慧鱼机器人的研究及其发展

慧鱼机器人的研究及其发展文献综述机械基础教学是机械工程教育的重要内容,在人才培养中占有基础性和广泛性的重要地位。创新能力的培养是机械类人才培养的重要环节。介绍了机械基础创新性实验平台建设的主要内容、机械基础创新性实验教学内容与体系的改革,以及创新性实验项目的实施与管理办法。机器人课程的教学与实验中存在的不足，以慧鱼模型为教具，探讨了慧鱼模型在机器人课程实验中的应用方案与实践过程，阐述了进行机器人实验改革的一些收获。慧鱼模型在机器人实验教学中的应用，对培养学生创新思维和动手能力提供了一个良好的载体，为大学生的创新教育提供了一条新的途径。一、机械创新实验中慧鱼机器人的发展1、创新性实验平台建设指导思想及内容先进的教学理念、合理配套的教学体系、高水平的师资队伍是创新性实验平台建设的必要条件。我校实验教学体系建立的指导思想是/激发兴趣,夯实基础,加强综合,引导创新,自我发展0[2]。在/以学生为本、以能力培养为核心,树立融知识、能力、素质协调发展0的教育教学理念指导下,机械基础实验教学中心以国家一级重点学科)))机械工程为依托,以承担的一批国家级、省部级教育教学改革项目的研究成果为支撑,确立了不断深化实验教学改革、培养学生工程素养和创新实践能力、全方位推进素质教育的指导思想,改革机械基础实验教学体系、教学内容和课程体系。实验教学中心构建了多层次、模块化的/1+30的机械基础实验教学体系,即1个集成化的感知实验群加上基本型、综合设计型及研究创新型3个层次的实验群,实现项目菜单化、内容层次化、实验自主化和管理信息化。数字化设计与制造创新子平台由虚拟设计与制造实验室、逆向工程实验室等组成,依托自主研制开发的/基于Web和VR的产品异地协同设计与虚拟装配系统0以及COMET400非接触式三维光栅扫描仪、图形工作站等硬件设备,开设了多个不同层次的实验项目,从基础层的感知实验、提高层的个性化开放实验和研究创新性实验、毕业设计到研究生阶段的进一步深入研究,实现了贯通式训练,培养学生严谨勤奋的学风、主动获取知识的能力、对学术研究的兴趣以及关注学术前沿的品格。创新实验项目包括基于Web的产品虚拟定制设计、利用虚拟现实立体显示技术的产品动态仿真、滑动轴承三维压力分布的实时交互式动态可视化、语音识别技术在虚拟设计中的应用等。2、移动机器人实验创意组合实践如何利用慧鱼模型进行机器人的创新实验，如何能使学生的创意得到很好的发挥，是在进行实验课程之前值得认真思考的问题。东北林业大学工程技术机器人创意实验室通过实施模仿、改进和创新三个阶段,完成慧鱼模型组合的三个过程，取得了良好的实践效果。下面以移动机器人创意实验为例，介绍慧鱼模型在进行机器人实验教学改革的实践过程：1）基本知识的准备。首先引导学生熟悉慧鱼模型的各个模块功能，复习机器人技术、传感器、微机原理和RoboPro编程等一些基本知识，为进行机器人创意实验设计打下基础。2）主要实验器材的准备。各实验小组准备慧鱼移动机器人组合包一套、慧鱼专用电源一套、PC机一台、RoboPro软件一套、智能接口电路板一块。3）题目拟定。起初学生对慧鱼模型不了解，首先由老师确定题目：运行小车。采用两个传感器检测所行距离，含有一个接触开关和一个脉冲齿轮，脉冲齿轮连接到电机的减速轴上，使得电机开关启动四次。要求学生通过计算所有脉冲边沿，使运行小车能够实现以边长为一米的正方形轨迹行走功能。该题目集机、电、控制、传感技术和机器人技术为一体，构思与组装具有一定的创意。4）方案的改进阶段。在运行小车制作完成之后，启发学生在此基础上进行改进，制作一个类似于工厂AGV车的踪轨迹机器人。学生通过了解AGV小车的运行原理，采用黑色胶带作为轨迹，车身下安装光电传感器，当传感器反射出黑线，马达就会做出相应的反应。在实验过程中，应注意轨迹的转弯不能太急，否则机器人会出现因看不到轨迹而频繁偏离轨迹的现象。同时，为了保证传感器功能的准确性，应保证轨迹有足够的亮度。5）方案的创新阶段。要求学生开动脑筋，依据自己的想法组合出新的移动小车。有的同学根据追踪轨迹机器人的运行原理，又增加了新的功能，设计出寻光避障机器人，该机器人将寻光和避障的功能结合起来。首先，机器人寻找光源，发现光源，进行跟踪，如果探测到妨碍其前进的障碍物，识别障碍的功能将开始起作用，当障碍全部扫光，机器人继续寻找光源前进。该方案将进行寻光功能的光电传感器连接到两个输入端，当模型向左右旋转时，采用接触传感器计算脉冲。该任务主要分成三部分：检测机器人是否看到光。3、应用慧鱼模型进行机器人实验教学的收获通过利用慧鱼模型进行机器人实验教学改革，得出一些收获与经验：1）由于慧鱼模型的自身特点，通过模型的搭建和组装，提供了一种特殊的学习模式，即一边动手制作，一边学习相关知识，在机器人制作过程中，每时每刻都会出现新的问题，明确的目标激发学生主动去寻找答案，培养学生的动手能力、解决实际问题能力和创新设计能力。而且，由于慧鱼模型要求学生完成创意设计，许多内容超出教材甚至超出教师的知识范围，因此必然敦促教师自身的再学习和提高。有了教学实践中师生共同探讨问题的经历，学生有问题愿意找老师答疑和探讨，可形成一种互相学习、互相促进的新型师生关系。2）在进行慧鱼模型的组装和创意过程中，应以学生动手实践为主，教师为辅。教师不要过多地干预学生的思维，给学生充分思考和创新的空间，尽量创造一个使学生的潜能得以充分发挥的环境，使学生的特长得以展示，能力得以提高，而且逐渐养成“不墨守成规，不拘泥于传统”的思维习惯。3）教师应用最简洁的方法教会学生使用慧鱼控制软件，避免学生在软件上遇到过多的障碍。由于实验课的课时有限，教师应将准备工作做好做细，将软件的使用方法和要点提前向学生讲授，使学生在软件学习上不要花费太多的时间，重点将程序编制中对学生创新思维和创新能力的培养放在程序的逻辑关系、时间分配和控制方法上。4）加强慧鱼零件的管理。慧鱼模型在使用的过程中，普遍存在着一个问题：慧鱼构件种类繁多，形状细小，容易出现丢失的现象。在实验课中，如果构件使用不当或管理不严，经常会出现损失和丢失构件的现象，而且有的构件一套组合包中就只有一个，在这种情况下，无法从厂家购买一个或两个单独的构件，可能会出现为购买一个构件而需要购买整套模型的现象。因此，在进行慧鱼创意组合实验课之前，应思考如何有效地管理慧鱼构件的问题。二、机械创新实验中慧鱼机器人（具体）的研究1、控制六足仿生机器人三角步态的研究步态是行走系统的迈步方式,即行走系统抬腿和放腿的顺序。由于开发步行机器人的需要,McGhee在1968年总结前人对动物步态研究成果的基础上,比较系统地给出了一系列描述和分析步态的严格的数学定义。之后各国学者在四足、六足、八足等多足步行机的静态稳定的规则周期步态的研究中取得了很多成果。这些成果包括各种步态特点及分类,如三角步态、波动步态、自由步态、跟随步态、步态参数及其相互关系等,但这些研究很多都局限在步态分析的圈子里,其中很多研究成果并不考虑具体的实现。本文基于仿生学原理,利用德国慧鱼公司的仿生机器人组合包搭接出六足步行机器人,实现了三角步态理论。1）六足仿生机器人的三角步态运动原理六足纲昆虫(蟑螂。蚂蚁等)步行时,一般不是六足同时直线前进,而是将三对足分成两组,以三角形支架结构交替前行。身体左侧的前、后足及右侧的中足为一组,右侧的前、后足和左侧的中足为另一组,分别组成两个三角形支架。当一组三角形支架中所有的足同时提起时,另一组三角形支架的三只组原地不动,支撑身体并以中组为支点,前后胫节的肌肉收缩,拉动身体向前,后足胫节的肌肉收缩,将虫体往前推,因此身体略作以中足为支点的转动,同时虫体的重心落在另一组三角形支架的三足上,然后再重复前一组的动作,相互轮换周而复始。这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来,因为重心总是落在三角支架之内。这就是典型的三角步态行走法。三角步态(或交替三角步态),是时的波形步态,运动时六腿呈两组三角形交替支撑迈前进。其行走轨迹并非是直线,而是呈之字形的曲线前进。对于六足步行机器人Mike,采用的是三角步态实现静态步行。如图3所示的1,4,5腿一组,2,3,6腿形成另一组,两组腿协调运动,从状态(a)中2,3,6腿支撑的复位状态到1,4,5腿支撑的初始状态。首先是摆动腿提起并向Mike本体前进方向运动一个步长(b);然后摆动腿变成支撑腿并支撑着Mike本体向前运动一个步长(c),以后是摆动腿继续向前(d),接着变成支撑腿使�机体向前运动一个步长(e)。从图3看脚底在水平面的投影似乎是不规则的,这时小腿提起,骸关节向前摆动时,膝关节固定,足端轨迹必是一曲线,但这和图1并不矛盾,因为运动过程中步态三角形没有变形,因此是协调的,运动过程中,重心位于支撑三角形内,因此也是稳定的。设步态三角形三点的水平面坐标为A(xa,ya),B(xb,yb),C(xc,yc),机器人Mike本体重心在坐标原点上。Mike朝前进方向运动一个步长L1后,支撑三角形变为ABC,如图4所示。Mike再向前运动一个步长后,其机器人重心仍落在ABC内,则为稳定的步态三角形,否则为不稳定的步态三角形。在三角步态中,若步态三角形在运动过程中是不变形的,则称此时的位置是协调的。2）六足仿生机器人步态的参数描述McGhee于1968年首次定义了步行运动中的步长、支撑因子和相位等运动等参数,认为任何步态可通过各腿的落脚运动的滞后相位和各腿的支撑时间因子的概念来描述,并为步态研究提供了数学基础。六足仿生机器人的步态是行走系统抬腿和放腿的顺序。步行机器人的腿可以看作两状态器件,腿的悬空相(Transferphase)指腿抬高地面的阶,悬空相状态记为1。腿的支撑相(supportphase)指腿支撑在地面并推动机体向前运动的阶段,支撑相的状态记为0。运动周期步态T指周期步态中某一腿运动一个完整循环所需要的时间。周期步态指各腿的运动周期相同,且任一腿的运动周期不随时间而变化。有荷因数(dutyfactor)指腿i支撑在地面上的时间占整个运动周期的比例i=腿i的支撑时间腿i的周期=tpiT若,i=,i=1,2,,2k(2k为总足数)则步态称为规则步态(regulargait)。腿i的相对相位,指第i足的触地时刻相对于第一足的延时在一个运动周期中的比例:i=ti-t1T,0i12、机械手远程操作实验嵌入式控制系统1）机械手远程操作嵌入式控制系统的硬件结构该机械手具有三维运动功能：主体机架水平旋转运动，横臂水平伸缩运动及横臂垂直升降运动。另外还可以控制横臂前端钳子的开合，可用于夹起工件。每个运动机构都由一个步进电机作为动力源，也就是说机械手各个方向的运动都使用步进电机来实现。其中涡轮/蜗杆机构的传动比为1：58，丝杠螺距为4毫米。步进电机与丝杠之间的减速器的传动比为1：60。本系统设计的开发板原理图如图2所示。基于LabVIEW的慧鱼机器人控制，实际上是应用LabVIEW对慧鱼接口板编程来控制模型运动。只要遵循其串行通讯协议，应用LabVIEW串口通信功能，正确使用VISA函数，就能快速、高效地开发出界面元素丰富、交互性良好的机器人控制程序，并且有很好的扩展性，对于慧鱼创意组合模型组装的各类机器人都可以在此基础上进行扩充，从而为LabVIEW学习和慧鱼机器人控制提供了一种具有推广价值的新方法。参考文献【1】唐东炜安军肖周勇基于LabVIEW的慧鱼机器人控制系统设计佛山科学技术学院广东佛山5280002008-08-29【2】王培俊a,张文桂b,吴鹿鸣a,陆天炜a,卢存光a机械基础创新性实验平台的建设与思考西南交通大学a.机械基础实验教学示范中心;b.实验室及设备管理处,四川成都6100312009-01-08【3】辛颖薛伟王剑狄海庭基于“慧鱼模型”的机器人课程实验教学改革探索东北林业大学工程技术学院，黑龙江哈尔滨1500402009年4月13日【4】万佑红,蒋国平.机器人教育与大学生创新能力培养的探索.电气电子教学学报,2005,27(4):6-8.【5】向丹1,2杨永2罗国娟机械手远程操作实验嵌