基于微軟機器人軟件MSRDS的自主機器人

1、頁眉內容基于微軟機器人軟件 MSRDS的自主機器人的編程和仿真學生姓名 尹劍波指導教師 張力三峽大學機械與材料學院1課題來源Lego Mindstorms (樂高機器人)是集合了可編程 Lego 磚塊、電動 馬達、傳感器、 Lego Technic 部分(齒輪、輪軸、橫梁)的統(tǒng)稱。 Mindstorms 起源于益智玩具中可編程傳感器模具( programmable sensor blocks )。 第一個 Lego Mindstorms 的零售版本在 1998 年上市，當時叫做 Robotics Invention System (RIS) 。最近的版本是 2006 年上市的 Lego Min

2、dstorms NXT。 許多語言都能對 Mindstorms 進行編程，包括 Logo、 Basic 、 Java 的衍 生版、 Smalltalk 和 C 語言。 Computer Clubhouses 是專注于 Mindstorms 編程的網(wǎng)站。 LEGO MINDSTORMS Robotics Invention System (以下稱為 樂高機器人套件)，是針對 12 歲以上的小孩或大人，對機器人有興趣(或 者啟發(fā)自動控制教育)的教育玩具。這項產(chǎn)品計劃始于1986，由丹麥樂高公司和美國麻省理工學院的媒體實驗室( Media Lab )進行的一項可程式 積木( Programmable

3、 Brick )的合作案。2研究的目的和意義在制造業(yè)中， 工業(yè)機器人甚至已成為不可少的核心裝備， 世界上有近百萬臺工 業(yè)機器人正與工人朋友并肩戰(zhàn)斗在各條戰(zhàn)線上。 機器人的出現(xiàn)是社會和經(jīng)濟發(fā)展的必 然，它的高速發(fā)展提高了社會的生產(chǎn)水平和人類的生活質量。服務機器人可以為您治病保健、保潔保安；水下機器人可以幫助打撈沉 船、鋪設電纜；工程機器人可以上山入地、開洞筑路；農(nóng)業(yè)機器人可以耕 耘播種、施肥除蟲；軍用機器人可以沖鋒陷陣、排雷排彈在現(xiàn)實生活 中有些工作會對人體造成傷害，比如噴漆、重物搬運等；有些工作要求質 量很高，人難以長時間勝任，比如汽車焊接、精密裝配等；有些工作人員 無法身臨其境，比如火山探險

4、、深海探密、空間探索等；有些工作不適合 人去干，比如一些惡劣的環(huán)境、一些枯燥單調的重復性勞作等如果用傳統(tǒng)的方式學習制作機器人，我們得先學習電腦基本概論，接 著要了解電子電路、數(shù)位邏輯和微處理器，才能制作出基本的微電腦控制 電路。然后還要學習匯編語言( Assembly )或 C 語言，撰寫微處理器的程 序對了，也許最麻煩的是機械結構，我們得決定要用步進馬達還是一般 的直流馬達，不同的驅動形式，信號的驅動和回饋處理方式也不一樣；而1 頁腳內容頁眉內容且即便是采用最單純的輪胎或履帶作為行走方式，也可能要搭配各種齒輪 來調配扭力和速度。想到要學習、 DIY 這么多東西，很多對自制機器人懷抱 憧憬的業(yè)

5、馀玩家，滿腔熱血到此就涼了大半截。樂高機器人組合里面，包含 RCX、兩個馬達、兩個觸控感測器和一個紅 外線感測器，各種大小的輪胎和履帶，以及數(shù)種規(guī)格的齒輪和滑輪，當然 還有各種積木，幫我們解決了電子電路和機械結構的問題。剩下的撰寫 程序部分，樂高公司（或者說 MIT 研究人員）也替它開發(fā)了一套視覺化 程序編輯工具，叫做 RCX Code。就像堆積木一樣， RCX Code的使用者只要 把各種代表不同程序邏輯的積木在屏幕上堆起來，就能完成RCX 的程序。程序撰寫完畢后， 通過過套件提供的紅外線裝置， 即可把程序傳入 RCX。樂高機器人組合里面，包含 RCX、兩個馬達、兩個觸控感測器和一個紅 外線

6、感測器，各種大小的輪胎和履帶，以及數(shù)種規(guī)格的齒輪和滑輪，當然 還有各種積木，幫我們解決了電子電路和機械結構的問題。剩下的撰寫 程序部分，樂高公司（或者說 MIT 研究人員）也替它開發(fā)了一套視覺化 程序編輯工具，叫做 RCX Code。就像堆積木一樣， RCX Code的使用者只要 把各種代表不同程序邏輯的積木在屏幕上堆起來，就能完成RCX 的程序。程序撰寫完畢后， 通過過套件提供的紅外線裝置， 即可把程序傳入 RCX。 3國內外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢、學術動態(tài)截止到 2009 年底， Microsoft Robotics Studio 目前已經(jīng)發(fā)展到 Microsoft Robotics Develo

7、per Studio 2008 R2的最新版本。不過，他與過去的幾個版本，都是由幾個底層的組件與服務元件所組成的機器人應 用開發(fā)套件。除了 LEGO MINDSTORM套S 件之外，樂高公司還針對教育機構 發(fā)售一種稱為（姑且翻譯成機器人實驗室）的套件，里面包含更多感 應器（例如，壓力、音量、溫度檢測），以及連結視訊攝影鏡頭（并不限 于樂高自己的 Vision Command 產(chǎn)品）并提供視覺辯識功能，更特別的是， 它的軟體還具備資料分析、 比較和圖表繪制功能， 對于教學實驗尤其重要。 ROBOLOA軟B體也能透過網(wǎng)際網(wǎng)路連結到ROBOLAB Server（包含在本產(chǎn)品的軟體里），把收集到的數(shù)據(jù)

8、呈現(xiàn)在網(wǎng)頁。 ROBOLAB內建的軟體有 Windows 和 Mac版。樂高機器人套件最大的缺點在于價格。在臺灣的一般零售店和百貨公 司，它的定價超過臺幣一萬元（美金定價 199 元），大陸售價約為 2000 元 人民幣。而且某些配件的價格也貴得有點離譜，如一根50cm 的連接線售價高達數(shù)十元。樂高公司最近推出了新一代的樂高機器人， 叫做 LEGOM INDSTORMNSX T， 這款新樂高機器人采用了 32 位微處理器、內建 USB和（這一設計極大地提 高了程序傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性），可以讓使用者做出透過藍牙裝置（例如 PDA或手機）控制的機器人。 NXT內附的程序編輯工具支持 PC和 Mac

9、，為了2 頁腳內容頁眉內容吸引更多玩家參與擴充與改造 NXT，樂高公司特別發(fā)表了開放原始碼的固件 和開發(fā)工具，就連微軟老大哥都忍不住加入機器人開發(fā)軟體的行列，推出 MicrosoftRobotics Studio軟體。除了主機功能大幅增強， NXT 的馬達也改采伺服控制，能讓程序精確地調整速度，而且這次附了三個馬達；感測 器也變得多樣、功能更強：超音波感應器（大多用于感應障礙物），能夠 辯識顏色和亮度的光線感應器等等 .4 研究的內容、途徑及技術路徑 微軟機器人開發(fā)平臺 MSRDS是微軟公司在 2006 年出品的機器人領域 的產(chǎn)品，具備可視化圖形程序設計界面，支持視覺化模擬仿真環(huán)境，可以 讓設

10、計人員在沒有硬件機器人的狀況下測試及開發(fā)機器人邏輯算法。本課 題要求采用 VSE 仿真和樂高 NXT 機器人套件搭建的方法建立機器人模型， 采用 MSRDS軟件編制程序，以完成自主型機器人的預期動作。項目選題方 向如：智能車路徑規(guī)劃，智能車巡線和蔽障等。5 工作的主要階段、進度及技術指標起止日期要求完成的內容及質量2011 年 11 月 25 日至 2012 年5月 25 日完成課題的起止總時間2011年 11月 24日下達任務書，學習畢業(yè)設計（論文）要求及有關規(guī)定。2011 年 11 月 26 日至2012 年 1 月 13 日閱讀指定的參考資料及文獻 （ 包括 5-10 萬個印刷符號與課

11、題或本專業(yè)相關的外文資料 ） ，整理收集資料， 明確課題任 務，完成兩大件：開題報告（含文獻綜述）和外文翻譯2012 年 2 月 13 日至 2 月 24 日畢業(yè)實習，撰寫實習報告2012 年 2 月 27 日至 5 月 13 日完成畢業(yè)設計正文：即機器人建模，MSRDS編程、調試程序，驗證機器人動作，編寫畢業(yè)設計說明書、完成論文結 構的設計和撰寫說明書，提交初稿及修改論文，包括：論 文提綱、程序清單，機器人演示錄像等；2012 年 5 月 14 日至 25 日整理畢業(yè)設計（論文）資料，完善并提交成果2012 年 5 月 26 日至 6月 1 日教師批閱、評閱畢業(yè)設計（論文）成果進 度 及 要

12、 求2012年 6月 4日至 6月 7日畢業(yè)答辯6 最終目標及完成時間1 積極收集閱讀與課題相關的國內外資料，豐富自己的知識；2 機器人建模， MSRDS編程、調試程序并驗證機器人動作對設計項 目的成果演示，進行錄像，拍成 AVI 視頻。完成時間2012年 2 月 10日完成開題報告和外文翻譯3 頁腳內容頁眉內容完成畢業(yè)實習和實習報告完成畢業(yè)設計論文完成畢業(yè)答辯7 現(xiàn)有條件及必須采取的措施1搜集圖書館現(xiàn)有資料2網(wǎng)上搜集資料3學會使用 Visual Programming Languag ,Decentralied Software Service ,Visual Simulation Envi

13、ronment, Concurrency and CoordinationRuntine參考文獻1 康仕仲 . 智慧型機器人程式開發(fā)與實作M . 臺北：悅知文化， 2009.2 陳惟彬 . 趣味玩轉樂高機器人：使用 Microsoft Robotics Studio M . 臺北：松崗出版社， 2010.3 Sara Morgan 編 , 康仕仲譯 . Microsoft Robotics Studio 程式開發(fā) M . 臺北：悅知文化， 2009.4康仕仲 . 百變樂高機器人 M . 臺北：悅知文化， 2009.5黃金鳳 , 張連東 . 基于 MSRS的機器人仿真 J. 機械工程師 . 66

14、-68 頁6 Damien Sall , Marc Traonmilin . Programming LEGOm indstorms NXT with visual programmingJ. Control,Automation and Systems, 2007. ICCAS07. International Conference on:2468 - 24727 MSRDs 機器人開發(fā)平臺網(wǎng)址： -us/robotics/default8 MSRDS開發(fā)團隊 WiKi 網(wǎng)頁 :+Developer&type=All9 MSRDS開發(fā)團隊成員 Young Joon Kim 的教學網(wǎng)站 :10Ferrari, Mario 、 Ferrari, Guilio 、 Astolfo, David Syngress （2007-0