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竞赛机器人设计与实践

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《比赛机器人设计与实际》是由科学出版社出版的。

目录

第1章 绪论
1.1 机器人比赛的发展
1.2 机器人比赛的特点
1.3 机器人比赛的分类
1.4 机器人比赛的场地及环境
1.5 机器人比赛的请求
1.6 评分标准
1.7 比赛机器人的构成

第2章 比赛机器人的机械构造设计
2.1 机械构造设计软件Pro/ENGINEER
2.2 机械整机设计的个别准则及步骤
2.3 传动方法及通用零部件
2.4 工具筹备
2.4.1 锯切工具
2.4.2 打孔工具
2.4.3 夹持定位工具
2.4.4 划线工具
2.4.5 螺丝刀
2.4.6 常用机床
2.5 常用材料
2.5.1 铝
2.5.2 轻木头
2.5.3 碳纤维
2.5.4 HDPE
2.6 比赛机器人挪动方法的抉择
2.7 电机抉择
2.7.1 滚动惯量的物理定义
2.7.2 滚动惯量与转矩的关联
2.7.3 负载惯量的打算
2.7.4 机构经加速或减速后负载惯量的打算
2.7.5 负载转矩的打算
2.7.6 伺服电机的选用
2.7.7 步进电机的选用
2.7.8 单位换算
2.7.9 电机选用实例

第3章 驱动与把持
3.1 直流电机的构造特点
3.2 PWM功率放大电路
3.2.1 直流电机的驱动
3.2.2 PWM功率放大原理
3.2.3 标准的PWM功率放大器
3.2.4 集成PWM功率放大器
3.3 直流电机的伺服把持
3.3.1 伺服体系的个别构造
3.3.2 全数字伺服体系
3.3.3 伺服体系的数字PID算法
3.3.4 利用集成电机把持器构成的电机伺服体系
3.3.5 多轴电机活动把持器简介
3.4 步进电机把持
3.4.1 步进电机的驱动
3.4.2 步进电机的单极性驱动
3.4.3 步进电机的双极性驱动
3.4.4 步进电机的细分驱动
3.4.5 步进电机的驱动电路举例
3.5 舵机驱动与把持
3.5.1 舵机的构造及工作原理
3.5.2 舵机的驱动电路
3.5.3 舵机的把持电路

第4章 无线遥控收发安装
4.1 无线遥控的基本原理
4.2 无线遥控收发模块
4.2.1 无线遥控接收模块
4.2.2 无线遥控发射模块
4.3 无线遥控收发安装原理及利用
4.4 遥控间隔为1000m的三通道无线遥控器的调试

第5章 电源
5.1 电池
5.1.1 一次性电池
5.1.2 蓄电池
5.2 电池的选用方法
5.3 充电器/放电器
5.4 CPU用5V电源电路

第6章 机器人的感到
6.1 五官与传感器
6.2 感知与意识
6.3 机器人的传感器
6.4 开关
6.5 巡线传感器
6.5.1 红外光电反射式传感器
6.5.2 辨色传感器
6.5.3 安装与调试
6.5.4 加大检测间隔的方法
6.5.5 由反射光的强度检测间隔
6.6 超声波传感器
6.6.1 超声波传感器的原理
6.6.2 超声波间隔传感器的利用举例
6.7 旋转编码器
6.8 陀螺
6.9 加速度传感器

第7章 材料分选机器人设计案例
7.1 比赛的基本介绍
7.1.1 比赛场地及道具
7.1.2 机器人设计与器材请求
7.1.3 比赛过程
7.1.4 计分跟成绩评定方法
7.1.5 比赛要点
7.2 机械构造设计
7.2.1 机构总体打算抉择
7.2.2 取料器
7.2.3 乒乓球分选机构及过程
7.2.4 方块分选机构及过程
7.2.5 巡线底盘
7.3 电子部分设计
7.3.1 供电模块
7.3.2 单片机最小体系
7.3.3 传感器电路
7.3.4 舵机接口电路
7.3.5 电机驱动及接口电路
7.3.6 八段码显示电路
7.3.7 红外线接口电路
7.3.8 RS-232串行通信接口
7.3.9 把持板测试电路
7.3.10 总把持板
7.4 开发软件
7.4.1 KEIL C简介
7.4.2 KEIL C的利用
7.5 STC_ISP_V3.91程序烧写软件
7.6 软件设计
7.6.1 挪动模块的巡线程序设计
7.6.2 机器人方向把持程序设计

第8章 搬运比赛机器人设计案例
8.1 大赛基本介绍
8.1.1 比赛内容
8.1.2 比赛场地及道具
8.1.3 机器人设计与器材请求
8.1.4 比赛过程
8.1.5 评分标准及方法
8.1.6 比赛要点
8.2 底盘
8.2.1 机械构造
8.2.2 电子部分
8.3 主动机器人
8.3.1 机械构造
8.3.2 电子部分
8.3.3 程序
8.4 手动机器人
8.4.1 机械构造
8.4.2 电子部分
8.4.3 程序

第9章 “飞思卡尔”杯全国大学生智能汽车比赛
9.1 基本介绍
9.1.1 比赛请求
9.1.2 整车设计思路
9.2 总体打算
9.2.1 体系总体打算的选定
9.2.2 体系总体打算的设计
9.3 智能车机械构造优化
9.3.1 智能车的整体构造
9.3.2 智能车机械机构调剂
9.3.3 智能车后轮减速齿轮机构调剂
9.3.4 智能车转向机构调剂优化
9.3.5 其余机械构造的调剂
9.4 电路设计
9.4.1 道路检测单元
9.4.2 电源管理单元
9.4.3 车速检测单元
9.4.4 电机驱动单元
9.4.5 无线调试单元
9.5 软件设计、把持策略及算法
9.5.1 总体程序设计
9.5.2 弯道策略分析
9.5.3 舵机转角把持打算
9.5.4 电机驱动把持打算
9.5.5 激光扫描打算
9.5.6 路况检测打算
9.6 体系调试
9.6.1 开发调试工具
9.6.2 仿真调试
9.7 赛车参数

文摘

第1章 绪论
1.1 机器人比赛的发展
机器人是人工智能范畴与机器人范畴的基本研究学科,是一个极富挑衅性的高技巧密集型名目。它波及的重要研究范畴有:机器人学、机电一体化、单片机、图像处理与图像辨认、常识工程与专家体系、多智能体和谐及无线通信等。机器人岂但在科学研究方面存在深远的意思,而且是一个很好的教养平台。通过机器人,学生可能将实际与实际周到地结合起来,进步着手才能、发明才能、合作才能跟综合才能。目前国度所倡导的素质教导中,才能培养是核心。机器人供给了一个对学生的才能进行培养的大舞台。为了推动机器人技巧的发展,培养学生的翻新才能,每年在全世界范畴内都会举办一系列的机器人比赛。最早的机器人比赛是机器人足球比赛,这个主意是1995年由韩国科学技巧院(KAIST)的金钟焕(Jong-HwanKim)教养为了发展多智能体技巧而提出的。1996年11月,他在韩国政府的支撑下举办了首届世界杯微型机器人足球比赛(即FIRAMiroSot’96)。目前,国际上最具影响力的机器人足球赛是FIRA跟RoboCup两大世界杯机器人足球赛,这两大比赛都有严格的比赛规矩,融趣味性、观赏性、科普性为一体,为更多的青少年参加国际性的科技活动供给了良好的平台。FIRA(FederationofInternationalRobot-SoccerAssociation)是国际机器人足球结合会的缩写,该组织于1997年第二届微型机器人锦标赛(MiroSot’97)期间在韩国成破。FIRA每年举办一次机器人足球世界杯赛(FIRARobot-SoccerWorldCup),简称FIRARWC,至今已经分辨在韩国、法国、巴西、澳大利亚、中国等国先后举办了15届赛事。网址为http://www.fira.net/。比赛名目重要包含:半自主型机器人足球(MicroSot)、全自主型机器人足球(Robot-Sot)、仿真机器人足球(SimuroSot)、超小型半自主机器人足球(NaroSot)、超小型全自主机器人足球(KheperaSot)、类人机器人足球(HuroSot)。RoboCup机器人足球比赛品种包含:11对11仿真组比赛、5对5小型机器人组比赛、小型机器人组标准比赛(每队11人)、中型机器人组比赛、Sony四腿机器人比赛。RoboCup(RobotWorldCup)是一个国际性组织,1997年成破于日本。RoboCup以机器人足球作为核心研究课题,通过举办机器人足球比赛来促进人工智能、机器人技巧及相干学科的发展。RoboCup的终极目标是在2050年成破一支完全自主的拟人机器人足球队,可能与人类进行一场真正意思上的足球赛。网址为http://www.robocup.org/。比赛名目重要有:打算机仿真比赛(SimulationLeague)、小型足球机器人赛(Small-SizeLeague)、中型自主足球机器人赛(Middle-SizeLeague)、四腿机器人足球赛(Four-LeggedRobotLeague)、拟人机器人足球赛(HumanoidLeague)等名目。除了机器人足球比赛,RoboCup还举办机器人抢险赛(RoboCupRescue)跟机器人初级赛(RoboCupJunior)。机器人抢险赛是研究如何将机器人应用到实际抢险救济当中,并盼望可能通过举办比赛在不同程度上推动人类实际抢险救济工作的发展。比赛名目包含打算机模仿比赛跟机器人比赛两大系列。近多少年还增加了水中机器人巡游比赛、技击擂台比赛、机器人游中国比赛、家庭服务机器人比赛、双足机器人竞步比赛、跳舞机器人比赛、医疗与服务机器人比赛、助老机器人比赛等。同时,为了激发青少年的学习兴趣,在1999年12月成破了一个专门组织中小学生参加的分支赛事――RoboCupJunior。无论是机器人足球比赛系列,还是机器人抢险赛,都重要缭绕一个主题进行。在国际上,除了这些机器人单项比赛之外,还有把各项机器人比赛组合在一起的比赛系列,即机器人综合比赛。这些比赛重要包含国际机器人奥林匹克比赛跟FLL世锦赛。
1.国际机器人奥林匹克比赛
国际机器人奥林匹克委员会(IROC)是一个非营利性的国际机器人组织,成破于1998年,总部设在韩国。IROC从1999年开端组织首届“国际机器人奥林匹克比赛”,这是一项将科技与教导目标融为一体的亚太地区的比赛,目标是为了使青少年有更多机会参加国际科技交换活动、展示本人的才干跟才能,激发他们对科技跟机器人间界的不懈摸索。迄今为止,已经持续在韩国及中国香港、北京等地举办了六届比赛。赛事网址为http://www.wroboto.cn/,比赛分为惯例赛与创意赛,惯例赛(RegularCategories)的比赛名目如下:小学组(12岁以下)(JuniorLeague)、挑衅组(13~8岁)(ChallengeLeague)、成人组(19岁以上)(RobotLeagueCategories)、机器人轨迹赛(RobotLineTracing)、机器人爬楼梯(只向上)[StairClimbingRobot(Uponly)]、机器人生存挑衅赛(RobotSurvivalGame)、有腿机器人妨碍赛(LeggedRobotObstacleRace)、机器人爬楼梯(StairClimbingRobot)、机器人足球(FIRARobotSoccer)、视觉机器人救济赛(Vision-RobotRescueOperation)、机器人篮球(RobotBasketball)、机器人拳击(RobotBoxing)、机器人马拉松(RobotMarathon)、机器人均衡赛(RobotBalancingBeam)、机器人跳舞(RobotDancing)、机器人举重(RobotWeightLifting)、微型机器人足球5对5(RobotSoccer,MicroSot5vs.5)、拟人机器人足球(RobotSoccer,HuroSot)。
2.FLL世锦赛
FLL(FirstLegoLeague)是另一项综合的机器人比赛。FLL是一个为全世界9~16岁的孩子供给机器人比赛的国际性组织。每年秋天,大赛组委会将同一在寰球颁布本年度的FLL挑衅赛主题,以及按照主题细化的具体比赛名目,参赛队要在任务颁布后的两个月时光内设计出可能实现任务的机器人,参加区域提拔赛,优胜者可能进入寰球决赛。FLL每年的挑衅主题都不同,有的是根据实际问题提出的,有的是领导孩子们进行科幻设想的。这些主题不仅有趣,而且供给开放性的问题解决打算,学生可能用不同的方法达到同一名目标,从而鼓励学生充分发挥设想力、发明力,培养学生的开发性思维。可见机器人比赛已经成为一个能激发孩子们的学习兴趣、领导他们踊跃摸索未知范畴的良好平台。FLL的比赛名目还包含惯例赛、足球赛、打算机机器人创意设计与着手做比赛等。FLL的网址为http://www.firstlegoleague.org.cn/。国内比较有名的机器人比赛是亚太大学活力器人大赛提拔赛,它是中心电视台少儿频道的品牌赛事,已经成功举办了多次,这项赛事于2002年由亚洲太平洋地区播送电视(ABU)倡导,每年举办一次,以提拔国内冠部队参加亚太地区桂冠的争夺。网址为http://space.tv.cctv.com。跟着高职类学生综合才能的始终晋升,这多少年国内持续举办了多少次高职类的机器人比赛,比较有名的分辨是2008年7月在天津举办的“全国职业院校技能机器人大赛”跟2011年“全国职业院校技能大赛――机器人技巧利用赛”,赛事难度与亚太机器人大赛并驾齐驱。此外,还有飞思卡尔智能车大赛,吸引了众多的大学参加,赛事网址为http://www.smartcar.au.tsinghua.edu.cn/。本书以材料分选机器人、搬运比赛机器人跟竞速类的飞思卡尔智能车大赛中的机器人为例具体介绍比赛机器人的设计过程。
1.2 机器人比赛的特点
具体地说,机器人比赛存在以下特点。
(1)比赛范围始终扩大。FIRA1996年举办第一届赛事时,只有来自10个国度的23个参赛队参加,发展到2002年第七届时,已经有25个国度的207支代表队参赛。国内高职机器人大赛2008年时只有30支步队参加,到2011年时已扩大到80多支步队。无论是参赛的人数,还是参赛的国度,都充分显示了机器人比赛的勃勃活力以及在全世界范畴内的遍及程度。
(2)比赛名目始终完美。1996年第一届FIRA只有微型机器人足球赛一项比赛,发展到当初,已经扩大到六个比赛系列。名目设置由少到多的变更既可能给更多品位的参赛选手供给比赛机会,又可能从多角度推动各个相干学科技巧的发展。
(3)比赛的影响力始终加强。在机器人比赛的同期,各个组委会都会举办各种机器人展览、相干论坛,各种论坛旨在为参赛选手及专家供给一个交换教训、彼此学习的平台,并对机器人及其相干技巧的发展以及机器人在娱乐、教导、服务等各范畴的利用起到推动作用。因此,每届比赛都会吸引各国科学家、科研人员、学生跟企业界人士的独特参加,机器人比赛的影响力也相应得到进步。
(4)推动技巧进步。机器人比赛对机器人技巧及其相干学科范畴的发展起到了明显的推动作用,这在机器人足球系列比赛上表示得更加明显。比方,机器人足球比赛对机器人的视觉功能请求非常高,机器人设备的显卡机能越好,机器人的辨认速度就越快,活动速度也就越快,这样才干获得比赛的成功,这极大地促进了视觉技巧的发展。在1996年FIRA第一届比赛的时候,大部分参赛队所用显卡的工作频率是10帧/s,机器人的活动速度也仅在50cm/s;仅仅两年之后的FIRA第三届世界杯时,显卡的频率就达到了60帧/s,机器人的活动速度也相应晋升到2m/s,技巧指标翻了多少倍。机器人比赛实际上是高技巧的对抗赛,侧面反应了一个国度信息与主动化范畴基本研究跟高技巧发展的程度。机器人比赛使研究人员可能利用各种技巧,获得更好的解决打算,反过来又促进各个范畴的发展,这也恰是发展机器人比赛的深远意思,同时也是机器人比赛的魅力所在。
(5)促进学校教导。机器人足球系列比赛以推动技巧进步为重要着眼点,而其余综合性的比赛则更加侧重于教导意思。以FLL为例,FLL的每个参赛队在每年的工程挑衅赛主体颁布之后,大概有8个礼拜的时光来做筹备工作,具体包含分析比赛标题、设计解决打算、用乐高的配件搭建智能机器人模型、编写程序、反复调试程序、优化程序跟机器人构造,使机器人可能实现挑衅赛的任务。在这8个礼拜的时光里,学生要想实现任务,就必须在互联网上收集材料、向专家求教问题、到藏书楼查阅材料以及与其余搭档交换跟探讨问题等,这同时也是一个面对实际问题、解决艰苦、克服妨碍的过程。因此,学生除了学到了机器人相干常识之外,还可能在自尊心、沟通才能、着手才能等方面得到必定的进步,而这也恰是FLL以及其余机器人比赛所要达到的目标之一。
1.3 机器人比赛的分类
1.按比赛类型来分
(1)竞技类。这类名目个别由人形机器人参加,包含短跑、点球、避障、搬运、举重、投球等。①短跑比赛的目标是在一系列比赛中机器人尽可能快地实现从出发点挪动到终点。②点球比赛中,机器人必须濒临球并将放在球门区内将球踢进球门,其余队的机器人个别作为守门员。③避障名目类似于短跑比赛,机器人必须尽快地从场地一端移到另一端。然而在该项比赛中,一些妨碍物摆放在场地上,机器人必须绕过或爬过妨碍物并达到终点。④负重跑名目考验机器人的动态均衡才能。个别会在机器人身上固定一个小筐,机器人始终地从一块不平坦地面上来回挪动,每通过一次在小筐里增加一些分量,直到不能通过该地面为止,打算负分量,负分量最多的为获胜者。⑤举重名目考验机器人举起、均衡重物的才能。⑥投球名目是一个机器人进行比赛,但在将来会有多个机器人进行比赛。在比赛中,机器人将球投进带色彩的目标里。⑦足球名目在比赛中是一个团队名目。每队个别由两到三名机器人队员组成。
(2)表演类。这类比赛个别有弹琴、千手观音、街舞等名目,评委将从机器人设计、创意、舞步编排、动作复杂度、跳舞跟音乐的和谐等方面进行综合评分。
2.按机器人的构造情势分
(1)人形机器人。人形机器人比赛名目是最近多少年跟着人形机器人技巧的发展才发展的,个别参赛的机器人请求外形与人类类似,有时是全类人型,有时是双足型,如图1.1所示。
(2)多足式机器人。多足式机器人如图1.2所示。
(3)轮车式机器人。轮车式机器人如图1.3所示。
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