬壁机器人履带主要以铰链进行联接，垂直于牵引力方向时并不存在刚性，因此不能将垂直于履带平面的荷载分布到每个永磁体上，降低了机器人作业稳定性。假设机器人具有分布荷载，并将荷载分散机构看作为一个弹簧，将机器人在GN方向上所受到的力，分散到吸附在避免其他磁铁上，且单条履带上荷载分散机构所产生的总拉力为弹簧弹力T。为更方便分析荷载分散系数uL对爬壁机器人稳定性的影响，本文确定uL=2T/G。机器人运动过程中弹簧变形量不发生变化，则可以认为由荷载分散机构产生的拉力始终为T。为保证机器人在壁面作业时不会掉下，要求作用的外力应满足静力学平衡方程组：
2（N1+N2+2T）-GN=0
2Ff-GT=0
2T（a-a）+2N2b-2N1b-2FfH=0
其中，Ff表示单条履带所受摩擦力，Ff=1/2GT，且便于计算分析，设定Ff为最大静摩擦力，满足Ff≥GT，则机器人不会在避免作业时下滑，根据此要求计算磁铁所需吸附力。并引入荷载分布系数uL，替换T，分析uL对N1、N2影响。则可获得方程组：
N2b-N1b-GTH=0
2（N1+N2+T）=GN
由上述公式可得：
N1=1/4GN-1/4uLG-GTH/2b
N2=1/4GN-1/4uLG-GTH/2b
其中，N1N2表示机器人在垂直于履带方向上吸附在墙壁上的最下面与最上面电磁铁拉力；Ff表示两条履带与壁面间最大静摩擦力；G表示整个机器人重力，GT=Gcosα，GN=Gsinα；b表示支撑力N1N2相对于机器人重心力臂；H表示摩擦力Ff相对于机器人重心力臂。要求机器人在避免作业时不下滑，则Ff≥GT，Ff=（nFn-GN）u。Fn表示单个磁铁吸附力；n表示永磁铁个数；u表示摩擦系数。
将公式Ff=（nFn-GN）u代入Ff≥GT中，便可得到单个电磁铁吸附力：
Fn≥1/n（1/uGT+GN）
机器人壁面上爬运动作业时，不会出现翻转，则要求最上面一块地铁不会被掀起，则：Fn≥N2，即：
Fn≥1/4GN-1/4uLG+GTH/2b
3 结语
爬壁机器人在很多特殊作业中具有重要应用效果，其可以搭载多种工具在垂直墙壁上移动，现在已经被广泛的应用到建筑、能源、石化等行业中。对其进行设计研究，需要遵循其运行原理，做好受力分析，根据实际需求确定结构形式，保证能够满足各种状态作业要求。
参考文献：
关键词： 物联网； 智能机器人； 远程控制； 太能； STC11F32E
中图分类号： TN915?34； TN923； TP399 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）08?0073?04
Design of IOT intelligent robot
TANG Lili1， WANG Jinyong1， HUANG Wei2
（1. Zhixing College， Hubei University， Wuhan 430011， China； 2. System Design Institute of Hubei Aerospace Technology Academy， Wuhan 430040， China）
Abstract： The network intelligence robot system was developed on the basis of STC11F32E MCU， TCP / IP network communication protocols and Android. The system is composed of video capture module， WiFi transmission module， PC upper computer software， Android mobile client， robot， intelligent control module， etc. The system can utilize PC or mobile phone APP to make robot switch among following mode， obstacle avoidance mode or intelligent tracking mode according to the needs of different environments， and control the robot′s movement direction and action. It can make the real?time picture taking， data acquisition and display throughout the course of the operation. Of cause， the operator can also control the robot to complete the set task. The experiment result indicates that the network intelligence robot is basically completed， and the predicted functions have realized.
Keywords： Internet of Things； intelligent robot； remote control； solar energy； STC11F32E
物联网智能机器人是机器人家族中的一种，具有智能跟踪、环境监控、数据测试、远程操作、跟踪拍摄、路线循迹等功能，可以通过电脑上位机或手机客户端远程控制电视、空调等。也可以实现传统的智能自动跟踪、自动循迹和自动避障。在整个运作过程中可以实时拍摄周围视频资料，创新云台设计，实现全方位无死角拍摄。
当前我国大力提倡节能减排，创新驱动发展，为了响应国家号召，在设计物联网机器人时创新加入太阳能充电装置，虽然充电效率不高，但太阳能是最环保、有很大前景的能源。
1 总体设计方案
物联网智能机器人的总体设计方案如图1所示。
图1中有两种控制模式，一种是组成机器人控制局域网，将上位机PC端，手机客户端APP和智能机器人连接起来，实现上位机PC端或手机APP客户端控制机器人和显示视频数据的目的；另一种远程控制方案是将机器人通过网络和互联网相连，再将上位机PC端或手机APP客户端通过数据线连入互联网，可以实现远程终端通过互联网和机器人相连，进而实现控制机器人和视频传输。这两种设计方案的核心技术相同，都是通过网络地址和端口号的设定，再通过指令传输和视频数据传输，进而达到控制的目的。由于考虑到演示的效果和方便操作，本设计用局域网机器人控制的方式进行分析说明。
从数据传输方面来说，无线路由器是手机APP客户端、上位机PC端和下位机的数据核心，终端可以通过一个套接字编程，建立网络接口，进而与无线路由器进行连接，智能机器人便可以通过一个网口转串口的WiFi模块，再将机器人的串口数据通过这个模块转变成WiFi信号，就可以实现和无线路由器进行数据传输。其中，手机客户端APP、上位机PC端和下位机都有相应的局域IP地址。通过设置正确的IP地址，就可以实现数据的传输。
从控制的方面来说，手机客户端APP和上位机PC端是智能机器人的控制中心[1]，这两者可以通过按键，发出相应的指令给智能机器人，智能机器人解说到对应的指令后给上位机，再由上位机将接收到的指令进行解析，并执行相应的程序，完成对应的动作。
1.1 上位机PC端软件设计
上位机PC端[2]的功能是控制机器人的运动，控制机械手的动作，显示机器人当前的速度，采集机器人所在环境的温湿度，控制云台方向，显示机器人周围的视频数据。同时，可以在上位机PC端上切换智能机器人的工作模式，其中机器人的工作模式有：循迹模式、红外避障模式、雷达避障模式、智能模式等，可以根据环境的需要切换不同的模式，也可以通过上位机PC端发送对应的指令，控制家用电器如电视、空调等。上位机PC端软件设计如图2所示。
图2中的功能实现主要由两个流程完成：第一个流程核心任务是完成从机器人端传过来的视频数据和音频数据，而这部分的技术主要是DirectShow；第二个流程核心任务是完成从机器人端传输过来的机器人当前速度和温湿度等信息，选择当前机器人的工作模式，以及完成在上位机PC端和机器人之间的指令传输，实现机器人的向前、向后、向左、向右、加速、减速、停止、开灯和鸣笛等[3]功能。在上位机PC端上有控制机械手的进度条，可以远程控制机械手的操作完成相应的动作，也可以设置机械手和云台舵机的初始状态，避免开机时烧坏舵机。在雷达模式下，上位机PC端可以显示当前有无障碍物，并会做出转向的动作避开障碍物。在整个运动过程中上位机PC端都可以显示拍摄的视频画面，可以用鼠标在上位机视频显示区控制云台，实现机器人无死角拍摄。且两个流程都设置有各自互不干扰的套接字，第一个流程与机器人的摄像头模块完成数据传输，第二个流程与机器人网口转串口模块完成数据交互。
1.2 手机客户端APP软件设计
本文中的手机APP客户端采用Android系统，在Eclipse平台上用Java语言编写开发的[4]。可以通过APP手机客户端完成的设置和操作有：设置机器人的运动方向指令；设置网络地址、视频存储和拍照存储地址；设置是否用触摸屏控制云台；显示视频画面；控制摄像头方位和机械臂动作角度；重力控制机器人。
手机APP客户端软件控制设计流程如图3所示。
1.3 下位机软件设计
下位机设计是机器人核心处理器程序的设计。其设计内容主要包含视频传输控制、云台操作控制、温湿度采集、红外对管模块和红外控制家电的设置，以及采集到的视频数据和控制指令互传等。在设计过程中每部分都是分模块编写的，都有相应的程序模块，再由主函数将所有模块综合起来，当下位机程序接收到上位机PC端或手机客户端APP的相关指令后，就调用相对应的程序模块，执行设定好的动作，并将完成的结果发送给终端，其设计流程如图4所示[5]。
下位机能够完成上位机PC端或手机客户端APP指令，并做出相对应的动作的核心是机器人中有网口转串口模块。机器人将代码指令通过串口转网口模块，再以WiFi的形式传出去，上位机PC端或手机客户端APP便可以接收到下位机发出的指令，通过解析并显示出来，为机器人的下一步动作做好准备。使用模块时必须设置正确的IP地址以及端口号，只有对应的设置正确了，上位机PC端、手机客户端和下位机才能进行数据传输。
2 设计方案特点及扩展说明
2.1 特点介绍
本设计是以PC软件、安卓软件、网络通信、物联网以及单片机技术为基础，结合当今提倡的利用环保型能源，创新的构想设计出来的。从机器人处理器的选型，各个模块的选取，通信协议方案的制定，以及上位机PC端、手机客户端APP的设计都与现有的“机器人”有较大的区别。本设计利用当前最普通的处理器，完成不同寻常的动作，其特点总结如下：摄像头全方位拍摄； 上位机PC端和APP客户端可以显示视频画面，并可以实现控制；上位机PC端可以控制云台，检查机器人状态； 上位机PC端、APP手机客户端和机器人上位机可以指示小车的运动状态[6]；可以实现远程操作机械手； 可以实现遥控家用电器如电视、空调等；可以用太阳能给蓄电池充电，并有指示灯显示蓄电池电量；可以接收上位机的控制指令，实现控制，上位机亦可接收反馈指令和视频的数据流。
其中本设计中的通信方式利用的是TCP/IP协议，采用无线网络技术实现对机器人的控制。只要设置好IP地址和端口号后就可实现连接，可以实现局域网内机器人的控制，也可以实现超远程对机器人的控制。另外上位机PC端软件和手机客户端APP软件，控制模式多样，应用领域广泛，符合当前机器人的发展趋势，为当前机器人的发展提供可行方案。
2.2 扩展说明
物联网智能机器人不仅可以完成上文介绍的功能，还可以扩展以下功能[7]：带有指示灯显示运动方向并能够实现通过重力感应对机器人的控制；带有GPS全球定位功能在危机时刻或者必要时可以发送信息；太阳能电池板减轻重量，实现对机器人供电补给；语音功能，可以实现语音播放；可以利用机器人无线设备上网，打电话等。
3 方案难点及关键技术
本设计方案难点在于：
（1） 上位机PC端在操作控制机器人时，对数据传输的实时性要求很高，并要用相应的表盘显示出来，且对数据传输的稳定性要求更高，网络通信实现不间断传输更是困难；
（2） 手机客户端APP通过触屏控制云台，并显示拍摄视频画面。显示视频就很困难，而通过触摸屏幕不同方位，控制云台方向更是困难；
（3） 视频处理是利用M?JPEG格式图片，在规定时间内传输一定张数，显示出视频画面。如果对DierctShow技术内部细节掌握不够，处理视频时就会很困难。关键技术有：下位机程序模块化编写；上位机PC端软件编写；手机客户端APP的编写；TCP/IP通信协议的设定；机器人作为无线网接入网络；机器人智能模式的完成。
4 系统仿真与结果分析
4.1 物联网智能机器人整体外观
物联网智能机器人外观设计见图5，整个设计主要分为上位机PC端、手机客户端APP和机器人三个部分。
4.2 系统整体调试
机器人调试主要包括上位机PC端的调试、手机客户端APP调试和机器人整体调试。其中机器人整体调试包括机械手调试，太阳能板调试，智能传感器模块调试，智能控制电视、空调调试、视频显示调试等。
4.2.1 上位机PC端调试
上位机PC端界面可以设置网络连接模式，显示视频、温湿度和速度等，并实现对机器人运动控制、云台控制、机械手控制以及对应的功能调试，如图6所示。
（1） 网络连接。网络连接IP地址为192.168.1.1，端口号为2001。其中此IP地址和端口号分别为机器人的网络地址和 WiFi模块默认的端口号。上位机设置成以上地址和端口号后就可以实现连接了。这里着重调试通信协议，通信指令按照之前设定好的代码，当发送相应的代码，机器人就可以做出相应的动作。
（2） 机器人的运动。机器人上位机PC端连接好网络后，用键盘就可以控制机器人的运动。分别点击W，S，A，D是向前、向后、向左、向右的运动，当拖动鼠标时就可以控制云台，进而控制摄像头方位。
为了能更清晰地指示当前机器人的运动状态。在机器人的上端设置有指示灯，当机器人向前运动时，向前的指示灯亮；当向后时，向后的指示灯亮；向左、向右情况相同。并且机器人运动的方位不同，指示灯显示的颜色不同。智能机器人在上位机PC端可以设置不同的控制模式，在不同的应用领域应采用不同的模式。不同的控制模式和控制模式命令代码分别为：FF130100FF，FF130200FF，FF130300FF，FF130400FF，FF130000FF，FF50000XFF。
（3） 遥控电视。智能机器人可以通过红外控制家中电器电视和空调等。首先通过上位机PC端发送FF500001FF，让智能机器人学习一个“频道加”按钮，之后再通过上位机PC端发送FF510001FF就可以使用智能机器人来控制家中电视“频道加”。
4.2.2 手机客户端APP调试
（1） 网络连接。在APP端上可以设置网络地址为192.168.1.1，再设置端口号为2001。确认连接后，即可以显示机器人拍摄的画面。
（2） 机器人运动。在APP上可以通过遥感、按钮控制机器人，也可以通过手机的重力感应控制机器人。同时亦可通过控制机械臂进度条来控制机械手，实现机械手的操作自如。
（3） 视频显示。在整个控制过程中，可以实时显示拍摄的视频画面。在进行超远程控制时，画面仍然可以传输回来，且能清晰显示。另外在调试时发现，设置波特率时不能调的特别大，不然显示的画面不清晰。
5 结 语
在经过多次调试和反复修改程序，物联网智能机器人基本完成，实现了预期的功能。视频传输和指令传输正常，系统稳定，机器人各个控制功能都可以完成，电量显示的灵敏性，数据采集的准确性，太阳能充电的能量利用率都达到要求，且无论是在局域网还是超远程互联网中都可以对机器人操控，其系统的可靠性和稳定性可以和近距离控制相比。
本设计将PC软件技术、安卓手机APP、通信技术、传感器技术和单片机技术有机地结合起来，顺应了当今电子行业的发展趋势，扩展了物联网的应用领域。本设计应用领域广泛，有很大的市场价值，另外，机器人还可以扩展GPS全球定位、无线上网、语音对话等。
参考文献
[1] 崔更申，孙安青.ARM嵌入式系统开发与实践[M].北京：中国电力出版社，2008.
[2] 梁伟.Visual C++网络编程经典案例详解[M].北京：清华大学出版社，2010.
[3] 李艳红.单片机I/O口不宜用作直接驱动出口[J].电站设备自动化，2003（2）：23.
[4] 杨丰盛.Android应用开发揭秘[M].北京：机械工业出版社，2010.
[5] 郭天祥.新概念51单片机C语言教程[M].北京：电子工业出版社，2009.
【关键词】感应式机器人；传感器；循迹；铝箔；火炬接力
感应式机器人是采用感应循迹的方法制作的一种循迹机器人，机器人的轨道被隐藏起来，循迹方式与传统的光电循迹机器人完全不同，由于这种循迹方式不受光线的干扰，因而大大扩展了这种循迹机器人活动空间，特别方便在室外进行这样的竞赛活动。竞赛时，三个机器人组成一个竞赛队，分别放置在赛道的不同位置，在裁判一声哨响之后，第一个机器人被哨声启动，点亮火炬，寻着赛道前进，在与赛道第二个机器人相会时，第一个机器人火炬熄灭，停止前进，第二个机器人点亮火炬继续前进，同样的方式，第三个机器人接过火炬后，一直前进至终点指定位置，机器人停止运行，火炬熄灭。本竞赛以达到终点的时间评定成绩，时间越短，成绩越好。与传统光电循迹机器人竞赛不一样，在竞赛的赛道上，没有明显的轨道线，机器人竞赛的赛场就是一副写真的图画，机器人循迹的轨道，是隐藏在这幅图画背面的不干胶铝箔胶带，正因为这样，这个竞赛给观众们增添了更多的神奇和乐趣。
1.感应式火炬接力机器人结构
机器人包括循迹传感器、传感器电路板、单片机控制电路板、动力电机、导向轮、碰触开关、LED火炬灯、电源等，和光电循迹机器人结构基本相同，可以直接用光电循迹机器人改装。图1是本文机器人车体结构示意图。
2.感应式循迹机器人电路设计
感应式循迹机器人电路结构与光电循迹机器人也基本相同，由循迹传感器电路，单片机控制电路，电动机驱动电路等组成，不同点在于，感应式循迹机器人采用了金属探测器作为循迹电路。
2.1 感应式循迹原理
感应式循迹传感器就是一个电感线圈。传感器电路是一个电感三点式振荡电路，这实际上是一个金属探测器电路，见图2-a，工作原理是，电感线圈L与电路中C1、C2、C3、VT1等构成一个电感三点式振荡电路，正常工作时，其产生的震荡信号经VT2放大，由D1、D2、C6等进行整流、滤波，使三极管VT3的基极获得了一定幅度的基极电压而导通，其集电极输出低电平。若把电感线圈L靠近金属物体，线圈的变化磁场会在金属物体内感应出涡流而产生铁损，线圈的Q值下降，电路振荡减弱直至停止振荡。作用在VT3基极上的电压将不复存在，三极管VT3由导通变为截止，其集电极输出高电平，我们把这个信号经处理后送给单片机I/O端口，单片机就可以通过检测该端口的信号变化，了解机器人的运行状态，给出相应的控制指令。电路中，通过调整可调电阻RP的电阻大小，可调节电路的正反馈幅度，使振荡电路刚好处于振荡的临界点上，这样可调节传感器的探测灵敏度。图2-b是作为传感器的电感线圈实物。把不干胶铝箔粘贴在赛道上作为轨道，就可以通过电感线圈与铝箔的位置了解机器人的运行状态并进行方向控制。
2.2 机器人控制电路
本电路需要实现这样一些功能，1）声控启动。第一棒机器人在拍手或有哨声响后，要自动进入运行状态，点亮火炬，开始循迹前进。2）第二、第三棒机器人由碰撞来启动电路。3）第一、第二棒机器人碰撞后停止运行。4）火炬点亮和熄灭控制。5）循迹控制。6）电机的驱动控制等。控制电路采用AT89S51单片机，根据上述这些功能，要为单片机的控制设置合理的I/O口。电路见图2，P1.0口为声控电路连接口，P3.2、P3.3为火炬交接时，碰撞开关连接口，在电路板上焊装两个按钮开关，可以对碰撞效果进行检验、调试。P0.0为火炬连接口，该口连接一只LED模拟火炬。P3.4-P3.7为传感器电路的连接口，这里安排了4个端口，连接4个感应式传感器电路。单片机的P2.0-P2.3连接电动机驱动电路，驱动电路采用L293D专用集成块，可使电路设计制作变得简单一些，图4是一个声控模块电路原理图。
3.感应式机器人循迹控制设计
3.1 循迹轨道线与传感器布局
循迹用铝箔轨道线宽度为25mm，设置在赛道的中间，带不干胶，可以直接粘贴在赛场上。传感器由4个电感组成，排布在铝箔线两边，中间两个电感基本骑跨在铝箔线上，见图5-a。
3.2 循迹状态分析
图5示列出了机器人循迹过程中，传感器可能出现的5种循迹状态，图5-a，传感器L2、L3跨骑在铝箔线上，此时，L1out=0，L2out=1，L3out=1、L4out=0。此时，机器人工作在前进状态。图5-b，机器人出现右偏，传感器L3向右脱离铝箔线，4个传感器对应输出状态为：L1out=0，L2out=1，L3out=0、L4out=0，这时，机器人需要向左调整运动方向，其运行状态应为：左转。图5-c，L2也向右脱离铝箔线，L1靠上铝箔线，传感器状态为：L1out=1，L2out=0，L3out=0、L4out=0，此时，机器人运行状态应为：急左转。图5-d，铝箔线出现转角，传感器状态为：L1out=1，L2out=1，L3out=1、L4out=0，机器人运行状态：左转90度。有时机器人运行过快，可能冲出赛道循迹线，如图5-e，此时传感器状态为：L1out=0，L2out=0，L3out=0、L4out=0，机器人离线处理方法：后退！运行中传感器的可能出现的状态有很多，将其分类归纳，然后建立一个和运行方式对应的控制表，以此为基础，作为我们的单片机程序编写依据。
3.3 建立循迹状态与电机控制编码表
表1中，列出了部分循迹状态的编码，这个编码对应着电动机状态的控制编码，每个控制状态要维持一定的时间，把时间参数的编码和电机控制状态的编码组合后放入一个字节中，控制码放入字节的高4位，时间参数的编码放在低4位，这样可以让机器人运行程序的编写变得简捷起来。
4.火炬接力赛程序编写
4.1 循迹控制程序编写方法
按照表1的编码方法，可以得到一个更加完整的编码表，这个表以循迹码为序，从0至F进行编排，对不可能出现的循迹状态，以“/”表示，这种状态时，让机器人的控制状态都为“前进”。这样，我们就可以获得16种循迹状态下对应的机器人运行状态的组合控制码。编写程序时，按循迹编码的大小顺序，把这个组合码放在表中，机器人运行时，让单片机不断扫描P3口获取循迹码的情况，通过查表的方式，取得到组合编码，直接把高4位控制编码送入P2端口，控制电动机运行，把延时参数送入延时子程序，就可以实现对感应式机器人的运行控制。
4.2 火炬接力赛软件流程图
除了实现感应循迹控制外，还要完成机器人火炬接力竞赛任务，前面我们在单片机控制电路设计中，已经为火炬接力安排了单片机控制端口，按照上述要求，实现火炬接力的软件流程图见图6。
5.电路安装与调试
5.1 感应式传感器的安装与调试
感应式机器人电路中，采用的元件和光电循迹机器人基本相同，可以直接用光电循迹机器人改装，其循迹传感器的传感器元件L选用电感量为6.8mH的立式成品电感，根据传感器数量，每个传感器要制作一个金属探测器电路，本文采用了4个传感器，因此，需要把四个金属探测器电路集中做在一个电路板上，这样便于安装。作为传感器的电感元件，要事先固定在一个支架上，然后安装在机器人前方底盘的合适位置。要注意的是：1）中间两个传感器不能距离太近，至少要相距20mm，不然会相互干扰，不能正常工作。2）传感器底面距地面的距离3-5mm为宜，传感器灵敏度交高的，可以适当高一点，一般5mm足够了。3）安装之前，需要调整好传感器的灵敏度，方法是，把要调的传感器电路接入电感，传感器电路板接上电源，如果电路处于震荡状态，电路板上的LED会亮着，这是，用螺丝刀调电路中相应的可调电阻RP的大小，让这个LED由亮变灭，灭了以后，再轻轻的旋动螺丝刀，让这个LED正好亮起来，这样做，是为了让电路处于震荡的临界状态。这时，把螺丝刀靠近被调的这个电感元件的底部，LED应该熄灭，让螺丝刀正好熄灭的这个距离，就是传感器的灵敏度，这个距离一般在3-8mm之间。每个传感器电路，都要用这种方法进行调试，这是感应式循迹机器人正常工作的关键步骤，由于这个调试与环境因素没有关系，较之光电传感器的调试，要方便很多。
5.2 碰撞开关的安装与调试
这之前，需要先把机器人运行程序下载到单片机中，分别按下S1、S2，机器人应能启动和停止，这表明碰撞开关的控制程序没有问题。
碰撞开关选用成品轻触开关比较好，机器人前后各安装两个，两两并接起来，然后接入单片机对应接口，在调试整机的时候，按下后面碰触开关，机器人能被启动，作为火炬的LED亮起来，按下前面的碰触开关，机器人能停止工作。
5.3 声控模块的调试
第一把火炬手机器人需要声控启动，声控模块在接收到哨声或拍手声后，会输出一个脉动信号给单片机端口，以此来启动机器人运行，模块的灵敏度不要太高，不然会出现还没有准备好，机器人就被外界声音启动工作，在1米距离内拍手或哨音能启动机器人就行。
5.4 接力运行实验
最后，检验编写的程序正确与否，可以把机器人接通电源后，用声控或碰后面碰触开关的方法启动机器人，把机器人拿在手上观察，此时，机器人应工作在后退状态，把机器人放在贴好的铝箔线上，机器人前进运行，并能在转弯处自动转弯，把机器人4个传感器都压在铝箔线上时，机器人也应该停止运行。通过这样的试验，就可以组队参加机器人火炬接力的竞赛了。
6.结语
感应式机器人由于采用了新的循迹方法，传感器制作简单，调试方便，运行可靠。大大提高了循迹机器人抗干扰能力，扩展了机器人的活动空间，有利于促进学生的机器人制作竞赛等科技活动的开展，机器人火炬接力赛很好地利用了这一特点，受到学生的广泛欢迎和积极参与。
参考文献
[1]李全利.单片机原理及应用[M].高等教育出版社,2001.
[2]懂雷刚,崔晓微,张丹.智能循迹电动小车的设计[J].大庆师范学院学报,2010,30.
【关键词】四轴飞行器 运载 机器人 微控制器
四轴飞行器自从被发明以来，由于它具有灵活、稳定、可悬停等优点，得到人们的广泛关注。目前它在商业领域中主要是用于执行低成本航空拍摄任务，如体育赛事、综艺节目的拍摄录制。与此同时，四轴飞行器在其他领域的运用也在不断拓展，比如军事侦察，地形勘察等。考虑到四轴飞行器具有一定的运载能力，本文打算从另一运用出发，让四轴飞行器执行货物的运载与投放任务。传统的货物运输主要是靠人力完成，比如说快递等，在这个人力资源越来越宝贵的今天，我们有必要尝试将人力资源从这些事务中解放出来。近年来由于与四轴飞行器的有关各个核心难题被逐渐攻克，四轴飞行器的价格也逐渐走低，而性能却在不断的提升，因此得以实现高效能，低成本的无人机载货与投放方案 。
1 主要器件选型
为了实现低成本的目的以及便于程序的开发、调试，选择合适的微控制器和姿态传感器是关键。本设计采用意法半导体公司的STM32F103RBT6单片机。STM32系列是基于ARM公司Cortex-M3内核的一款高性能的微控制器，它的功耗低，在72MHz时消耗36mA（所有外设处于工作状态），而待机时则下降到2μA；集成度高，内部集成了复位电路、低电压检测、调压器、精确的RC振荡器等；资源丰富，最多多达11个定时器和112个的快速I/O端口，同时还具备12位高精度AD转换，具备PWM波调制，I2C总线控制，串行通信等功能，使得电路大大简化。丰富的硬件资源使得它非常适合用作四轴飞行器的主控芯片。
姿态测量系统是用于感知四轴飞行器的飞行姿态。如何实时，低噪声地获取飞行器的姿态信息是整个控制系统的关键。MPU9250[5]是InvenSense公司推出的第二代9轴组合传感器，它将6轴惯性测量单元（加速度计+陀螺仪）和3轴磁力计集成于3mm×3mm QFN封装中，相比上一代产品，面积减小了45%。它解决了陀螺仪与加速器安装时的轴间差问题，占用很少的PCB空间。它具有131 LSBs/°/sec 的敏感度与测量范围为±250、±500、±1000、±2000°/sec 的3轴角速度感测器（陀螺仪）和可编程测量范围为±2g、±4g、±8g和±16g的3轴加速度计。MPU9250拥有高达400kHz快速模式的I2C，或最高至20MHz的SPI串行主机接口，使得它与控制芯片能够做到快速、实时地通信。
电磁铁在通电状态下可以产生强吸附力，把它安装在自动化设备中可对被吸附物体起到停止或移动作用。广泛应用于自动化配送生产线，分拣机器，机械手，实验设备，医疗研磨、切割、切削等自动化加工生产线上材料或产品的输送、传递。它具有控制简单，省力省电，安全可靠，并且可以进行远程操作等优点。它要求被吸附物表面应该尽可能地平整，吸引力是指电磁铁吸合面与被吸附的铁块完全接触之后通电产生的吸力。本设计从简易性和可靠性出发，选用ELE-P2015型号的电磁铁来实现货物的运载与投放。ELE-P2015自重轻，仅25g；体积小，三维为20mm×18mm×15mm；吸附力强，在12V供电，理想接触的情况下可达2.5kg。只需要在货物的表面贴一块薄铁片，便可利用电磁铁通电产生强磁将货物吸住，断电后退磁释放货物以实现我们的目的。
2 电路设计
这里的设计主要分为四个部分，第一部分是微控制器STM32的基本电路，作为整个设计的控制核心，通过对传感器采集回来的数据加以分析处理然后发出控制信号；第二部分是各个传感器，负责飞行器姿态数据的采集与转换并通过I2C总线发送给微控制器；第三部分是控制部分由无感无刷电子调速器和无刷电机以及电磁铁组成，起到控制输出以调节姿态的作用；第四部分是通信电路，由蓝牙串口模块组成，起到飞行器与PC或手持设备交换数据的作用。
主控芯片STM32核心电路与部分器件连接电路如图1所示。
传感器电路设计与电磁铁控制电路如图2所示。
3 PID控制算法
我们以飞行器的横滚轴roll为例介绍四轴飞行器的PID控制算法。首先是由微控制器通过姿态传感器获得的飞行器的姿态角rol_now，其值在+-90°之间。然后由微控制器解算遥控接收机的PPM信号，得到控制的目标姿态角rol_tar，其值在1000-2000之间。通过它们的差值就可以得到控制偏差量rol_err。对rol_err进行积分并限幅可以得到rol_i，乘以控制系数PID_ROL.I即可得到积分控制PID_ROL.iout。同理可得到比例控制PID_ROL.pout和微分控制PID_ROL.dout。其中微分控制PID_ROL.dout中的rol_d来源于横滚轴的陀螺仪直接测量输出，能起到很好的抑制飞行器振荡。将PID_ROL.pout、PID_ROL.iout和PID_ROL.dout相加即可得到四轴飞行器的横滚轴控制输出。再将输出分别作用于四个电机便可以完成对roll轴的控制。相关代码如下
rol_err= rol_now-（rol_tar-1500）/10.0；
rol_i+=rol_err；
rol_i=Number_Limit（rol_i，10，-10）；
PID_ROL.pout = PID_ROL.P * rol_err；
PID_ROL.iout = PID_ROL.I * rol_i；
rol_d =（GYRO.X/1000.0）
PID_ROL.dout = PID_ROL.D *rol_d；
PID_ROL.OUT = PID_ROL.dout + PID_ROL.iout + PID_ROL.pout；
moto1 = throttle - PID_ROL.OUT + PID_PIT.OUT - PID_YAW.OUT；
moto2 = throttle + PID_ROL.OUT + PID_PIT.OUT + PID_YAW.OUT；
moto3 = throttle + PID_ROL.OUT - PID_PIT.OUT - PID_YAW.OUT；
moto4 = throttle - PID_ROL.OUT - PID_PIT.OUT + PID_YAW.OUT；
4 硬件电路设计
电磁铁的安装以及整机效果如图3和 图4所示。
5 结论
本文利用STM32F103RBT6作为核心控制器件，再加上整合性9轴运动处理组件MPU9250， ELE-P2015型电磁铁和必要的电路及硬件资源，设计实现了具备实时姿态控制、悬停、飞行、货物运输与投放等功能的四轴飞行机器人。利用电磁铁作为物体的拾取和投放方式，改变了以往的机械手结构复杂、体积大、容易滑脱等缺点，达到了重量轻、结构简单、可靠性更高等优点。这样同时减少了飞行器的总体质量，使得飞行器的有效载荷更大、滞空时间更长，这也为以后的各项扩展应用打好了基础。
参考文献
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作者简介
李浩蜜（1993-），男，重庆市人。现为重庆大学通信工程学院本科生，研究方向为电子与通信工程。
作者单位
【关键词】搜索引擎；CBIR；线程池；Agent；智能机器人
【中图分类号】G40-057 【文献标识码】A 【论文编号】1009―8097 (2009) 02―0092―04
引言
物质资源、能源资源和信息资源是现代社会经济与技术发展的三大支柱性资源。教育信息资源作为信息资源的重要组成部分，在提高教育教学质量，挖掘教育的发展潜力上发挥着重要的作用。为此，各个国家都成立了自己的国家级教育资源中心，如美国的国家教育资源信息中心，我国教育部基础教育课程教材发展心和中央电化教育馆主办国家基础教育资源网等。国之源、K12、科利华、中教育星、同方思科、腾图、清华同方等资源库的建设也日益成熟，教育资源已经成为网络资源中的一个重要部分,用户在通过教育资源库获取海量信息的同时,解决对信息的筛选、信息的辨识、信息的消化以及信息的质量、信息的个性化等问题已显得日趋重要。
对文本、图像、视频、动画、课件等教育资源的聚类、分类、检索[1]－[5]是十分活跃的研究领域，是有效地利用海量教育资源、实现个性化智能寻找教育资源的必然之路。我们在传统算法中引入一种自适应的参数选择机制，对关键参数进行动态设置，以满足互联网上复杂多变的应用环境和资源智能搜索引擎这一网上特定主题的服务，CBIR教育图像资源搜索引擎智能机器人的设计与开发则是基于内容的教育图像资源智能搜索引擎的核心工作之一[6]。
一 CBIR教育图像资源搜索引擎智能机器人设计
1总体设计方案
图像内容搜索引擎机器人采用Spider程序进行构造。构造时采用基于多任务、多线程的线程池模式，即采用非递归的设计方案，Spider程序在发现每个新网页或图像URL时，它将使用一个不调用自身的方法，而是使用线程池。为得到Spider程序的处理，每一个新发现的网页或图像URL必须在线程池中等待。给定Spider程序一个要访问的网页或图像URL，把这一网页或图像URL加入到线程池中去；当Spider程序发现新的网页或图像URL时，把它们加入到线程池；当Spider程序处理完当前的URL，在线程池中查找要处理的下一URL。总体设计方案如图1。
2 系统模块设计方案
基于内容的教育图像资源搜索引擎智能机器人主体由多线程池循环模块构成，系统模块设计方案如图2所示。
二 教育图像资源搜索引擎机器人中的线程池技术
多线程池循环模块是基于内容的教育图像资源搜索引擎智能机器人的主控模块，负责在网络上循环搜索教育图像资源。教育图像资源搜索引擎智能机器人同时也就是知识库专家系统中的推理机，与知识库专家系统成为一体，以线程池的方式工作，多个Agent相互协作，这对提高机器人的搜索效率有着重要的作用。据此我们开发了以知识库为后台支持的，以中间件技术为支持的基于内容的教育图像资源搜索引擎。
1 教育图像资源搜索引擎机器人线程池技术优越性
教育图像资源搜索引擎智能机器人使用图像的获取、图像的下载、图像的匹配等Agent并行地协同工作，使得搜索工作持续进行，采用多线程技术进行处理。我们发现，这样处理存在以下问题：
其一，图像的获取、图像的下载、图像的匹配等Agent自身的线程创建和销毁很费时间，创建一个对象要获取内存资源或者其它更多资源。提高智能机器人效率的方式就是尽可能减少创建和销毁对象的次数，特别是一些很耗资源的对象创建和销毁。
其二，智能机器人采用多线程技术创建的线程花费了大量时间在睡眠状态来等待事件的发生，还有一些线程进入睡眠状态后定期被唤醒以轮询工作方式来改变或者更新状态信息。这样降低整个搜索的吞吐量, 导致系统性能的下降而不是最初设计时期望要提高系统性能。
采用线程池技术可以更有效地使用线程，它为智能机器人提供一个由系统管理的工作者线程池。至少会有一个线程来监听放到线程池的所有等待操作，当等待操作完成后，线程池中将会有一个工作者线程来执行相应的回调函数。在系统启动或空闲时创建一定量的线程保存在线程池中, 在系统关闭时销毁线程及其资源。当有任务来时不需要创建就从线程池中取一线程执行任务, 执行完任务后又放回至空闲线程池中。如果长时间没有任务执行也可销毁一定量的线程, 使线程池中保持一定的线程数。当有任务来时线程池中没有空闲线程, 且此时线程数没有达到最大线程数时, 创建新线程。如果达到最大线程数而没有空闲线程时, 任务等待, 直到池中有空闲线程。采用线程池技术解决了的获取、图像的下载、图像的匹配等多Agent地协同工作的效率问题，特别是图像匹配与的获取、图像的下载不同速度的协同问题，具有相当的优越性。
2 教育图像资源搜索引擎机器人线程池技术的优化
简单线程池存在一些问题，如果有大量的线程要求智能机器人为其服务，但由于线程池的工作线程是有限的，智能机器人只能为部分线程服务，其它线程提交的任务，只能在任务队列中等待处理。但智能机器人的响应时间要求不能太长，则需要调整优化线程池尺寸[7]，主要有下列优化措施：
其一，动态增加工作线程。在智能机器人线程池中提供一个可以动态改变的工作线程数目的功能，以适应线程变化的需要。一旦请求变少了将逐步减少线程池中工作线程的数目。线程增加采用超前方式，即批量增加一批工作线程。同时在线程池中限制线程池中工作线程数目的上限和下限，以防止这种灵活的方式也就变成一种错误的方式或者灾难，因为频繁的创建线程或者短时间内产生大量的线程将会背离使用线程池原始初衷――减少创建线程的次数。
其二，优化工作线程数目。根据统计学的原理来统计线程的请求数目，比如高峰时段平均一秒钟内有多少任务要求处理，并根据系统的承受能力及客户的忍受能力来平衡估计一个合理的线程池尺寸。线程池的尺寸确实很难确定，智能机器人中采用实验结果的经验值来做为线程池的尺寸。
其三，智能机器人提供多个线程池。智能机器人根据不同任务或者任务优先级来采用不同线程池处理。图像的获取、图像的下载、图像的匹配等Agent采用不同的线程池进行处理，分而治之，体现不同任务的任务优先级。
智能机器人中替换成图像的获取、图像的下载、图像的匹配等Agent需要大量的线程来完成任务，且完成任务的时间比较短，使用线程池技术取得了较好的效果。
3 教育图像资源搜索引擎机器人线程池的通信
消息对话通信是实现灵活和复杂的协调策略的基础[8]。Agent使用规定的协议相互交换信息，用于建立通信和协调机制。其具体通信过程如图3所示。
教育图像资源搜索引擎智能机器人中替换成图像的获取、图像的下载、图像的匹配等各Agent相互通知该世界中已经探索过的部分， 使每个Agent可能少做一些探索，向其他Agent询问世界特定部分的情况，回答问题，请求或者命令其他Agent采取行动，许诺做某事或者提供帮助，确认请求和提议，分享感受和经验。在面向消息的智能机器人多Agent系统中，发送Agent把特定消息传送至另一Agent(接收Agent)，两Agent之间的消息是直接交换的，执行中没有缓冲。
教育图像资源搜索引擎智能机器人中线程池间各Agent的通信存在以下问题：每个Agent对于所要完成的任务拥有全面的信息或能力，系统的宏观的问题求解；Agent成员之间以及与系统的目标、意愿和行为的一致；合作对象的明确选择；冲突的检测和协调；通信的协商的合时合理；对分散的共享数据和资源的有效分配和管理；系统的安全机制；Agent的灵活管理方式；有效及时地对环境的变化做出反应等。为了有效地解决这些问题，我们采用集中式管理的通信机制，负责对所有或部分Agent成员的行为、协作、任务分配以及共享资源等进行统一的协调和管理,可以是管理Agent、协调Agent、监督Agent等，与各Agent成员之间具有一定程度的管理和被管理的关系，如图4所示。
智能机器人中集中式MAS机制在一定程度上推理成员Agent的能力行为，判断成员Agent之间行为的相互影响，帮助成员Agent更为迅速和准确地确定协作对象，组织成员Agent之间的相互合作，协调成员Agent之间的矛盾和冲突，使成员Agent通过学习产生对整体行为有益的影响 。集中式MAS机制推测协作对象的行为和通信，减少了协调和通信代价，提高了成员之间协作的有效性。
三 教育图像资源搜索引擎智能机器人实现
根据输入的URL建立多IP数组到获取线程池；依据各个IP建立各自的线程；各个线程完成每个IP的教育图像资源搜索；通过各线程池协作，反复，至规定宽度与深度页面全部搜索完成。教育图像资源CBIR Robot系统运行结果如图5所示。
线程池技术对CBIR教育图像资源搜索引擎智能机器人的性能有着显著的改善。但因整个系统还涉及到知识库、图像内容的表示、图像内容的搜索等多方面的技术，多文种技术等，如何更好地优化搜索系统，是进一步需要解决的问题。
参考文献
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【关键词】自动驾驶；救援机器人；APM2.8飞控；遥控机械手
0 前言
近些年，战争、恐怖袭击等突发事件，地震、海啸等自然灾害及潜在的核、化、生和爆炸物等严重威胁着人类的生命与财产安全。灾难发生后的72小时为黄金抢救时间，但受灾难现场的非结构化环境的影响，救援人员难以快速、高效、安全地进行工作，且救援任务逐渐超出了救援人员的能力范围。因此，救援机器人已经成为一个重要的发展方向。但是传统救援机器人搜救中，救援机器人的搜索半径往往较小，而且搜救环境往往复杂多变，在有些大范围搜查救援中往往采取人力搜查。传统救援机器人进行搜救工作需要人工操作，既要进行驾驶又要进行信息采集，效率很低。这些原因致使地面救援机器人无法在大范围的救援巡查中的发展与应用。在国内，救灾机器人的研究起步较晚，但受到的重视程度很高。
1 系统整体设计方案
本设计主要采用手持遥控器和计算机远程自动控制，其中遥控器控制机械手模块和高压水泵，还可切换APM 2.8飞控的控制模式，计算机控制通过433MHz的数据传输模块导入机器人的预订行进路线，并可实时监控机器人各种数据，如机器人所搭载的摄像头将现场视频信号传入飞控的osd视频叠加模块，该模块将机器人的电池电压、位置、信号强度等信息叠加在视频信号中，然后通过图像传输模块将视频信息回传至监控屏幕。机器人各功能模块及实物分别如图1，2所示。
图1 机器人系统组成
机械人系统运行时，手动控制和自动控制两种操控模式可及时切换。在手动模式中，操纵者观察利屏幕图像（图3），通过wfly9型调频遥控器选择手动模式，APM2.8飞控系统不介入机器人行进的控制，遥控器直接通过pwm信号通过电子调速器操控驱动电机转速来操纵机器人前进、后退、转弯。整套系统中机器手、消防水泵、相机云台始终处于手动控制状。手动模式适用于无GPS信号，地形复杂，任务复杂的情况。当GPS信号良好且需要进行大规模巡查时即可通过wfly9 遥控器切换至自动模式。自动控制模式需要地面站软件对机器人巡查的路线进行设计，通过数据传输模块写入apm2.8飞控系统。机器人将按照设计路径自动驾驶，如果遥控器信号丢失，机器人将进入失控返航模式，利用GPS信号回到机器人开机地点。在巡航过程中操纵者可以利用机器人头部搭载三轴陀螺仪感知头部运动，利用遥控器直接操控摄像头云台的两个舵机，从而更灵活调整摄像头朝向，对周边环境灵活观察，如果发现紧急情况可以立即切换到手动模式进行处置。该机器人配置了水泵和水箱具有一定的消防能力。此外，机械手采用六个mg996r舵机驱动，通过遥控控制机械手前端可进行高扭矩机械抓取动作。
1.数据传输模块；2.APM2.8飞控；3.GPS模块；4.图像传输模块；5.天地飞九接收机；6.高压水泵；7.机械手模块；8.摄像头
2 硬件设计
机器人本体部分----硬件核心为APM2.8飞控核心MCU，并整合性6轴运动处理组件MPU6000。高度测量功能采用高精度数字空气压力传感器MS-5611，GPS定位模块选用MTK 3329，存储部分采用板载16MB的AT45DB161D存储器。信息采集功能选用OSD模块将机器人姿态、模式、速度、位置等重要数据叠加到图像上实时回传，机械手采用大扭力舵机jx6221。
遥控部分----Wfly9是一款2.4GHz跳频9通道遥控器（如图4所示），采用了高速度，高分辨率，优化的2.4GHz PCMS 4096制式，具有很高的抗干扰能力。
3 系统软件
控制计算机使用开源的地面站软件Mission planner（图5）。该软件可以完成飞控的初始设置完成对电机调速器、舵机的方向、行程的设置。该软件可以对飞控进行航点编辑导入：执行任务前，软件通过外网加载的离线卫星地图，也可以加载灾害发生后的航测图，通过点击地图图像获得经纬度参考点，逐一设置航点后可以设置机器人围绕航点的自动环绕侦查，之后完成对初始航点和结束航点的设置，设置完成后直接通过算法生成二进制文件通过串口烧写入飞控。
4 结论
该机器人采用的APM 2.8飞控系统可以完成127个航点路径的自动巡查，适用于3km范围内的自动续航、探查填补了以往此类救援机器人的功能空白，由头部动作直接控制的相机云台可以更加灵巧的控制CCD摄像头实现最大范围的探查。这一救援机器人配备的消防系统可以执行一些消防任务，也可以搭载其他模块利用其自动续航的功能实现其他功能大大提高巡查效率，减少搜救人员劳忧慷取
【参考文献】
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近几年智能机器人在我发展迅速，其主要通过计算机编写软件程序来控制智能机器人系统，实现相应功能。在学生教育领域，引入智能机器人教育具有非常重要的教育意义，可以提高学生的动手能力，开阔学生的视野，增长在计算机技术方面的专业知识。本文主要通过对教育领域所进行的基于计算机软件技术的智能机器人系统应用进行研究，以期能够对智能机器人的研究和设计产生一定的推动作用。
【关键词】智能机器人 计算机 软件 应用研究
机器人的理念对于很多人来说并不陌生，随着时代的发展，其已经成为未来智能化与自动化发展的重要方向，并引领着时代科技向着更高层次迈进。
1 智能机器人设计与制作所具有的重要价值
1.1 机器人技术保障机器人设计与制作项目的健康发展
机器人设计与制作具有集成性，其集成了大量的先进技术，并对其进行应用。比如信息技术、机械设计、电子科学、材料工程、能源工程等众多领域智能机器人都有涉及。智能机器人技术还具有先进性，其所涉及的高科技热门话题一直在世界范围内火热发展，其作为高科技话题中的一员，引领着先进的功能，也正在改变着我们的生活。机器人技术的终极目标就是制作出可以为人类服务的智能化机器人，所以机器人的发展性需要不断坚持与时俱进的创新原则，研发与提高机器人技术，让其走在发展道路的前列。
1.2 机器人设计与制作项目学生参与性强、实践性强
对于机器人设计与制作项目，学校一般放在社团活动中举行，鼓励学生积极参与其中，很多学生对其有着强烈情绪，参与的积极性很高。很多学生通过自己动手参与设计与制作，对其进行研究，这就让学生的机器人技术实践性得到提高。部分学生在开发机器人过程中大胆创新，设计方案新颖，取得了不错的成果。机器人设计与制作简单，创新设计制作则富有挑战性，互动性，在课堂上能够满足学生各种层次的需求，并可以让学生像现实工程师一样，完成组装，调试和运行，带给学生极强的实践性和应用性。
1.3 机器人设计与制作项目发展给高等教育带来的新气象
通过智能机器人的设计与制作项目，让学生的思维更加广阔，提高学生的动手能力。机器人设计与制作项目引入到学生教育中来，是对新时代教育的一种创新，能够给高等教育带来更为广阔的发展空间。其所具有的创新性和科技性也将会引领学生向着更加广阔的领域发展，可以让学生接触到更高层次的教育理念，给接受高等教育的学生带来一丝清新的气息。因此，政府应当重视机器人技术方面的投入，给计算机教育带来新的发展。
2 基于计算机软件技术的智能机器人系统建设
2.1 基于计算机视觉的移动机器人导航
计算机视觉兴起于二十世纪五十年代，其涵盖了心理学、生理学、神精神力学等多方面的理论成果，是迄今为止非常完善的视觉理论。该系统构建主要分为三个层次，即计算理论层次，表达算法层次，以及硬件实施层次。其视觉建设主要采用CCD摄像机对二维图像信息进行采集，通过移动机器人工作环境所划分的结构化道路环境和非结构化道路环境的区分实现视觉的简易化处理。其一般以简易检测为主，搭配Hough变换、模式匹配等，对最小二乘法处理应用道路边界线条，从而得出道路的几何描述。
2.2 图像处理
在图像处理方面，主要是用的数字图像插值算法为最近邻点差值法、双线性插值法、双三次插值法。最近邻点插值法主要是对采样点周围的四个相邻像素点进行采取，选择距离最近的灰点值作为灰度值，其公式为：
其中i，j均为非负整数，u，v为[0，1]区间的浮点数，数值可以取0.5，f（i，j）表示原图像（i，j）处的像素值。
双线性插值法所根据的是采样点与相邻点的距离，从而确定相应权值，通过此计算待采样点的灰度值。其公式为：
双线性插值法与最近邻点法相比，其更加考虑了最近四个点采样影响，对于灰度的不连续性有所考虑，但同样，其所进行的计算量增大了。
双三次插值法考虑到了各邻点之间的灰度变化率，其数学表达式为：
其中w为自变量，S（w）为三次多项式的值。
差值公式为：
计算的时候需要对周围十六个灰度值依照公式进行内插，其考虑到了直接邻点的灰度值对采样的影响，提高了精准度，但同时也加大了计算量。
2.3 移动机器人的运动控制
根据相应目标，其主要分成三个基本问题进行研究：即轨迹跟踪、路径跟踪、点镇定。对于轨迹跟踪来说，通过合适方法的寻找让机器人沿着预期的路径运行；轨迹跟踪则是让机器人沿着既定的轨迹运行，其可以是时间有关的几何路径；点镇定则主要是让机器人能够从任意位置镇定道目标位置上。在机器人运动方面，所使用的主要控制方法为模糊控制方法。其主要的目的是将客观存在的三维场景，通过摄像机以二维的形式予以摄取，将投影变成图像描述，进行透视变换。其涉及到了不同坐标之间的变化，比如，世界坐标、车体坐标、像平面坐标等等，为了能够让图像空间中机器人点与目标点对应的空间人物相一致，则需要解决好图像空间与任务空间的转换问题。通过对路径信息的采集，通过模仿人工瞄准的行为，运用直接图形信息的方式对机器人的输入控制量进行控制则不失为一个较好的方法。此方面通过实验可以了解到，运用NXT移动机器人跟踪，可以让机器人达到很好的运动效果，对机器人控制的效果也更为显著。
3 结语
综上所述，机器人制作项目的开展可以引导学生健康发展，可以让学生的实践能力得到提升，可以让教育领域的科技性更强。教师在进行教学过程中，要注重做好计算机软件技术的智能机器人系统应用探索，通过计算机与机器人技术的结合，让机器人更加智能化，让其程序更加完善，让其应用的领域更加广阔，为其未来的发展提供更加丰沃的土壤。
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作者简介
庞天杰（1980-），山西省太谷县人。硕士学位。现为太原师范学院计算机系讲师。研究方向为机器学习及数据挖掘。
Design, Modeling and
Characterization of
Bio-Nanorobotic Systems
2011
Hardcover
ISBN 9789048131792
纳米机器人的研制属于分子仿生学的范畴，是根据分子水平的生物学原理为设计原型，在纳米尺度上应用生物学原理，研制可编程的分子机器人，是纳米机械装置与生物系统有机结合的产物。在生物医学上，科学家们利用纳米技术制造纳米机器人，让它在人的血管网络中漫游，进行巡逻和检查，尽早发现异常细胞，而且可以对人体内细胞组织进行修复。它不仅可以完成早期诊断工作，更重要的是可以充当微型医生而发挥治疗作用，解决传统医生难以解决的问题，如：杀死癌细胞、疏通血栓、清除动脉脂肪沉积物等。纳米机器人发展到现在大致分成三代：第一代，是把生物系统和机械系统有机结合的新系统；第二代，是由原子或者分子装配成的具有特定功能的纳米尺度的分子装置；第三代，可能是包含有纳米计算机的一种可以进行人机对话的装置。
纳米机器人代表了一种纳米级器件。在这个器件中诸如DNA的蛋白质和碳纳米管可以充当马达、机械接头、传动元件或传感器。当这些不同的组件组合在一起时，它们可以形成多度自由的纳米机器人，能够在纳米世界中对对象施加力以及进行操纵。本书重点讲述了两种纳米机器人的研究方法。第一种方法：结合虚拟现实的先进技术的多尺度建模工具（量子力学，分子动力学，连续介质力学）。为了设计和评估分子机器人的特点，本书提出了互动基于纳米物理的仿真。这种仿真允许在分子动力学模拟时带有实时力反馈和图形显示的操纵分子、蛋白质和工程材料。第二种方法：使用一种新的协同原型方法，具体表现为纳米机器人的多尺度模型与实验测量的耦合。本书通过5章来说明上述两种方法，1.纳米机器人组件与设计发展现状，主要介绍了纳米机器人设备结构、生物纳米技术设计的虚拟现实技术、建模和表征方法；2.生物纳米器件和纳米机器人设计和表征方法，主要讲述了生物纳米器件的设计和表征方法、纳米机器人结构的协同原型；3.生物纳米机器人结构的设计和计算分析，主要讲述了基于蛋白质的纳米弹簧的表征，基于蛋白质的纳米机械的多尺度设计和建模、DNA纳米机器人、用DNA激励的线性纳米管马达的设计和计算分析、药物输送中应用的多尺度平台的表征；4.纳米结构的表征与原型，基于直线轴承的NEMS表征，基于主管到主管碳纳米管梭旋转马达的设计， 通过碳纳米管的阿克物质传输和汽化；5.结论和展望，对本书的内容进行了总结，对纳米机器人的发展进行了展望。
本书以实现在纳米机器人系统内的最优纳米级运动为目标，研究了生物和人造分子结构的设计、组装、仿真以及原型，提出了一个新的基于DNA的纳米机器人、生物纳米执行器和基于碳纳米管的旋转纳米器件的概念，所提出的平台有助于表征新型药物输送系统和细胞膜之间的相互作用，是从事纳米机器人学研究的相关科研人员与工程师的很好的参考书。
作者Mustapha Hamdi和 Antoine Ferreira在法国布尔日国立高等工程师学校工作，主要从事机器人及医学成像技术研究。
杜利东，助理研究员
（中国科学院电子学研究所）
生病的人都很难受，还得叫人请医生治病。当然机器人可以帮忙呀！
但是，机器人万一没电怎么办？或者有些表面看不出的病和治不了的病又怎么办？
嘿嘿，这可难不倒我：把这个机器人设计成一个很小很小的机器人，能在人体内自由活动的机器人。手是钳子型的，专门来消灭有害的东西，帽子里是一个个工具，独自里方细菌的，还有一台特殊的机器能让细菌转化成电用……
如果小形“吃”菌机器人治完病出来后，会立刻变大报告治病情况。
地球上有很多的垃圾无法处理或有细菌太多的现象。当然“吃”菌机器人也会帮忙。
这个机器人使用“吸菌尘器”把所有细菌都吸进肚子里。如果要清除垃圾就会把上面的细菌吸完把这些垃圾便回“原形”。
山西大学附属小学三年级:高思淼
【关键词】虚拟仿真设计；六足机器人；Inventor；运动仿真
【中图分类号】G64.32 【文献标识码】A 【文章编号】
引 言
Inventor是一种全面的可视化设计工具，用于创建和验证完整的数字样机，可以检验机械产品的外型、结构和功能，也可以对其进行运动仿真和应力分析，设计师应用这种软件可对数字化样机进行优化，并预测机械产品在未来的实际工作情况[1]。
本文设计了六足双斗机器人，机器人采用足式移动方式优点在于控制简单，移动比较迅速，同时可以相对较容易地跨过比较大的障碍，但是当机器人在行走时，整个物体的重心会发生变化，各个关节受到的速度及加速度也不同，在不行走，进行挖掘工作，不同部位受到的力也不一样。本文应用Inventor对六足机器人在平地行走和爬坡过程中重心的位置、速度加速度变化进行仿真分析，Inventor集设计、建模和仿真于一体，且操作简单，这给设计工作带来了许多方便，节约了研究时间和研制费用，实现了高质量、高速度、高效率、低成本的整体设计。
本文所应用的软件为虚拟设计方法又提供了一个方便可行的办法，同时，设计的六足机器人为足类机器人的设计也提供了一些思路。在Inventor的虚拟仿真下，得到所设计的六足机器人的一些有用信息，为更好的设计新型六足机器人提供了参考依据。小型物理样机试验，行走和利用双斗夹取物体。
1.六足机器人整体结构
Inventor软件注重产品外观设计，同时其渲染功能也易于操作，效果良好，应用Inventor对六足机器人进行整体结构造型和渲染，其中腿部结构输入旋转运动，在滑块和曲柄的作用下转化为腿部摇摆运动[2]，腿部机构的摇摆幅度为[-24°～+24°]，由于该机器人的腿部关节是铰接和滑动副，因而在步行时即使出现失稳现象也具有较强的姿态恢复能力[3]，足部使用减震和缓冲作用的橡胶材料。
2.机器人步态分析
在机器人研究领域，支撑相和摆动相随时间变化的顺序集合称为步态。对匀速行走的机器人来说，其足相呈周期变化规律，由于这时步态是周期性变化的，故称为周期步态，在一个周期T内，支撑相的时间为 ，则该足的有荷因数β按下式计算[4]：
（1）
一个步态周期中，步行机器人机体重心向前移动的距离称为步距s，各足处于支撑相时相对于机体的移动距离称为足的行程R，两者的关系为[4]：
R=s・β（2）
三角步态是六足仿生步行机器人实现步行的典型步态。其核心思想是把机器人的六足分为两组（躯体一侧的前、后足和另一侧的中足构成一组，其余足构成另一组），三足支撑机体并推动机器人前进（称为支撑相），另三足摆动为下一步支撑做准备（称为摆动相），整个机器人的运动过程就是支撑相与摆动相交替、循环的过程。
六足机器人爬坡行走状态及整体受力分析可知，腿部形成的摩擦力克服重力的一个分力达到向前行走的目的。在爬坡时双斗的位置严重影响机器人的稳定性和爬坡能力，设计双斗的最佳放置位置，有利于机器人的爬坡动作。
3.基于Inventor的机器人运动仿真
3.1 Inventor运动仿真简介
Inventor运动仿真能够完成装配下的零部件运动和载荷条件下的动态仿真，可以在任何状态下将载荷条件输出到应力分析中，也能展示运动过程以及某瞬间的动态载荷；可以设计模型在其整个运转周期内的动态运行条件，并精确调整电动机和传动器的尺寸，以便承受实际的运转载荷；可以分析机械装置中每个零部件的位置、速度、加速度以及承受的载荷[5]。进入Inventor运动仿真模块的操作过程如下：打开一个需要进行运动仿真的装配文件，在“应用程序”菜单下选择“运动仿真”，即可进入Inventor运动仿真界面。
本文在仿真时定义腿和地面为摩擦副，定义摩擦系数f为0.5。制作实物样机时，两排行走足各有一个电机，依靠链传动带动各个足运动。在仿真时，为了方便起见，定义6个电机驱动6个足，保持主要工作原理不变。仿真内容主要有：爬坡角度θ分别为0°、15°和22°时，机器人重心位置、速度和加速度的变化情况。
3.2 重心变化情况分析
六足机器人重心位置、速度、加速度对机器人整体的稳定性有重要影响，通过仿真得到在不同爬坡角度下重心的变化曲线，分析机器人的稳定性。如图5所示，机器人在平面上行走时的重心变化曲线，由前面设计的腿部结构可知，机器人每走一步，在竖直方向上重心都有一个上升和下降的过程，竖直方向波动幅值越大说明机器人步距也越大，太大的步距影响机器人的稳定性。水平方向上的波动越小越好，如图5（b）所示，Y方向上的速度波动非常小，加速度对机器人零部件有一个动载荷的作用，求出行走每一步的加速度后还可以计算出零部件上的动载荷。从图中可以看出，重心在各种情况下的变化曲线有很强的周期性，这与前面的分析一致。
4.物理样机试验
通过在Inventor环境下的虚拟设计和仿真，以及在装配模式下仿真得到行走时的步态和爬坡能力，六足机器人设计合理，为了验证设计的可行性和仿真的真实性，将六足机器人在各个Inventor环境下的三维零件图转化成二维CAD图纸，依据图纸的设计尺寸制造了一小型物理样机。
参考文献
[1]陈伯雄.Inventor R8 应用培训教程：机械设计[M].清华大学出版社，2004.9
[2]孙恒，陈作模，葛文杰.机械原理[M].高等教育出版社，2006
[3]闫尚彬，韩宝玲，罗庆生.仿生六足步行机器人步
态轨迹的研究与仿真[J].计算机仿真.2007.10.156～160
关键词：Arduino 机器人 课程资源 中小学
中图分类号：G62 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）11（a）-0070-02
Development and Research of Robot Course Resources Based on Arduino Open Source Hardware
YI Xiangdong
（Dept. of Physics and Information Engineering，Guangdong University of Education，Guangzhou Guangdong，510303，China）
Abstract：Robot course is a comprehensive practical course which involves a number of subjects. With the deepening of the implementation of the new curriculum reform of basic education in primary and middle schools in China， Robotics Education has been developing rapidly， but there has been little research robot curriculum resources， this paper expounds the development of robot curriculum resources Arduino open source hardware based on robot， curriculum goal， curriculum content， curriculum implementation and the development of teaching materials， teaching equipment etc. aspects of the study.
Key Words：Arduino；Robot；Course resources；Primary and middle school
今社会机器人教育越来越受人重视，国家的各种政策支持更是为机器人教育的普及提供了新的契机。但是，目前用于机器人教育的开发平台种类繁多，质量参差不齐，而且各种机器人平台之间无法兼容，开放性较低，机器人的课程资源不完善。由于Arduino开源硬件的机器人产品的开放程度高，价格低廉，编程方便。因此，开发配套的Arduino机器人课程资源有着重大的现实意义。
1 Arduino机器人的特点
Arduino是一个基于单片机并且开放源码的计算机平台，和一套为Arduino板编写程序的开发环境组成[1]。Arduino机器人相比于同类的教育机器人的优点主要有以下几个方面。
1.1 开放性
Arduino机器人作为一款开源的机器人产品，它的硬件和软件的开放性让其能极好地应用在科学研究和教学上。
1.2 廉价
Arduino机器人的价格相比较同类的教育机器人来说价格优势相当明显，例如乐高机器人的一套最低配置的价格也需要2 000元起，而同样功能的Arduino机器人的教学套件大概需要五六百元左右。
1.3 容易搭建教学环境
Arduino机器人可以利用学校的计算机室进行教学活动，不需要设计专门实验室或者兴趣活动中心。
1.4 编程软件
分为文本式的编程环境和图形化积木式的编程环境，可以方便学生理解。
2 Arduino机器人课程资源的开发
2.1 课程性质和理念
Arduino机器人设计是通过老师讲授、学生小组实践等方法锻炼学生创新能力、协作能力、解决实际问题能力的课程，课程理念遵循STEM科学、技术、工程、数学四位一体的理念[2]，力求通过此课程让学生将所学的众多科学类学科知识融会贯通，综合应用。它的科学性、实践性、综合性、创新性对学生的综合能力培养有很大的帮助。
2.2 课程目标
Arduino机器人课程总体目标是通过Arduino机器人课程让学生对机器人的开发有所了解，并建立学习兴趣，从而在学习过程中锻炼他们的创新能力、合作能力、解决问题的能力[3]，培养学生动手动脑独立思考的学习习惯。
2.3 课程内容
通过对Arduino机器人课程的研究，设计出的课程内容主要包括Arduino机器人元件的应用和智能小车的设计[2]。通过Arduino机器人各类元件的学习，让学生逐步掌握机器人编程方法、搭建思路、多个元件配合使用方法等，为Arduino机器人小车课程的开展打下基础，让学生将所学知识带入生活提高创新能力。具体课程内容如表1所示。
2.4 教材编写
Arduino机器人教材编写要充分理解Arduino机器人课程性质与理念，明确把握课程目标，把培养学生的科学素养融入进教材中，充分发挥Arduino开源教育机器人的特点和优势，给出以下几点体会。
2.4.1 编程平台的选择
在编写Arduino机器人教材时所选用的编程平台应该选择图形化的编程平台。首次接触机器人课程，编程也是零基础。中小学生的逻辑思维能力正在以形象的思维能力向抽象的思维能力过渡，不宜过早接触文本化的编程平台。
2.4.2 以中小学生的视角解释Arduino机器人
编写教材时应以中小学生的视角去解释Arduino机器人的结构和功能，将各种传感器的功能和人体器官的功能进行对照讲解等，各种元件的作用原理需要相应地简化，不要太过复杂[3]。
2.5 课程实施建议
开展Arduino机器人课程时要注意显性课程资源与隐性课程资源的结合应用，多总结利用课堂生成性课程资源，激发课堂活力，潜移默化地改变学生的身心发展，让他们从被动的学习转到主动的渴求知识。在此给出以下几点建议。
2.5.1 根据学生实际情况来进行学生分组
机器人教学适合以团队的形式开展，让学生分组互相交流学习是机器人教学时常用的方式。从学生的情况来讲，有的学生适合机器人结构功能设计，有的学生擅长编程，有的学生擅长统筹规划，所以教师可以开展一次机器人设计创意课，从而更加了解学生的能力之后ρ生进行分组以增强学生的参与程度、相互学习、积极性、合作能力等。
2.5.2 将生活实践融入到机器人课程中
教师可以开展一些活动，让学生制作的机器人能应用到他们的学习生活中去，甚至应用到其他科目中去。例如，利用Arduino制作LED显示板用来显示值日生表、上课抢答器等，提高他们的观察能力和解决实际问题的能力。
2.5.3 Arduino机器人课程要以探究为主
中小学生有着很强烈的好奇心，教师在开展课程时主要以引导为主，让学生自己去发现问题，让他们在错误的过程中找出原因。注意不要把自己固有的想法强加给学生，让他们自由去创造。
3 结语
该文从机器人课程的目标、内容、教材开发、课程实施以及教学器材等方面，研究了基于Arduino开源硬件的机器人课程资源的开发。在课程资源开发时，应当加强对Arduino机器人的理解，要从中小学学生的心理生理特点出发，以学校为中心进行开发。要充分地利用家庭和社会等相关课程资源，将它们有机地与课堂结合起来。
参考文献
[1] 骆巍.开源平台在中小学机器人教学中的应用―基于Arduino的机器人学习平台建构与实践[J].中国信息技术教育，2012（9）：48-49.
关键词：送餐服务；点/送餐；迎宾；娱乐
送餐机器人的应用范围很广，只要是服务行业都可以使用它，譬如在学校、医院、餐厅等地方，都可以使用它来替代服务人员为顾客服务，大大满足人们对快捷服务的需求。目前设计点餐，送餐、迎宾、娱乐等功能的一款送餐服务机器人，不但能提高服务效率，减少服务人员数量，更能建立餐厅特色，打造餐厅品牌，进而提升餐厅的业绩。
1 总体设计方案
送餐机器人总共分为三个模式状态，根据用户的选择，可以对三种模式进行切换，以下是对三种模式的描述。
模式一：点餐/送餐模式，一方面通过机器人携带触摸屏显示，向顾客呈现当前的菜单以及打折信息。另一方面通过手机或者按键模块控制机器人移动，通过巡线传感器、红外线传感器以及行走电机使机器人按照规定的行进路线前进，使机器人顺利到达对应的餐桌位置。
模式二：迎宾模式设计，当用户选择迎宾模式时，则送餐机器人自动通过循迹走到相应的迎宾位置，并通过监测当有人进入时则机器人发出声音。
模式三：娱乐模式设计，包括播放音乐、动作表演等。
设计是采用单片机（STC89C51RC）为主要控制电路，配有各式传感器、执行驱动、人机交互、界面显示等模块。同时采用蓝牙模块配合手机使其创建链接，从而使手机通过蓝牙模块向单片机发送指令，人们可以通过手机蓝牙执行相应的操作，完成送餐、点餐、娱乐等功能。如图1所示。
2 机器人整体结构设计
机器人设计完成后，对其进行行走路线的设计，设计一条主干道，在主干道上增加几条分支用来工位的设置。UG设计图如图2所示。
3 机器人系统测试
对于送餐机器人来说，行走路线的测试尤为重要，通过红外线对黑标的色差识别，来达到巡线的目的，在机器人行走过程中，当机器人朝左偏时，则左电机速度提高，右电机速度下降。当机器人朝右偏时，右电机速度提高，左电机下降，使得机器人会走线。加工设计的机器人如图3所示。
送餐机器人的使用让服务行业的发展得到了更快的发展，会代替人力在餐饮业做到主导作用，这样大大降低了人力成本，在市场经济发展中有着不错的前景，未来将是机器人的时代，高科技的时代。
参考文献
[1]袁银瑶，卢亚平.“探索者”全地形机器人创新设计[J].探索科学，2016，34（6）：195.
