機(jī)械手-運(yùn)載機(jī)器人的設(shè)計制作,機(jī)械手,運(yùn)載,機(jī)器人,設(shè)計,制作 天津工程師范學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文） 題 目 第四屆CCTV杯大學(xué)生機(jī)器人電視大賽 副標(biāo)題 運(yùn)載機(jī)器人的設(shè)計制作 ` 性 質(zhì)： √ 畢業(yè)設(shè)計 畢業(yè)論文 學(xué)生姓名 許 濤 年 級 2000級 系 別 機(jī)械制造工程系 專 業(yè) 機(jī)械制造工藝教育 指導(dǎo)教師 周述齊 評定成績 優(yōu) 良 中 及格 不及格 前 言 本設(shè)計說明書是對天津工程師范學(xué)院參加的“第四屆CCTV杯大學(xué)生機(jī)器人電視大賽”中名為“航母”的機(jī)器人設(shè)計的，是其中一個重要的環(huán)節(jié)，是根據(jù)天津工程師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計的要求進(jìn)行的，在指導(dǎo)教師的建議和同組同學(xué)的熱心幫助下編寫的。他是畢業(yè)設(shè)計最終完成時所需寫出的重要設(shè)計文件。 由“亞廣聯(lián)”（亞洲廣播電視聯(lián)盟）在亞洲及太平洋地區(qū)舉行一年一度的亞太地區(qū)大學(xué)生機(jī)器人大賽。在2002年8月31日在日本東京舉辦首屆亞太地區(qū)大學(xué)生機(jī)器人大賽，有包括中國在內(nèi)的20個國家參賽。從2002年開始，我國舉行了一年一度的全國大學(xué)生機(jī)器人電視大賽，以選拔隊伍參加亞廣聯(lián)亞太地區(qū)大學(xué)生機(jī)器人大賽?！笆讓萌珖髮W(xué)生機(jī)器人電視大賽”是第一次全國范圍內(nèi)的大型機(jī)器人大賽，大賽的冠軍隊代表中國參加了日本東京2002年8月31日“首屆亞廣聯(lián)亞太地區(qū)大學(xué)生機(jī)器人大賽”。大賽為大學(xué)生們提供了一個探索科技、創(chuàng)新思維與實(shí)踐行動的機(jī)會；為激發(fā)青少年開發(fā)與研制高科技的興趣與愛好，培養(yǎng)科學(xué)創(chuàng)新精神，活躍校園科技，培養(yǎng)未來科技人才和力量提供了舞臺。 迄今亞廣聯(lián)已成功的舉辦了三屆大學(xué)生機(jī)器人大賽，本屆為第四屆大賽的主題是：“登長城，燃圣火”。長城是中國也是世界上修建時間最長、工程量最大的一項古代防御工程。它既是具有豐富文化內(nèi)涵的文化遺產(chǎn)，又是獨(dú)具特色的自然景觀。國內(nèi)外游人常以“不到長城非好漢”的詩句來表達(dá)一定要親自登上長城飽覽中華悠久文明和壯麗山河的心情。本屆大賽的意圖是通過手動和自動機(jī)器人協(xié)作，登長城并向5個火炬和4堆篝火添加燃料得分，比賽時間為3分鐘。 目 錄 摘要 Abstract 一、 機(jī)器人競賽及機(jī)器人發(fā)展史簡介……………………………………(1) 二、 比賽規(guī)則的簡述………………………………………………………(6) 三、“航母”機(jī)器人工作說明書………………………………………… (9) 四、“航母”機(jī)器人的特點(diǎn)和功能……………………………………… (10) 1. 行走的特點(diǎn)和功能…………………………………………………… (10) 2. 輸送的特點(diǎn)和功能…………………………………………………… (10) 3. 外圍火炬投球的特點(diǎn)和功能………………………………………… (10) 4. 外圍篝火盤的特點(diǎn)和功能…………………………………………… (10) 五、設(shè)計方案的擬定………………………………………………………(10) 六、機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析………………………………………………… (12) 1． 手臂…………………………………………………………………… (12) 2． 主支撐桿……………………………………………………………… (12) 3． 底盤…………………………………………………………………… (12) 4． 篝火盤投球裝置……………………………………………………… (12) 七、主要技術(shù)參數(shù)及尺寸擬定………………………………………… (12) 八、工作原理的簡述………………………………………………………(13) 九、主要零部件強(qiáng)度校核計算……………………………………………(14) 總結(jié)…………………………………………………………………………(17) 致謝信………………………………………………………………………(18) 英文資料……………………………………………………………………(19) 譯文…………………………………………………………………………(25) 參考資料……………………………………………………………………(30) 第四屆CCTV杯大學(xué)生機(jī)器人電視大賽 ——運(yùn)載機(jī)器人的設(shè)計制作 許濤 摘 要 機(jī)器人是一種可編程的，能執(zhí)行某些操作或移動動作的自動控制機(jī)械。本課題的主要任務(wù)是設(shè)計并制作自動機(jī)器人“航母”并在“第四屆CCTV杯大學(xué)生機(jī)器人電視大賽”中實(shí)現(xiàn)該機(jī)器人的預(yù)定任務(wù)。 在設(shè)計說明書中，首先介紹了本組所設(shè)計機(jī)器人的基本功能和主要技術(shù)參數(shù)，其次是就機(jī)構(gòu)的工作原理、機(jī)動原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹同時對機(jī)構(gòu)進(jìn)行了平衡計算強(qiáng)度校核并繪出了裝配圖。 我們設(shè)計的機(jī)器人為多功能機(jī)器人，它的主要參數(shù)均符合設(shè)計要求，它的主要功能有：行走、輸送、外圍火炬投球、外圍篝火盤投球。 [關(guān)鍵詞]：自動控制 機(jī)動原理 彎曲強(qiáng)度 Abstract A robot is a machine which can be programmed to Perform some tasks which involve manipulative or locomotive actions under automatic control. The main roles of the subject is design and make the motor robot, who is named “AIRCRAFT CARRIER ”, then we will attend the “University student's robot TV match of the fourth CCTV cup”.to finish the predeterminate tasks. In this project, first we introduce the basic functions and main technology parameters of the robot. Then we declare the working elements and the mobile elements in detail . At the same time, we count the winding intensity and draw the constructional blueprint. The robot that we designed is the multi-functional robot, its main parameter accords with the designing requirement , its main function is as follows, walk , transport , peripheral torch shoot ball , peripheral bonfire dish shoot the ball. Key words：Auto-control Mobile elements Winding Intensity 天津工程師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 （說明書） 一、機(jī)器人競賽及機(jī)器人發(fā)展史簡介 機(jī)器人競賽是以弘揚(yáng)科學(xué)技術(shù)，突顯創(chuàng)造與創(chuàng)新，強(qiáng)化團(tuán)隊合作，培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)，關(guān)聯(lián)當(dāng)今世界面臨的問題與機(jī)遇為宗旨的一項綜合多種學(xué)科知識和技能的青少年科技活動。參賽同學(xué)通過計算機(jī)編程、工程設(shè)計、動手制作與技術(shù)構(gòu)建，結(jié)合日常觀察、積累去尋求最完美的機(jī)器人制作方案，從而培養(yǎng)同學(xué)們的科技創(chuàng)新精神和動手實(shí)踐能力，鼓勵廣大機(jī)器人愛好者在信息、自動化控制等高新科技領(lǐng)域進(jìn)行力所能及的學(xué)習(xí)、探索、研究和實(shí)踐激發(fā)他們對科學(xué)的興趣，提高他們的科學(xué)素質(zhì)。中國青少年機(jī)器人競賽活動是，中國科協(xié)在21世紀(jì)青少年科技創(chuàng)新活動中著力創(chuàng)建和打造的一個嶄新品牌。它以弘揚(yáng)科學(xué)技術(shù)，突顯創(chuàng)造與創(chuàng)新，強(qiáng)化團(tuán)隊貢獻(xiàn)，培養(yǎng)科學(xué)素質(zhì)，關(guān)聯(lián)當(dāng)今世界面臨的問題與機(jī)遇為宗旨。組織開展這項活動的目的是，組織青少年在參加電腦機(jī)器人的活動中，將現(xiàn)實(shí)世界的事物與“動手做”活動相結(jié)合，放手讓青少年通過活動，去發(fā)現(xiàn)解決問題的方法，并獲得那些當(dāng)今科學(xué)家和工程師們所面對的機(jī)會，培養(yǎng)青少年的科技創(chuàng)新精神和動手實(shí)踐能力，讓他們能夠更好地適應(yīng)21世紀(jì)的科學(xué)技術(shù)發(fā)展的趨勢；鼓勵更多的青少年電腦機(jī)器人愛好者在信息、自動控制等高新科技領(lǐng)域，進(jìn)行力所能及的學(xué)習(xí)、探索、研究和實(shí)踐，激發(fā)他們對科學(xué)的興趣，提高他們的科學(xué)素質(zhì)。機(jī)器人大賽是近年來國際上迅速開展起來的一種高技術(shù)對抗活動，它涉及人工智能、自動控制、機(jī)械電子、通信、傳感及機(jī)構(gòu)等多個領(lǐng)域的前沿研究和技術(shù)融合，集高技術(shù)、娛樂和比賽于一體，引起了公眾的廣泛關(guān)注和極大興趣。目前，國際上推出了各種不同類型的機(jī)器人大賽，如機(jī)器人足球、機(jī)器人滅火、機(jī)器人相撲、機(jī)器人舞蹈、機(jī)器人走迷宮和機(jī)器人賽跑等。機(jī)器人大賽，不僅為青少年提供了良好的寓教于樂的載體，也極大地促進(jìn)了實(shí)用智能機(jī)器人的研發(fā)。 相撲這個日本著名的體育項目也被引入到機(jī)器人比賽中，日本的機(jī)器人相撲比賽深受人們的喜愛。目前，我國也引進(jìn)了這項機(jī)器人比賽，天津職業(yè)技術(shù)師范學(xué)院是我國在機(jī)器人相撲比賽領(lǐng)域的先行者。機(jī)器人舞蹈比賽是近年興起的一種趣味性很強(qiáng)的機(jī)器人比賽項目。我國的一些高校都在校內(nèi)開展了此項比賽，中國科技大學(xué)和中國礦業(yè)大學(xué)是目前我國此項比賽的領(lǐng)先者。? 機(jī)器人足球賽是眾多機(jī)器人競賽中最為流行的比賽，它提供了一個小空間內(nèi)的高技術(shù)對抗平臺，集技術(shù)性、競技性和趣味性于一體。其中FIRA和ROBOCUP是最具國際影響的兩項機(jī)器人足球賽。 舉辦機(jī)器人大賽的目的是通過競賽手段，吸引更多科技工作者，尤其是廣大青少年學(xué)生參與到這項活動中來，以促進(jìn)機(jī)器人及智能自動化領(lǐng)域相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。 機(jī)器人發(fā)展史簡介 美國是機(jī)器人的誕生地，早在1962年就研制出世界上第一臺工業(yè)機(jī)器人，比起號稱"機(jī)器人王國"的日本起步至少要早五六年。經(jīng)過30多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機(jī)器人強(qiáng)國之一，基礎(chǔ)雄厚，技術(shù)先進(jìn)。綜觀它的發(fā)展史，道路是曲折的，不平坦的。由于美國政府從60年代到70年代中的十幾年期間，并沒有把工業(yè)機(jī)器人列入重點(diǎn)發(fā)展項目，只是在幾所大學(xué)和少數(shù)公司開展了一些研究工作。對于企業(yè)來說，在只看到眼前利益，政府又無財政支持的情況下，寧愿錯過良機(jī)，固守在使用剛性自動化裝置上，也不愿冒著風(fēng)險，去應(yīng)用或制造機(jī)器人。加上，當(dāng)時美國失業(yè)率高達(dá)6．65％，政府擔(dān)心發(fā)展機(jī)器人會造成更多人失業(yè)，因此不予投資，也不組織研制機(jī)器人，這不能不說是美國政府的戰(zhàn)略決策錯誤。70年代后期，美國政府和企業(yè)界雖有所重視，但在技術(shù)路線上仍把重點(diǎn)放在研究機(jī)器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領(lǐng)域的高級機(jī)器人的開發(fā)上，致使日本的工業(yè)機(jī)器人后來居上，并在工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用上及機(jī)器人制造業(yè)上很快超過了美國，產(chǎn)品在國際市場上形成了較強(qiáng)的競爭力。進(jìn)入80年代之后，美國才感到形勢緊迫，政府和企業(yè)界才對機(jī)器人真正重視起來，政策上也有所體現(xiàn)，一方面鼓勵工業(yè)界發(fā)展和應(yīng)用機(jī)器人，另一方面制訂計劃、提高投資，增加機(jī)器人的研究經(jīng)費(fèi)，把機(jī)器人看成美國再次工業(yè)化的特征，使美國的機(jī)器人迅速發(fā)展。80年代中后期，隨著各大廠家應(yīng)用機(jī)器人的技術(shù)日臻成熟，第一代機(jī)器人的技術(shù)性能越來越滿足不了實(shí)際需要，美國開始生產(chǎn)帶有視覺、力覺的第二代機(jī)器人，并很快占領(lǐng)了美國60％的機(jī)器人市場。盡管美國在機(jī)器人發(fā)展史上走過一條重視理論研究，忽視應(yīng)用開發(fā)研究的曲折道路，但是美國的機(jī)器人技術(shù)在國際上仍一直處于領(lǐng)先地位。其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性也很強(qiáng)。具體表現(xiàn)在：（1）性能可靠，功能全面，精確度高；（2）機(jī)器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應(yīng)用廣，水平高居世界之首；（3）智能技術(shù)發(fā)展快，其視覺、觸覺等人工智能技術(shù)已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應(yīng)用； 4）高智能、高難度的軍用機(jī)器人、太空機(jī)器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面。 早在1966年，美國Unimation公司的尤尼曼特機(jī)器人和AMF公司的沃莎特蘭機(jī)器人就已經(jīng)率先進(jìn)入英國市場。1967年英國的兩家大機(jī)械公司還特地為美國這兩家機(jī)器人公司在英國推銷機(jī)器人。接著，英國 Hall Automation公司研制出自己的機(jī)器人RAMP。70年代初期，由于英國政府科學(xué)研究委員會頒布了否定人工智能和機(jī)器人的Lighthall報告，對工業(yè)機(jī)器人實(shí)行了限制發(fā)展的嚴(yán)厲措施，因而機(jī)器人工業(yè)一蹶不振，在西歐差不多居于末位。 但是，國際上機(jī)器人蓬勃發(fā)展的形勢很快使英政府意識到：機(jī)器人技術(shù)的落后，導(dǎo)致其商品在國際市場上的競爭力大為下降。于是，從70年代末開始，英國政府轉(zhuǎn)而采取支持態(tài)度，推行并實(shí)施了一系列支持機(jī)器人發(fā)展的政策和措施，如廣泛宣傳使用機(jī)器人的重要性、在財政上給購買機(jī)器人企業(yè)以補(bǔ)貼、積極促進(jìn)機(jī)器人研究單位與企業(yè)聯(lián)合等，使英國機(jī)器人開始了在生產(chǎn)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用及大力研制的興盛時期。 法國不僅在機(jī)器人擁有量上居于世界前列，而且在機(jī)器人應(yīng)用水平和應(yīng)用范圍上處于世界先進(jìn)水平。這主要?dú)w功于法國政府一開始就比較重視機(jī)器人技術(shù)，特別是把重點(diǎn)放在開展機(jī)器人的應(yīng)用研究上。法國機(jī)器人的發(fā)展比較順利，主要原因是通過政府大力支持的研究計劃，建立起一個完整的科學(xué)技術(shù)體系。即由政府組織一些機(jī)器人基礎(chǔ)技術(shù)方面的研究項目，而由工業(yè)界支持開展應(yīng)用和開發(fā)方面的工作，兩者相輔相成，使機(jī)器人在法國企業(yè)界很快發(fā)展和普及。國工業(yè)機(jī)器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。這里所說的德國，主要指的是原聯(lián)邦德國。它比英國和瑞典引進(jìn)機(jī)器人大約晚了五六年。其所以如此，是因?yàn)榈聡臋C(jī)器人工業(yè)一起步，就遇到了國內(nèi)經(jīng)濟(jì)不景氣。但是德國的社會環(huán)境卻是有利于機(jī)器人工業(yè)發(fā)展的。因?yàn)閼?zhàn)爭，導(dǎo)致勞動力短缺，以及國民技術(shù)水平高，都是實(shí)現(xiàn)使用機(jī)器人的有利條件。到了70年代中后期，政府采用行政手段為機(jī)器人的推廣開辟道路；在"改善勞動條件計劃"中規(guī)定，對于一些有危險、有毒、有害的工作崗位，必須以機(jī)器人來代替普通人的勞動。這個計劃為機(jī)器人的應(yīng)用開拓了廣泛的市場，并推動了工業(yè)機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展。日爾曼民族是一個重實(shí)際的民族，他們始終堅持技術(shù)應(yīng)用和社會需求相結(jié)合的原則。除了像大多數(shù)國家一樣，將機(jī)器人主要應(yīng)用在汽車工業(yè)之外，突出的一點(diǎn)是德國在紡織工業(yè)中用現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)改造原有企業(yè)，報廢了舊機(jī)器，購買了現(xiàn)代化自動設(shè)備、電子計算機(jī)和機(jī)器人，使紡織工業(yè)成本下降、質(zhì)量提高，產(chǎn)品的花色品種更加適銷對路。到1984年終于使這一被喻為"快完蛋的行業(yè)"重新振興起來。與此同時，德國看到了機(jī)器人等先進(jìn)自動化技術(shù)對工業(yè)生產(chǎn)的作用，提出了1985年以后要向高級的、帶感覺的智能型機(jī)器人轉(zhuǎn)移的目標(biāo)。經(jīng)過近十年的努力，其智能機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面在世界上處于公認(rèn)的領(lǐng)先地位。 在前蘇聯(lián)（主要是在俄羅斯），從理論和實(shí)踐上探討機(jī)器人技術(shù)是從50年代后半期開始的。到了50年代后期開始了機(jī)器人樣機(jī)的研究工作。1968年成功地試制出一臺深水作業(yè)機(jī)器人。1971年研制出工廠用的萬能機(jī)器人。早在前蘇聯(lián)第九個五年計劃（1970年一1975年）開始時，就把發(fā)展機(jī)器人列入國家科學(xué)技術(shù)發(fā)展綱領(lǐng)之中。到1975年，已研制出30個型號的120臺機(jī)器人，經(jīng)過20年的努力，前蘇聯(lián)的機(jī)器人在數(shù)量、質(zhì)量水乎上均處于世界前列地位。國家有目的地把提高科學(xué)技術(shù)進(jìn)步當(dāng)作推動社會生產(chǎn)發(fā)展的手段，來安排機(jī)器人的研究制造；有關(guān)機(jī)器人的研究生產(chǎn)、應(yīng)用、推廣和提高工作，都由政府安排，有計劃、按步驟地進(jìn)行。 有人認(rèn)為，應(yīng)用機(jī)器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機(jī)器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機(jī)器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領(lǐng)域的發(fā)展做出卓越的貢獻(xiàn)。我國已在“七五”計劃中把機(jī)器人列人國家重點(diǎn)科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個機(jī)器人研究示范工程，全面展開了機(jī)器人基礎(chǔ)理論與基礎(chǔ)元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運(yùn)、點(diǎn)焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機(jī)器人及水下作業(yè)、軍用和特種機(jī)器人。目前，示教再現(xiàn)型機(jī)器人技術(shù)已基本成熟，并在工廠中推廣應(yīng)用。我國自行生產(chǎn)的機(jī)器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風(fēng)汽車廠投入運(yùn)行。1986年3月開始的國家863高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機(jī)器人的內(nèi)容。就目前來看，我們應(yīng)從生產(chǎn)和應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合我國國情，加快生產(chǎn)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的實(shí)用型機(jī)器人和某些特種機(jī)器人。 日本在60年代末正處于經(jīng)濟(jì)高度發(fā)展時期，年增長率達(dá)11％。第二次世界大戰(zhàn)后，日本的勞動力本來就緊張，而高速度的經(jīng)濟(jì)發(fā)展更加劇了勞動力嚴(yán)重不足的困難。為此，日本在1967年由川崎重工業(yè)公司從美國Unimation公司引進(jìn)機(jī)器人及其技術(shù)，建立起生產(chǎn)車間，并于1968年試制出第一臺川崎的“尤尼曼特”機(jī)器人。正是由于日本當(dāng)時勞動力顯著不足，機(jī)器人在企業(yè)里受到了“救世主”般的歡迎。日本政府一方面在經(jīng)濟(jì)上采取了積極的扶植政策，鼓勵發(fā)展和推廣應(yīng)用機(jī)器人，從而更進(jìn)一步激發(fā)了企業(yè)家從事機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的積極性。尤其是政府對中、小企業(yè)的一系列經(jīng)濟(jì)優(yōu)惠政策，如由政府銀行提供優(yōu)惠的低息資金，鼓勵集資成立“機(jī)器人長期租賃公司”，公司出資購入機(jī)器人后長期租給用戶，使用者每月只需付較低廉的租金，大大減輕了企業(yè)購入機(jī)器人所需的資金負(fù)擔(dān)；政府把由計算機(jī)控制的示教再現(xiàn)型機(jī)器人作為特別折扣優(yōu)待產(chǎn)品，企業(yè)除享受新設(shè)備通常的40%折扣優(yōu)待外，還可再享受 13％的價格補(bǔ)貼。另一方面，國家出資對小企業(yè)進(jìn)行應(yīng)用機(jī)器人的專門知識和技術(shù)指導(dǎo)等等。這一系列扶植政策，使日本機(jī)器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來，經(jīng)過短短的十幾年，到80年代中期，已一躍而為“機(jī)器人王國”，其機(jī)器人的產(chǎn)量和安裝的臺數(shù)在國際上躍居首位。按照日本產(chǎn)業(yè)機(jī)器人工業(yè)會常務(wù)理事米本完二的說法：“日本機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期，70年代的實(shí)用期，到80年代進(jìn)人普及提高期。”并正式把1980年定為“產(chǎn)業(yè)機(jī)器人的普及元年”，開始在各個領(lǐng)域內(nèi)廣泛推廣使用機(jī)器人。本政府和企業(yè)充分信任機(jī)器人，大膽使用機(jī)器人。機(jī)器人也沒有辜負(fù)人們的期望，它在解決勞動力不足、提高生產(chǎn)率、改進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量和降低生產(chǎn)成本方面，發(fā)揮著越來越顯著的作用，成為日本保持經(jīng)濟(jì)增長速度和產(chǎn)品競爭能力的一支不可缺少的隊伍。日本在汽車、電子行業(yè)大量使用機(jī)器人生產(chǎn)，使日本汽車及電子產(chǎn)品產(chǎn)量猛增，質(zhì)量日益提高，而制造成本則大為降低。從而使日本生產(chǎn)的汽車能夠以價廉的絕對優(yōu)勢進(jìn)軍號稱“汽車王國”的美國市場，并且向機(jī)器人誕生國出口日本產(chǎn)的實(shí)用型機(jī)器人。此時，日本價廉物美的家用電器產(chǎn)品也充斥了美國市場……這使“山姆大叔”后悔不已。日本由于制造、使用機(jī)器人，增大了國力，獲得了巨大的好處，迫使美、英、法等許多國家不得不采取措施，奮起直追。 二、比賽規(guī)則的簡述 （一）、 比賽場地 圖2-1 1. 比賽場地為14000mm×14000mm的正方形區(qū)域。 2. 賽場地面用2mm厚的聚乙烯片鋪設(shè)。聚乙烯片將用無光澤的聚乙烯帶連接。 3. 比賽場地周圍有100mm高30mm厚的木質(zhì)圍欄。 4. 比賽場地由“手動區(qū)”、“篝火區(qū)”和“自動區(qū)”（包括烽火臺）組成。 5. 自動區(qū)：范圍：9000mm×9000mm 的方形區(qū)域。只有自動機(jī)器人可在自動區(qū)運(yùn)行。自動區(qū)貼有30mm寬的白色引導(dǎo)線。每個隊的自動機(jī)器人啟動區(qū)大小為1000mm×1000mm，位于自動區(qū)邊上，兩隊的啟動區(qū)相對配置。自動區(qū)正中有一個八邊形烽火臺，高度100mm，它的四條邊長為2000mm，另四條邊長為1414 mm。在兩條2000mm的邊與自動區(qū)地面之間有坡度為1/5的斜面。自動區(qū)中有5個火炬。高度為1800mm的主火炬位于場地正中。另4個高度為1500mm的外圍火炬在它的四周。 6. 篝火區(qū)：四個直徑為1200mm的篝火區(qū)位于自動區(qū)的四角。 篝火區(qū)中央有直徑600mm、高100mm的燃料盤，盤邊寬50mm，盤深30mm。燃料盤與地面以350mm寬的斜面相連。篝火區(qū)的細(xì)節(jié)參見所附的場地布局平面圖。 （二）、 機(jī)器人 每個參賽隊必須設(shè)計和制作手動機(jī)器人或自動機(jī)器人，也可以同時制作手動機(jī)器人和自動機(jī)器人，對機(jī)器人的數(shù)量沒有限制，但每隊只允許有一臺手動機(jī)器人。 1. 自動機(jī)器人：自動機(jī)器人必須是自主的。由一臺自動機(jī)器人分離出來的每一件物品均被認(rèn)為是另一臺自動機(jī)器人，所以，它必須能像自動機(jī)器人一樣工作。比賽開始前，每個隊的所有自動機(jī)器人總共可預(yù)裝16個燃料球。每臺自動機(jī)器人必須一次操作啟動。自動機(jī)器人可以進(jìn)入除篝火區(qū)以外的任何區(qū)域，但不能伸到篝火區(qū)上方。比賽開始后，所有自動機(jī)器人可以逐個啟動，但啟動動作必須在20秒內(nèi)完成，然后，負(fù)責(zé)啟動的隊員必須立即退出賽場，站在木圍欄外。在規(guī)定時間內(nèi)沒有啟動的自動機(jī)器人將被留在啟動區(qū)內(nèi)。一旦機(jī)器人啟動，參賽隊員不能接觸機(jī)器人。自動機(jī)器人不允許以任何方式相互通信。 2. 控制方法：對于自動機(jī)器人，每場比賽每隊允許一次“重試”。某隊叫“重試”且裁判允許后，該隊的所有隊員均可在啟動區(qū)重新設(shè)置和啟動本隊的任何自動機(jī)器人。但是，所有“重試” 的動作必須在20秒內(nèi)完成，然后，負(fù)責(zé)啟動的隊員必須立即退出賽場，站在木圍欄外。只有在啟動自動機(jī)器人和一次“重試”時，自動機(jī)器人的操作者才能進(jìn)入賽場。 3. 能源：比賽期間各隊?wèi)?yīng)為自己的所有機(jī)器人準(zhǔn)備能源。機(jī)器人的電源電壓必須低于24VDC。不允許使用組委會認(rèn)為危險和不適當(dāng)?shù)哪茉础? 4. 重量：每個隊上場的所有機(jī)器人的總重不得超過50kg?？傊匕茉?、電纜、遙控器和機(jī)器人其它部件的重量。 5. 尺寸：自動機(jī)器人的總尺寸必須能納入啟動區(qū)1000mm×1000mm×1500mm的范圍內(nèi)。自動機(jī)器人離開啟動區(qū)后可以分離，尺寸可以自由改變，但高度不能超過2000mm。手動機(jī)器人的總尺寸必須能納入啟動區(qū)1000mm×1000mm×1500mm的范圍內(nèi)。離開啟動區(qū)后，手動機(jī)器人的尺寸可以自由改變，但高度必須在1500mm以內(nèi)，且不能分離。 （三）、物品（燃料球） 1. 燃料球?yàn)橹睆?50mm、重量約150g的膠質(zhì)小籃球。 2. 球內(nèi)的氣壓是要控制的，使它的彈性較差。球從1m高處落下時的反彈高度不應(yīng)超過150mm±50mm。 3. 兩隊分別使用紅色和藍(lán)色的球。 （四）、 比賽 1. 賽制：初賽為小組單循環(huán)賽，1/8、1/4復(fù)賽、半決賽、決賽為淘汰賽。 1. 比賽持續(xù)時間：比賽將持續(xù)3分鐘。但是，如果某隊 1） 在主火炬的綠色燃料筒和自己的燃料筒中各加入至少一個燃料球； 2） 在某一對角線上的兩個外圍火炬的自己的燃料筒中各加入至少一個燃料球； 3） 并且，在四個篝火燃料盤中至少各有一個自己的燃料球； 該隊即實(shí)現(xiàn)“登上長城”，比賽將立即結(jié)束。機(jī)器人的設(shè)置必須在接到設(shè)置命令l分鐘之內(nèi)完成。 1. 記分：比賽結(jié)束時記分，能留在火炬燃料筒或篝火燃料盤內(nèi)的燃料球（燃料球不得與機(jī)器人接觸）可以記分。記分規(guī)則如下： 4） 主火炬燃料筒中的一個燃料球記5分。 5） 外圍炬燃料筒中的一個燃料球記1分。 6） 燃料盤中的一個燃料球記1分。 7） 主火炬的燃料筒必須由登上烽火臺的自動機(jī)器人添加燃料球。 8） 在綠色燃料筒和篝火燃料盤中，兩隊的燃料球分別記分。 9） 如果某隊將自己的燃料球投入對方的燃料筒，判對方得分。 1. 確定獲勝者：比賽的優(yōu)勝者將根據(jù)下列情況確定。 1）“登上長城”的隊贏得比賽。 2）在兩隊均未“登上長城”的情況下，將所有得分相加扣除犯規(guī)分，得分多的隊獲勝。 3）如果出現(xiàn)平局，比賽的獲勝者將按以下順序來決定。在主火炬的自己的燃料筒和綠色燃料筒中均添加了燃料的隊獲勝。在所有火炬中得分多的隊獲勝。如果按上述順序仍不能選定優(yōu)勝者，將由裁判確定。 三、“航母”機(jī)器人工作說明書 本自動機(jī)器人名為“航母”，設(shè)計及制造目的是在“第四屆CCTV杯大學(xué)生機(jī)器人電視大賽”中完成本機(jī)器人的設(shè)計任務(wù)并配合其他機(jī)器人在大賽中盡力取得理想的成績。 “航母”機(jī)器人的設(shè)計任務(wù)主要由三個分別是：任務(wù)1運(yùn)送自動機(jī)器人“好漢”到達(dá)預(yù)定地域，任務(wù)2對外圍火炬準(zhǔn)確投球，任務(wù)3對外圍篝火準(zhǔn)確投球；具體執(zhí)行情況如下： 任務(wù)1，機(jī)器人“航母”最初放置于自動機(jī)器人啟動區(qū)的中右半部分，此時自動機(jī)器人“好漢”放置在“航母”上；當(dāng)比賽開始機(jī)器人啟動后“航母”連同它所運(yùn)載的“好漢”以圓弧軌跡運(yùn)動，此時傳感器不對引導(dǎo)線尋線，機(jī)器人的運(yùn)動完全是執(zhí)行預(yù)先編制的運(yùn)動程序，依靠程序控制電機(jī)差動實(shí)現(xiàn)圓弧運(yùn)動軌跡。采用圓弧運(yùn)動軌跡的目的是在“航母”在把“好漢”運(yùn)至烽火臺時“航母”的軸線與烽火臺軸線成一定的角度，使“航母”和“好漢”面向烽火臺中央的中央火炬，以便于好漢快速的采用直線運(yùn)動軌跡到達(dá)中央火炬，這樣的優(yōu)點(diǎn)是同時省去了“好漢”和“航母”的尋線程序提高了機(jī)器人的運(yùn)動速度，可以節(jié)省大量的時間，并且由于“好漢”不需要轉(zhuǎn)彎可以省去一個驅(qū)動電機(jī)，這樣可以減少一定的重量和資金，最重要的是節(jié)省了“好漢”尋線的程序可以減少出錯的概率提高了機(jī)器人的可靠性。由于“好漢”有用于找正位置的機(jī)構(gòu)所以航母的運(yùn)動軌跡不需要特別的精確可以有一定的偏差。 任務(wù)2，當(dāng)完成對“好漢”的輸送后，本機(jī)器人倒退1米并轉(zhuǎn)動90o在此過程中傳感器開始尋線，完成倒退并轉(zhuǎn)彎后機(jī)器人依靠尋線器加速以直線向外圍火炬移動到達(dá)程序所編制的位置后開始投球。采用這樣的運(yùn)動方式是根據(jù)試驗(yàn)中機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎越多，所編制的程序越多并且控制時復(fù)雜且困難，因此盡量了避免機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎，提高了運(yùn)動速度、爭取了比賽時間。 任務(wù)3，完成外圍火炬的投球后機(jī)器人“航母”繼續(xù)直線運(yùn)動直到到達(dá)場地中自動區(qū)的木制圍欄觸發(fā)行程開關(guān)后停止運(yùn)動，接通外圍篝火盤的投球程序，對外圍篝火盤投球?qū)崿F(xiàn)任務(wù)3。四、“航母”機(jī)器人的特點(diǎn)和功能 根據(jù)“第四屆CCTV杯大學(xué)生機(jī)器人電視大賽”的比賽規(guī)則，經(jīng)過一段時間的設(shè)計及制作我們特設(shè)計了這臺名為“航母”的自動機(jī)器人本機(jī)器人可靠性高，經(jīng)濟(jì)合理外形美觀，體積、重量合理，能耗小，效率高，主要參數(shù)均符合設(shè)計要求，它可以實(shí)現(xiàn)以下方面功能： （一）、行走：在電機(jī)帶動下依靠尋線器對場地上的白色引導(dǎo)線的追蹤可實(shí)現(xiàn)在場地中自由行走。 （二）、輸送：將名為“好漢”的自動機(jī)器人運(yùn)送至八邊形烽火臺上。 （三）、外圍火炬投球：在自動控制下到達(dá)預(yù)定地域后通過手臂自動對外圍火炬投球。 （四）、外圍篝火盤投球：在自動控制下到達(dá)預(yù)定地域后又篝火盤投球裝置對特定的外圍篝火盤投球。 五、設(shè)計方案的擬定： 接到設(shè)計任務(wù)以后，我們進(jìn)行了設(shè)計方案的擬定，對于本設(shè)計來說，我們首先應(yīng)考慮該機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)以下三個功能，運(yùn)送自動機(jī)器人“好漢”到達(dá)預(yù)定地域，對外圍火炬準(zhǔn)確投球和對外圍篝火準(zhǔn)確投球；同時在滿足對尺寸及重量的限制的前提下，希望能夠做到體積小、重量輕、能耗小、效率高、可靠性高、經(jīng)濟(jì)合理、外形美觀。在使用方面要求機(jī)器人在場上工作時有較高的可靠性。并能始終正常工作（為保證在復(fù)賽中繼續(xù)工作易損部件應(yīng)裝卸方便），從經(jīng)濟(jì)方面看，機(jī)器人制造成本應(yīng)與性能相結(jié)合，獲得較大的性能價格比，外觀造型因比例協(xié)調(diào)，大方，盡量給人以美感。 經(jīng)過一段時間的設(shè)計分析與研究在指導(dǎo)教師的幫助下我選定如方案圖所示的機(jī)器人方案。 方案圖 六、機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)分析： 自動機(jī)器人“航母”主要由手臂、主支撐桿、底盤、篝火盤投球裝置 (一)、手臂 手臂由手臂桿和手爪組成它的功能是對外圍火炬添加燃料球是“航母”機(jī)器人上最關(guān)鍵的組件之一，手臂桿選用20×20mm的回型截面的鋁合金材料，手爪由五塊180×180mm的鋁合金板焊接而成，手臂上裝有70rpm的電機(jī)一個和兩個帶輪，其中一個帶輪與電機(jī)相連接另一個通過軸承與主支撐桿上的周頸相連接，由于機(jī)器人高度的限制采用手臂桿與水平方向成11°角。通過帶傳動手臂可以以主支撐桿為軸線旋轉(zhuǎn)一定角度以實(shí)現(xiàn)投球動作 (二)、主支撐桿 主支撐桿是一個主要的支撐件，在工作中受到彎曲應(yīng)力的作用，所以它的剛度和強(qiáng)度顯得很重要，我們選用了38×25mm的回型截面鋁合金作為制造材料，主支撐桿上端通過軸頸與手臂連接，中部通過焊接與球庫裝置相連。 (三)、底盤 底盤是本機(jī)構(gòu)的主體部分，它主要起連接個機(jī)構(gòu)并裝載自動機(jī)器人“好漢”實(shí)現(xiàn)行走功能的作用它是一個焊接件，由38×25mm的回型截面鋁合金作為制造材料焊接而成底盤總尺寸850×500mm，面積為650×500mm的前部裝有導(dǎo)軌用于放置“好漢”并為“好漢”的移動起導(dǎo)向的作用，后部的200×500的面積用于裝載本機(jī)器人主支撐桿及篝火盤投球裝置，底盤采用前輪驅(qū)動方案，在底盤前部有一塊與底盤軸線呈75°角的平板用于在靠緊八邊形烽火臺臺階時車體與場地呈15°的角度使“好漢”機(jī)器人可直線行走到達(dá)中央火炬。 (四)、篝火盤投球裝置 篝火盤投球裝置是本機(jī)構(gòu)的重要組成部分之一，它主要起對外圍篝火盤投球的作用，它由一個轉(zhuǎn)速為500rpm的電機(jī)與一塊擋板及?270的橡膠輪組成為減輕重量擋板由木板制成，電機(jī)與橡膠輪的作用是電機(jī)給輪以一定轉(zhuǎn)速，由橡膠輪以適當(dāng)?shù)木€速度作用在球上給球一定的初速度投向篝火盤，擋板的作用是配合電機(jī)和橡膠輪給球以反轉(zhuǎn)使球落入篝火盤內(nèi)時減少前沖的趨勢，降低球在慣性的作用下跳出篝火盤的概率。 七、尺寸的擬定及主要技術(shù)參數(shù) （一）、尺寸的擬定：尺寸的擬定我們主要遵循以下幾個方面，首先他們應(yīng)該滿足設(shè)計要求中對本機(jī)器人尺寸上的限制要求，其次配合“好漢”的尺寸應(yīng)留出足夠的空間放置“好漢”機(jī)器人，以及必須有足夠的空間安裝本機(jī)器人用于完成其他任務(wù)的機(jī)構(gòu)。在這些前提下應(yīng)該滿足安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、外形美觀等各項要求。并盡量做到體積小重量輕等。 總體尺寸的擬定： 設(shè)計要求尺寸的限制為：小于520x800mm2；以此要求對總裝尺寸進(jìn)行估算： 外圍火炬高度為1.5m，設(shè)計車體高度為1.473m “好漢”的長×寬為500×700結(jié)合本機(jī)器人其他機(jī)構(gòu)設(shè)計車長×寬為520×800 （二）、主要技術(shù)參數(shù)： 1. 總體尺寸（長×寬×高）（m）………………………0.82×0.52×1.49 2. 最大展開尺寸（長×寬×高）（m）…………………1.015×0.934×1.49 3. 手臂旋轉(zhuǎn)角度…………………………………………158° 4. 最高速度（m/s）………………………………………1.5 5. 篝火盤投球機(jī)構(gòu)最大投球距離（m）…………………0.96 6. 自重（kg）………………………………………………10 八、工作原理及比賽規(guī)則的簡述 (一)、行走功能的實(shí)現(xiàn) “航母”機(jī)器人的行走功能主要由車體底盤上兩個500rpm的電機(jī)提供動力帶動兩前輪以前驅(qū)的運(yùn)動方式實(shí)現(xiàn)的，轉(zhuǎn)向功能由車體后部的兩個萬向輪配合兩個前驅(qū)電機(jī)的差速來實(shí)現(xiàn)。 (二)、輸送功能的實(shí)現(xiàn)原理 機(jī)器人起動后依靠兩電機(jī)的差速使機(jī)器人呈圓弧軌跡行走以一定角度與八邊形烽火臺接觸實(shí)現(xiàn)輸送機(jī)動機(jī)器人“好漢”的功能。 (三)、外圍火炬投球功能的實(shí)現(xiàn)原理 當(dāng)機(jī)器人到達(dá)預(yù)定地點(diǎn)手臂上的電機(jī)通過與電機(jī)相連的一個帶輪依靠帶傳動傳遞動力使手臂相對主支撐桿旋轉(zhuǎn)；當(dāng)手爪上的“S”型開關(guān)接觸到“火焰”擋板后脫開與手爪底板的連接，使球落入火炬內(nèi)。 (四)、外圍火炬投球功能實(shí)現(xiàn)原理 投球裝置主要由一個裝有直徑為?270mm橡膠輪的500rpm電機(jī)和一塊木制擋板以及一個球庫組成，機(jī)器人到達(dá)投球位置后由電機(jī)給橡膠輪一定轉(zhuǎn)速后，球庫放出一個球，球在橡膠輪和擋板的擠壓下被以一定速度呈反向旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的情況下拋出落入篝火盤實(shí)現(xiàn)投球功能。 九、主要零部件強(qiáng)度校合計算 （一）、底盤橫梁 剪力圖： 由受力圖分析得： ∑MA=0 -F×282.5×10+RB×645×10=0 RB=49×282.5×10/(645×10)=21.46N ∑Y=0 RA +RB –F=0 RA =49-21.46=27.54N 彎矩圖： M==49×282.5×10×362.5×10/645×10=7.78N.M 強(qiáng)度校核：材料為LY12 [σ]=43Mpa σ==7.78×1×6/25×10×(38×10)=1.293Mpa<[σ]=43Mpa 經(jīng)計算強(qiáng)度足夠 （二）、主支撐桿 剪力圖： L=1335.6mm q=18.34N Q=q×L=18.34×1.33536=24.49N M==18.34×1.33536/2=16.35N.M 強(qiáng)度校核：材料為LY12 [σ]=43Mpa σ==16.35×1×6/25×10×(38×10)=2.72Mpa<[σ]=43Mpa 經(jīng)計算強(qiáng)度足夠 （三）、副支撐桿 剪力圖： F=9.8N L=0.5m Q=F=9.8N M=F×L=9.8×0.5=4.9N.M 強(qiáng)度校核：材料為LY1 [σ]=40Mpa σ==4.9×6/25×10×(38×10)=0.8Mpa<[σ]=40Mpa 經(jīng)計算強(qiáng)度足夠 總 結(jié) 為期十六周的機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計基本結(jié)束，回顧整個過程我覺得收益非淺。畢業(yè)設(shè)計是綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識與操作技能，分析解決工程實(shí)際問題的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。通過畢業(yè)設(shè)計要掌握分析解決工程實(shí)際問題的思想與套路。為完成上述目標(biāo)，必須在加深對所學(xué)課程實(shí)質(zhì)的理解的基礎(chǔ)上，綜合運(yùn)用所學(xué)知識聯(lián)系實(shí)際進(jìn)行分析，堅持嚴(yán)謹(jǐn)求實(shí)的科學(xué)態(tài)度和探索創(chuàng)新的科學(xué)精神，體會從事工程實(shí)踐和科學(xué)研究的方法與步驟。畢業(yè)設(shè)計作為學(xué)完機(jī)械制造工藝專業(yè)的全部課程后的綜合能力的檢驗(yàn)、是本科教育的最后環(huán)節(jié)也是重要教學(xué)環(huán)節(jié)。它使理論與實(shí)踐更加接近，尤其體現(xiàn)在本機(jī)器人的動手制作中，不僅運(yùn)用到所學(xué)的基礎(chǔ)知識和專業(yè)知識更進(jìn)一步鍛煉了我們的動手能力，使自己能夠綜合運(yùn)用本科教育階段所學(xué)的各門課程的知識，加深了理論知識的理解，強(qiáng)化了實(shí)踐的感性認(rèn)識。 本次畢業(yè)設(shè)計經(jīng)過了三個階段。第一階段是確定設(shè)計方案的擬定及繪制裝配圖和零件圖并完善設(shè)計方案；第二階段動手制作，在制作過程中進(jìn)一步改進(jìn)及完善設(shè)計方案，并完成編寫說明書的前期準(zhǔn)備工作；第三階段編寫說明書。第一階段中我認(rèn)真復(fù)習(xí)了有關(guān)知識、分析該機(jī)器人的使用性能以及它的功能，然后查閱有關(guān)手冊，確定該機(jī)器人的設(shè)計方案、該機(jī)器人的工作原理以及主要功能。根據(jù)設(shè)計主要技術(shù)指標(biāo)確定設(shè)計方案的尺寸。并根據(jù)所確定的方案、查閱相關(guān)手冊，確定零件尺寸、繪制零件草圖、裝配草圖；第二階段根據(jù)圖樣選擇制造材料，并動手進(jìn)行制作。在制作過程中對設(shè)計方案的不合理處及時的改正。第三階段編寫說明書。 通過這次畢業(yè)設(shè)計，我掌握了一個工程設(shè)計分析、技術(shù)文件的編制、零部件強(qiáng)度計算和機(jī)構(gòu)的力學(xué)計算方法和步驟等。學(xué)會查閱手冊，選擇使用合理的材料等。鞏固了大學(xué)五年來所學(xué)知識以及作為一個工程技術(shù)人才的基本訓(xùn)練。 總之，這次畢業(yè)設(shè)計，使我在基本理論知識的綜合運(yùn)用以及正確解決實(shí)際問題等方面得到了一次較好的訓(xùn)練。提高了獨(dú)立思考問題、解決問題創(chuàng)新的能力，為以后的設(shè)計工作打下了較好的基礎(chǔ)。 在此次設(shè)計過程中，得到周述齊老師的悉心指導(dǎo)和其他老師的無私幫助。老師的指導(dǎo)無以回報，只有加強(qiáng)努力。由于我能力有限，設(shè)計中還有許多不足之處，懇請老師批評指正。不勝感激！ 致謝信 本設(shè)計是在周述齊老師的指導(dǎo)下完成的，在畢業(yè)設(shè)計期間，周述齊老師不僅傳授學(xué)生科學(xué)文化知識。更以崇高的敬業(yè)精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度成為我學(xué)習(xí)的楷模。在畢業(yè)設(shè)計階段和撰寫畢業(yè)論文時，周述齊老師給了我建設(shè)性的指導(dǎo)，使畢業(yè)設(shè)計工作和畢業(yè)論文的撰寫得以順利的進(jìn)行。在論文完成之際，謹(jǐn)向周述齊老師致以誠摯的謝意。 畢業(yè)設(shè)計階段和撰寫畢業(yè)論文時得到了孫爽老師、機(jī)房鄭老師和實(shí)習(xí)場劉老師的大力支持，無論早晚還是深夜，都能看到幾位老師為我們忙碌的身影，在此表示深深的感謝。 本課題由八名同學(xué)共同完成，除我本人之外還有張宏、趙慶偉、樊好劍、周宏革、田勇、羅勝陽、李振威七位同學(xué)，在工作期間，特別是處理共同遇到的問題時，同學(xué)之間互相幫助，親密無間，在此一并表示感謝。 英文資料 Teaching Robotics Using Lego MindStorms Anthony Hirst, Jeffrey Johnson, Marian Petre, Blaine A. Price, Mike Richards Departments of Telematics, Design and Innovation, and Computing The Open University, Walton Hall, Milton Keynes, MK7 6AA, UK robofesta@open.ac.uk Abstract We aim to produce a range of educational materials to teach robotics to a variety of audiences using the LEGO Mindstorms Robotics Invention System(TM). We briefly review the programming environments currently available and consider their appropriate-ness for our candidate audiences. There is the usual trade-off between ease of use and power. It is suggested that no single programming environment is suitable for all audiences. Instead, a progression of environments from microworlds, through graphical programming environments, to textual languages seems to provide the best way to develop our teaching. In this paper we synthesise our thoughts, and present them for constructive criticism by the robotics community. 1. Introduction Robotics has been shown by a number of researchers to be motivating and beneficial in teaching science and technology (Beer et al., 1999). We believe that robots are a powerful way to motivate learning. The construction and programming of robots uses a wide range of scientific and engineering principles – key skills in the modern technological economy (Wasserman, 2002). This range of skills necessitates teamwork, planning and record keeping. What are the best environment and language for teaching robotics using Lego MindStorms?Given the depth and breadth of things that we intend to teach using MindStorms, from simple programming to engineering principles and simulation; and given the range of audiences we intend to serve, from young children to mature university students, the language issue is both complex and crucial. Because the large-scale production of good quality teaching materials is expensive, the issue has economic as well as pedagogic ramifications. In this paper, we are not concerned with the division between environment and language, and we give both the terms language and environment a wide interpretation. For example, we treat a drop-and-drag environment for creating code as a ‘language’in the same way a conventional textual language within an editing environment. This paper is a synthesis of our research and analysis to date. We do not attempt to give a definitive answer to the question at this stage, and we invite readers to contribute to the discourse. 2. What are we teaching to whom and why? There is currently a widespread appeal of robotics to adults and children of both sexes. This is evident in the success of television programmes featuring robots, and the growing number of robot competitions. We have broad educational aspirations, and would like to harness the interest and enthusiasm of all groups in this audience for wider educational purposes. The programming environment-language choice must accommodate those we are teaching, what we are trying to teach them, and our deeper educational aims. The breadth of this list complicates the choice of environment and language. Although, we assume that some students will commence our courses as novices to robotics, the assumptions we can make about existing skills, speed of learning, and appropriate conceptual level will differ among groups. The needs of newly literate children are different from those of highly literate university students, which are different again from the needs of mature students returning to education. This suggests that there is no one perfect programming environment. Our goal must be pragmatic: to serve as many students as possible while making the best use of our resources. 2.1 What are we trying to teach and why? Our plan is twofold: * to teach robotics per se; * to use robotics as a springboard to further to motivate learning. Robotics itself is multi-disciplinary, encompassing subjects such as mechanical engineering, electronics, control, communication, vision, real-time parallel computing, and systems design. All these are relevant in our teaching. Robotics is also a vehicle for developing key skills (e.g., teamwork, critical thinking, planning, scientific observation and record keeping); for reinforcing skills in elementary physics, mathematics, and numeracy; and for introducing advanced concepts in simulation, Artificial Intelligence (AI), and cognition. Furthermore, robots raise profound questions about our relationship with advanced technologies and their potential that allow us to address ethical and social issues surrounding technology use. 2.2 Using robots to bridge between concept and practice Traditional methods of teaching computing tend to be abstract, and students often have difficulty reasoning about program behaviour and recognising the relevance of their activities. The trouble is that general-purpose languages are complex, in order to afford necessary richness to the programmer. Unfortunately for the novice, this often means:‘you need to know a lot to do a little’. Many languages require the users to type in a large amount of code to produce relatively trivial results. Either students have to learn the syntax before they can write any programs (which is frustrating), or they have to enter code that is effectively meaningless to them. An alternative approach is to use a graphical programming environment. Programming with robots using a tailored environment that provide strong visual cues and supports syntactic correctness: l is concrete: students program things they can handle, to behave in ways they can observe in the physical world l is incremental l is creative l admits many solutions l allows manipulation within a constrained context l provides immediate feedback l has behaviour (and thus encourages anthropomorphisation) l uses a variety of skills allows complete novices to create interesting outcomes (e.g., “go collect a tennis ball” rather than “print ‘Hello, world.’) Our experience so far is that programming with robots helps learners to bridge between concept and practice – and to derive principles for themselves from their own experience. 2.3 Robots are appealing The appeal of robots is evident in the success of television programmes featuring robots, such as RobotWars and TechnoGames in the UK, that attract large audiences across a wide range of ages. For over 75 years robots have been a staple of popular culture. Recent films such Steven Spielberg’s A.I. have stimulated popular debate about the potential of robotics, and the debut of the Sony AIBO has attracted substantial media attention. Competitions involving robots are popular with participants and audiences alike. Robots are attractive to adults and children of both sexes. 3. Choosing a programming environment Our experience in teaching computing (Griffiths et al., 1999, Woodman et al., 1998), and the current trends in software engineering and AI, give us some general guidance in terms of desirable characteristics for programming environments/languages. An object-based approach would support and integrate with our existing curriculum and is now considered the basis of sound software engineering. Object Oriented programming also makes it easy to represent and present complex behaviours to novices (Griffiths et al., 1999). We emphasise the importance of providing software suitable for novices. Any programming environment for novices must be robust – it should behave reliably and consistently, and it must not crash. Errors (if they appear at all), must be meaningful. The human-computer interaction, end-user programming, and visual programming literatures give us some guidance about relevant concepts in language selection, as follows. The sorts of concepts that can be learned from such an environment include: * that algorithms can be used to solve problems * that solutions