手动投球机器人控制系统设计.docx
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手动投球机器人控制系统设计
手动投球机器人控制系统设计
1.绪论
1.1机器人概述
机器人科学是一门综合了机械、电子、材料、计算机、传感器、仿生、人工智能等多种前沿科学的综合性学科，是最能体现一个国家基础科学技术和制造业水平的学科之一。
1920年捷克作家卡雷尔·卡佩克发表了科幻剧本《罗萨姆的万能机器人》。
在剧本中，卡佩克把捷克语“Robota”写成了“Robot”，“Robota”是奴隶的意思。
该剧预告了机器人的发展对人类社会的悲剧性影响，引起了大家的广泛关注，被当成了机器人一词的起源。
在该剧中，机器人按照其主人的命令默默地工作，没有感觉和感情，以呆板的方式从事繁重的劳动。
后来，罗萨姆公司取得了成功，使机器人具有了感情，导致机器人的应用部门迅速增加。
在工厂和家务劳动中，机器人成了必不可少的成员。
机器人发觉人类十分自私和不公正，终于造反了，机器人的体能和智能都非常优异，因此消灭了人类。
卡佩克提出的是机器人的安全、感知和自我繁殖问题。
科学技术的进步很可能引发人类不希望出现的问题。
虽然科幻世界只是一种想象，但人类社会将可能面临这种现实。
为了防止机器人伤害人类，科幻作家阿西莫夫于1940年提出了“机器人三原则”：
（1）机器人不应伤害人类；
（2）机器人应遵守人类的命令，与第一条违背的命令除外；
（3）机器人应能保护自己，与第一条相抵触者除外。
这是给机器人赋予的伦理性纲领。
机器人学术界一直将这三原则作为机器人开发的准则。
机器人真正出现在人类社会中的历史并不算长，1959年美国英格伯格和德沃尔制造出世界上第一台工业机器人，机器人的历史才算真正开始。
机器人发展到现在，可以分为三代：
第一代是示教再现型机器人：
它由人操纵机械手做一遍应当完成的动作或通过控制器发出指令让机械手臂动作，在动作过程中机器人会自动将这一过程存入记忆装置。
当机器人工作时，能再现人教给它的动作，并能自动重复的执行。
这类机器人不具有外界信息的反馈能力，很难适应变化的环境。
第二代是有感觉的机器人：
它们对外界环境有一定感知能力，并具有听觉、视觉、触觉等功能。
机器人工作时，根据感觉器官（传感器）获得的信息，灵活调整自己的工作状态，保证在适应环境的情况下完成工作。
第三代是具有智能的机器人：
智能机器人是靠人工智能技术决策行动的机器人，它们根据感觉到的信息，进行独立思维、识别、推理，并作出判断和决策，不用人的参与就可以完成一些复杂的工作。
目前，智能机器人已在许多方面具有人类的特点，随着机器人技术不断发展与完善，机器人的智能水平将越来越接近人类。
1.2目前研究的概况和发展趋势
当今世界，机器人特别是工业机器人已经发展成为一个规模巨大的产业。
据粗略估算，全球现在至少有76万台机器人正投入使用。
中国于1972年开始研制自己的工业机器人。
我国于1985年研制成功第一台弧焊机器人，距世界最早的机器人实用机型推出晚了23年。
目前，我国从事机器人研发、制造的单位已达200多家。
2000年，我国工业机器人的拥有量约为3500台，其中国产的占五分之一。
但是由于我国机器人产业化起步较晚，步伐较慢，基础工业力量比较薄弱，致使工业机器人长期大量依赖进口。
研究与市场脱节是我国机器人产业化过程中一个急需解决的问题。
同时，我国的企业也缺少大规模集成的经验，难以形成很强的竞争力。
1.3机器人竞赛介绍
近年来,随着计算机、传感器和人工智能等技术的飞速进步，机器人科学得到了前所未有的发展.在制造行业中，尤其是汽车工业,机器人已经成为生产线上的主力，可以说一个企业其生产线上机器人的质量和数量几乎可以说明这个企业的生产效率和水平。
不仅如此，机器人的应用也扩展到很多其他领域，比如侦察、探测机器人，护理机器人，农业机器人，甚至还有家用的清洁机器人……而各类机器人竞赛就是近年来发展起来的一种新兴事物。
通常情况下，比赛发布一个目标和一套规则，参赛选手据此设计机器人，与其他选手竞争，从而赢得比赛。
机器人比赛集合科技、教育、比赛、娱乐于一体，即是科普活动的一个良好载体,同时也是基础研究的一个大舞台,不仅是有趣的娱乐项目同时也能反映出一个国家科技水平的高低。
机器人竞赛给青年人提供了一个充分展示聪敏才智的舞台,培养了他们实际动手能力,团队协作能力,提高了创新能力,更使大学生对相关学科的理论学习有了更直观的认识。
同时，这些非工业用途的研究型和教学型机器人，其意义远不仅是它们自身所能带来的直接经济价值。
这类机器人往往是各种学科最新技术的交叉实验平台，在新型机器人上应用的技术有可能很快就出现在其他领域的实际产品中，不但促进了机器人自身的发展，也带动了其他相关领域产品的进步。
每年世界各地都有各种主题的机器人比赛，比如机器人足球比赛，包括ROBOCUP系列和FIRA系列，机器人越野比赛，以及ABU的ROBOCON比赛。
“亚洲－太平洋地区广播电视联盟”（简称亚广联）于2001年发出倡导，在亚洲及太平洋地区举行一年一度的亚太地区大学生机器人大赛，并决定在2002年8月31日在日本东京举行首届亚太地区大学生机器人大赛。
中央电视台作为亚广联成员之一，从2002年开始在国内举行一年一度的全国大学生机器人电视大赛。
其宗旨是：
（1） 贯彻中央"科教兴国"战略方针的具体体现和创新举措，是以"媒体促科技"宣传方针的进一步尝试；
（2） 为大学生们提供了一个探索科技、创新思维与实践行动的机会；
（3） 为激发青少年开发与研制高科技的兴趣与爱好，培养科学创新精神，激励创新思维，活跃校园科技，培养未来科技人才和力量，提供了舞台。
同时在全国大赛中选拔队伍代表中国参加亚广联亚太地区大学生机器人大赛。
中央电视台的机器人大赛在国内已成功举办了四届，各级领导都给予了足够的重视。
国家科技部、国家教育部、中国科学院、中国科协、国家８６３计划机器人技术主题都非常支持机器人大赛，在各级领导的关怀和支持下，中国大学生机器人比赛正在茁壮成长，中国机器人代表队出征亚太机器人大赛也取得了优异的成绩：
第四届亚太大学生机器人大赛在中国北京举行，大赛主题为“登长城、点圣火”。
本设计的目的就是为本次比赛设计参赛机器人，其机构和功能是按照本次比赛规则，为了完成比赛任务而设计的。
作为我校参赛机器人团队计划得一部份，本设计主要是负责手动机器人控制部分的设计和制作。
1.4机器人大赛的主题和规则
登长城，点圣火
长城是中国也是世界上修建时间最长、工程量最大的一项古代防御工程。
它既是具有丰富文化内涵的文化遗产，又是独具特色的自然景观。
国内外游人常以“不到长城非好汉”的诗句来表达一定要亲自登上长城饱览中华悠久文明和壮丽山河的心情。
让我们登上长城的烽火台，点燃圣火吧。
本届大赛的意图是通过手动和自动机器人协作，登长城并向5个火炬和4堆篝火添加燃料得分，比赛时间为3分钟。
1比赛场地
图1.4-1场地
⑴比赛场地为14000mm×14000mm的正方形区域。
⑵赛场地面用2mm厚的聚乙烯片铺设。
聚乙烯片将用无光泽的聚乙烯带连接。
⑶比赛场地周围有100mm高30mm厚的木质围栏。
⑷比赛场地由“手动区”、“篝火区”和“自动区”（包括烽火台）组成。
每个区域的细节参见所附的赛场布局图。
⑸自动区
a.范围：
9000mm×9000mm的方形区域。
b.四周有100mm高、30mm厚的木质围栏。
c.只有自动机器人可在自动区运行。
自动区贴有30mm宽的白色引导线。
d.每个队的自动机器人启动区大小为1000mm×1000mm，位于自动区边上，两队的启动区相对配置。
e.自动区正中有一个八边形烽火台，高度100mm，它的四条边长为2000mm，另四条边长为1414mm。
在两条2000mm的边与自动区地面之间有坡度为1/5的斜面。
f.自动区中有5个火炬。
高度为1800mm的主火炬位于场地正中。
另4个高度为1500mm的外围火炬在它的四周。
图1.4-2主火炬
g.火炬为上大下小的透明开口圆桶，装在火炬柱上。
主火炬用红、蓝、绿色的隔板均分为三部分，每一部分是一个燃料筒。
每个外围火炬用红、蓝色隔板均分为两个燃料筒。
主火炬在受外力作用时可绕火炬柱旋转。
外围火炬不能旋转。
h.自动区中的安排细节参见所附的场地布局平面图。
⑹篝火区
四个直径为1200mm的篝火区位于自动区的四角。
篝火区中央有直径600mm、高100mm的燃料盘，盘边宽50mm，盘深30mm。
燃料盘与地面以350mm宽的斜面相连。
篝火区的细节参见所附的场地布局平面图。
⑺手动区
a.手动区在自动区和篝火区周围。
b.手动区左、右两边相对配置两队的球库。
每个球库可放16个燃料球。
c.手动机器人启动区是1000mm×1000mm的方形区域，位于手动区上、下两边的正中。
两队的启动区相对配置。
d.手动区中的安排细节参见所附的场地布局平面图。
2参赛队成员
⑴每个参赛队由来自同一所大学或工学院的4名成员组成，3名学生和l名指导老师。
只有3名学生可以进入赛场。
⑵参赛队成员在参加比赛时必须是在大学/工学院注册的。
⑶研究生没有参赛资格。
3机器人
每个参赛队必须设计和制作手动机器人或自动机器人，也可以同时制作手动机器人和自动机器人，对机器人的数量没有限制，但每队只允许有一台手动机器人。
⑴手动机器人
a.手动机器人必须通过电缆连接的遥控器或红外、可见光、声波遥控器操作。
不允许用射频。
操作者不能骑在机器人上。
b.通过电缆操作时，电缆在机器人上的连接点至少应高出地面1000mm，同时，从手动机器人到控制盒的电缆长度不能超过3000mm。
c.比赛一旦开始，参赛队员不能接触手动机器人。
⑵自动机器人
a.自动机器人必须是自主的。
b.由一台自动机器人分离出来的每一件物品均被认为是另一台自动机器人，所以，它必须能像自动机器人一样工作。
c.比赛开始前，每个队的所有自动机器人总共可预装16个燃料球。
d.每台自动机器人必须一次操作启动。
e.自动机器人可以进入除篝火区以外的任何区域，但不能伸到篝火区上方。
f.比赛开始后，所有自动机器人可以逐个启动，但启动动作必须在20秒内完成，然后，负责启动的队员必须立即退出赛场，站在木围栏外。
在规定时间内没有启动的自动机器人将被留在启动区内。
g.一旦机器人启动，参赛队员不能接触机器人。
h.自动机器人不允许以任何方式相互通信。
⑶控制方法
a.每队只有一个操作者可以在赛场上操纵手动机器人。
b.对于自动机器人，每场比赛每队允许一次“重试”。
某队叫“重试”且裁判允许后，该队的所有队员均可在启动区重新设置和启动本队的任何自动机器人。
但是，所有“重试”的动作必须在20秒内完成，然后，负责启动的队员必须立即退出赛场，站在木围栏外。
只有在启动自动机器人和一次“重试”时，自动机器人的操作者才能进入赛场。
⑷能源
a.比赛期间各队应为自己的所有机器人准备能源。
b.机器人的电源电压必须低于24VDC。
c.不允许使用组委会认为危险和不适当的能源。
⑸重量
a.每个队上场的所有机器人的总重不得超过50kg。
b.总重包括能源、电缆、遥控器和机器人其它部件的重量。
⑹尺寸
a.自动机器人的总尺寸必须能纳入启动区1000mm×1000mm×1500mm的范围內。
b.自动机器人离开启动区后可以分离，尺寸可以自由改变，但高度不能超过2000mm。
c.手动机器人的总尺寸必须能纳入启动区1000mm×1000mm×1500mm的范围內。
d.离开启动区后，手动机器人的尺寸可以自由改变，但高度必须在1500mm以内，且不能分离。
4物品（燃料球）
⑴燃料球为直径150mm、重量约150g的胶质小篮球。
⑵球内的气压是要控制的，使它的弹性较差。
球从1m高处落下时的反弹高度不应超过150mm±50mm。
⑶两队分别使用红色和蓝色的球。
在任何情况下不能使用对方的燃料球。
5比赛
⑴赛制
初赛为小组单循环赛，1/8、1/4复赛、半决赛、决赛为淘汰赛。
⑵比赛持续时间
a.比赛将持续3分钟。
但是，如果某队
①在主火炬的绿色燃料筒和自己的燃料筒中各加入至少一个燃料球，
②在某一对角线上的两个外围火炬的自己的燃料筒中各加入至少一个燃料球，
③并且，在四个篝火燃料盘中至少各有一个自己的燃料球，
该队即实现“登上长城”，比赛将立即结束。
b.机器人的设置必须在接到设置命令l分钟之内完成。
⑶记分
a.比赛结束时记分。
b.能留在火炬燃料筒或篝火燃料盘内的燃料球（燃料球不得与机器人接触）可以记分。
记分规则如下：
*主火炬燃料筒中的一个燃料球记5分。
*外围炬燃料筒中的一个燃料球记1分。
*燃料盘中的一个燃料球记1分。
c.主火炬的燃料筒必须由登上烽火台的自动机器人添加燃料球。
.
d.在绿色燃料筒和篝火燃料盘中，两队的燃料球分别记分。
e.如果某队将自己的燃料球投入对方的燃料筒，判对方得分。
⑷确定获胜者
比赛的优胜者将根据下列情况确定。
a.“登上长城”的队赢得比赛。
b.在两队均未“登上长城”的情况下，将所有得分相加扣除犯规分，得分多的队获胜。
c.如果出现平局，比赛的获胜者将按以下顺序来决定。
①在主火炬的自己的燃料筒和绿色燃料筒中均添加了燃料的队获胜。
②在所有火炬中得分多的队获胜。
③如果按上述顺序仍不能选定优胜者，将由裁判确定。
6犯规及扣分
下述动作被视为犯规并每次扣除1分。
如某队被扣除了3分，该队将被取消资格。
⑴手动机器人及其操作者接触手动区以外、自动区或篝火区的地面。
⑵手动机器人将自己的部件伸入自动区或篝火区上方。
⑶手动机器人接触本队的自动机器人。
⑷如果上述⑴、⑵、⑶的犯规持续，每5秒钟将扣1分。
⑸自动机器人试图向燃料盘添加燃料或有意完成某些动作时将自己的部件伸入篝火区上方.
⑹自动机器人或手动机器人拣拾或使用对方的燃料球，或手动机器人的操作员有意接触对方的燃料球。
7取消比赛资格
参赛队的下列行为会被裁判认定不合格，该队会被取消比赛资格。
⑴企图损坏比赛场地、设施（包括燃料库中的燃料球）或对方的机器人。
⑵手动机器人在任何区域内接触对方的自动机器人。
⑶做出任何有悖公平竞争精神的动作。
8安全
⑴制成的所有机器人均不能对操作者、观众和裁判造成伤害。
⑵为了保证安全，如果使用激光束，必须低于2级激光，并以不伤害任何操作者、裁判和观众的方式使用。
9机器人制作和运输费用
⑴制作费用
组委会给每个参赛大学提供人民币一万元作为机器人制作补助费。
⑵运输费用
a.由组委会指定的运输公司负责运输机器人，具体细节将今后通知。
b.机器人必须包装，使之可放入一个尺寸为1500mm×1500mm×1500mm的板条箱内。
10其它
⑴对于本规则没有规定的行为，裁判有权做出裁决。
在有争议的情况下，裁判的裁决是最终裁决。
⑵对规则的任何修改将由大赛组委会发布。
⑶鼓励所有参赛队以其大学的标识装饰自己的机器人。
⑷只允许自制的机器人参赛。
11奖励
奖项有冠军奖、亚军奖、季军奖（并列），还有最佳技术奖、最佳创意奖、最佳设计奖、最佳策略奖、最佳风格奖各一名。
组委会鼓励观众参与评出观众最喜爱奖。
12机器人设计与制作的注意事项
以下是制作机器人时应注意的几个问题。
在任何情况下，都要充分注意避免危险。
⑴每个参赛队应避免机器人损坏比赛场地和设施，
⑵作为大赛规则的正式补充资料，组委会将发布FAQ（常见问题）。
⑶要求每个参赛大学准备一个5分钟的录像带，说明参赛队机器人的结构和运动。
机器人启运前，组委会将通过录像带检查每个参赛的机器人是否符合规则。
附件
关于材料的简要说明
1主火炬及外围火炬
a.所有火炬，包括隔板，均用3mm厚的无色聚苯乙烯板制作。
b.聚苯乙烯板的接缝处用强力胶粘合。
c.根据需要，聚苯乙烯板贴红、蓝或绿色不干胶纸。
2火炬柱
a.所有火炬柱均用钢或铝材制作。
b.提供了一套火炬柱的参考设计图。
各参赛队构建练习场地时，可自行设计火炬柱，只要主火炬柱能绕自己的轴自由地被动旋转即可。
2.总体方案分析与策略
2.1整体设计思想
由于本次机器人大赛是采用两参赛队对抗的方式，因此要求双方机器人无论是机器人的方案设计、选材、制作质量、机器人本身的重量控制方面，还是在比赛过程中，机器人运动的路线、定位的选择，这些相关的因素考虑都是非常关键的，直接关系到在比赛过程中能否战胜对手，取得对抗赛的胜利。
要想取得比赛的胜利，参加比赛的机器人必须在以下几个方面达到要求：
（1）功能强大为了能完成比赛规定的动作，必须具备高效、可靠的动作机构。
（2）信息处理能力强作为场上机器人，特别是自动机器人，需要按照一定的路线行进，对环境位置信息进行处理和判断，以便完成既定任务。
（3）速度快速度是抢占场上优势最重要的手段。
（4）坚固稳定机器人在场上很可能与对方机器人相撞，因此坚固的机身是获得胜利的基础，并且设计上也要考虑防止机器人倾覆的措施。
（5）可靠性高由于是电视大赛，比赛场上的情况十分复杂，各种灯光和无线电信号会干扰机器人的传感器，而比赛双方使用的大功率电机也是很大的干扰源，对机器人的单片机是很大的考验。
因此电路部分的可靠性十分重要。
（6）性价比高由于是各学校提供资金制作机器人，因此资金非常有限。
如何在现有的条件下尽可能制作出高水平的机器人，是我们需要考虑的一个重要因素。
2.2规则要点分析
本届ABUROBOCON比赛规则延续了往界比赛规则的许多要素。
其中之一就是，赛场中心的得分点是整个比赛的焦点。
中心得分点的分值明显高于其他得分点，并且由于ROBOCON比赛从来都不光以得分多少来决定胜负，而是加入了一种能够让参赛某一方立即获胜并结束比赛的机制，例如本届比赛的这种机制叫做“点燃圣火”，完成“点燃圣火”必须满足以下全部条件：
①在主火炬的绿色燃料筒和自己的燃料筒中各加入至少一个燃料球，
②在某一对角线上的两个外围火炬的自己的燃料筒中各加入至少一个燃料球，
③并且，在四个篝火燃料盘中至少各有一个自己的燃料球。
由此可见，比赛双方无论其目的是多得分还是争取“点燃圣火”，都必须竭尽全力抢占在中心火炬的主动。
图2.2-1点燃圣火条件
根据比赛规则，手动机器人可以和自动机器人同时上场比赛，而每队最多只能有一个手动机器人，自动机器人的数量不限制，但每队所有场上机器人的总重量不能超过50公斤。
由此可见，自动机器人和手动机器人的合理搭配和战术上的互相配必然会对比赛结果产生至关重要的影响。
2.3“点燃圣火”战术
回顾历届ABUROBOCON比赛，获胜的各支强队大都是以立即获胜结束比赛为目标（第一届叫做“登顶”，第二届叫“征服太空”，第三届叫“鹊桥相会”）。
这通常是最能体现比赛意图，能够完成所有既定动作并彻底击败竞争对手的方法，但同时意味着，这也是最困难的方法。
图2.3-1
第一，必须保证在中心得分点取得主动权，这是首要问题，因为无论对方的目标是“点燃圣火”还是多得分，都必然会向中心得分点发动全力的进攻。
双方在主火炬必然会发生非常激烈的对抗，要么拼速度，要么拼力量。
这样就使得我方进攻主火炬的力量丝毫不能松懈。
图2.3-2副火炬路线
第二，要在某一对角线上的两个外围火炬的自己的燃料筒中各加入至少一个燃料球，这个动作通常不能由进攻中心得分点的机器人来完成（首先速度上就无法保证），这样一来，就必须由另外的一个或两个甚至更多的机器人来完成向副火炬投燃料球的任务。
增加机器人的数量首先会增加场上机器人的总重量，而按照规则，所有场上机器人的总重量不得超过50KG。
其次，自动机器人的出发区只有1000mm×1000mm×1500mm，规则规定自动机器人在出发之前不得超过这个范围。
让多个机器人集中在这样一个区域，并且不影响各自的形状、尺寸和功能，这是十分有难度的。
而且如果对方也试图在对角线副火炬得分，那么双方副火炬机器人的路线有可能会重叠，既而有可能发生碰撞或者其他形式的互相干扰，这样就增大了比赛的不确定性。
还有一个重要的问题就是，制作机器人的数量增多，会直接导致整体制作成本的提高，而成本是我们完成整个比赛非常大的一个限制因素。
第三，要在四个篝火燃料盘中至少各放一个自己的燃料球，这个条件也比较困难。
首先篝火盘的形状比较特殊，像一个浅底的盘子，在将燃料球放到篝火盘上的时候，如果燃料球有
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