机器人实验室

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机器人实验室范文第1篇

关键词：涂料；喷涂机器人；结构原理；发展趋势

中图分类号： TP242.2 文献标识码：A DOI：10.11974/nyyjs.20160132012

1 引言

随着城市化的普及，人们经济收入的增加，生活水平的提高，人们对汽车的需求及购买力度越来越大，汽车需求量飞速增长，汽车车身涂装是汽车制造中主要的生产工艺之一，它不仅能够提高汽车产品的耐蚀性，延长汽车使用寿命，它还最直接地体现了汽车外表面颜色、光泽和亮度等质量的优劣，是人们对汽车质量最直观的评价[1]，所以它对汽车市场竞争力有着最直接的影响。在这种需求的驱动下，研究汽车涂料具有很大的现实意义。实验室汽车喷涂机器人是根据生产线上的需求来模拟喷涂效果，是研发供生产线上使用涂料的重要设备。

2 汽车喷涂机器人的发展现状

在国外，20世纪60年代末，挪威Trallfa公司发明了历史上第1台喷涂机器人，随着时间的推移，国外机器人喷涂技术已相当成熟。例如瑞士的 ABB 、日本的安川 MOTOMAN 和 FANUC、德国的 KUKA、法国的史陶比尔以及美国的 ADEPT是世界上处于领先的喷涂机器人。其中瑞士ABB 公司生产的静电喷涂机器人最为著名。ABB公司在喷涂机器人设计制造方面具有丰富的经验，除此之外ABB公司还有其他的喷涂技术，所以ABB公司的产品被汽车行业广泛使用[2-4]。

在国内，喷涂机器人起步比较晚，于1990年前后，北京机械工业自动化研究所机器人中心开始了对喷涂机器人的研究，我国研究机器人是在国外研究的基础上进行的，在此过程中还研发了不少周边技术。2000以年来由于国内汽车发展迅速，许多制造公司也在设计制造我国自己的喷涂机器人，在此同时国外的MOTOMAN公司与我国北京首钢集团合作；瑞士ABB公司在京沪建立分公司，以销售喷涂机器人和工业机器人为主[5-8]，目前喷涂机器人已经是我国需求最多的机器人之一，而我国在这方面相对落后，目前来看，我国大部分都是采用的国外的喷涂机器人，有的照搬国外的生产线，还存在维修，保养等问题，从而影响喷涂的发展。所以，设计制造出我国自己的喷涂机器人是非常迫切和必要的[9]。

3 实验室喷涂机器人结构及原理

3.1 实验室喷涂机器人的的整体结构

实验室喷涂机器人的主要结构分为6个部分如图1所示： ①主体机 ②中控机 ③送料仓（升降舱）④转向头（1.旋杯，2.喷枪）⑤背板 ⑥X轴滑道。

3.2 汽车涂料实验机的工作原理

常见的涂料喷涂机构：依据涂料雾化的原理可分为喷枪和旋杯2大类。依据加电的方式还可以分为内部加电和外部加电2大类。其中最常用的喷涂类型有：手工喷枪喷涂，手工高流量低气压气喷枪HVLP的喷涂，手工静电喷枪喷涂，自动涂料实验机气喷枪，间接加电旋杯（水性色漆）喷涂，直接加电旋杯（溶剂型色漆或水性色漆）喷涂等。

3.2.1 汽车实验机喷枪的工作原理

气喷枪的工作原理是利用大流量的雾化空气把油漆雾化成小液滴，利用压缩空气控制油漆小液滴和喷涂扇面的大小达到精确控制喷涂的目的。喷嘴的结构如图2。

为了获得良好的喷涂效果，喷枪喷嘴的尺寸和合适的顶针的选用取决于涂料的类型，不能超出规定的最大的出漆量如表1。

3.2.2 汽车涂料实验机旋杯的工作原理

旋杯是通过高压空气驱动高转速气马达，由驱动带动杯口带有齿纹的高速旋杯来雾化涂料。在此同时控制旋杯周围的成形空气来控制漆雾扇面的大小，以达到精确控制喷涂的目的。旋杯的结构原理图3。

4 喷涂机器人的发展趋势

4.1 适应性发展趋势

为了追求最好的喷涂过程中的灵活性和效率，从21世纪起汽车工业开始使用机器人来代替喷涂机械，与此同时开始使用机器人进行涂料的开发。 与传统的机械喷涂相对比，采用自动喷涂机器人喷涂有2个最突出的优点：可以减少大约35%的喷枪数量；提高了喷涂效益。为了适应高速喷涂，在内表面喷涂和第2层金属漆喷涂时都要采用高速旋杯来喷涂。随着社会的发展，人们生活水平的提高 ，汽车行业的迅速发展，汽车型号和车体设计在不断变化。为了适应这一变化，只有利用好喷涂机器人才可能实现这种迅速发展要求。

机器人的作用是控制喷枪或者旋杯，使之在喷涂过程中与工件表面保持最佳的角度和一定的距离（一般为200～250mm）。为了突破这一难度，工程师利用三维专门的软件对喷涂机器人进行三维模型处理，确定喷枪的移动路径和工件的移动路径，相应的喷涂参数。然后将这些数据输人机器人中控器，来控制喷涂机器人的整个喷涂过程。

4.2 安全环保

今天人们的环保意识日益增强，安全性越来越高，人们称环保效果好的涂料生产厂为“绿色工厂”，技术陈旧的涂料生产厂为“褐色工厂”。无论是新建绿色工厂还是改造褐色工厂，建立喷涂机器人全自动喷涂，模拟生产线喷涂都是十分必要的。

4.3 零部件标准化

欧美发达国家生产的喷涂机器人基本上都已经实现了社会化大协作和零部件的系列化“专业化”标准化生产[8]，而我国生产的零部件品种单一、结构简单、制造粗糙、装配精度不合格，严重制约了涂料研发的发展，因此，我国要加快开发研制零部件，使零部件生产标准化。

5 结论

在汽车行业速度发展的情况下，设计制造出我国自己的适应性强的机器人是我国国情的新型喷涂机器人是必然要求。我国应该借鉴外国成功的经验和先进的技术，加快对喷涂机器人的设计与制造，以提高喷涂机器人的实用性和先进性。

参考文献

[1]林鸣玉，汽车涂装技术[M].北京：北京理工大学出版社，1998.

[2]孙学俭，于国辉，周文乔等，对世界工业机器人发展特点的分析[J].机器人技术与应用，2002（3）：8-9.

[3]金茂菁，曲忠萍，张桂华.国外工业机器人发展态势分析[J].机器人技术与应用，2001（2）：1.

[4]原魁.摩登制造之工业机器人――工业机器人发展现状与趋势[J].现代零部 件，2007（1）：33-38.

[5]Torgny Brog.rdh， Present and future robot control development―Anindustrial perspective[J].Annual Reviews in Control，2007，31（1）： 69-79.

[6]姚志良.我国工业机器人发展的几点思考[J].机器人技术与应用，2005（3）：28-29.

[7]陈佩云，金茂菁等，我国工业机器人发展现状[J].机器人技术与应用，2001（1）：2-5.

[8]金茂菁，曲忠萍等，国外工业机器人发展态势分析[J].机器人技术与应用，2001（2）：6-8.

机器人实验室范文第2篇

根据机器人技术基础课程特点，在实验室现有ABB IRB1410

机器人的基础上自主开发了机器人上下料平台实验系统，该系统采用真空吸附的工作原理实现板料的搬运。制定并执行了机器人运动学控制以及机器人上下料模拟实验教学方案，经机械电子工程专业学生实践，证明该实验方案能达到预期实验目的，有效激发学生学习热情，在有限课时内锻炼学生的自主开发能力。

[关键词]机器人;运动学;实验

[中图分类号]G642.4[文献标识码]A[文章编号]1005-4634（2015）02-0103-03

0引言

机器人学的有关课程实质上是迎接未来挑战的有力武器和理想助手[1]。机器人教学在国内高校中已被列入人工智能、自动化、机电一体化等的相关专业的课程之中[2]。机器人技术基础是燕山大学机械工程学院机械电子工程专业较早开设的一门针对高年级学生的专业课，主要介绍机器人运动学、动力学、雅可比矩阵、轨迹规划、机器人控制以及机器人语言和离线编程等。该课程内容抽象、逻辑性强、学生不易理解吸收。随着工业机器人被广泛应用于生产实践当中，掌握机器人的基本原理、控制过程以及应用实例，对于机械电子工程专业本科生意义重大。

传统的机器人技术基础课程，实验内容有限，课时安排仅围绕理论教学大纲开展，无拓展性、开放性;实验形式单一，一切以教师的“教”为中心，学生只是被动地接受，演示型、验证型实验多，创新型实验少，学生缺乏专业知识的综合应用能力，缺少独立动手和创新的机会，抑制了学生的想象力、自由发挥空间和学习兴趣。随着社会对人才创新能力和实践能力要求的不断提高，构建创新型实验教学体系在培养学生独立工作能力、创新能力等方面的重要性日益凸显[3]。

本文在机电实验室现有ABB IRB1410机器人的基础上自主开发了机器人上下料平台实验系统，制定了机器人运动学控制以及机器人上下料模拟实验教学方案。经机械电子工程专业学生实践，根

据实验分析结果以及研究过程中的心得体会证明该实验方案能达到预期实验目的，有效激发学生学习热情，在有限课时内锻炼学生的自主开发能力。

1实验设备简介

1.1IRB1410工业机器人

ABB公司的IRB1410工业机器人工作周期短、运行可靠，能大幅度提高生产效率。该机器人在弧焊、物料搬运和过程应用领域经历考验，能实现弧焊、装配、上胶、密封、机械管理、物料搬运等功能。承重能力为5 kg，上臂可承受18 kg的附加载荷;机器人工作范围大、最长能到达1.44 m;其大臂背后设计有平行连杆及双轴承支承结构，对称分布的接触力使机械振动大为减小，因而比串行链接结构更为坚固、响应更为迅速、工作空间更为集中，非常适合模拟汽车冲压线的上下料任务。为本科生教学提供了良好的环境，为研究生科研搭建了良好的实验平台。

IRB1410工业机器人系统如图1所示，系统包括：ABB IRB1410六自由度关节型串联机器人、

ElexPendant示教器、IRC5控制柜以及RobotStudio/RobotWare离线编程软件。

2机器人上下料实验平台搭建

结合实验室现有ABB IRB1410机器人，参照汽车柔性自动化冲压生产线机器人上下料系统，为之搭建相应的上下料平台系统，自主设计、选购机器人上下料各单元，完成端拾器的设计和组装、上下料平台的设计制造与装配、视觉系统的搭建和真空气路的连接等工作，在一定程度上实现旨在模拟汽车覆盖件柔性冲压过程的在线作业，为后续开展机器人上下料模拟实验奠定基础。机器人上下料系统如图2所示。

图1ABB IRB1410工业机器人系统

图2机器人上下料系统

ABB IRB1410机器人上下料实验采用了真空吸附的工作原理来实现板料的搬运，其中，真空系统由真空泵、分路块、两位三通直通式电磁阀、真空开关、真空吸盘、缓冲支杆等构成。ABB IRB1410机器人上下料系统真空吸附的电气控制原理图如图3所示。

其工作原理如下：当机器人手臂运动到上料平台上料中心之上的某一位置时，程序发出吸附指

令，IO板DSQC652的一路DO输出高电平，继电器线圈得电，常开触点闭合，从而使两位三通电磁阀得电，进气口和出气口接通，真空泵将系统中的空气向外排，整个系统气路开始工作;当吸盘内达到设定的真空度后，真空开关自动给电磁阀发送电信号，令其控制真空泵保持当前真空度不变;真空吸盘以恒定吸力抓取物料向下料平台运动，当运动到下料中心点某一指定位置时，程序发出释放指令，DSQC652的同一路DO输出低电平，继电器线圈失电，常开触点断开，从而使两位三通电磁阀失电，进气口和排气口导通，整个系统气路与外界大气导通，从而破坏真空，真空吸盘释放物料，

ABB IRB1410机器人完成一次板料传递任务。

3实验教学项目

坚持理论与实践相结合的原则，实验时间安排在理论课基本知识讲授完毕之后，要求学生提前预习实验指导书，进行理论知识储备工作，以保证学习成效。实验内容设置方面，以“原理性实验和研究性实验相互渗透”为原则，既让学生掌握基本的原理性知识，对机器人有基本的认识，又通过开设深层次的研究性实验，让学生透过现象看本质，培养学生独立研究能力，激发学生的创新思维。

3.1机器人运动学控制

实现对工业机器人在空间运动轨迹的控制，完成预定的作业任务，就必须知道机器人手部在空间瞬时的位置与姿态。如何计算机器人手部在空间的位姿是实现对机器人的控制首先要解决的问题[4]。物体在空间的位姿可以用固定于物体上任一点上的坐标系来表示，如果把坐标系固定在每个连杆的关节上，通过齐次坐标变换来描述两个相邻坐标系之间的相互关系，就能建立并解算机器人的运动学方程。在该阶段，要求学生能准确理解物体在空间位置与姿态的表示方法，掌握齐次坐标及齐次坐标方程变换的定义，能进行简单的平移坐标变换、旋转坐标变换及综合坐标变换（平移加旋转）等计算。

通过本实验，要求学生完成以下内容。

1） 观察串联机器人IRB1410的结构，了解其动作原理，并绘制其结构简图。

2） 计算IRB1410机器人自由度数并判别自由度性质。

3） 根据ABB IRB1410机器人各轴标准尺寸图（如图4所示）对IRB1410

机器人建立连杆坐标系，确定连杆参数和关节变量。相应参数填入

IRB1410连杆参数表。

图4ABB IRB1410

机器人各轴标准尺寸

4） 确定0nT

，在此基础上利用上述机器人运动学方程，求解关节变量q1，q2，……，qn。

5） 确定末端执行器的操作速度V，在此基础上利用机器人操作速度和关节速度的变换方程的逆变换方程V=J

，求解满足末端执行器速度要求的关节速度变量1，2，……，n。

6） 手动操纵机器人至某一姿态，对运动学正、反解运算结果与操纵窗口的显示值进行对比验证。

3.2机器人上下料模拟实验

通过机器人上下料模拟实验，使学生增强对汽车覆盖件自动化冲压线机器人上下料的感性认识。对6

自由度串联机器人的运动学、动力学分析和机器人上下料的自动化控制有较深刻理解。也对用ABB

语言离线或在线编程加深体会。使学生能够了解上下料平台搭建的主要装备及关键技术，掌握现代冲压自动机器人上下料技术的发展方向。培养学生初步掌握实验研究的能力，正确处理实验数据的能力和分析实验结果、撰写实验报告的能力。

通过本实验，要求学生完成以下内容。

1） 学习并熟练掌握利用示教器手动操作1410机器人到达指定目标位置。

2） 完成1410机器人冲压线上下料模拟实验的轨迹规划。

3） 完成1410机器人冲压线上下料模拟实验的程序编写调试。

4） 记录并分析1410机器人的实际工况（平稳性、速度、加速度）等数据。

4结束语

通过机械电子工程专业学生的课程实践，证明该实验方案能达到预期实验目的，能帮助学生更好地理解机器人理论知识，有效激发学生学习热情，在提高实验教学质量、培养学生实践能力、创新意识和科研能力等方面有积极意义。

参考文献

[1] 熊有伦.机器人技术基础[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.

[2] 朱勇勇.开放式教学机器人运动控制器设计[D].上海：上海交通大学，2007.

[3] 马丽霞，屈晓阳，顾勇飞.创新型实验教学体系的构建[J].中国大学教学，2010，10：67-69.

[4] John J C.机器人学导论[M].负超，李成群，陈心颐，译.北京：机械工业出版社，2006.

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.

机器人实验室范文第3篇

关键词：中小学；信息技术；班级教学；机器人

中图分类号：G633 文献标志码：B 文章编号：1673-4289（2014）01-0057-02

在中小学信息技术课程中，如何有效地引入机器人载体以促进信息技术教育、教学的创新，培养学生的操作实践能力，提高创新能力，促进学生的全面发展，这是中小学信息技术课程建设实践中需要研究的重要课题。

一、实践研究的做法

（一）注重平台建设，打好研究基础

在中小学信息技术课程中引入机器人载体的研究需要两个平台的支撑：一是教材，二是机器人器材。前者是信息技术课程的要素，后者是开展实践研究活动的载体，缺一不可。

为此，首先对我国部分省市现行义务教育阶段《信息技术》教材进行了查阅分类，以了解目前国内机器人进入义务教育阶段信息技术课程的现状。这包括：义务教育阶段《信息技术》教材中有关机器人内容分布，内容的详略，涉及的机器人品牌型号等。同时，对所涉及的机器人进行比较，确定其教育教学性能，经济性等，最终确定了适合我省义务教育阶段开展机器人教育教学活动可选用的机器人品牌型号。这一阶段的研究成果也被我省义务教育阶段课程改革实验教材《信息技术》修订组吸收，形成了适应本省教学需求的机器人教学教材，也为本课题研究的开展提供了范本。

在此基础上，向义务教育阶段课程改革实验教材《信息技术》所涉及的机器人公司寻求支持，得到了智慧天下公司、四川天平教学仪器公司的鼎力相助，为20个实验学校各捐赠了25套“智慧天下机器人套件”，为实践研究工作开展打下了良好物质基础。

（二）申报省级课题，推动实践研究

为更好地推动中小学信息技术课程中引入机器人载体的实践研究，2011年申报了四川省教育厅普教科研资助金项目：《中小学信息技术课程中以机器人为载体的创新教育研究》（批准文号为：川教函[2011]632号），并设置了21个子课题研究学校，目的是通过子课题的研究，取得一手研究资料，提供研究实例，以支持实践研究的成果。

二、实践研究的效果及影响

（一）实验学校信息技术课程教学得以优化

智能机器人技术融合了造型技术、机械、电子、传感器、计算机软件、硬件和人工智能等众多先进技术，充分地体现了当代信息技术多个领域的先进技术，是综合知识和技术的结晶。机器人活动不仅主题有趣，富有挑战性，更重要的是其问题解决方案是开放性的，学生可以用不同的方法达到同一个目标，因而智能机器人活动能激发学生充分发挥想象力、创造力，有利于培养学生的开放性思维，提高学生的创新能力。

（二）实验学校教师创新意识增强

1.教师的教学观念得以更新

参研教师通过自学、参培、研讨等形式提高了理论认识；对教材、教法的研讨、课堂教学的设计、反思，教学效果的总结中教师的业务水平得到提升；教师将“课堂交给了学生”，通过生动、直观、有趣的实际情境，激发学生兴趣和参与热情，促使学生主动探究，充分发挥学生能动性和创造性，而教师只是课堂组织者。这样一来，老师的观念得到了转变。

2.提高了教师的综合能力

在活动开展及课题研究过程中，课题组老师通过自己设计活动、组织活动、了解收集活动资料、整理分析、归纳总结、撰写经验文章及研究报告等，一步步学会了教学研究，提升了研究能力，促进老师向一个创新型、研究型、专家型教师发展。

（三）实验学校学生创新能力明显提升

中小学信息技术课程中引入机器人载体的实践研究，其最终目标还是落实到对人的培养上，通过实践研究，学生的创新意识和创新能力是否有效提高，实验学校对实验班和参照班进行了《威廉斯创造性倾向量表》测试，结果表明：经过机器人教学实验的班级，其冒险性，好奇性、想象力和挑战性等四项指标明显高于对比班。

（四）以机器人为载体的教育、教学影响广泛

实验学校通过实践研究，产生强大的社会效应。如内江十小的机器人教育是该校特色教育之一，从2006年至今多次荣获省、全国机器人比赛一等奖，在省、市都有较高的声誉。四川教育电视台于2013年1月专门就此进行了采访，从管理、教学、学生学习、课外活动等多方面介绍该校在机器人教育教学方面的经验，社会反响强烈。

又如自贡市大安区回龙中心校等实验学校也被多家网络及报刊媒体进行宣传报道，提高了学校知名度。

三、问题及建议

（一）机器人引入课堂的制约因素

1.器材

从教学理念来说，现在使用机器人产品与目前的教育潮流相符合，有利于同学们动手能力的培养。机器人的搭建空间很大，能充分发挥学生的想象力。整个机器人平台符合中小学生的年龄特点，有利于创新能力的培养。

但机器人套件成本较高、损耗较大，直接影响了机器人在常规教学中的应用。同时机器人本身的质量问题需进一步提升，在面向全体学生进行机器人教学时，如何对学生和器材进行科学有效的管理才能方便实施教学等问题需要思考。

2.上课环境

开展机器人创新教育要面向全体学生，学校首先需要购置大批机器人设备，电脑设备，还需要标准的机器人实验室以及一些机器人文化背景的设置。上课环境的配置需要学校投入一定的资金和场地。这对多数学校来说，经济支撑能力是不足的。

3.教师水平

机器人知识涵盖的范围很广，涉及机械、电子、运动学、动力学、控制理论、传感检测、计算机技术等学科，老师对这些学科的基础了解很有必要。同时，因为机器人对程序的要求很高，对机器人语言、程序设计等方面，应该有深入的学习，掌握好这方面的知识和能力。在教学活动中，不可避免的会有机器人器材的损坏，因此，对简单的电子电路维修，对一些维修器具的使用，教师也需要有所了解和掌握。只有教师本身具备了足够的与机器人有关的知识，才能够保证教学活动的正常进行。

4.教学大纲要求

教育部2000年颁布的《中小学信息技术课程指导纲要（试行）》没有机器人教育的内容，目前，各省只能根据自己的实际情况，编写教材。“机器人教育”进入中小学课堂是一项新内容，各地所使用的教材版本不一样，可供参考的案例、课堂实录及相关研究成果很少。因此，修订全国课程标准，明确教学目标，有利于机器人引入课堂的推广。

（二）进一步深入开展研究的建议

1.系统的教师培训

义务教育阶段机器人教育需要教师不仅掌握信息技术知识，还需要了解数字电路，机器人组装等多种知识，针对许多信息技术教师不了解机器人模块教育，不能很好的指导学生进行创新能力的培养。建议对义务教育阶段的信息技术教师开展系统的机器人教育培训。

2.统一的器材配备

由于机器人套件费用较高，学校自主配置比较困难，建议将机器人实验室纳入中小学教学仪器配备目录，统一为所有中小学配备机器人套件，电脑设备，以利课堂教学的开展。

3.教学标准的引入

机器人实验室范文第4篇

关键词：对弈机器人；五子棋；图像识别；PLC；实验教学

中图分类号：TP242.6 文献标识码：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”图灵在1950年曾说：“下棋是很抽象的活动，是机器可以和人竞争的纯智能领域之一[1]。”随着1997年“深蓝”战胜人类国际象棋冠军卡斯帕罗夫，人机对弈成为一种人工智能的代表应用形式，被普通民众所熟知。

随着计算机软件技术的普及，人机对弈类型的应用软件层出不穷[2-4]，丰富了人们的休闲娱乐生活。随着机器人技术的快速发展，娱乐机器人成为机器人领域中一支极具前景的新生力量[5]，新的技术也对人机对弈平台在人机交互方式[6]和真实用户体验方面提出了新的需求。国内的人机对弈系统一般针对中国象棋或五子棋[3-7]，其中五子棋尤其具有现代休闲“短、平、快”的特征[2]。本文设计制作了一个实时交互的五子棋人机对弈系统，旨在提供一个具有真实用户体验，服务于相关课程实验教学的人机对弈实验平台。

2 系统总体设计（System design）

五子棋人机对弈系统主要包括视觉系统、策略系统和机械臂系统三大功能模块，系统总体结构如图1所示。视觉系统对棋盘进行图像采集，通过特定的图像识别算法对双方棋子进行识别和定位，得到当前的棋盘布局。策略系统对当前棋盘布局进行分析，调用智能对弈算法计算出最优落子位置坐标，并换算成为执行器的动作量，通过串行数据线发送至机械臂系统，由其完成取子、移动、落子等运动控制。从而在真实的棋盘上实现人机对弈。策略系统提供可视化的人机界面，能将视觉系统得到的棋盘布局图形化显示，实现对弈过程中界面与棋盘信息的同步。此外，用户亦可通过人机界面与策略系统进行纯软件的虚拟对弈，增强了趣味性，丰富了实验内容。

3 视觉系统（Vision system）

视觉子系统是机器人的眼睛，由摄像头与图像处理算法组成，系统结构如图2所示。摄像头采集棋盘图像，通过USB传至装有图像处理程序的计算机，再经过色块分割、识别和定位得到双方棋子的布局情况，上传至策略系统。摄像头型号为PHILIPS SPC900NC，USB接口，最高帧速率为90幅/s，安装于棋盘正上方。图像处理算法通过C++语言实现，开发平台为Visio Studio 2010，程序流程如图3所示。

图像识别[8，9]的步骤为：色块分割、棋子识别、棋子定位。首先根据颜色特征来区分双方棋子。将摄像头获取图像转换为YUV颜色空间信息，分别定义双方棋子颜色的阈值范围，即可将图像分成不同颜色的色块。综合考虑图像噪声等因素的影响，根据色块面积、形状等特征严格地判断是否为待识别目标。为了辅助定位，在棋盘的四个角上用不同于棋子的颜色作为标记，因此实际的目标识别还包括对四角标志点的识别。识别出标志点后，根据棋子和标志点的图像坐标的关系，即可获得具体的位置信息，识别效果如图4所示。

4 策略系统（Strategy system）

策略系统是机器人的大脑，系统结构如图5所示。它接收来自视觉系统的棋盘位置信息，判断当前的胜负关系，计算出下一步落子点坐标，再经过机械臂控制执行换算得到输出动作量，通过串行口发送至机械臂系统。策略系统通过计算机软件编程实现，包括智能决策算法与人机界面两部分。智能决策算法采用C++语言开发，界面采用C#语言开发，开发平台为Visio Studio 2010。

4.1 智能决策算法

智能决策算法主要包括最优落子点的计算，胜负判定和控制执行换算三部分，程序流程如图6所示。计算最优落子点采用最直接也是最有效的遍历搜索法。预设棋盘布局为10格×10格，计算可得双方均分别有192种取胜的状态。首先对取胜缓冲标识区以及双方的搜索空间分别进行初始化；随着双方对弈的深入，棋子的增长与局势的变化，系统通过判断对方所有符合条件的取胜状态及其威胁性，按照一定的加分规则来更新搜索空间的评价值，以数值最大的点为下一步的最佳落子点，如此往复循环。对于结果的判断比较简单，取胜的条件为五子连线；平局的条件为棋子布满棋盘。

在真实对弈的过程中，机器人的落子行为通过机械臂系统来执行，机械臂控制执行换算实现最优落子点坐标与机械臂动作量之间的数值转换。根据机械手爪的位置与目标落子点的坐标，规划出最优的移动路径；再结合机械臂各个自由度上的机械参数，计算得到各执行电机的输出动作量。

4.2 人机界面

人机界面是棋盘之外的辅助人机交互接口，具有参数设置、信息可视化和软件模拟的功能。人机界面如图7所示，设计有黑、白方的选择按钮，启动、停止、重启比赛按钮，串口参数设置以及计时器等功能模块；与实际对弈竞赛一样，人/机双方在落子之后还需点击相应的“落子确认”按钮。由于系统具有真实和虚拟两种人机对弈模式，在真实对弈过程中，界面能实时显示当前的棋盘布局；在虚拟对弈过程中，用户直接通过界面与智能对弈算法进行较量。

5 机械臂系统（The mechanical arm system）

机械臂系统是机器人的手臂，系统结构如图8所示，它通过RS-232接收来自策略系统的电机输出动作量，经可编程控制器（PLC）转换为相应的脉冲信号，由开关量输出（DO）端口传送至驱动器，控制电机和电磁阀带动转盘、丝杆及汽缸动作。结合开关量输入（DI）端口接收到的位置传感器反馈信号，完成在立体空间中抓取、移动和放置棋子的动作。

机械臂系统选用亚龙公司YL-SJ-Z型工业机械臂实训台，由全金属架构搭建而成（长×宽×高：1200mm×780mm×840mm）。通过垂直、水平和底盘旋转三个自由度的活动环节，实现机械手爪在一定三维空间区域内活动定位，即使用了坐标式架构。底盘旋转通过直流减速电机与光电码盘配合实现精确定位；垂直与水平移动分别由两个步进电机带滚珠动丝杆旋进，行程终点装有限位开关，保证电机安全运行；机械手爪采用高精度气动式手爪，配备电磁位置开关及两位三通电磁阀，实现快速准确的抓取和放开动作。

实训台的主控制器为欧姆龙CP1H-XA40DT-D型PLC，CP1H-XA40DT-D是一款紧凑型一体化高性能PLC，具有24路DI和16路DO，直流24V供电，能通过USB与RS-232/485等多种方式与计算机通讯。PLC程序采用梯形图编程语言编写，开发软件为CX-programmer7.0。程序流程如图9所示，可分为抓取棋子，接收串口数据，产生并发送控制信号，移动至落子位置，放置棋子，返回起点几个步骤。

6 结论（Conclusion）

将各功能模块联机调试，挑选学生志愿者与机器人进行对弈测试，实验结果表明，真实对弈与虚拟对弈都较好地实现了预期目标，尤其是真实对弈模式在一定区域内很好地实现了棋子的识别，机械手取子、移动、落子等动作，给用户沉浸式的操作体验。实际测试效果如图10所示。系统各功能模块都具有通用的软硬件接口，供学生探索研究和继续开发，已经应用于计算机控制装置、人工智能、软件技术等课程的实验教学，收到良好的效果。

对弈机器人利用硬件设备将人机交互实物化，更加符合传统对弈的形式，在教学研究、科技展示、家庭娱乐等方面具有相当的应用价值。通用的硬件配置，个性化的软件设计，既降低了开发成本，也使系统具有较强的可移植性。

参考文献（References）

[1] 魏宁.人机对弈体现了机器具有智能吗[J].中国信息技术教育，2008（10）： 33-34.

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机器人实验室范文第5篇

“机器人橙色臂下降复位，蓝色臂上升到极限!”10月25日上午，天气晴好。位于漳州境内的500千伏漳泉I回线路48号铁塔上，厦门超高压局的3名线路人员正对机器人进行运行前的再次试验。这是福建首次在运行中的500千伏线路上采用机器人进行试验性巡检，并且通过运行开创了国内首个机器人能够自主跨越障碍的先例。

当日，机器人需要从该条线路的48号塔行进至47号塔。在440米档距的行进过程中，机器人两只带滑轮的长“手臂”以橙、蓝两色区别，分别担任跨越转移和主力运行的作用，以稳定的速度沿着地线爬行。据现场负责人厦门超高压局安监部主任谢春雷介绍，巡检机器人系统由巡检机器人和地面移动基站组成。机器人能够在输电线路上沿地线行走以及自主跨越障碍，并用所配置的摄像机全程记录输电设备的运行情况，同时将检测到的数据和图像通过无线传输系统发送到地面基站，以便地面人员及时准确地掌握输电线路的运行状态，发现线路设施的损伤、缺陷等故障情况。

通过现场试验，机器人能够用带着滑轮的“手臂”在输电线路上行走自如，遇到障碍物时能自动调整“手臂”翻越：任一臂移线，单臂带动机体旋转180度越过障碍后，另一臂落线：或前臂移线，后臂带动机体行进至障碍，前后臂轮流跨越。当日，机器人顺利通过了一基直线塔的双悬垂绝缘子和防震锤、一基耐张塔以及修复导线的压接管等多个障碍，平均爬线速度能达到每小时1―2.5公里。

与以往的人工巡线相比，巡线机器人的应用，不仅可以减轻工人“千里巡线”的劳动强度，降低超高压输电的运行维护成本，还可以提高巡检作业的质量和科学管理水平，对于增强电力生产自动化综合能力，创造更高的经济效益和社会效益都具有重要意义。以厦门超高压局管辖的闽西南超高压电网为例：超高压线路约998千米，途经高山大岭的达90％以上。如果利用直升飞机巡线，仅巡一个全程就需耗费近200余万元，并易受恶劣天气条件的限制；若采用人工巡线，按两人一组，每组巡视3千米计算，一年的巡视费用约300万元；而采用巡线机器人巡视，3人一组操作设备，平均每天巡视10千米，每年可节省约100余万元。本次机器人在带电的500千伏线路上进行的试验性巡视，为将来大面积推广使用机器人巡线积累了实战经验。