手电筒光束引导机器人的设计毕业设计开题报告

北京大学毕业设计（论文）开题报告

题目：手电筒光束引导机器人的设计

专业：过程装备与控制工程指导教师：

学院：学号：

班级：姓名：

一、课题任务与目的

1、主要任务：

完成机器人躯体的搭建和策略设计，进行软件的设计和编译工作，并进行调试。预期成果是一台装有编译好的软件，能够识别环境光与手电筒光束，跟随指向它前方表面的手电筒光束行走的两轮车机器人。

2、课题目的：

利用龙人宝贝（C51/A VR 二合一版）套件搭建一台两轮车机器人，设计策略，编写相应程序，使机器人能够识别环境光和手电筒光束，跟随指向它前方表面的手电筒光束行走。

二、调研资料情况（选题背景、研究意义及文献综述）

1、选题背景

机器人是目前国外机器人研究领域中最活跃、投资最多的方向之一，其发展前景非常看好。近年来，机器人技术引起美、法、德、意、日等国家学术界的极大关注，研究工作蓬勃兴起。二十世纪九十年代起，国际先进机器人计划(IARP)已召开过多届机器人研讨会。欧盟、法国国家科学研究中心也将机器人辅助及虚拟仿真系统作为重点研究发展的项目之一在发达国家已经出现机器人市场化产品。

2、研究意义

随着科学技术的发展，特别是计算机技术的发展, 机器人在生活中的作用越来越受到人们的重视。辅助导航系统作为机器人的眼睛，可以让专业技术人员进一步了解局部部位的内部结构，避免了因经验不足而造成的失误，使专业项目更安全、更可靠、更精确、更科学，具有极其广阔的应用前景。

因为机器人具有定位准确、大大减低工作强度等优势，而且，它还可以通过软件编程实现消颤、提高工作精度。光束引导机器人与传统的工业机器人在结构上相比，系统针对性更强,应用方面更广。对于光束引导式机器人，在操作过程中，操作人员的决策通过光源传递给机器人，调整或修正控制以达到预期的结果，实现工作目的。

3、文献综述

机器人的由来：机器人是众所周知的一种高新技术产品，然而，“机器人”一词最早并不是一个技术名词，而且至今尚未形成统一的、严格而准确的定义。“机器人”最早出现在上个世纪20年代初期捷克的一个科幻内容的话剧中，剧中虚构了一种称为Robota（捷克文，意为苦力、劳役）的人形机器，可以听从主人的命令任劳任怨地从事各种劳动。实际上，真正能够代替人类进行生产劳动的机器人，是在20世纪60年代才问世的。伴随着机械工程、电气工程、控制技术以及信息技术等相关科技的不断发展，到20世纪80年代，机器人开始在汽车

制造业、电机制造业等工业生产中大量采用。现在，机器人不仅在工业，而且在农业、商业、医疗、旅游、空间、海洋以及国防等诸多领域获得越来越广泛的应用。

经过几十年的发展，机器人技术已经形成了综合性的学科——机器人学（Robotics）。机器人学有着及其广泛的研究和应用领域，主要包括机器人本体结构系统、机械手设计，轨迹设计和规划，运动学和动力学分析，机器视觉、机器人传感器，机器人控制系统以及机器智能等。尽管机器人已经得到越来越广泛应用，机器人技术的发展也日趋深入、完善，然而“机器人”尚没有一个统一的、严格而准确的定义。一方面，在技术发展过程中，不同的国家、不同的学者给出的定义不尽相同，虽然基本原则一致，但欧美国家的定义限定多一些，日本等给出的定义则较宽松。另一方面，随着时代的进步、技术的发展，机器人的内涵仍在不断发展变化。国际标准化组织（ISO）定义的机器人特征如下：仿生特征：动作机构具有类似于人或其他生物体某些器官（肢体、感官等）的功能；

柔性特征：机器人作业具有广泛的适应性，适于多种工作，作业程序灵活易变；

智能特征：机器人具有一定程度的人类智能，如记忆、感知、推理、决策、学习等；

自动特征：完整的机器人系统，能够独立、自动完成作业任务，不依赖于人的干预。

机器人的组成：机器人是典型的机电一体化产品，一般由机械本体、控制系统、传感器、和驱动器等四部分组成。机械本体是机器人实施作业的执行机构。为对本体进行精确控制，传感器应提供机器人本体或其所处环境的信息，控制系统依据控制程序产生指令信号，通过控制各关节运动坐标的驱动器，使各臂杆端点按照要求的轨迹、速度和加速度，以一定的姿态达到空间指定的位置。驱动器将控制系统输出的信号变换成大功率的信号，以驱动执行器工作。

（1）机械本体

机械本体，是机器人赖以完成作业任务的执行机构，一般是一台机械手，也称操作器、或操作手，可以在确定的环境中执行控制系统指定的操作。典型工业机器人的机械本体一般由手部（末端执行器）、腕部、臂部、腰部和基座构成。机械手多采用关节式机械结构，一般具有6个自由度，其中3个用来确定末端执行器的位置，另外3个则用来确定末端执行装置的方向（姿势）。机械臂上的末端执行装置可以根据操作需要换成焊枪、吸盘、扳手等作业工具。

（2）控制系统

控制系统是机器人的指挥中枢，负责对作业指令信息、内外环境信息进行处理，并依据预定的本体模型、环境模型和控制程序做出决策，产生相应的控制信号，通过驱动器驱动执行机构的各个关节按所需的顺序、沿确定的位置或轨迹运动，完成特定的作业。

（3）驱动器

驱动器是机器人的动力系统，相当于人的心血管系统，一般由驱动装置和传动机构两部分组成。

（4）传感器

传感器是机器人的感测系统，是机器人系统的重要组成部分，包括内部传感器和外部传感器两大类。内部传感器主要用来检测机器人本身的状态。外部传感

器则用来感知机器人所处的工作环境或工作状况信息，又可分成环境传感器和末端执行器传感器两种类型。

机器人的分类：经过几十年的发展，机器人的技术水平不断提高，应用范围越来越广，从早期的焊接、装配等工业应用，逐步向军事、空间、水下、农业、建筑、服务和娱乐等领域不断扩展，结构形式也多种多样。因此，机器人的分类也出现了多种方法、多种标准。

（1）按照机器人的技术发展水平分

按照机器人的技术发展水平可以将机器人分为三代。

第一代机器人是“示教再现”型。这类机器人能够按照人类预先示教的轨迹、行为、顺序和速度重复作业。目前在工业现场应用的机器人大多属于第一代。

第二代机器人具有环境感知装置，能在一定程度上适应环境的变化。

第三代机器人称为“智能机器人”，具有发现问题，并且能自主地解决问题的能力。作为发展目标，这类机器人具有多种传感器，不仅可以感知自身的状态，比如所处的位置、自身的故障情况等等；而且能够感知外部环境的状态，比如自动发现路况、测出协作机器的相对位置、相互作用的力等等。更为重要的是，能够根据获得的信息，进行逻辑推理、判断决策，在变化的内部状态与变化的外部环境中，自主决定自身的行为。这类机器人具有高度的适应性和自治能力。尽管经过多年来的不懈研究，人们研制了很多各具特点的试验装置，提出大量新思想、新方法，但现有机器人的自适应技术还是十分有限的。

（2）按机器人的机构特征来分

机器人的机械配置形式多种多样，典型机器人的机构运动特征是用其坐标特性来描述的。按机构运动特征，机器人通常可分为直角坐标机器人、柱面坐标机器人、球面坐标机器人和关节型机器人等类型。

（3）按照机器人的用途分

机器人首先在制造业大规模应用，所以，机器人曾被简单地分为两类，即用于汽车等制造业的机器人称为工业机器人，其他的机器人称为特种机器人。随着机器人应用的日益广泛，这种分类显得过于粗糙。现在除工业领域之外，机器人技术已经广泛地应用于农业、建筑、医疗、服务、娱乐，以及空间和水下探索等多种领域。

机器人技术的进展。国际上第一台工业机器人产品诞生于20世纪60年代，当时其作业能力仅限于上、下料这类简单的工作。此后机器人进人了一个缓慢的发展期，直到进人20世纪80年代，机器人产业才得到了巨大的发展，成为机器人发展的一个里程碑，这一时代被称为“机器人元年”。为了满足汽车行业蓬勃发展的需要，这个时期开发出的点焊机器人、弧焊机器人、喷涂机器人以及搬运机器人等四大类型的工业机器人系列产品已经成熟，并形成产业化规模，有利地推动了制造业的发展。为进一步提高产品质量和市场竞争能力，装配机器人及柔性装配线又相继开发成功。

20世纪90年代以来，随着计算机技术、微电子技术、网络技术等快速发展，工业机器人技术也得到了飞速发展。现在工业机器人已发展成为一个庞大的家族，并与数控（NC）、可编程、控制器（PLC）一起成为工业自动化的三大技术支柱和基本手段，广泛应用于制造业的各个领域之中。工业机器人技术从机械本体、控制系统、传感系通行统，到可靠性、网络通信功能的拓展等方面都取得了突破性的进展。机械本体方面，通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用，机器人操作机已实现了优化设计。以德国KUKA公司为代表的