创意机器人学习与研究

广东北江中学“研究性学习”案例集212创意机器人学习与研究——智能晾衣机器人高一（2）班张哲曾烨指导教师蓝凌一、课题背景在2004年，我们加入了学校的机器人小组，并选择研究机器人创意这个项目。在经过长时间的讨论后，根据今年大赛的创意要求，我们决定研究设计一个智能晾衣机器人，并参加“广东省青少年机器人竞赛”的创意机器人项目。确定研究主题后，就针对智能晾衣机器人进行讨论，搭建，编程，最终在大赛里取得成绩。以下是针对研究过程中的几个比较重要的问题（如模型搭建，程序设计等）的研究学习过程。二、研究课题的目的通过学习，培养对身边事物的观察能力；通过学习，培养创新精神通过学习，加强对机器人这种前沿科技的了解，以及培养和提高对事物研究的能力；通过实践，增强思考能力和动手能力；通过实践，培养团体协作精神；通过实践，把在课堂知识运用到机器人的搭建当中，达到理论与实际相统一；经过一番努力，在全省、全国举行的机器人制作大赛中取得好的成绩,为校争光。三、课题研究的方法（1）课题研究的具体方法1观摩过去队员的成果，以及上网查询资料，充分了解创意机器人的创作理念和制作要领2发挥想象，想出几个比较有研究价值的创意方案3小组讨论，确定研究对象，选出一个最适宜的方案进行研究4经过反复实践，搭建出机器人模型5编写程序6不断试验，保证机器人能完成所给出的指令7后期的完善（2）课题研究的时间.地点和人员广东北江中学“研究性学习”案例集213时间：2004年9月到2005年9月地点：广东北江中学电教楼人员：广东北江中学机器人小组高中创意组学生：张哲、曾烨指导老师：蓝凌四、课题研究的过程（1）创意机器人作品的由来在仔细阅读了今年机器人大赛的参赛规则和创意核心之后，我们开始思考，应该设计一个怎样的机器人，今年主要是设计工程学的机器人，而且今年大赛的主题是来源于生活，服务于生活。我们根据这样的理念，想了以下三款机器人的设计方案：1.智能晾衣机器人这款机器人能改变传统的晾衣方式所造成的诸多弊端，使晾晒衣服更加方便，智能化，同时也使家居生活的效率和质量有所提高，除了晾晒衣服，还能完成很多额外的功能。如智能观测日照情况并做出相应措施，智能烘干等等。2.2008智能机场迎宾系统这款机器人是一个完整的，系统的迎宾设施，可以代替人力接待外宾，并完成从机场到宾馆的所有接待任务，特别是在2008北京奥运的时候，能够为来参加北京奥运的中外朋友们提供更良好的服务。3.智能多车道运河桥这款机器人应用于运河或有船只停靠的海港，在没有船只通过时，分为上下各两条共四条车道，而当有船只经过时，上层两条车道向两边移开，下层向上抬高至与上层水平，方便船只通过。这样即充分空间，又不妨碍码头的正常营运。对于这三款机器人，都有各自的闪光之处，究竟如何取舍，我们经过了一番讨论。通过讨论，我们认为，第2款机器人虽然用途很实际，对国家也是意义重大，能够充分体现我国的服务之周到，科技之发达，但是在一些细节之处却未能照顾周全，对于突发情况也不能随机应变，而且构思也不够创新，制作相对简单；而第3款机器人，在有限的LOGO积木材料下很难完成，其中的技术问题比较难以解决，加之要对应不同港口，不同地貌，则一些具体的情况也不同，技术上有一定的难度，实用性也是一个问题；而第1款机器人，结合工程学，机械原理和人工智能技术，非常实用，贴近老百姓的生活，真正解决日常家居生活中的问题，非常有研究价值，在现有的条件下也可以完成，所以，我们最后决定采取第一个方案，做智能晾衣机器人。（2）机器人制作的过程1.所需材料LOGO机器人配件，中鸣马达，纸箱，泡沫塑料，吹塑纸，布料说明：我们用纸箱等材料做了一个模拟的家居阳台，以便更直观地感受到机器人的用途。广东北江中学“研究性学习”案例集2142.制作过程a.基本结构在制作的时候，我们尝试过很多形式，曾经试过将机器人做成悬挂式的，安置在模拟的天花板上，可是效果并不理想，最后我们把这个机器人的基本结构做成落地式的，由一个底板和两侧的塔式支柱构成。b.旋转结构我们将晒衣杆做成一个矩形的框架结构，用钟鸣马达带动其旋转。（如图）c.伸缩结构这个结构是整一个机器人的核心部分，是最重要的功能所在。我们在其中一侧的支柱的上端安装了一条槽，在旋转结构的马达上连接一条带锯齿的LOGO积木条，并使其能在槽上来回顺畅地滑动，并在支柱顶端安放一个LOGO马达，在马达上套一个齿轮使其与带锯齿的LOGO积木条相吻合，从而用LOGO马达带动旋转结构来回移动，达到我们所要求的功能。（如图）为了使它的伸缩更平稳，我们在另一侧的支柱上同样安装了一条槽，将齿轮与矩形框架的另一端相连，在槽里铺上锯齿。但后来经过反复的实验，为了使晒衣架的滑出更为流畅，便将槽上的齿轮改为了光滑表层。（如图）(注：图一为原来的方案，图二为后来的方案)d.风干和烘干系统在两侧支柱的中间偏上的部位，分别安装了一个LOGO马达，用来控制圆形的风干装置，而在其中一侧支柱与风干装置水平的位置，安了一个LOGO专用的灯泡，表达烘干装置的效果。该装置将根据所给程序的指令完成相应的功能。（如图）e.其他为了方便操控，还安装了两个触动传感器，同时为了读取太阳光值的数据，在一条的槽的尽头靠外的一端安装了一个光学传感器。最后完成的机器人模型如下：（如图）（3）程序介绍广东北江中学“研究性学习”案例集215我们来看看程序编写的情况：1．我们是运用ROBOLAB软件来进行编程的。这是一种图形化编程软件（也可称为G语言），因而减免了运用诸如BASIC、PASCAL等语言所带来的困难，从而只须掌握一百多种图片的功能、图片的各种运用方法和场合以及实际操作中机器人所要拥有的效果即可。2.编写程序的过程及其简介1)晒衣杆旋转程序的编写这需要用到2个触动传感器判断，按下1号触动传感器，马达就可以带动晒衣杆向一个方向旋转，按下2号触动传感器就会向另一方向旋转；2)晒衣架伸缩程序的编写开始我们又用了一个触动传感器判断，并使用了容器赋值的方法：容器清零后，第一次按下3号触动传感器，马达旋转一段时间后停止，同时容器赋值为1，那么晒衣架就伸了出来；再按一下触动传感器，程序判断容器值，当值为1时，马达就与之前反向旋转一段时间停止，晒衣架就收了回来，然后容器赋值为0，如此循环即可；3)智能操控程序的编写首先要用到一个光学传感器判断，给它赋一个值（该值由具体情况确定），就可以用来判断屋外的天气情况了：当阴天就要下雨时，光学传感器测得的光值就会降低，光值一低于原来赋的值，容器马上进行判断，若容器值为1，即晒衣架伸了出来，那么马达立即旋转将晒衣架收回同时烘干与风干程序马上执行；若容器值为0，即晒衣架未伸出，则不动。当晴天时，光学传感器测得的光值上升，光值一高于原来赋的值，容器又立刻进行判断，若容器值为0，那么晒衣架就会伸出来，若容器值为1，晒衣架已经伸出，则不动。如此就实现了机器人的手动工作模式与智能操控模式的结合。4)程序的整合由于程序命令比较多，我们用了很多的分叉合并以及循环命令，并将智能操控程序进行了修改，添加入了计时器命令，让光学传感器、容器判断后隔一定时间再执行马达转动的命令，这样可以防止光值突然下降又回升的特殊情况发生；由于RCX接口有限，只能用最多2个触动传感器，所以我们将原来的3号触动传感器去掉，改为由1号、2号触动传感器同时按下来实现3号触动传感器的功能；5）程序的调试在调试过程中，我们发现若马达功率大了，晒衣杆旋转与衣架伸缩速度太快都会造成支架摇晃、结构不稳、不安全这些问题，马达功率小了又会造成推不出马力不够，对广东北江中学“研究性学习”案例集216此，我们反复调试、更改了马达的功率，最终以4级马达功率推出晒衣架，以2级马达功率旋转晒衣杆。3.程序编写过程中遇到的困难整合程序时，要求旋转程序、伸缩程序、操控程序都能随时运行，并且没有次数、顺序的限制，所以这样必须考虑得很周全，难度升高了很多，经过了许多次的调试、修改，终于编出最合心的程序了。(如图)（4）该机器人的工作流程和各项功能简介首先，当我们按下其中一个触动传感器，晒衣杆就会自动旋转到垂直角度，这样，即使不用衣杈也可以轻松晾晒衣服。按下另一个触动传感器，便会将晒衣杆的另一边缓缓旋转到下方，使我们有足够的晒衣空间。当我们将所需要晾晒的衣服都挂上去以后，就把它转回水平的位置，使机身平衡。为了使这款机器人更加人性化，我们设计了手动和智能操控两种模式。a.手动模式同时按下两个触动传感器，整个晒衣杆便会平稳地伸出阳台外面，衣服周围的空气广东北江中学“研究性学习”案例集217流动加大，使衣服加快晾干；再次按下两个触动传感器，晒衣杆便会平稳地缩回。b.智能操控模式当然，上面的步骤人们也可以不用做。当室外光线达到一定强度的时候（即高于我们所赋予光学传感器的太阳光值的时候），晒衣杆就会自动伸出，这样一来，就能使衣服加快晾干，同时太阳光也能起到杀菌消毒的作用，对人体健康也是有益的。而当室外光的强度变小，有下雨倾向的时候，晒衣杆自动缩回，防止被衣服雨水打湿，与此同时，风干和烘干系统就会自动启动，既能使衣服在没有阳光的情况下快速干燥，又能防止阴雨天气导致衣服霉变。五、智能晾衣机器人的前景展望在二十一世纪的今天，科学技术在不断地发展，人们的物质.生活的水平也在不断地提高，人工智能技术也随之走进我们的生活。我们这台智能晾衣机器人不仅使传统的晾衣架得到飞跃的革新，同时使晒衣服这种家务活的安全系数和智能化得到很大的提高，使人们的生活在机器人的帮助下变得更悠闲，更舒适，不必为琐碎的家务而劳心劳力。正是因为它真正为老百姓排忧解难，具有非常高的实用性，所以将会拥有广阔的开发市场，极高的开发价值。同时，也能改变原本因为湿衣物而潮湿的家居环境，防止细菌滋生，给居民一个健康的生活环境。所以说，这个机器人是“来源于生活，服务于生活”的！六、制作机器人的感想和参赛体验1.由于刚刚加入机器人小组这个团体，对LOGO机器人的制作和ROBOLAB编程并不十分熟悉，在制作这个机器人的时候，走了很多弯路，但也正是因为这一次次的尝试，才使我们累积了很多的经验，是我们一步步走向成熟。2.在制作的时候，小组里面的很多经验丰富的成员给了我们很多的帮助，也给我们提了很多宝贵的意见，在很多比较难以理解的问题上全力启发.指导我们，尤其是ROBOLAB编程，他们会尽心尽力地讲解详细的编程方法，让我们在较短的时间内掌握了机器人的设计.制作要领，在后来的制作过程中就顺利了很多，真的是非常非常的感谢。3.而我们更加深刻地体会到，团队精神的重要性。无论是机器人的制作还是后来的比赛，如果没有了团队协作，那就不可能有今天的成绩。我们每一个人都发挥自己的长处，尽力去做到最好，达成了高度的默契。我们分工明确，又相互配合，才能做得更好，不断地取得进步。4.由于在刚开始时懒散而又犹豫不决的个性，是我们在确定制作何种机器人这一步浪费了很多时间，导致该作品的后期制作过于仓促，机器人的场景做得过于简陋。这个机器人，还有很多可以改善的地方，我们，还可以做得更好。在以后，一定要改正这个毛病。5.动手能力很重要。在平时，我们很少注重自己的实践能力，但在机器人队，最重要的就是动手实践的能力。我们真的能学到很多，还能把课堂里的知识运用到机器人的制作里面去，还能使我们的思维更有逻辑性，真的是首受益匪浅。6.在比赛的时候，我们的合作非常融洽，共同面对.克服了很多难题。在现场比赛时，还与评委有良性互动，但是还是免不了紧张，又因为没有参赛经验，一遇到困难就比较广东北江中学“研究性学习”案例集218慌张，在即兴题的时候还是因为过度紧张而没有完成，丢了很多分。不过，最后的成绩也还是比较乐观的。在这次的比赛里面，我们学到了很多，增长了见识，积累了经验，对以后的比赛，会有很大的帮助。注：本作品在第二十届广东省青少年科技创新大赛优秀机器人创意设计展示活动暨第五届广东省青少年电脑机器人竞赛创意项目中获得二等奖。参考文献：1、《通用技术（必修1）－技术与设计1》江苏教育出版社2、西觅亚官方网站：www.semia.com3、机器人diy论坛：www.robod