机器人擂台赛用移动机器人控制软件设计正文.docx
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机器人擂台赛用移动机器人控制软件设计正文
1绪论
1.1引言
随着科学技术的飞速发展，人类首先想到的就是如何能够利用一种机器来替代人类的体力劳动，就这样，工业机器人应运而生了。
工业机器人从简单粗糙到复杂精密，越来越受到各国工业部门的重视。
而各国为了提高自己的机器人技术，在全世界范围内掀起了一股机器人竞赛之风。
虽然竞赛用机器人没有工业机器人那么实用，但是竞赛用机器人的水平高低不仅能够显示一个国家机器人水平的高低，更是一个国家科学技术水平的展示。
所以，在各国以及各国内部科研教育机构之间有许多机器人竞赛，这大大促进了机器人的发展，同时也促进了世界范围内的科学技术的发展。
1.2机器人的发展历史
1.2.1机器人定义
1920年，捷克斯洛伐克作家卡雷尔·恰佩克（Karel.Capek）在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中，根据Robota（捷克文，原意为“劳役、苦工”）和Robotnik（波兰文，原意为“工人”）创造出“机器人”这个词。
目前国际社会对机器人的定义没有统一、标准的规范。
国际机器人联合会机器人（IFRA）、日本机器人学会、美国、英国和我国等国家及一些权威辞书（英国牛津词典）和国际知名的机器人专家等都有对机器人定义的阐述，比如日本早稻田大学的加藤一郎教授认为机器人应具有脑、手、脚三要素；东京工业大学的森正弘教授认为机器人应具有半机械、半人性等十种特性。
我国已故“863计划”自动化领域首席科学家蒋新松院士认为机器人是一种拟人的机械电子装置。
机器人是一种自动的、位置可控的、具有重复编程能力的操作加工单元。
机器人是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。
目前，在工业、医学、农业、军事等领域中均有重要用途。
1.2.2机器人技术的发展
1939年美国纽约世博会上展出了西屋电气公司制造的家用机器人Elektro。
它由电缆控制，可以行走，会说77个字，甚至可以抽烟，不过离真正干家务活还差得远。
但它让人们对家用机器人的憧憬变得更加具体。
美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称"机器人王国"的日本起步至少要早五六年。
1966年，美国Unimation公司的尤尼曼特机器人和AMF公司的沃莎特兰机器人就已经率先进入英国市场。
然而，由于当时的美国的经济原因，国家对机器人的发展重视不够，因此在工业机器人发展方面被后来的日本超过。
但是，后来美国政府意识到工业机器人的重要性，加大了对机器人研究的投入，美国的机器人发展又达到了世界领先水平。
提到机器人就不得不提到机器人之父加腾一郎，加腾一郎是日本早稻田大学机械系主任。
他带领的团队研制出了国际著名的“华鲍脱”机器人。
这个机器人重130公斤，有一双很精致的手，而且像人一样长着两条腿，能接受人们用日语下达的命令。
纵观机器人的发展历史，可以说机器人的发展经历了3次马鞍型变化曲线。
第一次在20世纪80年代中期（1985-1987年）；第二次是在1992年—1994年；1998年则是第三次马鞍型的变化曲线。
三次变化的原因基本上可以认为是源于发达国家经济不景气[1]。
随着时间的推移和科学技术的不断的发展，机器人的发展也很迅速，从以前的功能单一的机器人（甚至可是说只是准机器人），到现在的应用广泛的机器人，机器人的概念已经变得不再那么的狭隘了。
现在的机器人更加的智能化，模块化了。
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[2]。
⑴工业机器人性能不断提高,而单机价格不断下降。
⑵机械结构向模块化、可重构化发展。
⑶工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展,便于标准化、网络化;这是目前研究的热点。
器件集成度提高,控制柜日见小巧,且采用模块化结构;大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。
⑷机器人中的多传感器系统日益重要。
⑸虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制。
⑹微型和微小机器人技术是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。
⑺当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统,而是致力于操作者与机器人的人机交互控制,即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统,使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。
⑻机械人化机械开始兴起。
现如今，机器人已经应用到了很多的领域了，比如，家庭，医疗，反恐，军事，科学探索等等。
1.3机器人的应用
人类对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史。
人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。
现在的机器人不仅仅局限于体力劳动，它们已经渗透到了人类生活的各个领域，也不仅仅局限于工业机器人，大量的家用机器人，商用机器人，医疗用机器人，科研用机器人，还有军用机器人也都加入了机器人的行列。
通常被普遍接受的是工业机器人、操纵机器人、智能机器人及特种机器人这种按机器人开发内容和目的的分类[3]。
图1是Scout无线智能侦查机器人，它配备有两个可握的爪手,可提供机器人一个或两个腕带式CMOS摄影镜头,结合了移动性和抓取及操控的新功能,Scout侦查机器人提供使用者广泛的应用弹性。
图1Scout 无线智能侦查机器人
图2是ABB大功率机器人系列开辟了全新的应用领域，该机器人有多种版本，最大承重能力高达650kg。
IRB7600适合用于各行业重载场合，大转矩、大惯性、刚性结构以及卓越的加速性能等优良特性使这款市场主导产品声誉日隆。
图2IRB7600 ABB机械手
图3脑外科机器人辅助系统是由北京航空航天大学、清华大学和海军总院共同研制开发的。
1997年5月用该机器人为病人实施了首例开颅手术,到2000年11月已为140多位病人实施了这种手术。
图3脑外科机器人辅助系统
1.4竞赛机器人的兴起和发展现状
1.4.1机器人竞赛的兴起
机器人的发展离不开竞争，不但是经济方面的竞争，技术方面也会有竞争，而机器人大赛则为不同的机器人研究机构和国家提供了相互竞争的平台。
这样不仅有利于技术的展示和交流，也有利于各国科学技术的互补，同时也为年轻人提供了展现自己能力的地方，能够吸引年轻一代对科技的兴趣。
机器人竞赛实际上是高技术的对抗赛，从一个侧面反映了一个国家信息与自动化领域基础研究和高技术发展的水平。
机器人竞赛使研究人员能够利用各种技术，获得更好的解决方案，从而又反过来促进各个领域的发展，这也正是开展机器人竞赛的深远意义，同时也是机器人竞赛的魅力所在。
目前，机器人足球比赛在各个国家都己经广泛开展。
在世界上比较有影响的赛要有两个[4]，一个是由国际机器人足球联合会（FIRA）[5]组织的微机器人世界irosot（MICRO-ROBOTWORLDCUPSOCCERTOURNAMENT）比赛，另一个是由国际智能协会组织的机器人世界杯比赛助ROBOCUP[6]（THEROBOTWORLDCUPSOCCERSANDCONFERENCES）。
足球机器人的概念是1992年由一加拿大教授（Alanmackworth）提出的[7]。
1993年，RoboCUP正式创办，1997年，首届RoboCUP正式在日本名古屋举行。
此后，这项比赛每年举办一次。
1996年，韩国先进科学技术研究院创立了FIRA，每年举办一次机器人足球比赛。
国际机器人奥林匹克竞nternationalRobotOlympiadcommittee，即IROC）是一个非赢利性的国际机器人组织，成立于1998年，总部设在韩国。
组织的连续性赛事"国际机器人奥林匹克竞赛"是一项科技与教育目的融合一体的亚太地区的竞赛，由IROC和乐高公司主办，目的是为了使更多青少年有更多机会参加国际间的科技交流活动、展示自己的才华和能力，激发他们对科技和机器人世界的不懈探索。
亚太机器人大赛也在亚洲和世界范围内有相当的影响力，亚太机器人大赛已经成功举办了六届。
这项赛事于2002年由“亚洲太平洋地区广播电视联盟”（ABU）倡导，每年举办一届，以选拔国内制作机器人的冠军队参加亚太区桂冠的争夺。
FLL（FIRSTLEGOLeague）机器人世锦赛于1998年由美国发明家DeanKamen创立的FIRST（ForInspirationandRecognitionofScienceandTechnology）机构和LEGO集团发起,目前参加该比赛的有10多个国家（英国、法国、德国、北欧5国家、新加坡、韩国、中国）及美国的46个州，是世界上影响最大的一项机器人比赛[8]。
除了这些国际性的大赛，各国国内都会举行机器人大赛，比如我国举行的中国机器人大赛暨RoboCup公开赛，CCTV-ROBOCON，青少年机器人大赛，全国机器人足球锦标赛。
各种形式的机器人大赛都显示了机器人的飞速发展和各国对机器人事业的重视，从机器人大赛的水平来看，各国的水平都在不断的提高，随着国家对机器人事业的重视，各国的机器人大赛的规模和质量都在蓬勃的发展。
机器人大赛也受到了大中小学生的热爱，这对提高一个国家的科技水平非常重要。
1.4.2竞赛机器人的发展现状
虽然机器人竞赛再各国都有举行，但是水平还是参差不齐。
传统的机器人强国在机器人竞赛方面的优势还是非常的明显的，美国，日本，德国等机器人强国的竞赛水平遥遥领先于一些后发展机器人的国家，我国和这些机器人强国相比，水平还是相对的落后。
机器人竞赛的举行，本来就是为了激发青少年对机器人，对科学技术的兴趣，在日本，英国等国家，孩子在很小的时候就接触机器人，他们对机器人有着浓厚的兴趣。
而在这种兴趣的引导下，很多孩子参加了机器人大赛，这很有利于机器人竞赛的良性的发展。
让人遗憾的是，在国内，对机器人有着浓厚兴趣的孩子不多，而且，家长对孩子的这种兴趣也是大多的不支持。
比如，在中国举行的机器人世界杯赛上，孩子的身影很少，这对中国的竞赛机器人以及机器人事业的发展不是一个有利的消息。
机器人竞赛的发展还是不够成熟，无论是国外还是国内，机器人竞赛都呈现出以下的一些不足之处：
⑴比赛规模还是不够大，从FIRA来看，虽然从第一届的10个国家参赛到最近的2002年也只有25个国家参与，由此可以看出机器人大赛确实在发展，只是规模还是不够大，很多小国或者说机器人还没有非常普及的国家没有参与进来。
⑵比赛项目还不是足够的完善，虽然从第一届只有微型机器人足球赛到现在的6个比赛系列，但是也有很多比赛系列还没有被列入参赛项目之中。
⑶比赛的影响力不够强，从每届机器人大赛的参赛国家来看，一些国家都从未参与，从侧面反应了机器人大赛的影响力还不够强。
对于机器人竞赛北京科技大学参赛队有以下几点感想，也许它是很多参赛队伍的感受[9]：
⑴校领导需高度重视，各职能部门、学院通力需合作，为参赛提供强有力的保障。
⑵一二课堂需紧密结合，实践教学与学生课外科技创新活动有机融合，才能极大激发了同学的浓厚兴趣。
⑶以机械、电子等专业为主体，吸收其他专业的学生，组成多专业、跨年级复合型团队。
⑷必须充分发挥具有工程项目经验的指导教师的作用，将工程项目的理念引入参赛备战过程中，提高实践性和可靠性。
⑸需加强参赛人员梯队建设，形成了连续、稳定、健康的机器人参赛团队文化。
1.5机器人教育
教育部2003年颁布的高中技术课程标准中,把“人工智能初步”和“简易机器人制作”设为技术领域的选修模块,意味着我国的人工智能和机器人教育在大众化、普及化层面上进入了一个新阶段。
然而,我国中小学人工智能与机器人教育刚刚起步,就广大一线教师而言,很多相关问题仍有待进一步研究和实践[10]。
⑴教育机器人及其角色定位
机器人是一种能够通过程序控制,自主完成某类任务的机器系统[11]。
教育机器人就是应用于教育领域的一类机器人，具有以下特点：
首先是教学适用性,符合教学使用的相关需求;其次是具有良好的性能价格比,特定的教学用户群决定了其价位不能过高;再次就是它的开放性和可扩展性,可以根据需要方便地增、减功能模块,进行自主创新[12]。
机器人教育最好的目的就是“寓教于乐”。
⑵机器人教育及其现状
所谓机器人教育,通常是指学习机器人的基本知识与基本技能,或利用教育机器人优化教育教学效果的理论与实践。
教育机器人作为教学内容进入中小学,无论国内还是国外,目前都处于起步阶段。
开展各种展示和竞赛活动是普及机器人教育的一个重要途径,机器人竞赛项目的内容、规则及评分办法等的创意设计都极富创造性和挑战性。
⑶机器人教育面临的问题
机器人教育的教学目标尚欠科学；缺乏科学规划与教学设计；教育机器人产品缺少规范；教育行政部门不够重视,缺少从教育视角进行的研究。
1.6课题来源
本课题来源于“机器人竞赛与机电系统创新设计建设平台”项目。
1.7小结
综述了机器人定义，机器人技术的发展，以及机器人技术的应用，并且对相关文献作了分析研究。
同时，对机器人竞赛以及教育机器人及其发展和存在的问题作了简要的论述，阐明了项目研究的目的的意义。
2竞赛机器人
2.1引言
竞赛机器人与其他的机器人的最大的区别就是竞赛的机器人要运行在一定的规则之下，竞赛机器人集趣味性、观赏性、科普性为一体，有利于促进科学技术的发展。
2.2机器人擂台赛的规则
这里所说的规则是基于机器人擂台赛的比赛规则[13]。
机器人武术擂台赛是2008中山机器人大赛的竞赛项目之一。
机器人在指定的擂台上，以模拟人类自由搏击赛的形式，双方机器人互相击打或者推挤，如果一方机器人整体离开擂台区域，则另一方获胜。
如果双方均未离开擂台，则在比赛时间结束后，距离擂台中央的擂主区域近的一方获胜。
⑴比赛场地（即擂台）大小为长2480mm，宽2480mm，高200mm，底色从外侧到内侧分别为100%、80%、50%、20%的灰度，中心区域为擂主区域，正红色；场地上有间隔为200mm、宽度为20mm的纯白色引导条，场地周围0.5米处有高400mm、厚15mm的方形白色围栏。
比赛开始后，白色围栏内不得有人活动。
场地示意图，如图4，图5所示。
图4场地立体示意图
图5场地平面示意图
⑵场地的材质为木质，场地表面最大承重能力100kg。
场地表面的材料为亚光PVC膜，各种颜色和线条用计算机彩色喷绘的形式产生。
参赛队可以从技术委员会指定的厂家购买场地表面材料.
⑶场地的照明与ROBOCUP类人组（KidSize）的竞赛要求相同：
赛场的照度为600Lux到1200Lux之间，场地上各区域的照度应柔和均匀，各区域照度差不超过300Lux.实际的比赛场地四角会架设各2座20W、色温4000~6000K的节能灯，光源高度为2米。
竞赛方式
⑴竞赛为团队比赛，每场比赛两队进行对抗。
每队参赛选手3人，男女不限，设场上队长一名，右手上臂需佩戴黄色或蓝色队长袖标。
非参赛队员不得进入场内。
每场比赛设裁判员一名，负责根据规则判断双方犯规、对规则进行合理的解释，并根据规则决定双方胜负。
⑵采用分组小组赛+单循环淘汰赛方式，小组赛每组4支队伍，单循环比赛后根据积分前两名出线进入淘汰赛。
⑶本项目竞赛开始前，裁判长召集各队伍的领队或队长进行分组抽签，确定对阵形势。
⑷竞赛开始前，裁判长需组织各参赛队队长或者领队参与分组抽签，进行分组小组赛。
⑸每场比赛分为3局，每局比赛中双方机器人进行为期2分钟的对抗竞赛。
每场比赛获得2局胜利的队伍即获得本场比赛的胜利（三局两胜制）。
⑹裁判员以口哨形式发出比赛开始和结束的指令。
双方参赛队在听到比赛开始指令后应该通过教练计算机启动机器人，或者手动启动机器人；在听到比赛结束指令后应该通过教练计算机停止机器人或者手动停止机器人。
鼓励通过教练计算机启动或停止机器人。
⑺双方机器人均启动后，参赛队员应该立刻离开围栏以内区域。
⑻比赛开始前，双方参赛机器人应该位于比赛场地上各自的出发区（图4上蓝色和黄色区域，尺寸为400x400mm。
注意实际场地上并非蓝色或黄色）。
⑼每局比赛后休息5分钟，此时间内参赛队可以进入场地内维修、更换机器人，或者给机器人充电。
⑽参赛队长可以向裁判员宣布弃权。
⑾每场比赛不得超过3局，包括休息时间共计不得超过20分钟。
⑿超过休息时间仍不能上场比赛的队伍，裁判员应通知该队队长；接到通知后后仍不上场比赛的，应视作本局弃权处理，对方直接获得本局胜利。
⒀每支参赛队最多可以使用4台机器人上场比赛，每场比赛中，每局都可以使用不同的机器人进行比赛。
但是每局比赛开始后即不允许替换机器人。
⒁在比赛过程中，一方的机器人故障、起火或者其它裁判员认为可能有危险的行为的，裁判员可以宣布中止本局比赛，并判本局比赛对方获胜。
计分和胜负判定
⑴在本规则2.3节描述的擂台上，双方机器人可以互相击打或者推挤，直到一方机器人离开擂台区域或者机器人的任意部分接触擂台外区域（接触到擂台与围栏之间的地面），则另一方获胜，本局比赛结束。
⑵如果双方同时离开擂台区域且裁判员无法判别哪一方先离开擂台区域，则双方计为平局。
⑶如果比赛时间结束后双方均未离开擂台，则机器人距离擂台中央的擂主区域近的一方获胜。
该判断以机器人离擂主区域中央最近的直线距离为准。
双方机器人与擂主区域中央的距离差距在20mm以内的，裁判员应宣布本局比赛为平局。
⑷在一场比赛的三局中，获得两局胜利的队伍即获得本场比赛胜利。
⑸在一场比赛中，双方各胜一场、各平一场的，按平局计分。
⑹在一场比赛中，如果参赛双方均无法进行比赛，或参赛双方各胜一局后双方均无法进行比赛的，按平局计分。
⑺在小组赛中，胜一场得3分，平一场得1分，负一场得0分。
积分相同的，以双方之间比赛的战绩决定双方名次。
⑻出现有参赛队弃权、被裁判员直接判负、被裁判员取消本场比赛资格的，参赛的另一方获胜。
⑼淘汰赛中出现平局的，本场参赛的各个机器人总质量之和较小的一方获胜。
2.3机器人擂台赛用机器人平台
基于北京博创兴盛机器人技术有限公司的“创意之星”模块，我们搭建了机器人擂台赛用机器人平台。
2.3.1机械结构件
a.结构部件
机器人套件提供了400多个结构部件，其中包括以下几大类：
⑴I型结构件,共有4种、40个，都是白色，聚碳酸酯（PC）材质。
“I5”如图6所示：
图6I型结构件
⑵L型结构件，字母L形状，共有6种，54个，都是白色，聚碳酸酯（PC）材质。
“L3-1”如图7所示：
图7L型结构件
⑶U型结构件，共有7种，70个，都是橙色，聚碳酸酯（PC）材质，结构特点是字母“U”状。
“U2-3-2”如图8所示。
图8U型结构件
⑷V型结构件，共有2种，20个。
白色，聚碳酸酯（PC）材质，结构特点是字母“V”状。
“V2-2”如图9所示：
图9V型结构件
⑸舵机支撑构件，共有2种，20个。
白色，聚碳酸酯（PC）材质，结构特点是字母“V”状，具有多个标准孔。
如图10所示：
图10V型结构件
b.基本构型A：
舵机动力关节
创意之星套件中最常用的基本构型是一个可以自由控制转动角度，并锁定在给定角度的
动力关节，使用舵机作为动力，因此此处称为舵机动力关节。
共有两种，第一种如图11所示：
图11舵机动力关节
该关节由两部分组成：
舵机+安装架，以及联结舵机的转动关节。
如下图12所示：
图12舵机动力关节
该关节的装配视图如图13所示，其中的零件清单：
图13该关节的装配视图
c.基本构型B：
另一种舵机动力关节
另一种舵机关节，与前一种唯一的区别是舵机使用了不同的安装板，一个连接位置在侧面，另一个安装位置在舵机的两端。
如下图14所示：
图14另一种舵机动力关节
这两种关节由于舵机上连接位置不一样，因此有不同的用途。
d.基本构型C：
直流电机总成
“创意之星”机器人套件中配备了多个直流电机，用于驱动轮子、万向轮等部件，也可用于驱动杆件等。
下图是一个直流电机总成的装配示意图15所示。
图15直流电机总成的装配示意图
该总成装配完成后即可通过零件1连接到创意之星的其它结构上去。
完成的实物照片如下图16所示。
图16实物照片
e.基本构型D：
可转向的轮子总成
组合构型A和C，即可得到构型D（如图17所示）：
一个带有转向装置的轮子总成。
这个总成有两个自由度：
首先轮子可以旋转、调速；其次整个机构可以转动到指定的角度。
图17可转向的轮子总成
由于构型A这里不再对构型D作详细的装配介绍。
f.基本构型E：
机械爪（如图18所示）
图18机械爪
g.基本构型F：
从动轮
有时候我们不仅需要电机驱动的轮子，也需要不带动力的从动轮。
例如：
蛇形机器人要
顺畅地游动，需要在每个关节加装从动轮；组装三轮小车，也需要两个差动的驱动轮和1
个可以旋转的从动轮。
下面以蛇形机器人的从动轮为例，介绍从动轮的组装。
装配好的从动轮和基本构型A，如图19所示。
图19从动轮
h.基本构型H：
传感器的安装（如图20所示）
图20传感器的安装
2.3.2创意之星套件的组成：
控制系统
a.MultiFLEX控制卡
“创意之星”核心部件就是MultiFLEX控制卡，下面介绍控制卡的使用及工作原理。
MultiFLEX控制器的外观、功能和接口如下图21所示：
图21MultiFLEX控制器
MultiFLEX控制卡在出厂时已经内置了程序固件，通电就可以工作。
其工作流程图如下图22所示。
图22工作流程图
b.伺服电机（舵机）
“创意之星”套件（标准版）提供了8个舵机，型号是SolidMOTIONCDS5401。
实物如下图23所示。
图23伺服电机（舵机）
c.直流有刷电机
“创意之星”套件配备了4个带行星齿轮减速器的直流有刷电机。
实物如下图24所示。
图24直流有刷电机
d.光电开关传感器（如图25所示）
“创意之星”机器人套件提供了若干个光电开关，可以作为障碍物检测和机器人位姿检测的传感器，其输出信号为数字信号。
图25光电开关传感器
e.碰撞传感器（如图26所示）
碰撞传感器本质上是一个按钮及其外围的电路，其输出信号为数字信号。
当按钮按下时，信号输出端输出低电平；按钮被释放时，信号输出高电平。
图26碰撞传感器
f.光强传感器（如图27所示）
光强传感器的主要作用是对可见光波长的光照强度（专业术语即“照度”）敏感。
其核心元件是一只对可见光敏感的光敏电阻，其输出信号为与光强成正比的模拟电压信号。
图27光强传感器
g.声强传感器（如图28所示）
声强传感器可以用来测量声音的强度，即声强级别。
“创意之星”套件采用的声强传感器的换能器是一个驻极体电容式麦克风。
通过外围的放大、滤波电路处理，其敏感频率为1~2KHz，人说话、拍手等声音，大致都属于其敏感范围之内。
图28声强传感器
h.LED灯（如图29所示）
LED灯可以理解为是一个大型的发光二级管，其为（VCC/GND）二线制接口，TTL电平。
可以连接到MultiFLEX控制卡的数字量输入通道。
把该通道配置为“输出模式”即可。
图29LED灯
i.电池和直流电源
“创意之星”套件全系列都配备了输出能力为DC5V/5A的交流适配器为套件的电子部分提供电源。
在标准套件和高级套件中，还提供可容量为4.8V/2300mAh的镍氢电池组及充电器。
交流适配器的使用很简单，把交流插头插入房间里的220V交流电源插座就可以了。
交流适配器没有开关，插上就通电。
注意：
⑴交流适配器的输入电压为200~2
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