关键词： 机器人   机器人竞赛   竞赛课程   校本课程  

摘要： 教育机器人的开发与应用涉及到感测技术、通信技术、智能技术和控制技术,是进行信息技术和通用技术教育的最佳载体,也是培养学生信息素养、提高创新精神和综合实践能力的有效平台。近些年,很多地方将机器人课程作为校本课程引入学校教育。对于我们这样经济欠发达地区的学校来说,无法向机器人的普及性教育投入大量的人力、物力、财力,但又不想失去机器人这个良好的培养学生综合能力的载体。高中阶段的竞赛培训是最具校本特色的课程,所以选择竞赛课程的形式,研究高中学生心理以及学习特点、分析各类机器人竞赛的特点,开发机器人竞赛校本课程。本文依据笔者在开展机器人竞赛教学的实践经验,通过查阅文献资料,吸收已有研究成果,在了解国内外机器人竞赛和机器人教育开展现状的基础上,在学习和借鉴各家实践探索和研究的基础上,对我校机器人竞赛校本课程开发作了初步的探索。运用建构主义学习理论和多元智能学习理论,通过教学实践分析机器人竞赛课程教学的理论和方法,初步构建教学、创新、竞赛三位一体的人才培养模式。建设与机器人竞赛相关的课程、教学内容、教学方法和实践体系。本文包括五个部分：第一部分是高中机器人竞赛校本课程开发的背景,概述了国内外机器人教育的现状和国内外各类机器人竞赛项目的情况,提出当前机器人竞赛教学中存在的问题,阐述机器人竞赛课程开发的意义；第二部分是高中机器人竞赛校本课程开发,重点分析了机器人竞赛课程开发的理论依据和现实意义,阐述机器人竞赛课程的教学目标,教学对象,教学组织和课程设置;第三部分是我校高中机器人竞赛校本课程开发的实践探索,阐述了我校机器人竞赛课程的内容选择、实施策略、教学策略和教学评价；第四部分是我校机器人竞赛校本课程开发的实施成果,介绍了我校机器人竞赛校本课程开发的实践成果,并对我校机器人竞赛校本课程开展情况进行反思；第五部分结语以我校机器人课程取得的成效拓展到对机器人竞赛课程开发的思考与憧憬。

关键词： 变结构自行车机器人   罗斯方程   阿佩尔方程   神经网络   遗传算法   参数辨识  

摘要： 近些年来由于Segway这一新型的代步工具的出现,加上节能减排绿色环保的提出,掀起了一股对于这种小型自平衡轮式机器人的研究热潮。其实对于两轮车的研究从很久以前就已开始。开始时学者们的主要研究目光锁定在自行车这一具有悠久历史的代步工具,从动力学分析到逐步的实现自平衡自动行走。后来Segway的提出,彻底改变了人们对于两轮车的认识,同时也产生了这两种两轮车之间的优劣对比。 本文的研究对象是一种能够在自行车形态与Segway形态之间切换的自平衡机器人。分别从两种形态的动力学建模、不同形态的控制器设计与仿真、虚拟样机的设计与参数辨识以及最后的实物样机实验平台的搭建与测试等方面展开研究。 首先对于变结构自行车机器人(简称VSBR)的自行车形态与Segway形态进行了结构分析。然后使用拉格朗日方程对VSBR的Segway形态进行了动力学建模,使用罗斯方程对45°自行车形态的VSBR进行了动力学建模,使用阿佩尔方程对90°自行车形态的VSBR动力学建模。在这些动力学模型的基础上,针对VSBR的Segway形态的动力学模型设计了基于LQR的PID控制器,针对VSBR自行车形态45°模式设计了神经鲁棒控制器,针对VSBR自行车形态90°模式设计了神经滑模控制器,并且在MATLAB上进行了仿真实验。在理论分析之后进行了虚拟样机设计并设计了基于遗传算法的参数辨识实验。最后,搭建了VSBR的测控系统,设计了接口电路与上位机接收软件,并进性了测控系统试验,并对测试结果进行了分析。

关键词： 机器人   挑战自我   生存技巧   校本课程   编程语言  

摘要： 陈煜文(重庆市西藏中学)这是我第一次参加NOC活动,收获很大。首先,活动使我更进一步掌握了编程语言的基础知识,提高了应用能力。其次,见识了其他选手的作品、开拓了我的视野,使我对机器人知识的学习更加感兴趣。最后,通过赛前的准备和赛场上的挑战,我对野外生存技巧有了更多的了解。明年,我还会争取决赛资格,让各位裁判长、评委、老师和同学看到我更好的作品。

关键词： 可重构模块化机器人   拓扑描述   运动学   动力学   轨迹规划   改进遗传算法  

摘要： 可重构模块化机器人是由一系列可以相互连接的智能化模块组成,通过模块自身结构和功能的重新组合重构成具有不同运动学参数和动力学行为的机器人系统以适应不同的工作要求。可重构性扩大了机器人的工作范围;模块化提高了机器人系统的容错能力和自动修复能力,同时降低了生产成本,可重构模块化机器人已成为机器人系统研究的热点。本文主要针对可重构模块化机器人单元模块的结构设计、拓扑构型表达、运动学正逆解、动力学方程自动生成算法、轨迹规划等问题开展了相关研究。设计了一种新型的可移动重构机器人的单元模块及对接机构,相邻模块具有12种连接方式,多个模块组成的机器人系统可实现各个方向的旋转自由度,增加了机器人构型的种类及功能。设计了一种新型的正弦加速度传动槽与插销式的对接机构,结构简洁、紧凑,控制方便简单,能够完成模块之间结构自锁紧,并能快速实现相邻模块可靠连接与断开。在分析单元模块拓扑结构的基础上建立两个模块空间位姿变换的数学描述表,推导了基于指数积公式的多支链机器人系统的正运动学方程。采用遗传算法求运动学的逆解,在传统遗传算法的基础上提出了“移民”策略和局部优化的改进方案,并以双支链构型为例,验证改进遗传算法的有效性。采用基于全局矩阵描述的递归牛顿-欧拉方法自动生成系统的动力学方程,并提出了基于两个模块空间位姿变换的运动方程自动生成算法流程。该方法具有一定的普适性,可应用于其它链式可重构机器人。最后以六个单元模块所组成的双支链构型为例,进行了自动生成运动方程的仿真计算,验证了该方法的可行性和有效性。最后,针对末端执行器运动轨迹问题,应用多项式插值函数拟合关节轨迹,推导出直线和圆弧的笛卡尔空间轨迹规划,根据插值点约束条件的不同选取对应的多项式进行轨迹规划,给出了直线轨迹规划的算法流程,并以具体构型为例给出了具体计算步骤。

关键词： 动力学模型   独轮机器人   状态反馈控制   直流电机   转矩伺服  

摘要： 本文通过分析独轮机器人的组成结构,利用Lagrange方程建立了其动力学模型。由于所建动力学模型具有很强的非线性,因此利用泰勒级数在机器人的平衡点上对所建立的机器人动力学模型进行了线性化处理。完成独轮机器人动力学模型的线性化处理之后,将线性化后的机器人动力学模型转换成了更加简单实用的状态方程。然后利用仿真软件对所建立的独轮机器人动力学模型进行了仿真验证。仿真实验结果表明,本次所建立的独轮机器人动力学模型符合物理实际,验证了所建动力学模型的正确性。最后,基于所建立的独轮机器人线性状态方程,通过利用状态反馈控制算法,设计了独轮机器人自平衡控制算法,并对所设计的独轮机器人平衡控制算法进行了仿真实验。实验结果表明所设计的算法稳定有效、具有较好的鲁棒性和抗干扰性。完成独轮机器人动力学模型的建立以及上层算法的设计之后,本文还进行了独轮机器人下层驱动控制系统硬件以及驱动控制算法的设计。首先,利用Microchip公司的高性能数字信号控制芯片ds PIC30F4012设计了直流电机驱动控制系统的控制器,然后利用IR公司的高压集成驱动芯片IR2130设计了直流电机驱动控制系统的驱动电路,最后利用IR公司的全控型MOSFET芯片IRFS4710完成了逆变电路的设计。所设计的直流电机驱动控制系统硬件电路在后续的实验验证中得到了应用,在应用过程中发现所设计的电路稳定有效,能很好地完成所设计的实验任务。完成直流电机驱动控制系统硬件电路的设计之后,基于所建立的直流电机数学模型,本文还设计了直流电机转矩伺服控制算法,其中电流状态观测器是整个算法的核心。完成算法的设计之后,在仿真软件中进行了实验验证,验证结果表明所设计的算法能快速、稳定、有效地完成转矩伺服的控制目标。最后,在搭建的直流电机驱动控制系统上,进行了直流电机模型参数的识别实验、电流状态观测器的性能测试实验以及直流电机转矩伺服控制算法的验证实验。实验结果和仿真实验结果吻合,验证了所设计算法的有效性。

关键词： 码垛机器人   动力学   静力学   ANSYS   ADAMS  

摘要： 近年来,随着水泥、面粉、化肥、饲料等行业的迅速发展,现有的肩膀扛、小车拉的仓库搬运和装卸方式已经远远不能满足市场的需求。现有的搬运及装卸方式劳动强度大、工作效率低、工作环境恶劣、严重危害操作工人的生命安全。在这样的背景下,一批旨在代替工人完成搬运及装卸操作的码垛机器人应运而生。“饲料码垛机器人的静力学及动力学研究”就是在这样的背景下提出的。本文首先运用三维造型软件UG构建了饲料码垛机器人的实体模型,进而用拉格朗日法建立饲料码垛机器人的动力学模型,并通过ADAMS软件完成码垛机器人的动力学分析。通过动力学分析得到不同载荷下码垛机器人电机输出转矩曲线和丝杠螺母所受的推力曲线,进而完成伺服电机功率、扭矩、转动惯量的计算,完成驱动码垛机器人的伺服电机、减速装置的选型。其次,使用ANSYS Workbench有限元分析软件对饲料码垛机器人的静力学进行分析。并对该码垛机器人的上大臂、前大臂以及后大臂等主要结构进行有限元分析,得出码垛机器人各个关键部件的受力应力云图,从而验证主要部件结构设计的合理性。

关键词： THREE-dimensional printing   RESEARCH   MOBILE robots   PROSTHESIS   CELL motility   LITHOGRAPHY  

摘要： This article will focus on recent reports that have applied three-dimensional (3D) printing for designing millimeter to micrometer architecture for robotic motility. The utilization of 3D printing has rapidly grown in applications for medical prosthetics and scaffolds for organs and tissue, but more recently has been implemented for designing mobile robotics. With an increase in the demand for devices to perform in fragile and confined biological environments, it is crucial to develop new miniaturized, biocompatible 3D systems. Fabrication of materials at different scales with different properties makes 3D printing an ideal system for creating frameworks for small-scale robotics. 3D printing has been applied for the design of externally powered, artificial microswimmers and studying their locomotive capabilities in different fluids. Printed materials have also been incorporated with motile cells for bio-hybrid robots capable of functioning by cell contraction and swimming. These 3D devices offer new methods of robotic motility for biomedical applications requiring miniature structures. Traditional 3D printing methods, where a structure is fabricated in an additive process from a digital design, and non-traditional 3D printing methods, such as lithography and molding, will be discussed.

关键词： 轮腿式机器人   Rolling-Wolf   运动学   步态规划   动力学   ADAMS  

摘要： 高性能移动机器人一直是国内外仿生机器人的研究热点,本文首先分别从结构设计方面、运动规划方面和反馈控制方面分析了目前智能机器人的研究情况,主要包括四足机器人及轮腿式机器人的发展现状。目前主流的几类机器人的特点如下:足式机器人地形适应能力较好,但是其机构复杂,运行速度比较低;轮式机器人运行平稳、控制比较简单,但是轮式机器人地形适应能力较差,越障能力很受限制;而轮腿式机器人则综合了两者的优点,既有轮式机器人的高速高效运行的特点,也有腿式机器人的越障能力,因此,轮腿式机器人已经逐渐成为国内外学者的研究对象。主体部分针对一种新型仿生轮腿式机器人——Rolling-Wolf进行研究,该机器人腿部机构由车身、大腿、小腿、电机、滑块及驱动轮组成。基于该样机,主要进行了如下的研究工作:①采用欧拉角和空间坐标系的齐次变换,建立了机器人的包含俯仰角和翻滚角在内的正、逆运动学模型;然后,基于机器人微分运动变换求出了机器人的速度雅克比矩阵,用于表示机器人关节运动和足端运动的关系。②基于运动学理论对Rolling-Wolf进行了基于抛物线过渡的线性插值方法的步态规划,该步态不仅满足静稳定原理,而且对机构不会产生刚性冲击。然后根据设定的初始步态参数,通过Matlab语言实现了足端轨迹曲线和样点的采集。③采用拉氏方程和虚功原理建立了Rolling-Wolf机器人的动力学模型,选取了大腿和车身夹角以及大小腿夹角作为该模型的广义坐标,同时考虑了轮子和地面之间的接触力,该动力学模型具有良好的通用性。④在ADAMS中进行了平地慢爬步态的仿真,重点介绍了ADAMS仿真参数的设置,以及通过逆运动学计算得到的滑块的驱动设置方法。仿真完毕后,对车身质心和同侧大腿滑块的运动进行了观测和分析,并验证了理论运动学模型的正确性。

关键词： medical robotics   rehabilitation robotics   surgical robotics  

摘要： The applications of robotics in recent years have emerged beyond the field of manufacturing or industrial robots itself. Robotic applications are now widely used in medical, transport, underwater, entertainment and military sectors. In the medical field, these applications should be emphasised in view of the increasing challenges owing to the variety of findings in the field of medicine, which requires new inventions to ease work process. The objective of this review paper is to study and present the past and on-going research in medical robotics with emphasis on rehabilitation (assistive care) and surgery robotics which are certainly the two main practical fields where robot applications are commonly used presently. The study found that rehabilitation and surgery robotics applications grow extensively with the finding of new invention, as well as research that is being undertaken and to be undertaken.

关键词： Therapists   Adaptation   Automation   Robots   Artificial intelligence   Robotics   Patients   Feedback   Rehabilitation  

摘要： Rehabilitation robots physically support and guide a patient's limb during motor therapy, but require sophisticated control algorithm's and artificial intelligence to do so. This article provides an overview of the state of the art in this area. It begins with the dominant paradigm of assistive control, from impedance-based cooperative controller through electromyography and intention estimation. It then covers challenge-based algorithms, which provide more difficult and complex tasks for the patient to perform through resistive control and error augmentation. Further: more, it describes exercise adaptation algorithms that change the overall exercise intensity based on the patient's performance or physiological responses, as well as socially assistive robots that provide only verbal and visual guidance. The article concludes with a discussion of the current challenges in rehabilitation robot software: evaluating existing control strategies in a clinical setting as well as increasing the robot's autonomy using entirely new artificial intelligence techniques.