交警机器人的研究与制作

交通指挥机器人的研究与制作The Research and Production of Traffic
Police Robot
作者吕晓悦张瑜茹晨
学校北京市顺义牛栏山第一中学年级高二年级
指导老师何代华
完成日期2011年11月6日
目录
一项目背景介绍 (4)
1.1 防人机器人的研究现状 (4)
1.2 交通警察的工作背景 (5)
二基本思路和创新点 (6)
2.1 交通指挥机器人基本设计思路 (6)
2.2 创新点 (6)
2.2.1 结构设计的主要特征 (6)
2.2.2 外观上的特点 (7)
2.2.3 理念上的特点 (7)
三研究过程 (7)
3.1 学习和确定研究方向 (8)
3.2 确定初步方案 (8)
3.2.1 具体参数分析 (9)
3.2.2 三维结构建模 (13)
3.2.3 舵机的选择与控制 (14)
3.2.4 样机制作及调试 (15)
四总结与拓展 (19)
五合作经历与感悟体会 (20)
六教师点评 (21)
七参考文献 (22)
提要
随着机器人技术的发展，在现代生活生产的各个领域都出现了由机器人代替人类的劳动的应用实例，并大大提高了社会生产力水平。

其中，仿人机器人的发展也较为迅速。

结合现今交通拥堵和治理难度不断加重，交通警察人数不足、工作环境艰苦导致职业病频发的现实问题，我们想到了设计一种可以辅助交通警察室外工作的“交通指挥机器人”，由于交通警察的动作手势指令相对固定和单一，表意清楚明确，这就使得使用机器人充当一线“交警”，作为一个交通调控信号的终端成为可能。

其既可以充当类似于红绿灯的常态指令终端，也可以考虑由远程控制，现场临时调控特殊交通情况的智能终端。

从而使得交警的核心工作转向室内并且大大提高了其工作效率，可以快速对交通事故做出反应，并且改善工作环境，降低职业危害。

本项目从防人机器人的研究现状和交通警察的工作和生活现状两个背景调查切入，逐步到具体的功能动作分析，结构设计和关节自由度分析，结合应用的实际需要，选择移动底座和机构，最终完成样机制作。

从概念到实物完成了对“交通指挥机器人”的研究与制作过程。

关键词：
交通指挥机器人关节自由度舵机分析防人动作分析
一项目背景介绍
1.1 防人机器人的研究现状
研制与人类外观特征类似，具有人类智能，灵活性，并能够与人交流，不断适应环境的仿人机器人一直是人类的梦想之一。

世界上最早的仿人机器人研究组织诞生于日本，1973年，以早稻田大学加藤一郎教授为首，组成了大学和企业之间的联合研究组织，其目的就是研究仿人机器人。

加藤一郎教授突破了仿人机器人研究中最关键的一步———两足步行。

1996年11月，本田公司研制出了自己的第一台仿人步行机器人样机P2，2000年11月，又推出了最新一代的仿人机器人ASIMO。

国防科技大学也在2001年12月独立研制出了我国第一台仿人机器人。

在2005年爱知世博会上，大阪大学展出了一台名叫ReplieeQ1expo的女性机器人。

该机器人的外形复制自日本新闻女主播藤井雅子，动作细节与人极为相似。

参观者很难在较短时间内发现这其实是一个机器人[3]。

由日本本田公司研制的仿人机器人ASIMO，是目前最先进的仿人行走机器人。

ASIMO身高1.2米，体重52公斤。

它的行走速度是0-1.6km/h。

早期的机器人如果直线行走时突然转向，必须先停下来，看起来比较笨拙。

而ASIMO就灵活得多，它可以实时预测下一个动作并提前改变重心，因此可以行走自如，进行诸如“8”字形行走、下台阶、弯腰等各项“复杂”动作。

此外，ASIMO还可以握手、挥手，甚至可以随着音乐翩翩起舞。

在仿人机器人领域，日本和美国的研究最为深入。

日本方面侧重于外形仿真，美国则侧重用计算机模拟人脑的研究。

我国政府也逐渐开始关注这个领域。

由北京理工大学牵头、多个单位参加历经三年攻关打造的仿人机器人名叫“汇童”，它们主要来自于科技部“十五”863计划和科工委基础研究重点项目的资助。

通过短短几年技术攻关，我国已掌握了集机构、控制、传感器、电源于一体的高度集成技术，研制出具有视觉、语音对话、力觉、平衡觉等功能的仿人机器人，具有自主知识产权；而且“汇童”在国际上首次实现了模仿太极拳、刀术等人类复杂动作，是在仿人机器人复杂动作设计与控制技术上的突破。

1.2 交通警察的工作背景
交通警察由于工作的特殊性，其工作具有环境多变，突发事件多，工作时间长等普遍性的特点：
○1交警作为一种特殊的职业人群，常年露天工作，受到不良气象条件的影响，又直接、长期地暴露于交通废气中。

交通废气中有害物浓度在车辆减速和空挡时较高，此种状态多出现在大量机动车阻滞在交通路口或交通指挥灯前以及交警的工作地点。

交警身体状况较差，以呼吸系统为主的疾病发生率明显增高，这与城市大气经常受飘尘、SO2、氮氧化物、CO等刺激性有害物质的污染有关。

在受污染的空气慢性作用下，削弱甚至破坏了交警的呼吸道防御功能，诱发呼吸道各种病症[1]。

交警消化系统疾患也明显高于内勤警及一般人群，这也与其职业性质有关，如交警就餐时间不规则，极易产生消化功能的紊乱，导致疾病的发生；工作性质决定了交警与社会人群密切接触，易患季节性传染病，如流行性感冒、肝炎及沙眼等；交警是交通噪声的主要受害者，除了对听觉系统的影响外，主要是干扰语言交谈和声音信号识别等瞬时影响，引起情绪及一系列心理效应，使之产生烦恼、不安、注意力不集中以及容易疲劳。

○2按照工种，交通警查可以分为站立在交通路口执勤的固定警，负责两路口之间交通干线执勤的流动警，位于交通亭观察车辆和行人的岗亭警，从事行政科室的内勤警交警。

因工作性质不同，各工种交警工作时的体位不同，内勤警以坐和坐或站体位为主；在外勤警中，固定警以站立为主，流动警以站立和走动为主，岗亭警以站立不动和站立、走动交替为主。

长期站立可影响机体的血液循环功能，易发生生理疲劳和骨骼肌肉系统疾病。

交警每天平均工作时间为6.78小时，工作6～8小时的占82.18%，个别的高达11～12小时。

由于工作疲劳和缺乏娱乐、锻炼活动的场所，交警平常较少参加体育锻炼。

长期在不良的工作环境条件下工作对交警的身体健康有损害。

目前在路面执勤的交警，九成都有鼻炎、咽喉炎，七成以上有噪声性耳聋，近两成有心血管疾病。

常见工作有关疾病有：
<1>慢性呼吸道疾病（呼吸道炎症、支气管炎、咽炎）；
<2>高血压、心血管疾病（高血压病、冠心病）；
<3>消化道疾病（胃、十二指肠溃疡、消化不良、慢性胃肠炎）；
<4>慢性肌肉骨骼损伤（肩腰背痛、关节炎、下肢静脉曲张、腰椎间盘突出）；
<5>生活方式病（营养不均衡、运动不足、超重、肥胖症）[10]。

二基本思路和创新点
2.1 交通指挥机器人基本设计思路
现代社会，一些机械性强的工作完全可由机器人代替，特别是一些在恶劣环境下的高强度体力劳动或危险性很大的行为。

经过初步探讨，仅限于电机的控制与非智能遥控手段的机器人研究比较适合于我们中学生能力范围。

交警工作历来是最辛苦最机械的工作之一，常年的风吹日晒，一站就是几个小时。

为了减轻交警叔叔的工作负担，使他们能够工作的更舒心更安全，我们有了研究制作交通指挥机器人的构想。

根据现有的仿人机器人发展现状、我们目前的技术水平以及交警工作的现状综合分析，我们在仿人机器人的基础上进行了改造。

因此，目前以研究并制作出交警的指挥动作的难度与智能化要求相对较低，对机械结构要求不是很强的交通指挥机器人的指挥动作和移动机构就成为我们项目设计的主要目标。

我们设想研制出一种可替代交警在交通枢纽处被遥控做出指挥手势的机器人——交通指挥机器人，解决交警劳动机械性强、时间较长的问题。

目前预防交警职业病采取的的建议措施为“采用定期轮换制，执勤期间可采用双人轮换休息制，一次持续站立工作不宜超过两小时”。

但是效果并不明显，因此，此课题具有一定研究意义和社会价值。

2.2 创新点
下面分别从结构设计、功能和理念三个方面阐述本项目的创新点：
2.2.1 结构设计的主要特征
交通指挥机器人是一种通过舵机控制身体动作，可实现交警全部指挥手势，在遥控下完全可以代替交警，执行能力较强的仿人机器人。

我们受到变形金刚来灵感的启发，交通指挥机器人在交通顺畅的时候充当交通信号灯的作用，在交通拥堵的时候，手臂开始接受由控制大厅传输的信号，开始进行“变身”，机械手臂开始运动指挥交通。

上体设计：交通指挥机器人的主要任务是模仿交警上体两个手臂的动作，针对从2007年10月1日在全国正式施行的新版交通警察手势信号的八个具体手势，通过对多个舵机的综合控制进行手臂动作的仿真模拟。

此外，在中部空间利
用方面也有其独特优势，交通指挥机器人自身携带一个红绿灯，在日常工作中可以将手臂收起，仅使用常规红绿灯功能。

基体设计：综合考虑交通指挥机器人的整体机动性要求及工作特点，与我们的能力范围，我们未取用模仿人腿的装置，只取用履带作为主要行动方式，保证了底盘的稳定性，与移动速度。

2.2.2 外观上的特点
交通指挥机器人是一种自由移动的机器人平台，相比交通指示灯，灵活性更强，并且在内部空间利用方面也有优势。

在更改底盘使机器人前进的情况下加上了水平的移动，配合机器人上肢，使得机器人可以左右转弯以及前进。

在静态和动态运动情况下都可以保持系统的平衡与稳定，且不存在失稳状态，即使是与静态或动态的障碍发生碰撞也会在经过短暂的不规则运动后恢复稳态。

2.2.3 理念上的特点
本项目的理念上不是一味的追求仿人，高科技，而是根据实际情况和自身需求，合理综合的分析机器人所需的功能，在理念上大胆的突破，不求先进但求实用，这样既可以及时的体现机器人的发展又可以友好的发展人与机器人的关系。

我们初步设计的“交通指挥机器人”与普通立杆式交通信号灯合为一体。

在通常情况下，机器人为普通的交通信号灯，但在特殊情况下（如：临时交通管制、车祸、指示某一辆汽车紧急停车等），需要交警调控时，该信号灯即可变为“交通指挥机器人”。

通过远程操控，与多个舵机的配合完成交通指示灯所不能完成的指示工作，从而代替真人交通警察，缓解现实问题。

三研究过程
我们从年初开始，历经一年时间从确定研究目标到完成模型制作，经历了一个项目的研究的全过程。

而这个研究的过程是我们参加项目工作的主要目的，是学习的重要内容。

3.1 学习和确定研究方向
2011年1月，在北京交通大学机械与电子控制工程学院先进设计理论与制造技术实验室，导师们给我们介绍了机构学、移动机器人等主要研究方向的基础知识。

随后我们对不同种类的机器人的进行了功能的分析和原理的学习，包括无人车、八连杆步行机器马、四步步行车、球形机器人、四边行爬行车、走八方机器人、圆柱体机器人、变径车轮、六杆机器人和轮腿符合式机器人等十几个种类，还在博士生的带领下参观了实验室的数控机床，了解了数控机床是如何工作的，这是我们第一次接触数控机床。

通过学习和导师的讨论，我们决定研究的方向定位于交通指挥机器人的研究与制作。

导师对我们提出了要求：要学习结构设计与机械制造的理论，学习科研工作的主要方法，锻炼提出问题和思考问题的能力，重点在研究的过程。

3.2 确定初步方案
2009年3月-6月，我们在北京交通大学先进设计理论与制造技术实验室开始了项目初步方案的研究工作。

过程如下：
3.2.1 具体参数分析
2009年7月—8月：项目的具体参数分析阶段。

1.功能分析——机械结构
采用舵机控制机器人，机械以舵机的连接为主。

2. 舵机角度初期设计
我们的以实际动作角度计算，即不考虑12个舵机实际可以达到的最大偏转角度以及不同部位的舵机选择与安装的问题。

以下是我们研究过程中的一些草图和参考图片以及计算结果：
图1 研究过程中绘制的草图
图2 研究过程中绘制的草图
图2中相应编号说明如下：
以直行信号为例：
（1）：⑥⑦号舵机逆时针90°
（2）：①②号舵机顺时针90°
（3）：③号舵机顺时针90°
（4）：③号舵机逆时针90°
（5）：③号舵机顺时针90°
（6）：收右臂，收左臂。

以下是针对八套交警指挥手势计算的舵机角度分析：
参数右左头
①②③④⑤⑥⑦⑧⑨⑩
（一）停止（1）
135
度
（1）
-90
度
（1）
+45
度
动作
复（4）
（7）收双臂
表2 交警动作的舵机参数分析
3.2.2 三维结构建模
在完成了基本动作的参数分析后，进入模型的三维设计阶段。

我们利用假期时间，自学并向导师请教，掌握了Solidedge软件的制图功能，根据初步方案，进行零件的三维造型，完成交通指挥机器人的各种手势模型设计图。

并且学习了一些常用机械结构知识，如电机连接方式、转动副的结构、移动副结构等，同时重点接触了舵机方面的有关知识。

下图是组装好的交通指挥机器人solidedge模型的上体结构图：
图 3 交通指挥机器人上体三位模型设计图
图中1至6的数字分别标示出上体6个自由度的位置，具体说明如下：
○1手腕自由度，可调节手的上下摆动。

○2手腕自由度，可调节手腕转动。

○3肘部自由度，可使肘部弯曲。

○4肩部自由度，可调节肩部左右转动。

○5肩部自由度，可调节肩部前后活动。

○6颈部自由度，可使头部转动，配合动作。

每个由手臂由5个舵机组成，改善了以前手臂上的的6个舵机，在完成所有动作的条件下，尽量减少了自由度，目的是控制成本和制作难度。

头部带有一个电机，基体带有一个电机，我们设计在上体7号位置上安装红绿灯，以便更加方
便指挥交通。

其中附件如下图所示：
图4 舵机子图5 舵机架舵机架用于舵机的固定，舵机子用于主体结构与舵机架之间的连接。

3.2.3 舵机的选择与控制
舵机是一种位置伺服的驱动器，主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。

其工作原理是由接收机或者单片机发出信号给舵机，其内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。

经由电路板上的IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回信号，判断是否已经到达定位。

适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。

当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。

一般舵机旋转的角度范围是0°到180°度。

图6 舵机的PWM示意图图7 舵机实物图
本机器人的小车部分是采用Arduino控制，人形交警部分是采用32路舵机控制板控制。

其中Arduino控制的小车部分，不仅要控制小车的前进、后退还要控制小灯的闪烁和舵机12的旋转。

人形交警的动作则是靠32路舵机控制板控制舵机1、2、3、4、5、11、16、17、18、19、20。

舵机分布和控制板如下图所示：
图8 舵机位置及控制参数图图9 舵机控制板
在控制设计过程中，主要注意以下问题：
（1）考虑到要为32路舵机控制板提供5V的电压，所以使用Power shield 板进行电压的转换。

（2）因32路舵机控制板需要单独提供12V的电压，并且考虑到机器人动作时重心前移，故在其后面添加了一个12V的电源。

（3）在布线方面，因舵机1、2和16、17动作范围小些，可将它们的连线聚在一起以防止机器人在动作时手臂被连线干扰。

（4）在演示时应同时按开机器人背部开关和小车的开关。

3.2.4 样机制作及调试
2011年10月，进入模型的实物制作阶段，经过近一个多月的努力，终于完成了模型的各个零部件以及舵机和控制板的制作、组装和调试。

样机实物如下图所示：
图10 交通指挥机器人样机实物附：加工制作图纸
四总结与拓展
（1）指挥交通的执行力
只有精准的仿真才可以做到高效的指挥交通，在仿真提高方面我们设想1:1的比例并且需要外衣和仿真头。

在交警的八套动作中我们已经可以做到七个动作完全相似，除了减速慢行的动作有些角度上的误差。

在交通指挥机器人开始指挥交通的时候交通指挥机器人身上的红绿灯是全部是红色的以提醒司机注意交警手势。

（2）指挥交通的效率
控制与实行之间有些时间上的间隔，并且数据传输的方式没有很理想的。

但与真实交警的对比，交通指挥机器人在行动效果上的有明显的优势，如表1所示：
表3：交通指挥机器人与真实交警的比较
综上所述，我们设计的交通指挥机器人与以往真实交警在执行和移动要求都有所不同。

（3）交通指挥机器人的发展前景
我们计划利用十字路口的电子监控器和交警多年来的疏导交通经验（人类的智能）来实现远程控制交通指挥机器人，后期也可发展相应的计算机程序，使其真正做到独立工作。

类似于交警指挥交通这样机械化动作并且工作环境艰苦的职
业可以也采用类似的机器人，有人进行终端控制。

这样即采用机器人代替人类工作也不会改变现有的工作条件，并且现有的技术是完全可以实现的。

五合作经历与感悟体会
四个月的研究学习转瞬即逝,我们的学习和研究也终于有了一个小小的结果。

从最初的一点点设想，渐渐的改进，收获如今的成果；从最初的一点点无知，慢慢的学习，收获无数的“果实”；从最初的一点点矛盾，渐渐的了解，收获相互的友好；从最初的一点点粗犷，慢慢的琢磨，收获无尽的细致。

我们在改进，我们在学习，我们在了解，我们在打磨。

当初的些许幼稚的思考，逐渐的完善，终于能够破开泥土，见到日光。

下午的点点汗水，似乎不能说明什么，惟有夜晚凛冽的寒风，才诉说着艰难的路程。

8月份，是一段比较繁忙的时间，我们首先是怀着无比的兴趣学习了基本的舵机组装、对机器人进行基本的设计并将各种设计图逐渐转化为Solid Edge里的3D图和图纸。

由于作图技术并不娴熟，致使我们的绘图进展极为缓慢。

但在我们有意识的相互配合下，效率逐渐提高，作图质量也越来越好。

虽然偶尔也有错误发生，但我们仅花了两个周末的时间将所有的图全部画完，然后进入到加工阶段，虽然时间有所耽搁，但最终还是完成了。

我们又准备开始论文的写作。

我们先搭建起论文的骨架，将各种资料进行简单的整理和堆叠，并对各种原理、结构进行简要说明，加上序号。

然后对这些资料进行加工和扩充并修缮语言错误，明确段落，将主干调理清楚并发给指导老师询问改进意见进行调整和更改。

当这篇论文最后一个句号被写出时，我们的研究的乐章也暂时告于段落。

全新的乐章已然开始书写，也许是和谐的，也许是杂乱的，然而无论最后一个小节弹奏的如何，我们知道我们努力了，我们尽力了。

而其中的过程远比结果重要。

偶尔有华丽的颤音，偶尔有刺耳的不和谐音，偶尔有黄鹂般的轻巧，偶尔有雷电般的轰鸣，这些都是人生中的宝贵财富。

与同伴间的磨合，面对困难的抉择，时间的安排，超强的耐心，常人不可想象的细致，无数次的推倒重来……种种挑战，我们面对过，种种困境，我们解决过。

这些点点滴滴的积累，最终会慢慢改变我们人生的轨迹，伴随着高亢的乐曲，向着地平线上的曙光前进。

六教师点评
本项目来源于学生的生活周边的实际需求，学生所在学校每每学生入学或是放假总是发生车辆拥堵情况，此时都会有交通警察亲临现场指挥。

在其他很多地方这种情况也大量存在。

小组学生经过大量观察访问，最后形成研究报告，并动手实践了研究设想。

整个研究过程完整，具体；研究结果有一定参考和借鉴价值；为学生今后进行这方面研究和深入学习奠定了宝贵的实践经验和理论基础。

同时也培养了学生关注社会，注重人文关怀和团队协作的研究情怀。

七参考文献
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[3]李运华，焦宗夏，王占林舵机力矩负载模拟器的混合控制方法研究
航空学报1998年19卷
[4] 胡林高精度舵机控制器的研制
[5] 李赛辉，雷金奎基于DSP的数字舵机控制系统的设计与实现
西北工业大学陕西西安710072
[6] 周军变结构控制理论在导弹电动舵机系统设计中的应用
[7] 徐武彬尹辉俊基于SOLID EDGE的凸轮三维设计系统的研究广西工学
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[8] 李世国基于Solid Edge 的三维模型通用参数化程序设计方法江南大
学机械工程学院，江苏无锡214036
[9] 何建军李世国等基于Solid Edge环境范成法生成三维齿廓的技术江
南大学机械工程学院，无锡214036
[10] 王雪梅王萍徐莉交警MDI亚健康检测结果分析兰州军区临潼医院
院
[11] 施发笔论交警执法过程中的语言运用
[12] 吴巧霍亮生交警手势的图像处理与识别北京工商大学机械工程学院
北京100048
[13] 新交警手势图解。