干货：机器人课程设计模版参考

创新设计结题报告[网格式的移动机器人导航] 结题报告 创新实训GROUP 14 课程成绩评价表 学号 姓名 年级专业 工作分工 成绩 20051023 机械05-4班模型建立 程序编写 论文撰写 20051027 机械05-4班模型构建 论文撰写 造型设计 20051025 整体评价性能（70%） 美观与趣味（30%） 评语： 结题报告 创新实训GROUP 14 创新是促进中国经济增长的新兴力量，对国家的技术竞争力具有重要制约。中国近年来经济增长迅速，科技也获得了较大发展，但是 现有的科技变革绝大多数是基于技术引入或模仿创新，创新很少，这 对我国推动竞争力的大幅提升提出了极大的挑战。 为了适应下一代基于科学与常识的综合国力的竞争，中国的科技 创新应尽早从纯粹引入、模仿更先进国家的科学与科技，转向推行自 主创新能力。创新的不断涌现，给我国教学研究型大学的技术发展带 来了新的契机，也对教学研究型大学的科研管理素质提出了新的挑 长期以来，我国对变革人才的培育是一个薄弱环节。传统学校培育人才的方式是单一的传授式方法：高校的专业教学被比喻为制造 线，一个专业由一系列课程组成，每门课如同一台机床，学生形同部 件，经过一系列机床，被加工成一个专业人才。

实践证明这是一种培 养专业对口人才的有效方式，但不是培养创新人才的有效方式。创新 行为必定来自于与众不同的知识结构，而唯有独特的学习模式能够构 造独特的知识结构。 学校以新观念重新设计人才培养模式，按照前瞻性和国际化的 结题报告 创新实训GROUP 14 要求，实施知识、能力、素质并重的培育方式，按照学科要求跟经济 社会演进的意愿，引导学员在开发中学习，基于网络学习，塑造创造 性人格，给予教师更大的成才空间。与此同时，学校还不断加大对教 学资源的投入，推进教育信息化进程，加快实施网络课程课堂，努力 培养更多基础宽厚、具有变革精神和素质，具有国际竞争意识的优秀 人才。 科学事业是人类的一项崇高的事业。党的十六大提出全面建设 小康社会的宏大目标，并进一步指出科教兴国战略在现代化建设中的 重要作用，为广大科技工作者和青年大学生大显身手提供了一个广阔 的天地。 全面建设小康社会需要强有力的人才跟知识支撑。有志于从事科 技创新事业的大学生朋友，要尽力学习科学常识，加强自己的变革可 力，尤其是原始性创新素养的培育，吸纳人类优秀文化的精粹，敢为 人先，敢冒风险，献身祖国的技术事业，为人类的文明跟国家的富强 做出自己的贡献。

结题报告 创新实训GROUP 14 三、方案选用跟模型建立……………………………11 四、程序编制跟程序说明 ……………………………13 五、运行结果跟实训小结 ……………………………14 鸣谢……………………………………………16 七、参考资料 …………………………………………17 八、附件一：导航机器人程序全图 九、附件二：导航机器人程序流程图 结题报告 创新实训GROUP 14 一、机器人的发展简述 曹作良教授当时帮我们作个关于机器人发展的讲座。他首先预测 了装配制造业科技变革的态势、任务、机遇和挑战，说明争取制造大 国向制造强国转变过程中，培养创新人才，提高创新素养的紧迫性； 进而介绍机电一体化技术创新的重要领域机器人的发展，概述智能机 器人、特种机器人、移动机器人和自行车的研发和应用，以及当前研 究工作的动态；并结合我院主持完成的国家自然基金、863 高技术跟 踪计划、科技部国际技术合作计划及天津市科技攻关计划工程介绍获 得省技术进步奖和国际发明专利的有自主知识产权的研究成果—— 移动机器人和自行车的全方位视觉导航科技。他介绍到移动机器人导 航是一项交叉学科的新兴科技，视觉资助导航是高新技术领域的前沿 课题，全方位视觉导航是一项带有传统的变革技术。

曹教授对于机器人发展的“微”“特”“遥”“集”“群”“智”六 字总结更是颇为精辟。 我们了解早在公元前，世界各国就出现了诸多机器人，这也就是 机器人的雏形。代表着最早的机器人。 在近代，随着第一次、第二次工业革命，各种机械装置的发明与 应用，世界各国出现了许多机器人玩具跟工艺品。这些装置大多由时 钟机构驱动，用凸轮和杠杆传递运动。 近百年来演进出来的机器人，大致历程了三个成长阶段，也即三 个时代。第一代机器人，属于示教再现型，即人手把着机械手，把要 结题报告 创新实训GROUP 14 当完成的任务做一遍，或者人用“示教控制盒”发出指令，让机器人 的机械手指运动，一步步完成它必须完成的各个动作。 20 世纪 70 年代，第二代机器人开始有了较大发展，第二代机器人则对外界环境 实用阶段，并起初普及。而且现代机器人的研究就源于20 世纪中期， 其科技背景是计算机和自动化的演进，以及原子能的研发利用。 第三代机器人是智能机器人，它除了具备感觉能力，而且还带有 独立判断跟行动的素养，并带有记忆、推理和决策的素养，因而无法 完成极其复杂的动作。中央电脑控制上肢和行走装置，使机器人的手 完成作业，脚完成移动，机器人能够用自然语言与人对话。

随着计算机科技和人工智能技术的快速演进，使机器人在功能跟 技术层次上有了巨大的提升， 目前，机器人正在处于“类人机器人”的高级发展阶段，即无论 从外形到功能而是从思维能力和成就能力方面，都向人类“进化”甚 至在这些方面大大超过人类，如计算能力跟特异功能等。类人型机器 人科技，集自动控制、体系结构、人工智能、视觉计算、程序设计、 组合导航、信息整合等诸多科技于一体。 随着现代技术的快速演进，机器人正在经历着一个从初级到高级 的跨越，它正沿着达尔文的“进化论”逐渐演进自己，壮大自己，完 善自己。 二、问题的强调跟预测 结题报告 创新实训GROUP 14 2．1 问题的强调 创新实训课程是运用乐高机器人套装设计机器人完成实训任务 的。最后我们选择的结课任务是《基于网格式的移动机器人导航》。 它要求我们自主导航机器人，并编写导航控制程序。 乐高机器人套装中包含 RCX 控制器、马达、角度传感器、光线 传感器、触动传感器、温度传感器或者近800 件打造机器人所用的基 础构件等。利用这种器件，可便于构建各种机器人。Robolab 软件是 乐高机器人编程工具，拥有图形化的编程界面；运用该工具能便利快 速的编写机器人控制工具。

自主导航机器人是指移动机器人通过传感器感知环境和自身状 态，实现在有障碍物的环境中面向目标的自主运动。 导航主要解决的难题： 通过一定的测试方法获得移动机器人在空间中的位置、方向或者所处环境的信息。 寻找一条最优或近似最优的无碰路径，实现移动机器人安全移动的模式规划。 总结一下导航面对的难题有三点：定位、建图、路径规划。 传统的导航模式： A.电磁导航（路径地下埋电缆，流过不同频率的电流，作为模式 信息） 结题报告 创新实训GROUP 14 B.光反射导航（路径上贴光反射条） C.视觉导航（实时性是关键） D.味觉导航（搜寻空气污染源和化学药品泄露源） E.声音导航（无方向性,时间分辨率高,能在黑暗中工作等特点） 前二者多用于生产市场，目前未非常成熟。 路径规划：移动机器人按照某一性能指标搜索一条从起始状态至目标 状态的最优或次最优的无碰路径。 动态模式规划：在线局部路径规划，环境信息部分以及完全未知。2．2 问题的预测 1、乐高模块： 通过前三次认真仔细的创新实训，我对乐高模块已经有了更多 的了解。乐高模块是一种优秀的技术教育产品，它将模型建立和推导 机编程有效的结合在一起，使学生无法设计自己的机器人，在计算机 上编写程序机器人教案模板，然后借助与计算机相连的红外发射器将程序下载到机器 人的大脑——RCX微型电脑，启动RCX的开关，机器人就可以完全脱 离计算机，按指令独立运动。

LOGO 电动机，可以用来驱动车轮，可以用来推动齿轮旋转； LOGO 光电传感器，可以用来认知前方光源的差异；LOGO 触动传感 器，只要接触到物体就可以借助他传输到RCX 微型电脑来改变命令； 结题报告 S.M.E]10 创新实训 GROUP 14 LOGO 齿轮，可以用来释放各种运动；LOGO 积木，可以达成各种形 状，实现多种功能。 2、实训目标： 【实训目标】 机器人导航运行环境是用白色纸带拼成的网格，网格 尺寸约 20cm，以让各类尺寸的乐高机器人都可在一格内旋转任意角 度而不出界。网格至少为 格大小。背景为黑色，这样便于光线传感器判断网格边界。 导航功能如下：机器人开始进入某一单元格中，计为（X 某些单元格中，放置障碍物。要求机器人能越过障碍物，自主规划行走路线。 【初步预测】导航机器人必须具有以下一些主要的功能： （1）行走功能，导航机器人的行走系统能由LEGO 低速电机经齿 轮传动适当组合进行减速，驱动车轮。这过程必须两个个电动机，用 来帮左右的两个轮胎提供动力，使其运动。 （2）导航机器人开始进入某一单元格中，计为（X ），由此开始运行至（X ）单元格处。在这些单元格中，放置障碍物。

要求机器人能越过障碍物机器人教案模板，自主规划行走路线，停在（X S.M.E]11 创新实训 GROUP 14 三、方案选用和建模搭建 1、导航机器人的打造。 经过上面的探讨，本次实训的任务跟目标我们完全可以用[实训 四]的小车加以改进受到。所以我们把光电传感器从新安放就得到了 本次实训的机器人。 2、光传感器的放置。 我们在原汽车前端的两边空余地方装上了两个光传感器，这是准 确判断是不是再走黑线用的。并完成坐标运算中的估算（容器值的计 GROUP14 导航机器人传感器布置 光传感器 于分辨是否有障碍物 光敏传感 器3，用来 轴计数光敏传感 器2，用来 轴计数结题报告 S.M.E]12 创新实训 GROUP 14 3、导航机器人的最后外型 右视图 俯视图 左视图 后视图 结题报告 S.M.E]13 创新实训 GROUP 14 四、程序编制和程序表明 ROBOLAB 是乐高机器人专用的编程语言，它运用图形化编程环 境，使的我们非常易于掌握，ROBOLAB 软件编程不需要识记各种句子 的格式，不需要在手机上输入词语，只要将所必须的图标逻辑性的连 接出来就可完成程序的编写。 程序的推动过程，将近用了我们实训的一半时间，因为这上面需 要考虑到太多的原因，时时都有新的想法发生。

我们只是在探索中不 断的健全我们的程序。 程序全图： 见附件1 《导航机器人程序全图》 程序流程图： 见附件2 《导航机器人程序流程图》 程序表明： 程序总体上是运用分支结构跟事件监控来完成设计所需任务 的。事件的定义跟监控主要用来防范导航机器人遇见障碍物后执行的 动作任务。 ）单元格，我们运用容器计数的方式，用蓝色容器值表示 轴，用红色容器值表示Y 轴，当光传感器2，3 每经过一次黑线后各容器自动减 轴容器值的变化，最终完成前往目标坐标的任务。 结题报告 S.M.E]14 创新实训 GROUP 14 五、运行结果跟实训小结 [运行结果]：在输入程序以后，两小组机器人按照预先的指令推动了 设计的规定。经老师查看后进行拍照、程序记录。 导航机器人在初始位 导航机器人在行进过程中的 位置（X S.M.E]15 创新实训 GROUP 14 [实训小结]：经过八个星期的学习，我们迎来了变革实训课程的结课 设计，创新实训课程已经结课。短短八个星期的学习，我感受到了巨 大的提升。对于创新实训课程跟乐高模块，我有很多的体会。 通过这次变革实训结题实训，我们出色的完成了基于黑线网格的 机器人导航任务。

当然过程中我们遇见了这些的困难，不过在同学的 帮助下我们最终还是顺利了。本次实训我们还拍摄了视频剪辑，对大 家在完成任务过程中遭遇的困难做了具体的记录，对你们来说也是一 个记忆跟宝贵的心得。 我们传统的课堂方法与教材，都倾向与就一个给定的难题，告诉 我们一个既定的答案，所以当时的我，思考问题总是照着一条思路走， 特别是针对课本上的常识，都是老师讲哪些我就接受什么。 而目前，通过这个实训，通过乐高模块，给我强调了开放性的问 题，可以使我用不同的方式达到同一项目标，这在巨大的程度上锻炼 了我的想象力、创造性和开放性思维。特别是在方案的选取和程序的 编写上，那不断的改进，都使我不断的开阔了认知。 我们的提升跟大学开设这门课程是息息相关的，我们应格外感谢 学校或者大学帮我们这么一次机会，让我们受到了锻炼，让我们充分 认识了创新素养的重要。 结题报告 S.M.E]16 创新实训 GROUP 14 六、鸣谢 我们的提升跟大学开设这门课程是息息相关的，我们应格外感谢 学校或者大学帮我们这么一次机会，让我们受到了锻炼，让我们充分 认识了创新素养的重要。 另外应格外感谢武刚老师在整个过程中予以的指导和帮助，老师 总是耐心给我们讲解很多常识，特别是在我们遇见困难的时侯，总是 热情的启发我们去缓解，使我们成功完成了机器人的设计跟编程，也 让我们充分发挥了我们的创新能够。

还要感谢李辉同学提供了数码相机，为我们拍相片，和拍摄实训 过程。造型专业王耀民同学对我们视频做的非专业级别的剪辑。 [键入文档的引述或关注点的摘要。您能将文本框放置在文档中的任何位置。可使用“文本框工具”选项卡更改重要引述文本框的格式。] S.M.E]创新实训 GROUP 14 七、参考资料 结题报告 S.M.E]创新实训 GROUP 14 刘全良.基于LEGO的工程创新设计.北京：机械工业出版社，2006.3 .机械创新设计.北京：高等教育出版社,20004，乐高教育部门： Robolab的官网网站： http://conexiones.asu.edu/research.html7,Everything 在LEGO： LEGOUsers Group Network: http://graphics.stanford.edu/kekoa/rcx/index.html结题报告 S.M.E]创新实训 GROUP 14