利用智能手機控制的娛樂機器人移動本體設(shè)計【采用輪式移動平臺】,采用輪式移動平臺,利用智能手機控制的娛樂機器人移動本體設(shè)計【采用輪式移動平臺】,利用,應(yīng)用,智能手機,控制,節(jié)制,娛樂,文娛,機器人,移動,挪動,本體,設(shè)計,采用,采取,采納,輪式,平臺 開題報告 課 題 　利用智能手機控制的娛樂機器人 　　 　移動本體設(shè)計 學 院（系） 專 業(yè) 年 級 學 號 姓 名 導 師 定稿日期： 2014 年 2 月 23 日 利用智能手機控制的娛樂機器人移動本體設(shè)計 1 選題背景及其意義 隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,人類社會己經(jīng)進入信息時代,在日常生活娛樂中,手機更成為人們不可或缺的一部分，而由手機作為控制器媒介。如今具有 Android、iOS、Windows Phone等操作系統(tǒng)的智能手機逐漸普及，成為幾乎人手必備的個人終端，同時性能也在不斷地提升。由于智能手機良好的便攜性和移動性以及日益強大的計算能力， 本文將就基于多種控制方式的交互式多媒體演示系統(tǒng)和方法進行一些探討,并對其中的智能手機（主要是android操作系統(tǒng)的智能手機）交互式控制做詳細說明,以期對日常生活娛樂的多樣性以及現(xiàn)代科技化娛樂方式起到一定的積極作用。 2 文獻綜述（國內(nèi)外研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢） 2.1國外情況 傳統(tǒng)的機器人遠程控制主要基于 Internet 和 PC 終端，將機器人接入 Internet，操作者在 PC 上通過瀏覽器訪問機器人，不僅可以看到機器人連接的攝像頭拍攝的實時圖像，而且可以控制機器人的運動。這種控制方式最初在利用機器人進行遙操作的危險領(lǐng)域發(fā)揮了重大作用，后來被廣泛應(yīng)用到遠程制造、遠程醫(yī)療診斷、遠程教育培訓和網(wǎng)上娛樂等新領(lǐng)域。[1] 1994 年，Ken Goldberg 最早提出了基于 Internet 的機器人遠程控制構(gòu)想，即通過 Internet 訪問機器人，并對其進行遠程操作。然后他將這一想法應(yīng)用到“水星計劃”中，操作者使用鍵盤和鼠標通過瀏覽器遠程控制一臺配備了 CCD 攝像頭的 IBM SCARA 機器人，在裝有沙子的半圓形空間中進行物品挖掘。隨后他們又開發(fā)了 Telegarden 機器人，操作者通過 Internet 反饋的一幅幅圖像遠程控制機器人機械手在花園中進行種植和灌溉等操作。[2] 1994 年 9 月，Kenneth Taylor 等人研發(fā)出 Telerobot 機器人，該機器人上安裝了攝像頭觀測周圍環(huán)境，利用六自由度 ASEA IRb-6 型機械手抓取積木塊。用戶通過 Internet 瀏覽器向機器人發(fā)送指令，控制機械手抓取工作臺上的積木塊移動到目標位置。機器人執(zhí)行完一次運動后，將返回當前位置不同角度的圖像。 [3]其他的基于Internet的遠程機器人控制系統(tǒng)還有英國Bradford大學的Bradford Robotic Telescope 望遠鏡遠程控制系統(tǒng)，英國 Manchester 大學的 Forty Two 遠程機器人以及德國的移動木塊的 Net-Robot 機器人等。[4] 基于 Internet 的機器人遙操作系統(tǒng)初期只能提供機器人執(zhí)行完每步命令后的靜止畫面，當網(wǎng)絡(luò)流式傳輸技術(shù)出現(xiàn)以后，可以更加方便的對現(xiàn)場環(huán)境圖像進行反饋。美國 Wilkes 大學的網(wǎng)絡(luò)交互繪畫機器人 PumaPaint 是將 PUMA760 機械臂連接到 Internet 上，任何用戶可在其網(wǎng)頁的虛擬畫布上使用畫筆和顏料繪畫，系統(tǒng)通過不斷的更新圖像給用戶提供視覺反饋。 這一代網(wǎng)絡(luò)遙操作機器人主要以固定的工業(yè)機器人和機械臂操作手作為被控對象，運行于結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中，通過直接發(fā)送命令的方式控制，系統(tǒng)比較簡單。隨著研究的深入，第二代網(wǎng)絡(luò)遙操作機器人系統(tǒng)以自主式移動機器人作為被控對象，利用其自主性和移動性的特點，可在非結(jié)構(gòu)化、未知的遠程環(huán)境中運行。[5] 1995 年，Carnegie Mellon 大學 Reid Simmons 教授和他的團隊研發(fā)出第一個基于 Internet 的自主移動機器人遠程控制系統(tǒng) Xavier。機器人上安裝了攝像機，操作者在網(wǎng)頁上根據(jù)反饋的圖像發(fā)送控制命令，使之在樓內(nèi)各個房間中移動傳遞文件。 其他的自主移動機器人遠程控制系統(tǒng)還有瑞士的 KhepOnTheWeb，即一 個小型移動機器人在迷宮中移動，操作者可以從機器人的視角或外部攝像頭的視角監(jiān)視機器人，并控制它的運動。 德國 Bonn 大學開發(fā)的博物館導游機器人，Rhino 和 Minerva，可以使用三個網(wǎng)頁控制它們同游客交流，引導游客觀看博物館的展覽。[6] Natali Ivanova 的機器人真空吸塵器項目，具有交互式的人機接口，可以在 PC 上使用瀏覽器通過 Internet 在其他地方遠程引導家里的吸塵器工作。 美國 Anybots 公司開發(fā)的 QB 遠程臨場機器人，能夠通過遠程操控代替主人出席緊急會議甚至代為工作。QB 通過兩個攝像頭和三個麥克風，將會議現(xiàn)場視頻通過Internet 傳送給遠程操作者，如圖 1-1 所示。 圖 1-1 Anybots QB 機器人 圖 1-2 MARON-1 機器人 圖 1-3 移動機器人 盡管基于 Internet 和 PC 的機器人遠程控制技術(shù)具有十分廣泛的應(yīng)用，但由于PC 只能部署在固定地點通過有線方式接入 Internet，限制了遠程控制的靈活性。隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提升，出現(xiàn)了基于移動通信和手機終端的機器人遠程控制系統(tǒng)。 [7] 日本富士通實驗室為特殊病人的醫(yī)療護理和家庭及辦公室安全保護等應(yīng)用設(shè)計開發(fā)了一種先進的機器人 MARON-1，可以通過日本DoCoMo 電信運營商的無線通訊手機系統(tǒng)來控制，如圖 1-2 所示。 德國的 Daniel He?和 Christof R?hrig 利用 Windows Mobile 系統(tǒng)和 Symbian系統(tǒng)的智能手機實現(xiàn)了對移動機器人的控制，如圖 1-3 所示。該機器人攜帶一個 PTZ（云臺全方位移動及鏡頭變倍、變焦控制）攝像頭實時采集圖像，可以通過遠程控制實現(xiàn)前進、后退、順時針和逆時針轉(zhuǎn)動。 馬來西亞 Saliyah Kahar 等人提出了利用 3G 網(wǎng)絡(luò)建立智能手機和移動機器人通信的模型。受控機器人 WiRobot X80 配備了攝像頭、話筒和車輪，可以和周圍環(huán)境進行交互。用戶可以從手機上監(jiān)視移動機器人的狀態(tài)信息和視覺信息。 [8] 2.2國內(nèi)情況 國內(nèi)在基于Internet和PC終端以及基于移動通訊和手機終端的機器人遠程控制方面都進行了研究。 對于前者，上海交通大學開發(fā)了基于 Web 的機器人遙操作系統(tǒng)，控制 Adept 604-S 型機械手，人機界面基于 HTML 技術(shù)。此后他們又開發(fā)了一個基于 Java Applet 和服務(wù)器組件技術(shù)的 Web 機器人遙操作系統(tǒng)。 哈爾濱工業(yè)大學開發(fā)了 Telerobot 遠程操作機器人，用戶可以通過 Internet 瀏覽器控制一臺 PUMA562 機器人，使用三架 CCD 攝像機對現(xiàn)場環(huán)境進行拍攝，并根據(jù)反饋的圖像遠程操作機器人完成抓取、搬運和堆放操作。 浙江大學的基于網(wǎng)絡(luò)的移動機器人遠程控制系統(tǒng)，利用 Java Applet 實現(xiàn)信息交互，在無線局域網(wǎng)環(huán)境下利用 JMF 實現(xiàn)了視頻流的傳輸。重慶郵電大學以 Pioneer 3-DX 型移動機器人為控制對象，將全景視頻圖像和局部環(huán)境圖像反饋給操作者從而遠程控制移動機器人。 [9] 在基于移動通訊網(wǎng)絡(luò)和手機終端的機器人遠程控制方面，許松清等人利用GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸圖像，實現(xiàn)了對移動機器人的遠程監(jiān)控。劉延飛等人提出一種應(yīng)用 3G 通信和 GPS 定位技術(shù)的救援機器人遠程監(jiān)控系統(tǒng)，通過 3G 網(wǎng)絡(luò)對機器人進行指揮以及將現(xiàn)場視頻傳送至監(jiān)控中心。吳京秋等人設(shè)計了一種基于 DSP和 ARM 的無線遠程機器人控制系統(tǒng)，利用 DSP 芯片采集處理 CCD 攝像機拍攝的視頻，并通過 GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)控制機器人。嚴武軍基于 3G 網(wǎng)絡(luò)和 Android手機實現(xiàn)了機器人視頻監(jiān)控系統(tǒng)。孫進華等人設(shè)計了一種基于嵌入式 WEB 的多功能家用機器人控制系統(tǒng)，包括運動模塊、視頻模塊、傳感器模塊和 GSM 模塊，能在位置環(huán)境中自主導航，具有清潔和視頻監(jiān)控的功能。李宗瑋等人利用iPhone 手機和 3G 網(wǎng)絡(luò)開發(fā)了一種機器人人機交互系統(tǒng)，通過傳輸連續(xù)的 JPEG圖像實現(xiàn)視覺反饋[9]。[10] 3 研究內(nèi)容 3.1 機構(gòu)設(shè)計 機器人的機械部分通常包括執(zhí)行機構(gòu)和驅(qū)動裝置。 執(zhí)行機構(gòu)即機器人本體，能讓機器人能夠按照輸入信號達到所需要求，底盤輪齒組合能使其前后，正逆時針旋轉(zhuǎn)。 3.2 電機及驅(qū)動機構(gòu)設(shè)計 電機的類型有很多種，按工作電源種類劃分：可分為直流電機和交流電機。 直流電動機按結(jié)構(gòu)及工作原理可劃分：無刷直流電動機和有刷直流電動機。 鑒于該機器人屬于小型娛樂類型機器人，故考慮使用小型直流步進電動機，即可滿足要求，并采用齒輪軸配合 3.3 減速器的選擇 減速器主要可分為齒輪減速器和蝸桿減速器兩大類： 齒輪減速器是原動機和工作機之間的獨立的閉式傳動裝置，用來降低轉(zhuǎn)速和增大轉(zhuǎn)矩，以滿足工作需要，在某些場合也用來增速，稱為增速器 齒輪減速器是減速電機和大型減速機的結(jié)合。無須聯(lián)軸器和適配器，結(jié)構(gòu)緊湊。負載分布在行星齒輪上，因而承載能力比一般斜齒輪減速機高。滿足小空間高扭矩輸出的需要。 而本課題就將使用齒輪減速器 3.4 控制系統(tǒng)設(shè)計 選用單片機作為控制芯片，型號為STC89C52RC 單片機，它是一種低功耗、高性能的單片機，擁有8k字節(jié)的程序存儲空間、512k字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲空間、32位I/O口以及內(nèi)帶2k字節(jié)EEPROM存儲空間。 它作為機器人的底層控制系統(tǒng)，需要完成對機器人的控制和對手機信號的接受，能與手機完成良好的通訊。 運動裝置，采用四輪結(jié)構(gòu)，前后兩輪為萬向輪，起支撐作用，左右兩輪用兩個直流電機獨立驅(qū)動，具有轉(zhuǎn)彎靈活，控制簡單等特點。 3.5 軟件設(shè)計 考慮到用單片機作為控制系統(tǒng)，將以單片機編程為機器人編制運動系統(tǒng)，通過對單片機的控制輸入控制機器人的運動 4 研究方案 機器人分為本體部分與控制部分。 本體部分作為一個主框架，能夠有一個底盤結(jié)構(gòu)作為手機的支架，該支架設(shè)有一個手抓（如圖一），能夠抓持不同型號大小的手機，支架設(shè)有一個轉(zhuǎn)動副，能使手機做適當調(diào)整讓其能以很好地面對人臉接受信息（如圖二）。能與運動部分的的直流步進電機，減速機構(gòu)主動輪和導向輪相結(jié)合構(gòu)成一個整體。 圖一 圖二 對于控制部分，外界輸出的對象是手機，手機端通過攝像頭接受到外界信號后，可由USB，藍牙或者wifi將信號傳輸給單片機，再由事先設(shè)計好的程序讓單片機處理后使機器人做出相關(guān)運動。 電機選型初步選定步進電機，因為其價格低廉，結(jié)構(gòu)原理簡單，調(diào)速方便，體積較小，功率較小。 機械結(jié)構(gòu)方面采用齒輪傳動，因為齒輪結(jié)構(gòu)效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，維護方便，壽命長，傳動比穩(wěn)定。 電氣控制方面，采用MCS-51單片機控制 ，因為其具有比較大的尋址空間 ，處理功能強 ，指令系統(tǒng)相對完善以及完善的各種中斷源，抗干擾能力加強，工作亦相對穩(wěn)定 ，開發(fā)環(huán)境要求較低，軟件資源十分豐富。 利用三維設(shè)計軟件solidworks等，繪制全套三維零件圖以及三維裝配圖，生成虛擬樣機模型。檢查該樣機存在的干涉等問題，然后利用該樣機模型制作裝配動畫。最后利用AUTOCAD軟件繪制全套零件二維工作圖以及二維總裝配圖。 利用電路仿真軟件設(shè)計電路圖，調(diào)試單片機程序，完成電氣控制部分的設(shè)計 機器人 本體 控制部分 底盤 運動部分 手機支架 直流步進電機 減速機構(gòu) 主動輪 導向輪 手機 單片機 5 進度計劃 2013年12月---- 2014年2月：收集資料，確定設(shè)計系統(tǒng)總體方案，翻譯有關(guān)外文資料及閱讀技術(shù)文獻，書寫開題報告。 2012年 3月---- 2012年 4月：開始總體設(shè)計，完成機械部分，傳動部分設(shè)計。完成總裝配圖，A0圖紙1張，完成部分零件圖A1圖紙3張等。 2014 年 4 月---- 2014年5月：撰寫畢業(yè)論文。 2014 年 5 月---- 2014年6月：畢業(yè)答辯準備和答辯。 參考文獻 [1] 袁劍雄，李晨霞 潘承怡編，《機械結(jié)構(gòu)設(shè)計禁忌》，機械工業(yè)出版社，2008.06 [2] 張建民主編，《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》，高等教育出版社，2000.07 [3] 王淑芳著，《電機驅(qū)動技術(shù)》，科學教育出版社，2008 [4] 成大先著，《機械設(shè)計手冊》單行本-機構(gòu)，化學工業(yè)出版社，2004.01 [5] 孔凌嘉著，《簡明機械設(shè)計手冊》，北京理工大學出版社，2008.02 [6] 傅蔡安，吳永祥，謝家瀛著，《連桿機構(gòu)設(shè)計與應(yīng)用創(chuàng)新》，2008.01 [7] 張毅剛著，《單片機原理及應(yīng)用》，2003.12 [8] 魏崢著，《三維計算機輔助設(shè)計—SolidWorks實用教程》，2007.05 [9] 李宗瑋，孫雷. 基于智能手機的網(wǎng)絡(luò)機器人人機交互系統(tǒng)[J]. 計算機工程與 應(yīng)用，2011，47(15)：64-68. 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The telegarden[C]//Proc. of ACM SIGGRAPH. 1995: 1135-1140 指導教師評語: 指導教師簽字 年 月 日 評議小組意見 1、論文選題：□有理論意義；□有工程背景；□有實用價值；□意義不大。 2、論文的難度：□偏高；□適當；□偏低。 3、論文的工作量：□偏大；□適當；□偏小。 4、設(shè)計或研究方案的可行性：□好；□較好；□一般；□不可行。 5、學生對文獻資料及課題的了解程度：□好；□較好；□一般；□較差。 6、學生在論文選題報告中反映出的綜合能力和表達能力： □好；□較好；□一般；□較差。 7、學生在論文選題報告中反映出的創(chuàng)新能力： □好；□較好；□一般；□較差。 8、對論文選題報告的總體評價：□好；□較好；□一般；□較差 （在相應(yīng)的方塊內(nèi)作記號“√”） 二級學院所確定評議小組名單 （3-5人） 組長： 、 組員： 、 、 、 單位蓋章 主管領(lǐng)導簽名： 年 月 日 評議結(jié)論 評議小組組長簽名： 評議小組組員簽名： 年 月 日