基于诺宝RC环境下的机器人走简单轨迹
李发成
摘要：机器人走轨迹是诺宝RC的最基本应用之一，也是机器人常规比赛项目之一，走轨迹包含了程序设计的三种基本结构,能充分体现程序设计的基本思想和方法，有助于学生对程序设计思想和方法的理解。
本文研究的主要内容是机器人走简单轨迹，按机器人行走的的方式分类有“沿边法”和“靠中法”；按程序结构的分类有“单分支对称结构”、“二重分支对称结构”和“三重分支非对称结构”。
本文通过对二种行走方式和三种程序结构的研究和对比，揭示它们之间的内在联系，通过实验分析，归纳程序与参数组合搭配对机器人行走速度和稳定性的影响。
关键词：机器人，走轨迹，轨迹识别传感器，轨迹变量，沿边法，靠中法
机器人走轨迹看似简单，但深究起来还是比较复杂的，还别说含直锐角转弯、缺口、终点标志、色带瑕疵、障碍、传感源、宽窄不一等复杂的场地，就算对于简单轨迹还是有许多情况需要讨论的。本文讨论的目的是通过研究各种程序和参数的变化，对走轨迹进行定性和定量的分析和研究，总结出程序和参数的组合优劣，使机器人行走的路径尽量的短、速度尽量的快、稳定性尽量的高。
第一章基础知识
一、走轨迹与轨迹变量
1、机器人走轨迹的概念：机器人走轨迹是指机器人在色带上行走，有时可能会临时偏离色带，但必需能再次寻找到色带，如下图1：
（图1）
2、轨迹变量：机器人通过“轨迹识别传感器”获取轨迹变量的值，轨迹变量的值有0、2、
3、1四个，这四个值与机器人和色带的相对位置对应关系如下图2。
（左0）（ 2 ）（ 3 ）（ 1 ）（右0）
（图2）
?当轨迹传感器的两个探测头都没有落在色带上时，轨迹变量＝＝0。
?当右探测头落在色带上而左探测头不在色带上时，轨迹变量＝＝2。
?当轨迹传感器的两个探测头都落在色带上时，轨迹变量＝＝3。
?当左探测头落在色带上而右探测头不在色带上时，轨迹变量＝＝1。
无论机器人走轨迹程序的思路如何，都是依据上面图形和数值的对应关系来设计的。
二、有关说明和准备工作
（一）有关说明
1、为了实验方便和节省成本，本文所讨论的内容大部分是指在诺宝RC10.1的“仿真”界面下，除非在仿真界面下不能实现时，才在“实物器材环境”下。
2、“色带”与“轨迹”的概念：本文章中说到的“色带”是指给机器人预定的“跑道”，“轨迹”有时是指“色带”，又时是指机器人运动后留下的真实轨迹，程序设计的意图是让机器人的轨迹落在色带上，但实际情况往往并非时时如此，如图1。
3、轨迹识别传感器的位置：仿真界面中机器人前面的两个小黑点并不是轨迹传感器的左右两个探测器，而是“输出模块”中的“发光灯”。轨迹识别传感器的两个探测器应该是在机器人头部中间的地方，且离的很近，仿真机器人没有标示出来，但从实际行走过程可以观察出来。虽然如此，但为了能直观的说明机器人位置与轨迹变量的关系，本文中“错误”地把这两个黑点当成传感器的两个探测头，可能会更好理解一些。
4、“左0”与“右0”的概念：“轨迹变量＝＝0”时，是需要讨论的，它是一个比较复杂的值，程序的优劣之一是看对0的处理，在简单轨迹中会遇到0，在复杂轨迹中更会遇到。为了对0有更好的理解和掌握，本文引入“左0”和“右0”的概念，无论那一种轨迹程序，都必须遵循“左0右转”、“右0左转”的原则。
5、区域：本文有时会按轨迹变量的值来称呼色带区域，从左到右，把色带划分为以下区域：左0区、2区、3区、1区、右0区，所谓k区域，是指轨迹变量等于k 的色带区域，其中0≤k≤3,k∈Z。
6、本论文中速度的概念包含:
（1）单独电机自身的转速；
（2）左右电机的相对模糊速度，比如“左快右慢”、“左慢右快”等用语；
（3）机器人的整体速度。
为了不引起混淆，以下把电机自身的转速说成“马力”。
7、假设轨迹的有效（因为轨迹不全是规则且直的）宽度为Width，机器人轨迹识别传感器的两只探测头扫描不是一个点而是有一个范围，假设这个范围的最小距离
是Distance
min ，则只有当Distance
min
＜＝Width时，才可能两个探测器“同时”探测
到色带。
对于窄色带，即色带宽度＜轨迹传感器左右探测头的距离的色带，比如在一条宽度为0.5cm的简单轨迹线上，从左向右连续移动机器人，则“轨迹变量”的值变化如下：
（左0 ）（ 2 ）（中0 ）（ 1 ）（右0 ）
（图3）
轨迹传感器的两个探头，不妨称之为两只“眼睛”，其曈距为1.2CM，大眼角距为0.8CM。在实际比赛中，简单轨迹的色带宽度一般为2CM左右，在仿真界面中，色带的最小宽度也只能设置为2CM，如果您非要设置更小的宽度比如1CM时，会提醒“宽度应大于等于2”。然而诺宝RC10.1的实际情况是，当提醒你“宽度应大于等于2”后您点取消，也确实能设为1！（试试就知道）。
8、特宽大轨迹：色带宽度>>轨迹传感器左右探测头的距离(远远大于)，这在实际比赛中是不太多见，这样做的目的是放大色带，便于观察。为了更明显地突出说明几种程序下机器人的运动规律，揭示轨迹变量与机器人位置的本质，本节课所使用的轨迹宽度均为40CM的色带，实际比赛中不会这么宽，这儿虽有点夸张，但通过放大运动过程更易于对运动过程的理解。
9、复杂轨迹：
（1）纯轨迹：含直角转弯、锐角转弯、缺口、终点标志、色带瑕疵等复杂的场地。
（2）非纯轨迹：含障碍、传感源、终点标志等。
（二）准备工作
1、色带制作：在同一程序和参数组合下，在不同的色带上行走，其结果是不同的，所以本文中所涉及到的程序在其它稍有变化的色带上行走是有区别的。上面色带是由上、下、左、右四条色带拼接而成，某些数值之所以用到小数，是考虑到色带边沿对接合缝问题。本文把用到的色带参数说明如下：
2、使机器人留下轨迹：在对行走稳定性研究时，在程序的头部增加“画笔”模块且使其“落下”，记录下机器人沿色带行走时的实际轨迹，可分析不同程序、同一程序不同参数对实际行走轨迹曲线的影响。
3、终点标志和机器人停止：为使机器人能停止下来，在色带上增加一个矩形障碍物，被障碍物挡住后，机器人不能前进了，好象是停止下来了，但实际上并没有停止下来，电机还在旋转，从下面的“转角显示”可以看出转角还在不断地变化。为了能使机器人真正停止下来，增加终点判断功能，把永久循环改为条件循环，使用接近传感器或者红外避障传感器，使机器人真的能停止下来。
4、时间显示：增加“时间检测”、“LED显示”模块，，就能在仿真界面屏幕下方的“LED显示”中显示机器人行走的时间，可分析程序的快慢优劣。虽然在屏幕下方也有一个“时间（秒）”，也是显示时间，但它显示的不是机器人行走的时间，而是程序运行的时间，机器人停止后，程序还在运行，这个时间还在一直的走，只有按了
中的“停止”按钮后，时间才会停止，但是马上就归了“0”，无法看到时间，再说了，手工按停止按钮是有时间差的。
第2章机器人行走的方式
按机器人的行走路线，机器人走轨迹的方式大致有以下两种：
一、沿边法：设轨迹变量的5种(左0和右0不同)取值从左到右分别是“右0”、
2、3、1、“右0”设其对应一个数组a[0]、a[1]、a[2]、a[3]、a[4]，（说明，其实4≡0 mod(3)）。对于a[i]和a[i+1]，｛i|0≤i≤3,i∈N},当“轨迹变量= =a[i]”时，机器人向右调整，左快右慢，当“轨迹变量= =a[i＋1]”时，机器人向左调整，左慢右快。除初始状态外，在机器人行走比较稳定的情况下，只让轨迹变量在相邻两个值a[i]和a[i+1]之间变化，如｛左0,2｝｛2，3｝｛3，1｝｛1，右0｝,这时机器人的轨迹是沿色带的边沿行走，轨迹变量的变化与轨迹位置关系如下表：
四条轨迹线如下图：
（图5）
（二）靠中法：如果“轨迹变量＝＝2”，说明机器人偏左了，就需要向右调整到色带上，使“轨迹变量＝＝3”；如果；如果“轨迹变量＝＝1”，说明机器人偏右了，就需要向左调整到色带上，使“轨迹变量＝＝3”；如果“轨迹变量＝＝0”，说明机器人脱线了，两个探测头都检测不到色带，这时机器人有可能在色带的左侧，称为“左0”区域，也可能是在色带右侧，称为“右0”区域，当不能具体确定机器人的位置时，就要分情况讨论，让机器人“螺旋式”行走以扩大搜索范围来寻找色带，寻找到色带后还存在一个方向问题，不然可能会走回头路。详细如下表：
以上的想法是“对”的，如果“轨迹变量＝＝2”，说明偏左了，就向右调整；如果“轨迹变量＝＝1”，说明偏右了，就向左调整；如果“轨迹变量＝＝3”，说明没有偏，就直走。这只是编程人的一厢情愿，别说实际，就连理论上也不是这么回事。机器人的状态无论是由“2”还是由“1”变化为“3”的瞬间，它的中心轴线和色带在该点的切线都有一定的夹角α，而沿这个夹角进入“3”后，机器人所谓的“走直线”其实是在走斜线，要使机器人能真正走“直线”，就得使机器人进入“3”状态后旋转
一个角度α，使机器人先“调正”，但诺宝程序没有这样一个计算角度α的功能，所以只能任由机器人一会儿左，一会儿右，一会儿沿边，一会儿靠中间来来回回的变道，轨迹曲线相当不稳定，如图1。
第3章程序设计
机器人走轨迹的程序其分支结构是一棵树，一棵完全二叉树，其中单分支对称结构和二重分支对称结构是满二叉树结构，树根、树枝为条件判断，动作发生在树叶。
第1节单分支对称结构
单分支对称结构是指条件判断的两侧是对称的，左右都是一个“高速电机”，该结构走轨迹具有一定的稳定性和用时少（如走跑道内侧）的特点；并且对单分支结构编程的分析更有助于学生对轨迹变量的深入理解，单分支对称结构如下图6：
（图6）
在单分支对称结构程序中，“条件表达式”可以有多种形式，分为“变量对称型”和“变量非对称型”。所谓“变量对称”是指轨迹变量0，2，3，1四个值均匀地分布在选择支的两边，一边两个；“变量非对称型”是指轨迹变量的四个值不均匀地分布在选择支的两边，一边一个，一边三个。这由条件表达式的形式来决定，具体的形式有如下类型：“轨迹变量= =n”型、“轨迹变量>=n”型、“轨迹变量<=m”型；“轨迹变量==n||轨迹变量==m”型等，下面分别进行讨论。
1.1变量非对称型
轨迹变量不对称地分布在选择支的两边，一边一个值，一边三个值，下面按“条件判断”中的“条件表达式”的类型来进行讨论。
一、“轨迹变量==0”
程序如图7，“轨迹变量==0”时，左右电机的速度举例取为10和5，左快右慢，机器人向右侧调整；“轨迹变量！=0”时，左右电机的速度举例取为5和10，左慢右快，机器人向左侧调整；这时如果机器人起始位置在0区域，则右转，在2，3，1区域则左转，如图8，其中放置在“右0”时往右转会脱离色带。在“左0”和“2”区域，左探测器永久落在色带之外，检测不到色带，右探测器一会儿能检测到色带，一会儿检测不到色带，相当于“右眼”看不到色带就右转，“右眼”能看到色带就左转，所以机器人的轨迹落在色带左边沿左侧色带之外，程序片断如图7。
（图7） （图8） 机器人过了起始区直到行走稳定后，轨迹变量只在“左0”和“2”之间变化，机器人沿色带左边沿左侧行走，紧贴色带左边沿且沿外侧。这里左右电机的马力可适当选择，如｛10，0｝、｛10，1｝、……、{1，0}共5510
1=∑=i i 种可能，这还只是对一支
的可能性讨论，“是”和“否”分支完全可以不对称，比如“是”分支取｛10，5｝时，“否”分支可以取别的值，如｛4,9｝，这样组合起来可能性会更多。不一定每一种组合都能使机器人沿色带行走，某些组合可能会使机器人脱离色带，这也与色带的形状有关。
（二）“是”分支“左慢右快”，“否”分支“左快右慢”
程序片断如图9，和上面情况一样，只是改变了左右电机的相对速度，“是”分支改为“左慢右快”，“否”分支改为“左快右慢”。在“0”区域时机器人左转，在“非0”区域时机器人右转，此时只要不把机器人放在色带“左0”区域，机器人都能寻找到色带右边沿右侧，然后稳定行走。在稳定行走后，轨迹变量只在1和0之间变化，不是1不是0，不是0就是1，是0的时候左转使其变为1，是1的时候右转使其变为0，如图10。
（图9） （图10） 二、“轨迹变量==2”
只有在2时右转，其它均左转，如果左转的幅度比较大，则在区域3，1，右0时会从左边沿走出去，所以“否”分支的电机马力应该设置差距小一些，或者“是”分支的左右电机马力差距设置大一些，如图11和图12，详细说明省略。
（图11）（图12）
（二）“是”分支“左慢右快”，“否”分支“左快右慢”
（图13）（图14）只有在轨迹变量＝＝2时才左转，其它情况都是右转，所以机器人的起始位置放置在｛3，1，0｝区域时都会右转脱线，只有起始位置在｛左0,2｝时，机器人才能正常行走在色带左边沿左侧，如图13和图14。
同理，可讨论“轨迹变量==3”和“轨迹变量==1”时的情况，方法相同，不在赘述。
1.2变量对称型
条件判断左边“是”分支取两个值，条件判断右边“否”分支取两个值，左右取值对称，各取2个值，比如｛2,3｝和｛1，0｝。
一、“轨迹变量>=2”
“轨迹变量>=2”，也即“是”分支的轨迹变量取到2和3，“否”分支取到1和0。
（一）“是”分支“左快右慢”，“否”分支“左慢右快”
机器人初始放置在｛2，3｝区域时，左快右慢，向右转寻找到色带右边沿左侧；初始放置在｛1，右0｝区域时向左转寻找到色带右边沿左侧，稳定后沿右边沿左侧行走，初始放在“左0”时向左转脱线，程序片断如图15，初始状态如图16。
（图15）（图16）
（二）“是”分支“左慢右快”，“否”分支“左快右慢”
机器人起始放置放置在2或3区域时，左慢右快左转，放置在1和0区域时左快右慢右转，所以放置在1和右0区域时右转会脱轨，放在左0,2，3区域时都能够寻找到色带左边沿左侧正常行走，当机器人行走稳定后，轨迹变量只在左0和2两个值之间变化，如下图：
（图17）（图18）
“轨迹变量<=1”等同于“轨迹变量>=2”，这里省略。
二、“轨迹变量==0||轨迹变量==2”
（一）“是”分支“左快右慢”，“否”分支“左慢右快”
机器人放在“左0”，“2”，“3”，“1”区域，都能找到色带的左边沿右侧，只有放在“右0”处时，机器人会往右转而脱离色带。机器人在“左0”和“2”区域时右转，在非“左0，2”区域即｛3,1｝区域时左转，当行走稳定后，轨迹变量只在2,3之间变化，右“眼睛”始终能看到色带，左“眼睛”一会儿能看到，一会儿看不到，能看到时就左转，看不到时就右转，轨迹在色带左边沿右侧色带之内，如下图：
（图19）（图20）
（二）“是”分支“左慢右快”，“否”分支“左快右慢”
机器人起始放置在“左0”和“2”区域时向左调整而脱离色带，放在“3”和“1”区域时，向右调整寻找色带右边沿右侧，放在“右0”会往左调整寻找到色带右边沿右侧，机器人稳定后沿色带右边沿右侧行走，如下图：
（图21） （图22） “轨迹变量==3||轨迹变量==1” 等同于“轨迹变量==0||轨迹变量==2”，不在赘述。其它不按从左到右｛左0，2，3，1，右0｝顺序的数据交叉情况可类似探讨，这里省略。
第2节 参数变化对轨迹的影响
在编程环境中，同时设计两个以上的相同主程序，然后只修改其中一个参数，使其不同，然后在仿真环境中观察它们的行走情况进行对比。
一、电机马力不同对轨迹的影响：
实验1 对如图6结构的程序，在编程环境中，另外新建3个主程序，复制各模块到新建的主程序中。只修改它们的电机马力如下表，其它不变，这时的四个程序都是单分支对称结构，轨迹变量＝＝0，“是”分支“左快右慢”，只有电机马力不同，请按实验结果填写下表：
小结：在高速＝10的时候，低速＞＝8，就会脱轨。0＜＝低速＜＝5轨迹会比
较严格意义上按色带边沿。
二、交换“是”和“否”分支电机速度后对轨迹的影响：
实验2 打开程序1，在编辑环境中，另外新建一个主程序，复制各模块到新建主程序中，只把“左快右慢”、“左慢右快”交换一下，其它不变，请按实验结果填写下表：
迹不同。
三、条件表达式不同对轨迹的影响：
实验3在编程界面中，编辑4个主程序，单分支对称结构，“是”分支“左快右慢”，电机速度（10，5），按实验结果填写下表：
小结：无论哪种情况，机器人都能沿色带色带行走，只是轨迹不同。
也可以同时改变二个以上的程序参数，观察机器人行走轨迹。
从上可以看出，无论参数如何变化，除脱线和不稳定的情况外，机器人都是沿色带边沿行走，其轨迹线有4条，从内到外轨迹线对应的轨迹变量值分别是{左0，2}，{2，3 }，{3，1 }，{1，右0 }。
第3节二重分支对称结构
二重分支对称结构如下图23：
（图23）
有一个一级“条件判断”和二个二级“条件判断”，左右对称，其形状是一棵满二叉树结构。二重分支对称结构可以按“沿边法”也可以“靠中法”行走，其中“沿边法”可以沿一边，也可以沿两边。
一、沿边法
1、沿一边
比如要让机器人沿色带左边沿左侧行走，如下图：
（图24）
无论机器人初始位置放置在“左0”,2，3，1何处，机器人都能寻找到色带左边沿左侧，然后稳定行进。只有在“0”时右转，其它情况都是左转，其中“左0”时右转能寻找到色带，“右0”时右转会脱离色带，程序如下：
（图25）
为了使机器人在“3”和“1”转向“左0”时，曲线的曲率更小一些，可更改“3”和“1”时左电机的马力为9，程序如下：
（图26）
轨迹曲线如下：
（图27）
如果要沿色带左边沿右侧行走,则在“左0”和“2”的时候右转，在“3”和“1”的时候左转。
2、沿二边
机器人在稳定后行走当然只能是沿一边，这里说的沿二边是指沿那个边由机器人的起始位置决定，起始放那边，就沿那个边行走，程序如下图28.
（图28）
由左到右，四个分支对应的轨迹变量分别是左0、2、3、1，如果机器人起始放置在｛左0，2｝区域，则机器人沿左边沿左侧行走，如果机器人起始放置在｛3,1｝区域，则机器人沿色带右边沿左侧行走，起始放置在“右0”区域时右转脱线。
（图29）
如果想让机器人沿左或右边沿右侧行走，只要改动条件表达式如下即可，如下图：
（图30）
上图中轨迹变量从左到右分别对应2,3，1，右0，轨迹变量只在｛2,3｝或者｛1，右0｝之间变化，左0时左转会脱线，轨迹曲线如下图：
（图31）
其它情况同理，这里省略。
二、靠中法
靠中法的基本思路是：如果“轨迹变量＝＝2”，说明偏左了，就向右调整；如果“轨迹变量＝＝1”，说明偏右了，就向左调整；如果“轨迹变量＝＝3”，说明没有偏，就直走。
（图32）
轨迹曲线如图1。其它情况如｛左0，2,3，1｝的研究方法同上，不再赘述。
第4节三重分支非对称结构
三重分支非对称结构如下图：
（图33）
它即可以按“边沿法”行走，也可以按“靠中法”行走。“二重分支对称结构”和“三重分支非对称结构”是“异构同原理”程序，只是形式不同，功能和原理一样。下面各只举一例加以说明，其它情况同理研究，不在赘述。
一、沿边法――沿一边
假如我们想要机器人逆时针沿色带最内则行走，即沿色带左边沿左侧（轨迹落在色带外），这时轨迹变量只在｛左0，2｝之间变化，左0时右转，2时左转，其它3,1时左转寻找色带，右0时右转脱离色带，程序如下：
（图34）
轨迹如下：
（图35）
二、沿边法――沿二边
假如我们想让机器人沿色带左边沿右侧或者右边沿右侧行走，即轨迹变量在｛2，3｝或者｛1，右0｝之间变化。则程序如下：
（图36）
轨迹如下：
（图37）
如果机器人起始放在｛2,3｝区域，则沿左边沿右侧，如果机器人起始放置在｛1，右0｝处，则沿右边沿右侧，如果起始放在左0，则脱线。
靠中法同理可以研究，这里省略。
第四章定量分析与实际比赛
第1节定量分析
以上只是定性的分析了各程序和参数组合的优劣，为了参加比赛，还是要看速度的，以下定量的分析那种程序用时最短，具体做法如下：
1、在色带上增加一个矩形障碍物，作为终点停止标志。
2、把永久循环改为条件循环，使机器人遇到障碍物后能够停止。事实上，如果不在
程序中让机器人停止，机器人遇到障碍物时也会被停止，但这两种停止是不一样
的！程序让它停止下来后，它是真停止了，机器人不动了，时间也不动了。而被障碍停止后，机器人事实上还在动，马达还在转，时间还在走。
3、增加时间检测模块。虽然在仿真界面下方有，但是当机器人停
下来时，它也快速恢复为0，来不及看清楚。
4、增加LED显示。这个模块可以加在循环体内，也可以加在循环体外，如果是加在
循环体内，则LED时间在不断变化，直到停止；如果是加在循环体外，则只是在循环结束后才显示时间。
程序如下图：
（图38）
第2节实际比赛
实际比赛有机器人走简单轨迹、机器人走复杂轨迹、机器人接力、机器人搜救等。以下仅举机器人接力的例子。
在同一编程界面编制2个主程序，左边为接力的第一棒0号机器人，右边为接力的第二棒1号机器人。当0号机器人走轨迹时，1号机器人在原地等待，当0号转一圈回来遇到1号后，0号停止，1号启动开始行走；1号走一圈返回后遇到0号然后停止，如下图：
（图39）
两个机器人都通过“红外避障传感器”来进行“接力”，0号机器人用前面的“红外避障变量1”来检测，若前面遇到了机器人1号，则停止下来。1号机器人用后面的“红外避障变量4”来检测，若后面有机器人0号到来则启动行走，同时用前面的“红外避障变量1”检测前面，若遇到前面已经停止在跑道上的0号机器人，则停止下来，程序如下图。
（图40）
参考文献
[1]班国春等.信息技术七年级下.深圳:海天出版社，2010－01。
作者单位：深圳市盐田区盐港中学
一．简介 (3) 二. 发展历史 (3) 三．体系结构 (6) 四．仿生机器人的国内外研究现状 (9) 4.1水下仿生机器人 (10) 4.2空中仿生机器人 (10) 4.3地面仿生机器人 (11) 4.4仿人机器人 (11) 五．仿真机器人的发展趋势及技术 (12) 5.1机器人机构技术 (12) 5.2机器人控制技术 (12) 5.3数字伺服驱动技术 (13) 5.4多传感系统技术 (13) 5.5仿真机器人应用技术 (13) 5.6仿真机器人网络化、灵巧化和智能化技术 (13) 六．参考文献 (13)
一．简介 简单来说，仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人系统。从本质上来讲,所谓“仿生机器人”就是指利用各种机、电、液、光等各种无机元器件和有机功能体相配合所组建起来的在运动机理和行为方式、感知模式和信息处理、控制协调和计算推理、能量代谢和材料结构等多方面具有高级生命形态特征从而可以在未知的非结构化环境下精确地、灵活地、可靠地、高效地完成各种复杂任务的机器人系统.（摘自《仿生机器人的研究》许宏岩,付宜利,王树国,刘建国著） 二．发展历程 器人技术作为一门新兴学科，在工业飞速发展的今天扮演着非常重要的作用，而其发展与机械电子、机电一体化、控制原理等多学科的发展息息相关。仿生机器人作为机器人领域的一大分支，可以说是本世纪一个不可忽视的领域，也将是机器人日后发展的大方向。 仿生学是20世纪60年代出现的一门综合性边缘学科, 它由生命科学与工程技术科学相互渗透、相互结合而成。它在精密雷达、水中声纳、导弹制导等许多应用领域中都功不可没。仿生学将有关生物学原理应用到对工程系统的研究与设计中, 尤其对当今日益发展的机器人科学起到了巨大的推动作用。当代机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业中走出来, 向航空航天、星际探索、军事侦察攻击、水下地下管道、疾病检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展. 未来的机器人将在人类不能或难以到达的已知或未知环
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系统配置要求 操作系统:win98,win2000全系列,winXp,win2003 server 运行环境:.Net Framework v2.0,DirectX 9.0c 最低硬件配置： 2.0GHz以上主频的CPU,512M内存,64M显存以上的3D显卡.支持1024×768分辨率,16bit颜色的监视器，声卡 推荐配置： 3.0G以上主频的CPU,1G内存,128M显存的3D显卡，支持1024×768分辨率,16bit 颜色监视器，声卡
第9节仿真坏境下的机器人 目前有很多教学用机器人都开发了虚拟环境，在电脑中就可以模拟机器人的活动情况，并且和真的机罪人发生的动作几乎一样。 我的问题 1．我们要学习的虚拟环境是什么? 2．如何在仿真环境下让机器人运动? 3．我们可以让机器人做什么? 活动建议 1．熟悉VJCl．5仿真环境的主程序窗口和仿真窗口。 2．在仿真环境下通过程序控制机器人直行与转向。 3．掌握直行模块与转向模块中的速度与时间的关系。 4．利用“直行模块”与“转向模块”，让机器人在仿真环境下画一些简单的图形。 操作指南 一、认识VJCl．5仿真环境 下面让我们来认识一下VJCl．5仿真环境，井在仿真环境下调用“走六边形．flw”的程序，让机器人走“六边形”。 1．启动VJCI．5仿真软件 执行“开始’一“程序”、“VJCl．5仿真版”一“VJCl．5仿真版”命令。 2．认识主程序窗口（如图2—6所示)
’，·．·： (1)打开“走六边形”程序。 执行“文件”- “打开”命令，找到VJCl．5仿真版，安装目录下的“例程”文件夹中的“走六边形．nw”文件。这时我们就可以看到走六边形的程序了(如图2—7所示)。
(2)进入仿真环境。 执行“工具”呻“仿真当前程序”命令，或者单击工具栏中的“仿真”按钮B，进入仿真环境(如图2-8所示).
(3)仿真运行。 单击仿真窗口界面左下角的“运行”按钮后会出现仿真机器人(如图2-9所示)，用鼠标拖动机器人到运行显示区相应位置后单击鼠标左键，机器人就开始运行了(如图2-10所示)。
(4)返回主程序窗口。 单击仿真窗口左上角的“退出”按铆p可回到主程序窗口。 二、机器人画正方形 1.机器人直行 (1)在主程序窗口单击“执行器模块库”中的“直行”模块(如图2—11(a)所示)。
工业机器人的轨迹规划和控制 S. R. Munasinghe and Masatoshi Nakamura 1.简介 工业机器人操作臂被用在各种应用中来实现快速、精确和高质量的生产。在抓取和放置操作，比如对部分的操作，聚合等，操作臂的末端只执行器必须在工作空间中两个特定的位置之间移动，而它在两者之间的路径却不被关心。在路径追踪应用中，比如焊接，切削，喷涂等等，末端操作器必须在尽可能保持额定的速度下，在三维空间中遵循特定的轨迹运动。在后面的事例中，在对末端操作器的速度、节点加速度、轨迹有误等限订的情况下轨迹规划可能会很复杂。在没有对这些限制进行充分考虑的情况下进行轨迹规划，通常会得到很差的表现,比如轨迹超调，末端操作器偏离给定轨迹，过度的速度波动等。机器人在笛卡尔轨迹中的急弯处的的表现可能会更加恶化。到目前为止很多轨迹规划算法己经被提出，从笛卡尔轨迹规划到时间最优轨迹规划。然而，工业系统无法适应大多数的这些方法，有以下两点原因：（1）这些技术经常需要进行在目前机构中进行硬件的移动，生产过程必须被打断以进行系统重新配置，而这往往需要很长时间。（2）这些方法中很多通常只考虑到一种约束，而很少关注工业的需求和被请求的实际的约束。因此，它们很难在
工业中实现。 在本文的观点中，我们提出了一种新的轨迹规划算法，考虑到了末端操作器的速度限制，节点加速度限制，应用中的容错度。这些是在工业应用中实际的约束。其他工业操作臂中的技术问题是他们的动力学延迟，这导致末端操作臂在轨迹中的拐角处出轨。为了补救这个问题，我们设计了前向补偿，稍稍改变了拐角处的路径，使得即使在延迟动力学环节存在的情况下依然确保末端操作臂的实际跟踪轨迹。结合了前向补偿新的轨迹规划算法在控制系统中表现为单一的前向阻塞。它可以轻松地适应目前的工业操作臂系统，不冒风险，不花费时间重新配置硬件。 轨迹规划算法可以为所有操作臂的节点产生位置，速度和加速度的大体规划。在大多数工业操作臂中，系统输入是节点的位置数据，这在工业中是作为被给定的数据而广为人知的。为了用笛卡尔轨迹规划来控制操作臂，Paul描述了同类型的转换是怎样可以被用来代表一系列操作臂连杆的位置和原点的。Shin et.al.的工作和我们的很相似，但是实现在工业控制系统中的应用是很困难的，因为它需要知道很多操作臂的连杆和节点的参数。在大多数工业操作比系统中，这些参量并不能被精确的获知。 在我们之前的工作中我们解决了在二维空间中加速度和速度的约束，在目前的工作中，当我们考虑到容差度，我
工业机器人教学实训室方案 1、XS-XN虚拟工业机器人教学实训系统技术指标: （可对FANUC、ABB、KUKA、MOTOMAN（安川）等工业机器人进行现场示教编程学习）1.1、虚拟工业机器人教学实训系统组成： 虚拟机器人教学实训系统单元是在计算机中构造虚拟的六自由度工业机器人应用环境，学员可以使用真实的手持盒，操作虚拟工业环境中的虚拟机器人，包括示教、再现编程等。都能在系统中通过工业机器人的三维图形仿真出来。
1.2、虚拟工业机器人教学实训系统功能要求： ★该实训系统需采用真实的工业机器人控制系统和真实手持示教器控制虚拟的工业机器人完成工业机器人的现场示教编程教学要求。 ★该实训系统配两个不同工业机器人手持示教盒，通过更换手持示教器能够对ABB、FANUC两种品牌工业机器人进行现场示教编程训练； 该实训系统能够支持外部三维模型的导入功能，增加教学的多样性。 ★该实训系统具有工业机器人的理论考试考工及实践考试考工功能，能够自动出题、评分。 该实训系统具有机器人碰撞检测功能，可以检测学示教过程中发生的碰撞错误。1.3虚拟工业机器人教学实训系统技术要求：
1.4、基本技术参数 输入电源:AC220V±10%(单相三线)；配AC220V 三眼插座1个 整体功率：<400VA； 工作环境：温度-5oC～+40oC；湿度85%（25oC）；海拔＜4000m； 安全保护：具有漏电保护，安全符合国家标准 1.5、能够开设的实验内容 A．原理性实验： 1.多自由度工业机器人关节运动控制底层算法实验 2.多自由度工业机器人直线运动轨迹控制底层算法实验 3.多自由度工业机器人圆弧运动轨迹控制底层算法实验 4.多自由度工业机器人加减速约束控制底层算法实验 B.应用性实验： 1.工业机器人手持示教器的认知及使用实验 2.工业机器人各类坐标系转换实验 3.工业机器人编程指令的学习实验 4.工业机器人工具坐标系和用户坐标系设置实验 5.工业机器人控制器IO信号设置和监控实验 6.工业机器人参数、变量的调整实验 7.工业机器人程序调用和自动运行实验 8.工业机器人机床上下料示教编程实验 9.工业机器人的搬运/堆垛示教编程实验 10.工业机器人的点胶/焊接示教编程实验 11.工业机器人装配示教编程实验 12.工业机器人碰撞实验 C.技能考核 1.工业机器人理论考试考工 2.工业机器人实践考试考工 1.6、配套资料 工业机器人操作与编程理论教学大纲
基于诺宝RC环境下的机器人走简单轨迹 李发成 摘要：机器人走轨迹是诺宝RC的最基本应用之一，也是机器人常规比赛项目之一，走轨迹包含了程序设计的三种基本结构,能充分体现程序设计的基本思想和方法，有助于学生对程序设计思想和方法的理解。 本文研究的主要内容是机器人走简单轨迹，按机器人行走的的方式分类有“沿边法”和“靠中法”；按程序结构的分类有“单分支对称结构”、“二重分支对称结构”和“三重分支非对称结构”。 本文通过对二种行走方式和三种程序结构的研究和对比，揭示它们之间的内在联系，通过实验分析，归纳程序与参数组合搭配对机器人行走速度和稳定性的影响。 关键词：机器人，走轨迹，轨迹识别传感器，轨迹变量，沿边法，靠中法 机器人走轨迹看似简单，但深究起来还是比较复杂的，还别说含直锐角转弯、缺口、终点标志、色带瑕疵、障碍、传感源、宽窄不一等复杂的场地，就算对于简单轨迹还是有许多情况需要讨论的。本文讨论的目的是通过研究各种程序和参数的变化，对走轨迹进行定性和定量的分析和研究，总结出程序和参数的组合优劣，使机器人行走的路径尽量的短、速度尽量的快、稳定性尽量的高。 第一章基础知识 一、走轨迹与轨迹变量 1、机器人走轨迹的概念：机器人走轨迹是指机器人在色带上行走，有时可能会临时偏离色带，但必需能再次寻找到色带，如下图1： （图1） 2、轨迹变量：机器人通过“轨迹识别传感器”获取轨迹变量的值，轨迹变量的值有0、2、 3、1四个，这四个值与机器人和色带的相对位置对应关系如下图2。
（左0）（ 2 ）（ 3 ）（ 1 ）（右0） （图2） ?当轨迹传感器的两个探测头都没有落在色带上时，轨迹变量＝＝0。 ?当右探测头落在色带上而左探测头不在色带上时，轨迹变量＝＝2。 ?当轨迹传感器的两个探测头都落在色带上时，轨迹变量＝＝3。 ?当左探测头落在色带上而右探测头不在色带上时，轨迹变量＝＝1。 无论机器人走轨迹程序的思路如何，都是依据上面图形和数值的对应关系来设计的。 二、有关说明和准备工作 （一）有关说明 1、为了实验方便和节省成本，本文所讨论的内容大部分是指在诺宝RC10.1的“仿真”界面下，除非在仿真界面下不能实现时，才在“实物器材环境”下。 2、“色带”与“轨迹”的概念：本文章中说到的“色带”是指给机器人预定的“跑道”，“轨迹”有时是指“色带”，又时是指机器人运动后留下的真实轨迹，程序设计的意图是让机器人的轨迹落在色带上，但实际情况往往并非时时如此，如图1。 3、轨迹识别传感器的位置：仿真界面中机器人前面的两个小黑点并不是轨迹传感器的左右两个探测器，而是“输出模块”中的“发光灯”。轨迹识别传感器的两个探测器应该是在机器人头部中间的地方，且离的很近，仿真机器人没有标示出来，但从实际行走过程可以观察出来。虽然如此，但为了能直观的说明机器人位置与轨迹变量的关系，本文中“错误”地把这两个黑点当成传感器的两个探测头，可能会更好理解一些。 4、“左0”与“右0”的概念：“轨迹变量＝＝0”时，是需要讨论的，它是一个比较复杂的值，程序的优劣之一是看对0的处理，在简单轨迹中会遇到0，在复杂轨迹中更会遇到。为了对0有更好的理解和掌握，本文引入“左0”和“右0”的概念，无论那一种轨迹程序，都必须遵循“左0右转”、“右0左转”的原则。 5、区域：本文有时会按轨迹变量的值来称呼色带区域，从左到右，把色带划分为以下区域：左0区、2区、3区、1区、右0区，所谓k区域，是指轨迹变量等于k 的色带区域，其中0≤k≤3,k∈Z。 6、本论文中速度的概念包含: （1）单独电机自身的转速；
中学信息技术《机器人仿真系统》教案第16课机器人仿真系统 【教学目标】 .知识目标 ◆认识仿真下的虚拟机器人； ◆能用NSTRSS设计场地、构建机器人并利用仿真环境进行组队测试。 2．过程与方法 ◆通过教师演示在虚拟仿真环境下的机器人运行，激发学生兴趣； ◆通过教师讲解虚拟仿真软件，培养学生对新软件的兴趣； ◆通过让学生自己动手调试，体会学习新事物的乐趣。 3．情感态度与价值观 ◆使学生领悟“自由无限，创意无限，只有想不到，没有做不到”的道理； ◆培养学生积极探索、敢于实践、大胆创新的精神和意识。 【教法选择】 示例讲解、任务驱动、辅导答疑。 【教学重点】 ．用NSTRSS仿真系统设计仿真场地；
2．搭建仿真机器人； 3．运行仿真。 【教学难点】 ．设计场地； 2．搭建仿真机器人。 【教学过程】 一、巩固1日知，引入新知 教师活动 将上节课学生完成的在现实场地中运行的走迷宫机器人进行分组比赛，一是能够检验学生的学习情况，二是能调动起学生的积极性，三是为引入仿真系统做准备。 学生活动 小组合作，调试机器人程序，检查机器人的搭建，准备比赛。 教师活动 通过比赛，提出问题：同学们想不想经常地进行这样的比赛呢?但是在现实中调试，需要很多的时间，而且还需要固定的场地环境等等，非常不方便，我们有没有什么好办法解决这个问颢？ 引入纳英特的仿真模拟系统，展示它的特点，与现实情况做比较。 教师给学生演示讲解：
．关于仿真系统 什么是仿真系统?仿真系统是机器人的设计、实现，完全在虚拟的环境中，以虚拟的形式出现，它以优化机器人硬件和软件设计、缩短研发周期、节约成本为特色，解决机器人设计过程的不足。 2．初识NSTRSS软件 NSTRSS是NST科技新近推出的一款以．NET平台为基础，使用microsoftDirectX9．0技术的3D机器人仿真软件。用户通过构建虚拟机器人、虚拟环境，编写虚拟机器人的驱动程序，模拟现实情况下机器人在特定环境中的运行情况。 NSTRSS与市面上的同类产品相比，它具有如下的特点：全3D场景。用户可自由控制视角的位置及角度，甚至以第一人称方式进行场景漫游； 逼真的仿真效果。采用虚拟现实技术，高度接近实际环境下的机器人运动状态，大大简化实际机器人调试过程； 实时运行调试。运行时，依据实际运行情况，调整机器人参数，帮助用户快速实现理想中的效果； 自由灵活的机器人搭建与场地搭建。用户可自由选择机器人及其配件，进行机器人搭建，可自行编辑3D训练比赛场地，所想即所得； 单人或多人的对抗过程。用户可添加多个机器人，自由组队进行队伍间对抗；
利用虚拟仿真技术辅 助机器人
关于利用虚拟仿真技术辅助机器人维修示教的探讨 周政华 (山西华泽铝电有限公司电解厂) 摘要:利用机器人虚拟仿真技术，可使检修人员在系统离线状态下对机器人进行编程，并以三维图形方式显示出机器人实际运行轨迹，这样通过 离线编程平台进行新系统的测试，既避免了应用上的风险，保证了机器 人系统的安全性，同时又降低了新程序应用的测试成本，并可以作为培 训系统供检修人员进行虚拟操作使用。 关键词：虚拟仿真离线编程机器人 1 引言 在实际设备运行过程中存在许多影响正常生产状态的因素，而如何优化生产过程，减少这些因素所造成的损失，而仿真技术可以将设备放在一个虚拟环境中，通过对已出现或未知的问题进行模拟，为找出解决此类问题提供了便捷的方法，这样不仅可以减少检修时间，保证生产的正常，也可以保证操作安全。而机器人离线技术的出现以及虚拟仿真技术的发展，正是应这样的要求，不仅可以将人从危险和恶劣的环境中解脱出来，也可以解决远程控制中的通信延时问题，同时利用机器人仿真技术可直观显示出机器人实际运行轨迹，而且不占用机器人作业时间，有利于提高经济效益。 2仿真基本理论 机器人仿真技术分为两大类：第一大类是设计机器人时所必须具有的结构分析和运动分析仿真包括：(1)机器人的物理特性，比如
形状等；(2)是机器人的动态特性，比如加速度、速度等，这需要参考机器人本身的动力学方程，而这个方程用来描述机器人的运动轨迹和特性。 2.1机器人的结构仿真主要是对机器人进行物理特性仿真，在虚拟环境中是以三维实体模型表现的，可以用市面上较常用的 Pro/E、UG、CATIA等三维设计软件进行建模。 2.2 机器人的运动学仿真是通过对建立的的函数模型，然后利用ADMAS、Matlab等专业软件对模型进行运动分析，例如图2.1为一台串联六自由度关节式机器人。 图2.1 两个相邻坐标系i与i-1间的齐次变换矩阵(i=1,2,3…,6)为 其中:a i-1为杆长；d i为杆件偏距； i为关节变量。经运动学整解，可得到机器人末端的位姿，而已知机器人末端的位姿，经过运
第7课机器人沿线行走 【教材分析】 本节课的内容较多，难度较大，是一节综合性很强的课。通过前面的学习，学生已经掌握了机器人的行走、直流电机的设置和测量传感器的光值，综合这些知识点编写学生机器人沿轨迹线行走的程序，关键是让学生明白机器人是怎样沿着一条不规则的轨迹线行走的。 【学情分析】 通过前面的学习中，学生已经能够理解传感器的含义及有效的活动方式，并且能较为熟练地利用机器人平台进行编程操作。 【教学目标与要求】 1. 知识与技能 （1）了解沿线追踪比赛规则。 （2）了解灰度传感器的工作原理。 （3）学会检测学生机器人向左偏、向右偏、完全左偏、完全右偏的四种需纠正方向的情况； （4）学会编写机器人沿轨迹线行走程序。 2. 过程与方法 以自主探究学习、合作学习的方式，掌握编写机器人沿轨迹线行走的程序。 3. 情感、态度与价值观 （1）逐步培养学生的创造性思维能力、探索精神； （2）让学生在解决问题的过程中，体会成功的快乐。 4. 行为与创新 合理规范地使用“学生机器人平台”软件。 【教学重点与难点】 重点： （1）学会在系统设置中添加和设置灰度传感器。 （2）学会检测学生机器人向左偏、向右偏、完全左偏、完全右偏。 （3）学会编写机器人沿轨迹线行走程序。 难点：
（1）学会检测学生机器人向左偏、向右偏、完全左偏、完全右偏。（2）理解max变量的含义。学会编写机器人沿轨迹线行走程序。 【教学方法与手段】 实验法、主题活动。 【课时安排】 安排2课时。 【教学准备】 实验器材和主题活动单。 【教学过程】 第一课时 学习过程教师与学生活动设计意图 激趣导入 师：观看机器人沿线行走视频。 （学生感受什么是机器人沿线行走） 师：机器人最基础的动作就是沿线行走。 今天，就让我们手中的机器人成为一个运动员， 来一场沿线行走比赛吧！ （板书：第7课机器人沿线行走） 积累感性经验，让 学生初步了解具体的活 动过程。 情况1：机器人在黑线上 1．添加两个变量。 black表示传感器在轨迹线上和白色区域 的光值的中间值。一般情况下，我们要测量场 地的光值。今天老师已经测量好了，给出这个 中间值，它为450。 还有一个变量为max，记录机器人在运行中 的状态，max=0表示机器人向左侧偏，max=1表 示机器人向右侧偏，max=2表示机器人在轨迹线 上。下面请同学们完成程序的初始化工作。 2．学生按教材的步骤完成操作。 师：设置系统设置中的“传感器设置”，设 置均为“灰度传感器”。 详细、细致地演示 过程，帮助学生克服知 识难点，在讲解中，注 重语句的介绍，以便让 能力较弱的学生可以理 解。
《虚拟机器人》校本课程活动教案
课时：课时 展示范例机器人激发学生搭建兴趣。 师：同学们，上节课我们初步了解了虚拟机器人的平台，这节课，我们来试试搭建属于我们自己的第一个机器人。 一、进入操作界面 首先请大家陆平台，然后点击“搭建机器人”选项，进入机器人搭建操作界面。老师先来带着大家了解一下这一界面的基本功能划分。 模型面板：包含机器人所有模型，有控制器、驱动、安装块、传感器和其它大类。 模型列表：列出各个模型分类中所有模型。 模板列表：用户创建的模板，模板可保存经常使用的模型组合。 菜单工具栏：有文件、功能和操作个菜单，菜单下有相应的工具栏命令。 属性面板：在属性面板中设置直流电机、伺服电机、传感器的属性。 机器人信息：查看机器人零部件的数量，机器人的重量、尺寸等信息。 机器人编辑区：用于构建机器人的操作区，完成机器人零部件的安装等操作。 视角控制面板：调整查看编辑区的视角，完成视角旋转、缩放、移动等操作 二、探索尝试 通过老师的介绍后，大家应该对这些功能区有所了解了。现在请同学们动动脑，动动手，从模型面板中选择自己喜欢的模型，放到机器人编辑区，注意视角的控制和安装点的点选，看谁能组装出属于自己的第一台机器人！ 三、问题解决 （一）、机器人搭建首先需要选择好控制器，这是机器人的主体，没有控制器，其他的零件是无法起作用的。 （二）、控制器安放是有方向的，编辑区蓝色坐标轴的方向为机器人前方，学生容易出现错误。（三）、在旋转视角时，切忌用鼠标左键进行拖动，这会改变机器人零件的实际位置。而应该使用视角控制按钮或者鼠标的右键和滚轮来进行视角切换。 （四）、轮子是和电机安装在一起，电机再和控制器连接起来，而不是直接把轮子安装到控制器上。 教师在巡视指导过程中，发现问题，适时引导讲解。 四、拓展延伸 其实在机器人搭建的过程中，我们还可以使用一些小技巧来提高搭建的效率。教授“模板”的使用方法，把一些多次使用的零件组合创建为模板，可以直接拖出来重复使用。 五、秀一秀 通过电子教室“学生演示”的功能，请同学们来展示一下自己的个性机器人，大家来评评谁最有想象力和创造力。 学生点评，教师总结。
机器人行走问题 摘要 本文研究了机器人避障最短路径的问题。主要研究了在一个区域中存在四个障碍物，由出发点到达目标点以及由出发点经过途中的若干目标点到达最终目标点的两种情形。我们通过证明具有圆形限定区域的最短路径是由两部分组成的：一部分是平面上的自然最短路径（即直线段），另一部分是限定区域的部分边界，这两部分是相切的，互相连接的。依据这个结果，我们可以认为最短路径一定是由线和圆弧做组成，因此我们建立了线圆结构，这样无论路径多么复杂，我们都可以将路径划分为若干个这种线圆结构来求解。对于途中经过节点的再到达目标点的状况，我们采用了两种方案，一种是在拐点和节点都采用最小转弯半径的形式，另一种是适当扩大拐点处的转弯半径，使得机器人能够沿直线通过途中的目标点。然后建立了最优化模型对两种方案分别进行求解。 问题一，我们很容易分解成线圆结构来求解，然后把可能路径的最短路径采用穷举法列举出来，最终得出最短路径： R→A 最短路径为：70.5076 R→B 最短路径为：107.9587 R→C 最短路径为：102.0514 问题二，我们方案都进行优化，求得最终结果： 第一种方案最短路径为：156.471 第二种方案最短路径为：157.752 关键词最短路径最优化模型避障路径解析几何
一、问题重述 下图是一个100×80的平面场景图，在R（0，0）点处有一个机器人，机器人只能在该100×80的范围内活动，图中四个矩形区域是机器人不能与之发生碰撞的障碍物，障碍物的数学描述分别为B1（20，40；5，10）、B2（30，30；10，15）、B3（70，50；15，5）、B4（85，15；5，10），其中B1（20，40；5，10）表示一个矩形障碍物，其中心坐标为（20，40），5表示从中心沿横轴方向左右各5个单位，即矩形沿横轴方向长5×2=10个单位，10表示从中心沿纵轴方向上下各10个单位，即矩形沿纵轴方向长10×2=20个单位，所以，障碍物B1的中心在（20，40），大小为10×20个单位的矩形，其它三个障碍物的描述完全类似。 在平面场景中、障碍物外指定一点为机器人要到达的目标点（要求目标点与障碍物的距离至少超过1个单位），为此，须要确定机器人的最优行走路线——由直线段和圆弧线段组成的光滑曲线，其中圆弧线段是机器人转弯路线，机器人不能折线转弯，转弯路径是与直线相切的一圆形曲线段，也可以是两个或多个相切的圆弧曲线段组成，但每个圆形路线的半径都必须大于某个最小转弯半径，假设为1个单位。另外，为了不与障碍物发生碰撞，要求机器人行走线路与障碍物间的最短距离为1个单位，越远越安全，否则将发生碰撞，若碰撞发生，则机器人无法到达目标点，行走失败。请回答如下问题： 1.场景图中有三个目标点A（50，40）、B（75，60）、C（95，20），请用数学建 模的方法给出机器人从R（0，0）出发安全到达每个目标点的最短路线。 2.求机器人从R（0，0）出发，依次安全通过A、B到达C的最短路线。
1 主要介绍以下七种仿真平台(侧重移动机器人仿真而非机械臂等工业机器人仿真)： 1.1 USARSim-Unified System for Automation and Robot Simulation USARSim是一个基于虚拟竞技场引擎设计高保真多机器人环境仿真平台。主要针对地面机器人，可以被用于研究和教学，除此之外，USARSim是RoboCup救援虚拟机器人竞赛和虚拟制造自动化竞赛的基础平台。使用开放动力学引擎ODE(Open Dynamics Engine)，支持三维的渲染和物理模拟，较高可配置性和可扩展性，与Player兼容，采用分层控制系统，开放接口结构模拟功能和工具框架模块。机器人控制可以通过虚拟脚本编程或网络连接使用UDP协议实现。被广泛应用于机器人仿真、训练军队新兵、消防及搜寻和营救任务的研究。机器人和环境可以通过第三方软件进行生成。软件遵循免费GPL条款，多平台支持可以安装并运行在Linux、Windows和MacOS操作系统上。 1.2 Simbad Simbad是基于Java3D的用于科研和教育目的多机器人仿真平台。主要专注于研究人员和编程人员热衷的多机器人系统中人工智能、机器学习和更多通用的人工智能算法一些简单的基本问题。它拥有可编程机器人控制器，可定制环境和自定义配置传感器模块等功能，采用3D虚拟传感技术，支持单或多机器人仿真，提供神经网络和进化算法等工具箱。软件开发容易，开源，基于GNU协议，不支持物理计算，可以运行在任何支持包含Java3D库的Java客户端系统上。 1.3 Webots Webots是一个具备建模、编程和仿真移动机器人开发平台，主要用于地面机器人仿真。用户可以在一个共享的环境中设计多种复杂的异构机器人，可以自定义环境大小，环境中所有物体的属性包括形状、颜色、文字、质量、功能等也都可由用户来进行自由配置，它使用ODE检测物体碰撞和模拟刚性结构的动力学特性，可以精确的模拟物体速度、惯性和摩擦力等物理属性。每个机器人可以装配大量可供选择的仿真传感器和驱动器，机器人的控制器可以通过内部集成化开发环境或者第三方开发环境进行编程，控制器程序可以用C，C++等编写，机器人每个行为都可以在真实世界中测试。支持大量机器人模型如khepera、pioneer2、aibo等，也可以导入自己定义的机器人。全球有超过750个高校和研究中心使用该仿真软件，但需要付费，支持各主流操作系统包括Linux, Windows和MacOS。 1.4 MRDS-Microsoft Robotics Developer Studio MRDS是微软开发的一款基于Windows环境、网络化、基于服务框架结构的机器人控制仿真平台，使用PhysX物理引擎，是目前保真度最高的仿真引擎之一，主要针对学术、爱好者和商业开发，支持大量的机器人软硬件。MRDS是基于实时并发协调同步CCR(Concurrency and Coordination Runtime)和分布式软件服务DSS(Decentralized Software Services)，进行异步并行任务管理并允许多种服务协调管理获得复杂的行为，提供可视化编程语言(VPL)和可视化仿真环境(VSE)。支持主流的商业机器人，主要编程语言为C#，非商业应用免费，但只支持在Windows操作系统下进行开发。 1.5 PSG-Player/Stage/Gazebo
1 主要介绍以下七种仿真平台 (侧重移动机器人仿真而非机械臂等工业机器人仿真 : 1.1 USARSim-Unified System for Automation and Robot Simulation USARSim 是一个基于虚拟竞技场引擎设计高保真多机器人环境仿真平台。主要针对地面机器人, 可以被用于研究和教学, 除此之外, USARSim 是 RoboCup 救援虚拟机器人竞赛和虚拟制造自动化竞赛的基础平台。使用开放动力学引擎 ODE(Open Dynamics Engine,支持三维的渲染和物理模拟,较高可配置性和可扩展性,与 Player 兼容,采用分层控制系统, 开放接口结构模拟功能和工具框架模块。机器人控制可以通过虚拟脚本编程或网络连接使用 UDP 协议实现。被广泛应用于机器人仿真、训练军队新兵、消防及搜寻和营救任务的研究。机器人和环境可以通过第三方软件进行生成。软件遵循免费 GPL 条款, 多平台支持可以安装并运行在Linux 、 Windows 和 MacOS 操作系统上。 1.2 Simbad Simbad 是基于 Java3D 的用于科研和教育目的多机器人仿真平台。主要专注于研究人员和编程人员热衷的多机器人系统中人工智能、机器学习和更多通用的人工智能算法一些简单的基本问题。它拥有可编程机器人控制器, 可定制环境和自定义配置传感器模块等功能, 采用 3D 虚拟传感技术, 支持单或多机器人仿真,提供神经网络和进化算法等工具箱。软件开发容易,开源,基于 GNU 协议,不支持物理计算,可以运行在任何支持包含 Java3D 库的 Java 客户端系统上。 1.3 Webots Webots 是一个具备建模、编程和仿真移动机器人开发平台, 主要用于地面机器人仿真。用户可以在一个共享的环境中设计多种复杂的异构机器人, 可以自定义环境大小, 环境中所有物体的属性包括形状、颜色、文字、质量、功能等也都可由用户来进行自由配置,它使用 ODE 检测物体碰撞和模拟刚性结构的动力学特性, 可以精确的模拟物体速度、惯性和摩擦力等物理属性。每个机器人可以装配大量可
机器人沿线行走 一、教学目标 1.知识与技能 (1)了解沿线追踪比赛规则。 (2)了解灰度传感器的工作原理。 (3)学会检测学生机器人向左偏、向右偏、完全左偏、完全右偏的四种需纠正方向的情况。 (4)学会编写机器人沿轨迹线行走程序。 2.过程与方法：以自主探究学习、合作学习的方式,掌握编写机器人沿轨迹线行走的程序。 3.情感态度与价值观： (1)逐步培养学生的创造性思维能力、探索精神; (2)让学生在解决问题的过程中,体会成功的快乐。 4.行为与创新：合理规范地使用“学生机器人平台”软件。 二、学情分析 六年级的学生有自主完成学习任务的能力,能通过教材提示掌握对应的知识和技能通过前面的学习中,学生已经能够理解传感器的含义及有效的活动方式,并且能较为熟练地利用机器人平台进行编程操作。 三、重点与难点 重点: (1)学会在系统设置中添加和设置灰度传感器。 (2)学会检测学生机器人向左偏、向右偏、完全左偏、完全右偏。 (3)学会编写机器人沿轨迹线行走程序。 难点: (1)学会检测学生机器人向左偏、向右偏、完全左偏、完全右偏。 (2)理解max变量的含义。学会编写机器人沿轨迹线行走程序。 四、教学活动 1.导入 师:观看机器人沿线行走视频。
(学生感受什么是机器人沿线行走) 师:机器人最基础的动作就是沿线行走。今天,就让我们手中的机器人成为一个运动员,来一场沿线行走比赛吧! (板书:第7课机器人沿线行走) 2.添加两个变量。 black表示传感器在轨迹线上和白色区域的光值的中间值。一般情况下,我们要测量场地的光值。今天老师已经测量好了,给出这个中间值,它为450。 还有一个变量为max,记录机器人在运行中的状态,max=0表示机器人向左侧偏,max=1表示机器人向右侧偏,max=2表示机器人在轨迹线上。下面请同学们完成程序的初始化工作。 3.学生按教材的步骤完成操作。 师:设置系统设置中的“传感器设置”,设置均为“灰度传感器”。 生:同步练习设置。 师:选择传感器控件中的“灰度传感器”2个,并设置参数。 生:同步练习设置。 师:演示直流电机的参数。 生:同步练习设置。 展示:机器人沿着直线走。 (学生实验、教师辅导) 师:机器人的轨迹并不总是直线,由于惯性,机器人总会偏离黑线轨迹。当机器人向左偏时,大家思考传感器读的光值会是什么样的? 生:讨论、汇报。 师:当机器人偏向左边时,左边的传感器就在白色区域,而右边的传感器还是在轨迹线上,那么它的左传感器读到的值就会大于black的值,右传感器读到的值就小于或等于black的值。当向左偏时,机器人应该怎样调整,回到轨迹线上来呢?生:回答提问。 师:对了,我们只要设置左边直流电机的速度快,右边直流电机的速度慢,就可 以调整机器人,并且还需设置max=0。请同学们看教材中的程序。 学生看书。
Computer Engineering and Applications 计算机工程与应用 2016，52（13）1引言随着计算机技术和网络技术的飞速发展，虚拟仿真技术和远程控制技术日益受到重视。机器人虚拟仿真是研究机器人性能和特点的重要方法之一，广泛应用于 机器人轨迹规划、碰撞检测、性能测试等方面；机器人远程控制可以使操作人员远离危险性的操作环境，实现机器人网络集成控制，提高经济效益。虚拟仿真技术融入机器人远程控制系统中，实现了高级人机接口，为完成复杂的作业任务及远程操作提供了直观高效的虚拟环境，节约调试时间，提高了系统安全性[1-6]。本文利用OpenGL 技术构造虚拟现实环境，基于WinSock 技术的C/S 模式实现远程通信，利用模块化设 计理念建立机器人虚拟仿真及远程控制系统，实现了机器人虚拟运动仿真和远程作业控制。 2系统设计方案 SCARA 机器人虚拟仿真及远程控制系统采用面向对象的C/S 模式，系统可分为三层：用户层、服务层、物理层。系统的逻辑结构如图1所示，各层的功能如下：（1）用户层即为远程客户机，下载客户端安装包，在人机交互界面，可实现机器人虚拟运动仿真和远程监控。 （2）服务层同时具有远程服务器和本地控制机功机器人虚拟仿真及远程控制系统的研究及实现 李连中，翟敬梅，何海洋 LI Lianzhong,ZHAI Jingmei,HE Haiyang 华南理工大学机械与汽车工程学院，广州510641 School of Mechanical and Automotive Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510641,China LI Lianzhong,ZHAI Jingmei,HE Haiyang.Research and implementation about robot virtual simulation and remote control https://www.doczj.com/doc/264862296.html,puter Engineering and Applications,2016,52（13）：238-242. Abstract ：Robots virtual simulation and combined with the remote control show the unique advantages and broad applica-tion prospect.This paper designs and implements a robot virtual simulation and remote control system using technology of OpenGL and WinSock.Firstly,the establishment of virtual simulation platform based on C#and OpenGL achieves the motion simulation of robot virtual reality.Secondly,interpreter based on the principle of reflection is proposed to achieve the panel or program remote control.Thirdly,the improved algorithm of collision-free trajectoriesplanning based on veloc-ity vector field can avoid static and dynamic obstacles effectively and security.Finally,the system test results show its cor-rectness and feasibility. Key words ：robotics;virtual simulation;remote control;interpreter;velocity vector field 摘要：机器人虚拟仿真及其与远程控制相结合，表现出独特的优势，应用前景广阔。应用OpenGL 和WinSock 技术，设计并实现了机器人虚拟仿真及其远程控制系统。建立基于C#与OpenGL 的虚拟仿真平台，实现了机器人虚拟现实的运动仿真；建立基于WinSock 的远程控制系统，提出基于反射原理的解释器模式，实现了机器人远程面板或程序控制；提出基于速度向量场的改进无碰轨迹规划算法，有效对静态与动态障碍物安全避障。系统测试结果表明该机器人虚拟仿真及远程控制系统有较好的准确性和稳定性。 关键词：机器人；虚拟仿真；远程控制；解释器模式；速度向量场 文献标志码：A 中图分类号：TP24doi ：10.3778/j.issn.1002-8331.1409-0150 基金项目：广东省高等学校优质资源及仪器设备共享系统项目（No.K711001III ）。 作者简介：李连中（1989—），男，硕士，主要研究领域为机器人系统及自动化装备的理论与技术，E-mail ：lianzhong888999@163. com ；翟敬梅（1967—），女，博士，教授，主要研究领域为机械系统建模与优化、机电装备与信息化处理与人工智能；何海洋（1988—），男，硕士，主要研究领域为机器人系统及自动化装备的理论与技术。 收稿日期：2014-09-11修回日期：2014-11-27文章编号：1002-8331（2016）13-0238-05 CNKI 网络优先出版：2015-04-21,https://www.doczj.com/doc/264862296.html,/kcms/detail/11.2127.TP.20150421.1024.020.html 238
专题综述 课程名称工业自动化专题 题目名称工业机器人的运动轨迹学生学院____ _ 自动化________ 专业班级___ _ _ 学号 学生姓名___ _ _ 指导教师__________ 2013 年 6月 27日
工业机器人的运动轨迹综述 【摘要】：随着知识经济时代的到来，高技术已成为世界各国争夺的焦点，机器人技术作为高技术的一个重要分支普遍受到了各国政府的重视。自此，多种不同的研究方向都在工业机器人实时高精度的路径跟踪来实现预期目的。而工业机器人的运动轨迹又是重中之重，在得到反馈信息之后，如何作出应答，并且实时检查轨迹与所计算出的轨迹是否吻合，为此也要进行追踪与动作修正。 【关键词】：工业机器人，视觉，路径跟踪，轨迹规划，高精度 1.机器人视觉，运动前的准备 实际的工业现场环境复杂，多种因素都有可能导致系统在运行过程中产生一定的偏差、测量精度降低，引起误差的原因主要有温度漂移和关节松动变形等，使测量模型的参数值改变从而导致定位误差增大，因此需要定期对工业机器人视觉测量系统进行精确的校准，从而实现精确定位和视觉测量。更少不得必要的优化。 1.1基于单目视觉的工业机器人运动轨迹准确度检测 建立的工业机器人单目视觉系统，整个系统主要由单目视觉单元，监控单元和机器人执行单元三大单元组成。单目视觉单元为一台固定在机器人上方的CCD摄像机，负责摄取工作环境中的目标并存入图像采集卡缓冲区；监控单元负责监控各工作站的当前状态，并完成对存储图像进行相关处理的工作，达到识别定位目标的目的；执行单元负责驱动机械手实施抓取操作。 1.2基于双目视觉的工业机器人运动轨迹准确度检测 以立体视觉理论为基础，研究了基于空间直线的二维投影面方程。根据投影面的空间解析几何约束关系，建立基于直线特征匹配的双目视觉误差测量的数学模型。在该模型基础上采用将两台摄像机固定于工业机器人末端的方案．对关节型工业机器人运动轨迹的准确度进行了检测。结果表明，该检测方法简单实用，基本上可以满足工业机器人CP性能检测的要求。 1.3一种面向工业机器人智能抓取的视觉引导技术研究 为实现工业机器人自主识别并抓取指定的目标，提出了一种基于计算机视觉引导的解决 方法。该方法利用指定目标的3D数据模型，以及由两台或者多台CCD摄像机从工作场景中不同角度获；取到的数字图像，经过目标姿态估算、投影计算并生成投影图像，再利用投影