摘要：本文對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人臂系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，思考中醫(yī)按摩機(jī)器人臂的設(shè)計(jì)方法，包括結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)，其中又包括軟件系統(tǒng)及硬件系統(tǒng)等，也要關(guān)注安全保障系統(tǒng)設(shè)計(jì)，避免機(jī)器人在按摩時(shí)發(fā)生失控的情況，以免對(duì)人體產(chǎn)生損傷，通過多項(xiàng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，保證機(jī)械人臂系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：中醫(yī)；按摩機(jī)器人；臂系統(tǒng)

中醫(yī)按摩作為中醫(yī)中具有特色的項(xiàng)目，是一種對(duì)人體沒有毒副作用的療法。秦漢時(shí)期的《黃帝內(nèi)經(jīng)》中已經(jīng)有關(guān)于按摩的記載。新中國(guó)成立后，我國(guó)衛(wèi)生部門關(guān)注中醫(yī)發(fā)展，中醫(yī)按摩的手法不斷整理，按摩更加規(guī)范，通過按摩調(diào)整人體功能，改善機(jī)體病理狀態(tài)，達(dá)到舒經(jīng)活絡(luò)及行氣止血的效果。中醫(yī)按摩可治療疼痛及心血管疾病等，具有強(qiáng)身健體及延年益壽的效果。現(xiàn)階段，市場(chǎng)上按摩器械不足，通過機(jī)器人模擬專家按摩手法，最終達(dá)到治療的目的?，F(xiàn)階段，柔性關(guān)節(jié)機(jī)器人設(shè)計(jì)理念引入按摩機(jī)器人領(lǐng)域，通過輕量化設(shè)計(jì)，保證機(jī)器人能完成按摩手法。對(duì)此，本文對(duì)中醫(yī)按摩機(jī)器人臂系統(tǒng)進(jìn)行分析。

1中醫(yī)按摩機(jī)器人臂設(shè)計(jì)

1.1按摩手臂運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

在中醫(yī)推拿過程中，針對(duì)人體不同疾病，按摩不同的穴位，按摩手法也存在差異，包括指捏法、掌推法、滾壓法等，在設(shè)計(jì)過程中，X軸代表拇指伸的位置，Y軸則是小指中段位置，Z軸代表手掌中心垂直的上側(cè)位置。設(shè)計(jì)過程中取Z軸與按摩手表面垂直，以此完成指錐法按摩，不同按摩方法的X、Y、Z軸存在差異，掌面與按摩平面涉及的因素不同，通過中醫(yī)按摩對(duì)推拿方法進(jìn)行模仿，達(dá)到不同的按摩目標(biāo)，滿足人體對(duì)按摩的要求，對(duì)此，在中醫(yī)按摩機(jī)器人設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)按摩方法設(shè)計(jì)手臂結(jié)構(gòu)。比如，在推法設(shè)計(jì)過程中，使用手指及手掌、肘部等完成按摩，自患者的背部完成平移運(yùn)動(dòng)。推法在實(shí)施過程中，自Z軸垂直人體，在Y軸及X軸上不斷平移，具有3項(xiàng)自由度，包括施力方向、垂直作用力方向、平移運(yùn)動(dòng)方向。

摘要:機(jī)器人實(shí)踐教育和創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育具有相通的邏輯，多年的實(shí)踐也驗(yàn)證了該實(shí)踐教學(xué)模式的有效性，因此，有必要提出“機(jī)器人－創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)”實(shí)踐教育模式，其互促模式有利于跨學(xué)科交流、鍛煉團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力、磨煉意志品質(zhì)、形成創(chuàng)新思維等。

關(guān)鍵詞:機(jī)器人競(jìng)賽;機(jī)器人實(shí)踐教育;創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育;互促模式

0引言

創(chuàng)新是引領(lǐng)發(fā)展的第一動(dòng)力，我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展和民生改善比過去任何時(shí)候都更加需要科學(xué)技術(shù)解決方案，都更加需要增強(qiáng)創(chuàng)新這個(gè)第一動(dòng)力。大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育是推動(dòng)社會(huì)創(chuàng)新進(jìn)步的重要途徑。近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步與應(yīng)用，以機(jī)器人技術(shù)為基礎(chǔ)的機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教育在國(guó)內(nèi)高校得到廣泛發(fā)展，其學(xué)科交叉、緊跟前沿的特點(diǎn)獲得了科研領(lǐng)域、教學(xué)領(lǐng)域甚至創(chuàng)投領(lǐng)域的關(guān)注。機(jī)器人創(chuàng)新實(shí)踐教育不僅培養(yǎng)了青年學(xué)生的科創(chuàng)興趣、綜合素質(zhì)、學(xué)科能力，也為機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的持續(xù)性發(fā)展提供了儲(chǔ)備人才，尤其是創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)人才。機(jī)器人實(shí)踐教育其中一種表現(xiàn)形式就是機(jī)器人競(jìng)賽。機(jī)器人競(jìng)賽作為連接教育與產(chǎn)業(yè)的橋梁，為智能硬件領(lǐng)域培養(yǎng)了大批卓越的工程師、創(chuàng)業(yè)企業(yè)家。一項(xiàng)針對(duì)全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽(CURC)參賽者畢業(yè)后創(chuàng)業(yè)情況的調(diào)研顯示，參賽隊(duì)員創(chuàng)立機(jī)器人企業(yè)達(dá)160家，創(chuàng)業(yè)人數(shù)600人，實(shí)現(xiàn)就業(yè)崗位新增16000人。目前，全國(guó)大學(xué)生機(jī)器人大賽包含ROBOCON，ROBOMASTER、ROBOTAC和機(jī)器人創(chuàng)業(yè)賽四項(xiàng)賽事。吳振宇等學(xué)者認(rèn)為，加強(qiáng)高校機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)體系建設(shè)，有利于培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)意思維、創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)業(yè)能力，正逐步成為推進(jìn)高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革較為重要的切入口之一。王旭認(rèn)為機(jī)器人實(shí)踐基地是大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育人才培養(yǎng)的一種獨(dú)特方式，是傳授知識(shí)、塑造理想、提升技能、完善品格的良好平臺(tái)。二者都認(rèn)可了機(jī)器人實(shí)踐教學(xué)與創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育的關(guān)系，但仍需要繼續(xù)深入剖析二者的內(nèi)在聯(lián)系。本文將對(duì)機(jī)器人實(shí)踐教育對(duì)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育促進(jìn)其中的機(jī)理實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析研究。

1機(jī)器人實(shí)踐教育的特點(diǎn)

我國(guó)高校主要以機(jī)器人競(jìng)賽為載體在創(chuàng)新能力的培養(yǎng)方面進(jìn)行了改革和實(shí)踐，主要做法有開設(shè)創(chuàng)新類課程，成立教師指導(dǎo)團(tuán)隊(duì)，鼓勵(lì)科創(chuàng)類基地協(xié)會(huì)組織建設(shè)，組織承辦科技創(chuàng)新比賽。機(jī)器人實(shí)踐教育過程具有綜合性、協(xié)作性、多元性的特點(diǎn)。

運(yùn)動(dòng)控制模塊選用TI公司的OMAPL138雙核處理器芯片，它集成了TMS320C674xDSP內(nèi)核和ARM926EJ-S雙核，具有高性能與低功耗的特性。ARM內(nèi)核完成非實(shí)時(shí)性的指令解釋、軌跡規(guī)劃、數(shù)據(jù)管理、任務(wù)管理、網(wǎng)絡(luò)通信等工作，DSP內(nèi)核由于具有強(qiáng)大計(jì)算能力完成插補(bǔ)計(jì)算、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)、速度和位置控制、I/O控制等實(shí)時(shí)任務(wù)。位置控制FPGA芯片包含多軸插補(bǔ)、位置PID等電路，采用了ALTERA公司的EP1C3T144芯片，通過加載不同的程序來實(shí)現(xiàn)功能重構(gòu)。為了提高多軸聯(lián)動(dòng)插補(bǔ)速度，插補(bǔ)算法采取軟插補(bǔ)(粗)+硬插補(bǔ)(精)結(jié)合的模式，硬插補(bǔ)基于數(shù)字脈沖乘法器來實(shí)現(xiàn)。該模塊與驅(qū)動(dòng)器的連接接口提供了兩種形式:數(shù)字脈沖量接口、工業(yè)以太網(wǎng)接口，工業(yè)以太網(wǎng)接口可兼容多種驅(qū)動(dòng)器的通信協(xié)議，目前已實(shí)現(xiàn)了Mecha-trolinkIII協(xié)議，這是由日本安川公司提出的一種符合EEE802.3u標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)協(xié)議，傳輸速度可達(dá)到100Mbps。OMAPL138雙核處理器芯片能提供豐富的外圍接口，包括以太網(wǎng)、USB、RS232等接口，通過以太網(wǎng)接口實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制模塊與示教模塊的通信。

示教模塊由OMAPL138雙核處理器電路、48個(gè)按鍵和5.7寸640×480彩色TFT組成，按鍵包括編輯鍵、手動(dòng)操作鍵、示教編程鍵及功能鍵組成。為保證功能重構(gòu)與硬件平臺(tái)無關(guān)，采用Win-dowsCE6.0操作系統(tǒng)。該模塊包含的軟件功能構(gòu)件有:文件管理、示教編程、參數(shù)設(shè)置、參數(shù)管理、圖形模擬、以太網(wǎng)通信等。I/O模塊負(fù)責(zé)邏輯控制功能，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與周邊設(shè)備的協(xié)調(diào)作業(yè)任務(wù)。CAN協(xié)議是建立在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織開放系統(tǒng)互連模型之上，協(xié)議簡(jiǎn)單，最高通信速率可達(dá)1Mbit/s，直接傳輸距離高達(dá)10km，采取多主線工作方式，高抗電磁干擾性、糾錯(cuò)能力強(qiáng);同時(shí)，CAN接口安裝方便、成本低。本論文選用CAN總線作為運(yùn)動(dòng)控制器與I/O模板之間的數(shù)據(jù)通信方式。2)工業(yè)以太網(wǎng)通信協(xié)議機(jī)器人示教模塊與運(yùn)動(dòng)控制模塊的以太網(wǎng)通信功能采用套接字(Sock-et)方式來實(shí)現(xiàn)，Socket接口分為兩部分:客戶端和服務(wù)器，這里示教模塊作為客戶端，運(yùn)動(dòng)控制模塊作為服務(wù)器。本文采用的通信模式采用主從方式，示教模塊為主動(dòng)方，發(fā)送機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序、控制參數(shù)和命令字，用來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，而運(yùn)動(dòng)控制模塊實(shí)時(shí)地將坐標(biāo)數(shù)據(jù)及狀態(tài)參數(shù)上傳給示教模塊。在開始通信時(shí)，將首先進(jìn)行握手連接。

數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議定義了命令和數(shù)據(jù)兩類報(bào)文形式，命令報(bào)文用來控制機(jī)器人的運(yùn)行動(dòng)作和流程，定義成標(biāo)準(zhǔn)的報(bào)文格式;數(shù)據(jù)報(bào)文用來傳送機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)程序和參數(shù)，數(shù)據(jù)量比較大，定義成一種擴(kuò)展報(bào)文格式。標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文格式有7個(gè)字節(jié)，第1個(gè)字節(jié)是報(bào)文頭標(biāo)識(shí)符，用來標(biāo)識(shí)一次通訊的開始，本報(bào)文設(shè)為“%”。第2個(gè)字節(jié)是報(bào)文類型段，用來標(biāo)識(shí)傳輸?shù)南㈩愋秃吞幚砟Ｊ?，定義的消息類型為:命令、數(shù)據(jù)，并提供了了兩種報(bào)文處理模式:實(shí)時(shí)性和非實(shí)時(shí)性。當(dāng)需要機(jī)器人完成急停處理、復(fù)位處理及超程報(bào)警等任務(wù)時(shí)，則傳送具有實(shí)時(shí)性標(biāo)識(shí)的報(bào)文;對(duì)一般的機(jī)器人處理任務(wù)，將報(bào)文標(biāo)識(shí)為非實(shí)時(shí)性。報(bào)文的長(zhǎng)度由第3、4字節(jié)標(biāo)識(shí)，最長(zhǎng)為65536字節(jié)。第5、6字節(jié)為數(shù)據(jù)段，第7個(gè)字節(jié)用“＆”來標(biāo)識(shí)報(bào)文尾。當(dāng)傳輸?shù)男畔㈩愋蜆?biāo)識(shí)為數(shù)據(jù)時(shí)，使用了一種擴(kuò)展報(bào)文格式，此時(shí)數(shù)據(jù)段長(zhǎng)度可以達(dá)到2K字節(jié)。示教模塊按照?qǐng)?bào)文通信協(xié)議將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)封裝起來，再使用傳送函數(shù)將數(shù)據(jù)下傳給運(yùn)動(dòng)控制模塊，包括程序、參數(shù)、命令字。在數(shù)據(jù)報(bào)文中如果是多個(gè)程序指令，則不同指令之間用“\r\n”隔開，如:“%0x004D指令1\r\n指令2\r\n．．．．．．＆”。數(shù)據(jù)報(bào)文中參數(shù)按一定次序排列，用“;”隔開，如:“%0x004B參數(shù)1;參數(shù)2;．．．．．．＆”。示教模塊下傳、接收的部分?jǐn)?shù)據(jù)報(bào)文定義。

工業(yè)機(jī)器人控制軟件的重構(gòu)方法

模塊化機(jī)器人的控制軟件都應(yīng)當(dāng)具備可剪裁性或多重性，整個(gè)體系結(jié)構(gòu)應(yīng)當(dāng)能夠被重新配置，以滿足多種應(yīng)用領(lǐng)域的需求，具備理想“開放性”概念的控制軟件應(yīng)可被拆分為多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)部件。為了實(shí)現(xiàn)上的方便同時(shí)又滿足組態(tài)的特性，本文提出了一個(gè)柔性的軟件框架結(jié)構(gòu)?！叭嵝浴迸c“開放性”這2個(gè)概念有不同點(diǎn)，但又具有相同的特性，“開放性”側(cè)重與外部系統(tǒng)通過定義標(biāo)準(zhǔn)的接口相互操作，而“柔性”是指系統(tǒng)能通過改變自身結(jié)構(gòu)以適應(yīng)外部環(huán)境的能力。這種柔性控制系統(tǒng)采用基于構(gòu)件的組態(tài)結(jié)構(gòu)，其軟件由三部分組成:嵌入式柔性控制系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)、機(jī)器人功能構(gòu)件庫和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制算法構(gòu)件庫。嵌入式柔性控制系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)用來實(shí)現(xiàn)功能構(gòu)件封裝、系統(tǒng)配置等任務(wù)。針對(duì)模塊化機(jī)器人控制系統(tǒng)具有多功能和多對(duì)象的特點(diǎn)，控制軟件的整體結(jié)構(gòu)流程被設(shè)計(jì)成前臺(tái)、后臺(tái)程序模塊，后臺(tái)模塊也稱為"背景"程序，主要用來完成控制指令的準(zhǔn)備工作和參數(shù)管理工作，前臺(tái)模塊是一個(gè)循環(huán)執(zhí)行運(yùn)行的程序，它是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。在系統(tǒng)運(yùn)行過程中采用實(shí)時(shí)中斷服務(wù)程序輸出，前后臺(tái)模塊相互配合完成機(jī)器人控制系統(tǒng)的各項(xiàng)控制和管理任務(wù)。功能構(gòu)件的程序模式由配置腳本文件指定。構(gòu)件化結(jié)構(gòu)關(guān)鍵是構(gòu)件的提取，即對(duì)可重用對(duì)象的提煉概括。通過良好地定義這些對(duì)象之間相互通信的接口，可以將這些基本對(duì)象或?qū)⑺鼈冞M(jìn)一步分析以后形成的粒度更小的對(duì)象，在開發(fā)過程中加以重用。本文建立的構(gòu)件庫由用戶層構(gòu)件庫和核心層構(gòu)件庫組成，兩者之間通過標(biāo)準(zhǔn)硬件接口進(jìn)行通信。用戶層構(gòu)件庫包括人機(jī)界面、示教編程、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、參數(shù)管理等非實(shí)時(shí)構(gòu)件庫。由于用戶層使用WindowsCE操作系統(tǒng)，軟件模塊采用COM構(gòu)件來實(shí)現(xiàn)。核心層構(gòu)件庫包括譯碼處理、速度控制、位置控制、運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)等機(jī)器人作業(yè)的實(shí)時(shí)性任務(wù)。由于核心層沒有使用操作系統(tǒng)，本文利用功能函數(shù)形式實(shí)現(xiàn)。各種功能構(gòu)件按標(biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行封裝，功能構(gòu)件的接口。

控制模型及算法構(gòu)件庫設(shè)計(jì)

論文關(guān)鍵詞：教育機(jī)器人應(yīng)用現(xiàn)狀競(jìng)賽

論文摘要：介紹教育機(jī)器人在機(jī)器人競(jìng)賽及課內(nèi)外教學(xué)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并提出其教育價(jià)值。

1引言

自從20世紀(jì)50年代末世界上第一臺(tái)機(jī)器人誕生之后，機(jī)器人技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)是一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)水平和國(guó)民經(jīng)濟(jì)現(xiàn)代化、信息化的重要標(biāo)志，也是打開21世紀(jì)大門的鑰匙[1]。

隨著機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用也逐步得到重視。目前教育機(jī)器人主要應(yīng)用于課內(nèi)外教學(xué)和參加各級(jí)各類科技創(chuàng)新活動(dòng)，表現(xiàn)出了無可比擬的教育價(jià)值和極待挖掘的發(fā)展前景。

2機(jī)器人的定義

摘要：由于已有方法未提取實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)圖像特征點(diǎn)，導(dǎo)致傳統(tǒng)方法存在預(yù)警延誤和預(yù)警結(jié)果不準(zhǔn)確等問題。為此，提出新的實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)智能視覺預(yù)警方法。通過攝像頭采集實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)圖像，采用Sobel邊緣檢測(cè)算法和Hough算法分別提取實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)圖像的邊緣和邊緣的直線特征，提取實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)特征點(diǎn)。根據(jù)火災(zāi)特征，采用單目視覺的針孔模型計(jì)算火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)智能視覺預(yù)警。仿真分析結(jié)果表明，所提方法能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速報(bào)警。

關(guān)鍵詞：實(shí)驗(yàn)室；機(jī)器人；火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)；智能視覺預(yù)警

1引言

實(shí)驗(yàn)室是存放實(shí)驗(yàn)器材的重要場(chǎng)所，同時(shí)還是密封空間，內(nèi)部存放了大量的可燃性物品。如果發(fā)生火災(zāi)，會(huì)產(chǎn)生不可估量的損失[1-2]。目前實(shí)驗(yàn)室火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警存在探測(cè)范圍較小和自動(dòng)化水平較低等方面的問題。實(shí)驗(yàn)室自帶的供電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)一旦被破壞就無法進(jìn)行監(jiān)控報(bào)警，為了確保實(shí)驗(yàn)室中物品和工作人員的安全，及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)，將火災(zāi)消滅在初始階段，研究火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)智能視覺預(yù)警具有十分重要的意義。國(guó)內(nèi)相關(guān)專家給出了一些較好的研究成果，例如陳尚等人[3]分別從不同角度出發(fā)，分析影響電力電纜風(fēng)險(xiǎn)的主要因素，構(gòu)建火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警信號(hào)評(píng)價(jià)模型，通過評(píng)價(jià)結(jié)果完成火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。高建豐等人[4]優(yōu)先計(jì)算不同類型火災(zāi)發(fā)生的概率，同時(shí)將其設(shè)定為網(wǎng)絡(luò)輸出，使用量子粒子群算法對(duì)BP網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中形成的權(quán)值和閾值分別進(jìn)行優(yōu)化處理，全面提升全局搜索能力，更好完成火災(zāi)預(yù)警。在以上方法的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對(duì)機(jī)器人對(duì)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)警分析，提出一種實(shí)驗(yàn)室機(jī)器人火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)智能視覺預(yù)警方法。經(jīng)仿真分析測(cè)試證明，所提方法能夠有效提升預(yù)警能力，同時(shí)還能夠加快報(bào)警速度，更好預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生。

2方法

2.1實(shí)驗(yàn)室圖像火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)特征提取