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機器人實驗室范文第1篇

關(guān)鍵詞：涂料；噴涂機器人；結(jié)構(gòu)原理；發(fā)展趨勢

中圖分類號： TP242.2 文獻標識碼：A DOI：10.11974/nyyjs.20160132012

1 引言

隨著城市化的普及，人們經(jīng)濟收入的增加，生活水平的提高，人們對汽車的需求及購買力度越來越大，汽車需求量飛速增長，汽車車身涂裝是汽車制造中主要的生產(chǎn)工藝之一，它不僅能夠提高汽車產(chǎn)品的耐蝕性，延長汽車使用壽命，它還最直接地體現(xiàn)了汽車外表面顏色、光澤和亮度等質(zhì)量的優(yōu)劣，是人們對汽車質(zhì)量最直觀的評價[1]，所以它對汽車市場競爭力有著最直接的影響。在這種需求的驅(qū)動下，研究汽車涂料具有很大的現(xiàn)實意義。實驗室汽車噴涂機器人是根據(jù)生產(chǎn)線上的需求來模擬噴涂效果，是研發(fā)供生產(chǎn)線上使用涂料的重要設(shè)備。

2 汽車噴涂機器人的發(fā)展現(xiàn)狀

在國外，20世紀60年代末，挪威Trallfa公司發(fā)明了歷史上第1臺噴涂機器人，隨著時間的推移，國外機器人噴涂技術(shù)已相當成熟。例如瑞士的 ABB 、日本的安川 MOTOMAN 和 FANUC、德國的 KUKA、法國的史陶比爾以及美國的 ADEPT是世界上處于領(lǐng)先的噴涂機器人。其中瑞士ABB 公司生產(chǎn)的靜電噴涂機器人最為著名。ABB公司在噴涂機器人設(shè)計制造方面具有豐富的經(jīng)驗，除此之外ABB公司還有其他的噴涂技術(shù)，所以ABB公司的產(chǎn)品被汽車行業(yè)廣泛使用[2-4]。

在國內(nèi)，噴涂機器人起步比較晚，于1990年前后，北京機械工業(yè)自動化研究所機器人中心開始了對噴涂機器人的研究，我國研究機器人是在國外研究的基礎(chǔ)上進行的，在此過程中還研發(fā)了不少周邊技術(shù)。2000以年來由于國內(nèi)汽車發(fā)展迅速，許多制造公司也在設(shè)計制造我國自己的噴涂機器人，在此同時國外的MOTOMAN公司與我國北京首鋼集團合作；瑞士ABB公司在京滬建立分公司，以銷售噴涂機器人和工業(yè)機器人為主[5-8]，目前噴涂機器人已經(jīng)是我國需求最多的機器人之一，而我國在這方面相對落后，目前來看，我國大部分都是采用的國外的噴涂機器人，有的照搬國外的生產(chǎn)線，還存在維修，保養(yǎng)等問題，從而影響噴涂的發(fā)展。所以，設(shè)計制造出我國自己的噴涂機器人是非常迫切和必要的[9]。

3 實驗室噴涂機器人結(jié)構(gòu)及原理

3.1 實驗室噴涂機器人的的整體結(jié)構(gòu)

實驗室噴涂機器人的主要結(jié)構(gòu)分為6個部分如圖1所示： ①主體機 ②中控機 ③送料倉（升降艙）④轉(zhuǎn)向頭（1.旋杯，2.噴槍）⑤背板 ⑥X軸滑道。

3.2 汽車涂料實驗機的工作原理

常見的涂料噴涂機構(gòu)：依據(jù)涂料霧化的原理可分為噴槍和旋杯2大類。依據(jù)加電的方式還可以分為內(nèi)部加電和外部加電2大類。其中最常用的噴涂類型有：手工噴槍噴涂，手工高流量低氣壓氣噴槍HVLP的噴涂，手工靜電噴槍噴涂，自動涂料實驗機氣噴槍，間接加電旋杯（水性色漆）噴涂，直接加電旋杯（溶劑型色漆或水性色漆）噴涂等。

3.2.1 汽車實驗機噴槍的工作原理

氣噴槍的工作原理是利用大流量的霧化空氣把油漆霧化成小液滴，利用壓縮空氣控制油漆小液滴和噴涂扇面的大小達到精確控制噴涂的目的。噴嘴的結(jié)構(gòu)如圖2。

為了獲得良好的噴涂效果，噴槍噴嘴的尺寸和合適的頂針的選用取決于涂料的類型，不能超出規(guī)定的最大的出漆量如表1。

3.2.2 汽車涂料實驗機旋杯的工作原理

旋杯是通過高壓空氣驅(qū)動高轉(zhuǎn)速氣馬達，由驅(qū)動帶動杯口帶有齒紋的高速旋杯來霧化涂料。在此同時控制旋杯周圍的成形空氣來控制漆霧扇面的大小，以達到精確控制噴涂的目的。旋杯的結(jié)構(gòu)原理圖3。

4 噴涂機器人的發(fā)展趨勢

4.1 適應性發(fā)展趨勢

為了追求最好的噴涂過程中的靈活性和效率，從21世紀起汽車工業(yè)開始使用機器人來代替噴涂機械，與此同時開始使用機器人進行涂料的開發(fā)。 與傳統(tǒng)的機械噴涂相對比，采用自動噴涂機器人噴涂有2個最突出的優(yōu)點：可以減少大約35%的噴槍數(shù)量；提高了噴涂效益。為了適應高速噴涂，在內(nèi)表面噴涂和第2層金屬漆噴涂時都要采用高速旋杯來噴涂。隨著社會的發(fā)展，人們生活水平的提高 ，汽車行業(yè)的迅速發(fā)展，汽車型號和車體設(shè)計在不斷變化。為了適應這一變化，只有利用好噴涂機器人才可能實現(xiàn)這種迅速發(fā)展要求。

機器人的作用是控制噴槍或者旋杯，使之在噴涂過程中與工件表面保持最佳的角度和一定的距離（一般為200～250mm）。為了突破這一難度，工程師利用三維專門的軟件對噴涂機器人進行三維模型處理，確定噴槍的移動路徑和工件的移動路徑，相應的噴涂參數(shù)。然后將這些數(shù)據(jù)輸人機器人中控器，來控制噴涂機器人的整個噴涂過程。

4.2 安全環(huán)保

今天人們的環(huán)保意識日益增強，安全性越來越高，人們稱環(huán)保效果好的涂料生產(chǎn)廠為“綠色工廠”，技術(shù)陳舊的涂料生產(chǎn)廠為“褐色工廠”。無論是新建綠色工廠還是改造褐色工廠，建立噴涂機器人全自動噴涂，模擬生產(chǎn)線噴涂都是十分必要的。

4.3 零部件標準化

歐美發(fā)達國家生產(chǎn)的噴涂機器人基本上都已經(jīng)實現(xiàn)了社會化大協(xié)作和零部件的系列化“專業(yè)化”標準化生產(chǎn)[8]，而我國生產(chǎn)的零部件品種單一、結(jié)構(gòu)簡單、制造粗糙、裝配精度不合格，嚴重制約了涂料研發(fā)的發(fā)展，因此，我國要加快開發(fā)研制零部件，使零部件生產(chǎn)標準化。

5 結(jié)論

在汽車行業(yè)速度發(fā)展的情況下，設(shè)計制造出我國自己的適應性強的機器人是我國國情的新型噴涂機器人是必然要求。我國應該借鑒外國成功的經(jīng)驗和先進的技術(shù)，加快對噴涂機器人的設(shè)計與制造，以提高噴涂機器人的實用性和先進性。

參考文獻

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[8]金茂菁，曲忠萍等，國外工業(yè)機器人發(fā)展態(tài)勢分析[J].機器人技術(shù)與應用，2001（2）：6-8.

機器人實驗室范文第2篇

根據(jù)機器人技術(shù)基礎(chǔ)課程特點，在實驗室現(xiàn)有ABB IRB1410

機器人的基礎(chǔ)上自主開發(fā)了機器人上下料平臺實驗系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用真空吸附的工作原理實現(xiàn)板料的搬運。制定并執(zhí)行了機器人運動學控制以及機器人上下料模擬實驗教學方案，經(jīng)機械電子工程專業(yè)學生實踐，證明該實驗方案能達到預期實驗目的，有效激發(fā)學生學習熱情，在有限課時內(nèi)鍛煉學生的自主開發(fā)能力。

[關(guān)鍵詞]機器人;運動學;實驗

[中圖分類號]G642.4[文獻標識碼]A[文章編號]1005-4634（2015）02-0103-03

0引言

機器人學的有關(guān)課程實質(zhì)上是迎接未來挑戰(zhàn)的有力武器和理想助手[1]。機器人教學在國內(nèi)高校中已被列入人工智能、自動化、機電一體化等的相關(guān)專業(yè)的課程之中[2]。機器人技術(shù)基礎(chǔ)是燕山大學機械工程學院機械電子工程專業(yè)較早開設(shè)的一門針對高年級學生的專業(yè)課，主要介紹機器人運動學、動力學、雅可比矩陣、軌跡規(guī)劃、機器人控制以及機器人語言和離線編程等。該課程內(nèi)容抽象、邏輯性強、學生不易理解吸收。隨著工業(yè)機器人被廣泛應用于生產(chǎn)實踐當中，掌握機器人的基本原理、控制過程以及應用實例，對于機械電子工程專業(yè)本科生意義重大。

傳統(tǒng)的機器人技術(shù)基礎(chǔ)課程，實驗內(nèi)容有限，課時安排僅圍繞理論教學大綱開展，無拓展性、開放性;實驗形式單一，一切以教師的“教”為中心，學生只是被動地接受，演示型、驗證型實驗多，創(chuàng)新型實驗少，學生缺乏專業(yè)知識的綜合應用能力，缺少獨立動手和創(chuàng)新的機會，抑制了學生的想象力、自由發(fā)揮空間和學習興趣。隨著社會對人才創(chuàng)新能力和實踐能力要求的不斷提高，構(gòu)建創(chuàng)新型實驗教學體系在培養(yǎng)學生獨立工作能力、創(chuàng)新能力等方面的重要性日益凸顯[3]。

本文在機電實驗室現(xiàn)有ABB IRB1410機器人的基礎(chǔ)上自主開發(fā)了機器人上下料平臺實驗系統(tǒng)，制定了機器人運動學控制以及機器人上下料模擬實驗教學方案。經(jīng)機械電子工程專業(yè)學生實踐，根

據(jù)實驗分析結(jié)果以及研究過程中的心得體會證明該實驗方案能達到預期實驗目的，有效激發(fā)學生學習熱情，在有限課時內(nèi)鍛煉學生的自主開發(fā)能力。

1實驗設(shè)備簡介

1.1IRB1410工業(yè)機器人

ABB公司的IRB1410工業(yè)機器人工作周期短、運行可靠，能大幅度提高生產(chǎn)效率。該機器人在弧焊、物料搬運和過程應用領(lǐng)域經(jīng)歷考驗，能實現(xiàn)弧焊、裝配、上膠、密封、機械管理、物料搬運等功能。承重能力為5 kg，上臂可承受18 kg的附加載荷;機器人工作范圍大、最長能到達1.44 m;其大臂背后設(shè)計有平行連桿及雙軸承支承結(jié)構(gòu)，對稱分布的接觸力使機械振動大為減小，因而比串行鏈接結(jié)構(gòu)更為堅固、響應更為迅速、工作空間更為集中，非常適合模擬汽車沖壓線的上下料任務。為本科生教學提供了良好的環(huán)境，為研究生科研搭建了良好的實驗平臺。

IRB1410工業(yè)機器人系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)包括：ABB IRB1410六自由度關(guān)節(jié)型串聯(lián)機器人、

ElexPendant示教器、IRC5控制柜以及RobotStudio/RobotWare離線編程軟件。

2機器人上下料實驗平臺搭建

結(jié)合實驗室現(xiàn)有ABB IRB1410機器人，參照汽車柔性自動化沖壓生產(chǎn)線機器人上下料系統(tǒng)，為之搭建相應的上下料平臺系統(tǒng)，自主設(shè)計、選購機器人上下料各單元，完成端拾器的設(shè)計和組裝、上下料平臺的設(shè)計制造與裝配、視覺系統(tǒng)的搭建和真空氣路的連接等工作，在一定程度上實現(xiàn)旨在模擬汽車覆蓋件柔性沖壓過程的在線作業(yè)，為后續(xù)開展機器人上下料模擬實驗奠定基礎(chǔ)。機器人上下料系統(tǒng)如圖2所示。

圖1ABB IRB1410工業(yè)機器人系統(tǒng)

圖2機器人上下料系統(tǒng)

ABB IRB1410機器人上下料實驗采用了真空吸附的工作原理來實現(xiàn)板料的搬運，其中，真空系統(tǒng)由真空泵、分路塊、兩位三通直通式電磁閥、真空開關(guān)、真空吸盤、緩沖支桿等構(gòu)成。ABB IRB1410機器人上下料系統(tǒng)真空吸附的電氣控制原理圖如圖3所示。

其工作原理如下：當機器人手臂運動到上料平臺上料中心之上的某一位置時，程序發(fā)出吸附指

令，IO板DSQC652的一路DO輸出高電平，繼電器線圈得電，常開觸點閉合，從而使兩位三通電磁閥得電，進氣口和出氣口接通，真空泵將系統(tǒng)中的空氣向外排，整個系統(tǒng)氣路開始工作;當吸盤內(nèi)達到設(shè)定的真空度后，真空開關(guān)自動給電磁閥發(fā)送電信號，令其控制真空泵保持當前真空度不變;真空吸盤以恒定吸力抓取物料向下料平臺運動，當運動到下料中心點某一指定位置時，程序發(fā)出釋放指令，DSQC652的同一路DO輸出低電平，繼電器線圈失電，常開觸點斷開，從而使兩位三通電磁閥失電，進氣口和排氣口導通，整個系統(tǒng)氣路與外界大氣導通，從而破壞真空，真空吸盤釋放物料，

ABB IRB1410機器人完成一次板料傳遞任務。

3實驗教學項目

堅持理論與實踐相結(jié)合的原則，實驗時間安排在理論課基本知識講授完畢之后，要求學生提前預習實驗指導書，進行理論知識儲備工作，以保證學習成效。實驗內(nèi)容設(shè)置方面，以“原理性實驗和研究性實驗相互滲透”為原則，既讓學生掌握基本的原理性知識，對機器人有基本的認識，又通過開設(shè)深層次的研究性實驗，讓學生透過現(xiàn)象看本質(zhì)，培養(yǎng)學生獨立研究能力，激發(fā)學生的創(chuàng)新思維。

3.1機器人運動學控制

實現(xiàn)對工業(yè)機器人在空間運動軌跡的控制，完成預定的作業(yè)任務，就必須知道機器人手部在空間瞬時的位置與姿態(tài)。如何計算機器人手部在空間的位姿是實現(xiàn)對機器人的控制首先要解決的問題[4]。物體在空間的位姿可以用固定于物體上任一點上的坐標系來表示，如果把坐標系固定在每個連桿的關(guān)節(jié)上，通過齊次坐標變換來描述兩個相鄰坐標系之間的相互關(guān)系，就能建立并解算機器人的運動學方程。在該階段，要求學生能準確理解物體在空間位置與姿態(tài)的表示方法，掌握齊次坐標及齊次坐標方程變換的定義，能進行簡單的平移坐標變換、旋轉(zhuǎn)坐標變換及綜合坐標變換（平移加旋轉(zhuǎn)）等計算。

通過本實驗，要求學生完成以下內(nèi)容。

1） 觀察串聯(lián)機器人IRB1410的結(jié)構(gòu)，了解其動作原理，并繪制其結(jié)構(gòu)簡圖。

2） 計算IRB1410機器人自由度數(shù)并判別自由度性質(zhì)。

3） 根據(jù)ABB IRB1410機器人各軸標準尺寸圖（如圖4所示）對IRB1410

機器人建立連桿坐標系，確定連桿參數(shù)和關(guān)節(jié)變量。相應參數(shù)填入

IRB1410連桿參數(shù)表。

圖4ABB IRB1410

機器人各軸標準尺寸

4） 確定0nT

，在此基礎(chǔ)上利用上述機器人運動學方程，求解關(guān)節(jié)變量q1，q2，……，qn。

5） 確定末端執(zhí)行器的操作速度V，在此基礎(chǔ)上利用機器人操作速度和關(guān)節(jié)速度的變換方程的逆變換方程V=J

，求解滿足末端執(zhí)行器速度要求的關(guān)節(jié)速度變量1，2，……，n。

6） 手動操縱機器人至某一姿態(tài)，對運動學正、反解運算結(jié)果與操縱窗口的顯示值進行對比驗證。

3.2機器人上下料模擬實驗

通過機器人上下料模擬實驗，使學生增強對汽車覆蓋件自動化沖壓線機器人上下料的感性認識。對6

自由度串聯(lián)機器人的運動學、動力學分析和機器人上下料的自動化控制有較深刻理解。也對用ABB

語言離線或在線編程加深體會。使學生能夠了解上下料平臺搭建的主要裝備及關(guān)鍵技術(shù)，掌握現(xiàn)代沖壓自動機器人上下料技術(shù)的發(fā)展方向。培養(yǎng)學生初步掌握實驗研究的能力，正確處理實驗數(shù)據(jù)的能力和分析實驗結(jié)果、撰寫實驗報告的能力。

通過本實驗，要求學生完成以下內(nèi)容。

1） 學習并熟練掌握利用示教器手動操作1410機器人到達指定目標位置。

2） 完成1410機器人沖壓線上下料模擬實驗的軌跡規(guī)劃。

3） 完成1410機器人沖壓線上下料模擬實驗的程序編寫調(diào)試。

4） 記錄并分析1410機器人的實際工況（平穩(wěn)性、速度、加速度）等數(shù)據(jù)。

4結(jié)束語

通過機械電子工程專業(yè)學生的課程實踐，證明該實驗方案能達到預期實驗目的，能幫助學生更好地理解機器人理論知識，有效激發(fā)學生學習熱情，在提高實驗教學質(zhì)量、培養(yǎng)學生實踐能力、創(chuàng)新意識和科研能力等方面有積極意義。

參考文獻

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Experimental teaching reform and practice

of Robot Technology Foundation course

TANG Yan-hua，ZHANG Qing-ling

（Mechanical Engineering College，Yanshan University，Qinhuangdao，Hebei066004，China）

Abstract

Based on the characteristics of robot technology foundation course，the robot loading platform experiment system was developed on the basis of IRB1410 ABB robot existing in the laboratory.The system adopts the vacuum adsorption principle to do the sheet metal handling.The robot kinematics control and robot up-down material simulation experiment teaching plan were developed and implemented.After the mechatronics students practice，we found that the experiment scheme can achieve the expected goal，effectively stimulate the learning enthusiasm of the students，and exercise students′ ability of independent development within the limited class time.

機器人實驗室范文第3篇

關(guān)鍵詞：中小學；信息技術(shù)；班級教學；機器人

中圖分類號：G633 文獻標志碼：B 文章編號：1673-4289（2014）01-0057-02

在中小學信息技術(shù)課程中，如何有效地引入機器人載體以促進信息技術(shù)教育、教學的創(chuàng)新，培養(yǎng)學生的操作實踐能力，提高創(chuàng)新能力，促進學生的全面發(fā)展，這是中小學信息技術(shù)課程建設(shè)實踐中需要研究的重要課題。

一、實踐研究的做法

（一）注重平臺建設(shè)，打好研究基礎(chǔ)

在中小學信息技術(shù)課程中引入機器人載體的研究需要兩個平臺的支撐：一是教材，二是機器人器材。前者是信息技術(shù)課程的要素，后者是開展實踐研究活動的載體，缺一不可。

為此，首先對我國部分省市現(xiàn)行義務教育階段《信息技術(shù)》教材進行了查閱分類，以了解目前國內(nèi)機器人進入義務教育階段信息技術(shù)課程的現(xiàn)狀。這包括：義務教育階段《信息技術(shù)》教材中有關(guān)機器人內(nèi)容分布，內(nèi)容的詳略，涉及的機器人品牌型號等。同時，對所涉及的機器人進行比較，確定其教育教學性能，經(jīng)濟性等，最終確定了適合我省義務教育階段開展機器人教育教學活動可選用的機器人品牌型號。這一階段的研究成果也被我省義務教育階段課程改革實驗教材《信息技術(shù)》修訂組吸收，形成了適應本省教學需求的機器人教學教材，也為本課題研究的開展提供了范本。

在此基礎(chǔ)上，向義務教育階段課程改革實驗教材《信息技術(shù)》所涉及的機器人公司尋求支持，得到了智慧天下公司、四川天平教學儀器公司的鼎力相助，為20個實驗學校各捐贈了25套“智慧天下機器人套件”，為實踐研究工作開展打下了良好物質(zhì)基礎(chǔ)。

（二）申報省級課題，推動實踐研究

為更好地推動中小學信息技術(shù)課程中引入機器人載體的實踐研究，2011年申報了四川省教育廳普教科研資助金項目：《中小學信息技術(shù)課程中以機器人為載體的創(chuàng)新教育研究》（批準文號為：川教函[2011]632號），并設(shè)置了21個子課題研究學校，目的是通過子課題的研究，取得一手研究資料，提供研究實例，以支持實踐研究的成果。

二、實踐研究的效果及影響

（一）實驗學校信息技術(shù)課程教學得以優(yōu)化

智能機器人技術(shù)融合了造型技術(shù)、機械、電子、傳感器、計算機軟件、硬件和人工智能等眾多先進技術(shù)，充分地體現(xiàn)了當代信息技術(shù)多個領(lǐng)域的先進技術(shù)，是綜合知識和技術(shù)的結(jié)晶。機器人活動不僅主題有趣，富有挑戰(zhàn)性，更重要的是其問題解決方案是開放性的，學生可以用不同的方法達到同一個目標，因而智能機器人活動能激發(fā)學生充分發(fā)揮想象力、創(chuàng)造力，有利于培養(yǎng)學生的開放性思維，提高學生的創(chuàng)新能力。

（二）實驗學校教師創(chuàng)新意識增強

1.教師的教學觀念得以更新

參研教師通過自學、參培、研討等形式提高了理論認識；對教材、教法的研討、課堂教學的設(shè)計、反思，教學效果的總結(jié)中教師的業(yè)務水平得到提升；教師將“課堂交給了學生”，通過生動、直觀、有趣的實際情境，激發(fā)學生興趣和參與熱情，促使學生主動探究，充分發(fā)揮學生能動性和創(chuàng)造性，而教師只是課堂組織者。這樣一來，老師的觀念得到了轉(zhuǎn)變。

2.提高了教師的綜合能力

在活動開展及課題研究過程中，課題組老師通過自己設(shè)計活動、組織活動、了解收集活動資料、整理分析、歸納總結(jié)、撰寫經(jīng)驗文章及研究報告等，一步步學會了教學研究，提升了研究能力，促進老師向一個創(chuàng)新型、研究型、專家型教師發(fā)展。

（三）實驗學校學生創(chuàng)新能力明顯提升

中小學信息技術(shù)課程中引入機器人載體的實踐研究，其最終目標還是落實到對人的培養(yǎng)上，通過實踐研究，學生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力是否有效提高，實驗學校對實驗班和參照班進行了《威廉斯創(chuàng)造性傾向量表》測試，結(jié)果表明：經(jīng)過機器人教學實驗的班級，其冒險性，好奇性、想象力和挑戰(zhàn)性等四項指標明顯高于對比班。

（四）以機器人為載體的教育、教學影響廣泛

實驗學校通過實踐研究，產(chǎn)生強大的社會效應。如內(nèi)江十小的機器人教育是該校特色教育之一，從2006年至今多次榮獲省、全國機器人比賽一等獎，在省、市都有較高的聲譽。四川教育電視臺于2013年1月專門就此進行了采訪，從管理、教學、學生學習、課外活動等多方面介紹該校在機器人教育教學方面的經(jīng)驗，社會反響強烈。

又如自貢市大安區(qū)回龍中心校等實驗學校也被多家網(wǎng)絡(luò)及報刊媒體進行宣傳報道，提高了學校知名度。

三、問題及建議

（一）機器人引入課堂的制約因素

1.器材

從教學理念來說，現(xiàn)在使用機器人產(chǎn)品與目前的教育潮流相符合，有利于同學們動手能力的培養(yǎng)。機器人的搭建空間很大，能充分發(fā)揮學生的想象力。整個機器人平臺符合中小學生的年齡特點，有利于創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。

但機器人套件成本較高、損耗較大，直接影響了機器人在常規(guī)教學中的應用。同時機器人本身的質(zhì)量問題需進一步提升，在面向全體學生進行機器人教學時，如何對學生和器材進行科學有效的管理才能方便實施教學等問題需要思考。

2.上課環(huán)境

開展機器人創(chuàng)新教育要面向全體學生，學校首先需要購置大批機器人設(shè)備，電腦設(shè)備，還需要標準的機器人實驗室以及一些機器人文化背景的設(shè)置。上課環(huán)境的配置需要學校投入一定的資金和場地。這對多數(shù)學校來說，經(jīng)濟支撐能力是不足的。

3.教師水平

機器人知識涵蓋的范圍很廣，涉及機械、電子、運動學、動力學、控制理論、傳感檢測、計算機技術(shù)等學科，老師對這些學科的基礎(chǔ)了解很有必要。同時，因為機器人對程序的要求很高，對機器人語言、程序設(shè)計等方面，應該有深入的學習，掌握好這方面的知識和能力。在教學活動中，不可避免的會有機器人器材的損壞，因此，對簡單的電子電路維修，對一些維修器具的使用，教師也需要有所了解和掌握。只有教師本身具備了足夠的與機器人有關(guān)的知識，才能夠保證教學活動的正常進行。

4.教學大綱要求

教育部2000年頒布的《中小學信息技術(shù)課程指導綱要（試行）》沒有機器人教育的內(nèi)容，目前，各省只能根據(jù)自己的實際情況，編寫教材?！皺C器人教育”進入中小學課堂是一項新內(nèi)容，各地所使用的教材版本不一樣，可供參考的案例、課堂實錄及相關(guān)研究成果很少。因此，修訂全國課程標準，明確教學目標，有利于機器人引入課堂的推廣。

（二）進一步深入開展研究的建議

1.系統(tǒng)的教師培訓

義務教育階段機器人教育需要教師不僅掌握信息技術(shù)知識，還需要了解數(shù)字電路，機器人組裝等多種知識，針對許多信息技術(shù)教師不了解機器人模塊教育，不能很好的指導學生進行創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。建議對義務教育階段的信息技術(shù)教師開展系統(tǒng)的機器人教育培訓。

2.統(tǒng)一的器材配備

由于機器人套件費用較高，學校自主配置比較困難，建議將機器人實驗室納入中小學教學儀器配備目錄，統(tǒng)一為所有中小學配備機器人套件，電腦設(shè)備，以利課堂教學的開展。

3.教學標準的引入

機器人實驗室范文第4篇

關(guān)鍵詞：對弈機器人；五子棋；圖像識別；PLC；實驗教學

中圖分類號：TP242.6 文獻標識碼：A

Abstract：This paper designed and developed a robot system can real-time game Gobang with people.The chess robot identifies chessboard information with the camera，then make up the decision with the strategy system，and then execute action through the mechanical arm.This paper introduced the software and hardware design，implementation and debugging of each function module of the system.It has been testified that the robot achieved human-computer interaction at low cost，and played a promoting role in the experimental teaching of computer control device，artificial intelligence，software technology curriculum.

Keywords：chess robot；Gobang；image recognition；PLC；experiment teaching

1 引言（Introduction）

“人工智能之父”圖靈在1950年曾說：“下棋是很抽象的活動，是機器可以和人競爭的純智能領(lǐng)域之一[1]?！彪S著1997年“深藍”戰(zhàn)勝人類國際象棋冠軍卡斯帕羅夫，人機對弈成為一種人工智能的代表應用形式，被普通民眾所熟知。

隨著計算機軟件技術(shù)的普及，人機對弈類型的應用軟件層出不窮[2-4]，豐富了人們的休閑娛樂生活。隨著機器人技術(shù)的快速發(fā)展，娛樂機器人成為機器人領(lǐng)域中一支極具前景的新生力量[5]，新的技術(shù)也對人機對弈平臺在人機交互方式[6]和真實用戶體驗方面提出了新的需求。國內(nèi)的人機對弈系統(tǒng)一般針對中國象棋或五子棋[3-7]，其中五子棋尤其具有現(xiàn)代休閑“短、平、快”的特征[2]。本文設(shè)計制作了一個實時交互的五子棋人機對弈系統(tǒng)，旨在提供一個具有真實用戶體驗，服務于相關(guān)課程實驗教學的人機對弈實驗平臺。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計（System design）

五子棋人機對弈系統(tǒng)主要包括視覺系統(tǒng)、策略系統(tǒng)和機械臂系統(tǒng)三大功能模塊，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。視覺系統(tǒng)對棋盤進行圖像采集，通過特定的圖像識別算法對雙方棋子進行識別和定位，得到當前的棋盤布局。策略系統(tǒng)對當前棋盤布局進行分析，調(diào)用智能對弈算法計算出最優(yōu)落子位置坐標，并換算成為執(zhí)行器的動作量，通過串行數(shù)據(jù)線發(fā)送至機械臂系統(tǒng)，由其完成取子、移動、落子等運動控制。從而在真實的棋盤上實現(xiàn)人機對弈。策略系統(tǒng)提供可視化的人機界面，能將視覺系統(tǒng)得到的棋盤布局圖形化顯示，實現(xiàn)對弈過程中界面與棋盤信息的同步。此外，用戶亦可通過人機界面與策略系統(tǒng)進行純軟件的虛擬對弈，增強了趣味性，豐富了實驗內(nèi)容。

3 視覺系統(tǒng)（Vision system）

視覺子系統(tǒng)是機器人的眼睛，由攝像頭與圖像處理算法組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。攝像頭采集棋盤圖像，通過USB傳至裝有圖像處理程序的計算機，再經(jīng)過色塊分割、識別和定位得到雙方棋子的布局情況，上傳至策略系統(tǒng)。攝像頭型號為PHILIPS SPC900NC，USB接口，最高幀速率為90幅/s，安裝于棋盤正上方。圖像處理算法通過C++語言實現(xiàn)，開發(fā)平臺為Visio Studio 2010，程序流程如圖3所示。

圖像識別[8，9]的步驟為：色塊分割、棋子識別、棋子定位。首先根據(jù)顏色特征來區(qū)分雙方棋子。將攝像頭獲取圖像轉(zhuǎn)換為YUV顏色空間信息，分別定義雙方棋子顏色的閾值范圍，即可將圖像分成不同顏色的色塊。綜合考慮圖像噪聲等因素的影響，根據(jù)色塊面積、形狀等特征嚴格地判斷是否為待識別目標。為了輔助定位，在棋盤的四個角上用不同于棋子的顏色作為標記，因此實際的目標識別還包括對四角標志點的識別。識別出標志點后，根據(jù)棋子和標志點的圖像坐標的關(guān)系，即可獲得具體的位置信息，識別效果如圖4所示。

4 策略系統(tǒng)（Strategy system）

策略系統(tǒng)是機器人的大腦，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。它接收來自視覺系統(tǒng)的棋盤位置信息，判斷當前的勝負關(guān)系，計算出下一步落子點坐標，再經(jīng)過機械臂控制執(zhí)行換算得到輸出動作量，通過串行口發(fā)送至機械臂系統(tǒng)。策略系統(tǒng)通過計算機軟件編程實現(xiàn)，包括智能決策算法與人機界面兩部分。智能決策算法采用C++語言開發(fā)，界面采用C#語言開發(fā)，開發(fā)平臺為Visio Studio 2010。

4.1 智能決策算法

智能決策算法主要包括最優(yōu)落子點的計算，勝負判定和控制執(zhí)行換算三部分，程序流程如圖6所示。計算最優(yōu)落子點采用最直接也是最有效的遍歷搜索法。預設(shè)棋盤布局為10格×10格，計算可得雙方均分別有192種取勝的狀態(tài)。首先對取勝緩沖標識區(qū)以及雙方的搜索空間分別進行初始化；隨著雙方對弈的深入，棋子的增長與局勢的變化，系統(tǒng)通過判斷對方所有符合條件的取勝狀態(tài)及其威脅性，按照一定的加分規(guī)則來更新搜索空間的評價值，以數(shù)值最大的點為下一步的最佳落子點，如此往復循環(huán)。對于結(jié)果的判斷比較簡單，取勝的條件為五子連線；平局的條件為棋子布滿棋盤。

在真實對弈的過程中，機器人的落子行為通過機械臂系統(tǒng)來執(zhí)行，機械臂控制執(zhí)行換算實現(xiàn)最優(yōu)落子點坐標與機械臂動作量之間的數(shù)值轉(zhuǎn)換。根據(jù)機械手爪的位置與目標落子點的坐標，規(guī)劃出最優(yōu)的移動路徑；再結(jié)合機械臂各個自由度上的機械參數(shù)，計算得到各執(zhí)行電機的輸出動作量。

4.2 人機界面

人機界面是棋盤之外的輔助人機交互接口，具有參數(shù)設(shè)置、信息可視化和軟件模擬的功能。人機界面如圖7所示，設(shè)計有黑、白方的選擇按鈕，啟動、停止、重啟比賽按鈕，串口參數(shù)設(shè)置以及計時器等功能模塊；與實際對弈競賽一樣，人/機雙方在落子之后還需點擊相應的“落子確認”按鈕。由于系統(tǒng)具有真實和虛擬兩種人機對弈模式，在真實對弈過程中，界面能實時顯示當前的棋盤布局；在虛擬對弈過程中，用戶直接通過界面與智能對弈算法進行較量。

5 機械臂系統(tǒng)（The mechanical arm system）

機械臂系統(tǒng)是機器人的手臂，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8所示，它通過RS-232接收來自策略系統(tǒng)的電機輸出動作量，經(jīng)可編程控制器（PLC）轉(zhuǎn)換為相應的脈沖信號，由開關(guān)量輸出（DO）端口傳送至驅(qū)動器，控制電機和電磁閥帶動轉(zhuǎn)盤、絲桿及汽缸動作。結(jié)合開關(guān)量輸入（DI）端口接收到的位置傳感器反饋信號，完成在立體空間中抓取、移動和放置棋子的動作。

機械臂系統(tǒng)選用亞龍公司YL-SJ-Z型工業(yè)機械臂實訓臺，由全金屬架構(gòu)搭建而成（長×寬×高：1200mm×780mm×840mm）。通過垂直、水平和底盤旋轉(zhuǎn)三個自由度的活動環(huán)節(jié)，實現(xiàn)機械手爪在一定三維空間區(qū)域內(nèi)活動定位，即使用了坐標式架構(gòu)。底盤旋轉(zhuǎn)通過直流減速電機與光電碼盤配合實現(xiàn)精確定位；垂直與水平移動分別由兩個步進電機帶滾珠動絲桿旋進，行程終點裝有限位開關(guān)，保證電機安全運行；機械手爪采用高精度氣動式手爪，配備電磁位置開關(guān)及兩位三通電磁閥，實現(xiàn)快速準確的抓取和放開動作。

實訓臺的主控制器為歐姆龍CP1H-XA40DT-D型PLC，CP1H-XA40DT-D是一款緊湊型一體化高性能PLC，具有24路DI和16路DO，直流24V供電，能通過USB與RS-232/485等多種方式與計算機通訊。PLC程序采用梯形圖編程語言編寫，開發(fā)軟件為CX-programmer7.0。程序流程如圖9所示，可分為抓取棋子，接收串口數(shù)據(jù)，產(chǎn)生并發(fā)送控制信號，移動至落子位置，放置棋子，返回起點幾個步驟。

6 結(jié)論（Conclusion）

將各功能模塊聯(lián)機調(diào)試，挑選學生志愿者與機器人進行對弈測試，實驗結(jié)果表明，真實對弈與虛擬對弈都較好地實現(xiàn)了預期目標，尤其是真實對弈模式在一定區(qū)域內(nèi)很好地實現(xiàn)了棋子的識別，機械手取子、移動、落子等動作，給用戶沉浸式的操作體驗。實際測試效果如圖10所示。系統(tǒng)各功能模塊都具有通用的軟硬件接口，供學生探索研究和繼續(xù)開發(fā)，已經(jīng)應用于計算機控制裝置、人工智能、軟件技術(shù)等課程的實驗教學，收到良好的效果。

對弈機器人利用硬件設(shè)備將人機交互實物化，更加符合傳統(tǒng)對弈的形式，在教學研究、科技展示、家庭娛樂等方面具有相當?shù)膽脙r值。通用的硬件配置，個性化的軟件設(shè)計，既降低了開發(fā)成本，也使系統(tǒng)具有較強的可移植性。

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機器人實驗室范文第5篇

“機器人橙色臂下降復位，藍色臂上升到極限!”10月25日上午，天氣晴好。位于漳州境內(nèi)的500千伏漳泉I回線路48號鐵塔上，廈門超高壓局的3名線路人員正對機器人進行運行前的再次試驗。這是福建首次在運行中的500千伏線路上采用機器人進行試驗性巡檢，并且通過運行開創(chuàng)了國內(nèi)首個機器人能夠自主跨越障礙的先例。

當日，機器人需要從該條線路的48號塔行進至47號塔。在440米檔距的行進過程中，機器人兩只帶滑輪的長“手臂”以橙、藍兩色區(qū)別，分別擔任跨越轉(zhuǎn)移和主力運行的作用，以穩(wěn)定的速度沿著地線爬行。據(jù)現(xiàn)場負責人廈門超高壓局安監(jiān)部主任謝春雷介紹，巡檢機器人系統(tǒng)由巡檢機器人和地面移動基站組成。機器人能夠在輸電線路上沿地線行走以及自主跨越障礙，并用所配置的攝像機全程記錄輸電設(shè)備的運行情況，同時將檢測到的數(shù)據(jù)和圖像通過無線傳輸系統(tǒng)發(fā)送到地面基站，以便地面人員及時準確地掌握輸電線路的運行狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)線路設(shè)施的損傷、缺陷等故障情況。

通過現(xiàn)場試驗，機器人能夠用帶著滑輪的“手臂”在輸電線路上行走自如，遇到障礙物時能自動調(diào)整“手臂”翻越：任一臂移線，單臂帶動機體旋轉(zhuǎn)180度越過障礙后，另一臂落線：或前臂移線，后臂帶動機體行進至障礙，前后臂輪流跨越。當日，機器人順利通過了一基直線塔的雙懸垂絕緣子和防震錘、一基耐張塔以及修復導線的壓接管等多個障礙，平均爬線速度能達到每小時1―2.5公里。

與以往的人工巡線相比，巡線機器人的應用，不僅可以減輕工人“千里巡線”的勞動強度，降低超高壓輸電的運行維護成本，還可以提高巡檢作業(yè)的質(zhì)量和科學管理水平，對于增強電力生產(chǎn)自動化綜合能力，創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益和社會效益都具有重要意義。以廈門超高壓局管轄的閩西南超高壓電網(wǎng)為例：超高壓線路約998千米，途經(jīng)高山大嶺的達90％以上。如果利用直升飛機巡線，僅巡一個全程就需耗費近200余萬元，并易受惡劣天氣條件的限制；若采用人工巡線，按兩人一組，每組巡視3千米計算，一年的巡視費用約300萬元；而采用巡線機器人巡視，3人一組操作設(shè)備，平均每天巡視10千米，每年可節(jié)省約100余萬元。本次機器人在帶電的500千伏線路上進行的試驗性巡視，為將來大面積推廣使用機器人巡線積累了實戰(zhàn)經(jīng)驗。