（控制理论与控制工程专业论文）教育机器人软件系统的设计与开发.pdf

、j a t h e s i si nc o n d e s i g na n b yh eh o n g s h e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rc h a it i a n y o u n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 ； ，。5 0 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 二b 思0 学位论文作者签名： 日期： 肋彳谰 学位论文版权使用授权书 隰 歹只 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年影 学位论文作者签名： 签字日期： 名开泛蔓 j 砂彳m 导师签名： 签字目期： i i i ，u啊01!， !，。q， ， 一影。魏勰臀移h“p州o， 7jj，f，i#慕。， 东北大学硕士学位论文 摘要 教育机器人软件系统的设计与开发 摘要 教育机器人是一个通用的智能化教育平台，融合了现代工业设计、机械、电子、计 算机软硬件、人工智能等诸多领域的先进技术。软件系统是教育机器人平台的重要组成 部分，提供的功能包括：算法编辑环境、可视化仿真环境、机器人控制等。目前应用的 教育机器人软件系统功能单一，针对性差，不能发挥教育机器人的性能。因此，开发融 合先进教学理念、功能丰富、高效的教育机器人软件系统是实现教育机器人平台的重中 之重。本文依托东北大学“9 8 5 工程”流程工业综合自动化科技创新平台，在研究现有 教育机器人机械系统和控制系统的基础上，设计和开发了满足功能要求的教育机器人软 件系统，并对系统的有效性进行了实验验证。本文的主要研究内容如下： 1 从教育机器人软件系统的具体功能要求出发，分析了现有教育机器人软件系统的 优势和不足，按照系统化、模块化的设计思想，提出了教育机器人软件系统系统设计要 求，完成教育机器人软件系统的需求分析。 2 基于d s s ( d e c e n t r a l i z e ds o f t w a r es e r v i c e ) 服务组件模型和面向服务体系结构，设计 了教育机器人软件系统，提出了教育机器人软件系统框架，分别设计了集成开发环境子 系统、仿真子系统和接口子系统的功能和结构。 3 根据系统的设计思想和框架结构，开发了教育机器人软件系统。采用自定义控件 和消息响应的方法，实现了d s s 服务开发和监控一体化的集成开发环境；建立了教育 机器人虚拟仿真对象模型和仿真环境，并开发数据通讯d s s 服务实现s i m u l a t i o n e n v i r o n m e n t 与m a t l a b 的联合仿真；开发接口d s s 服务实现了系统内与系统间的交互。 4 进行教育机器人软件系统的实验验证和性能分析。分析了软件系统性能和3 d 仿 真系统的仿真可信度，设计了基于代码图形化控制算法的虚拟仿真对象和实物对象实 验，验证了软件系统的可靠性和设计的合理性。 关键词：教育机器人；软件系统；联合仿真；m i c r o s o f tr o b o t i c ss t u d i o i i i ，iiy一一i i v ：膏， r ，： 、 5 ， a b s t r a c t e d u c a t i o n a lr o b o ti sau n i v e r s a li n t e l l i g e n tp l a t f o r mf o re d u c a t i o n ，w h i c hi n t e g r a t e s m o d e mi n d u s t r i a ld e s i g n ，m a c h i n e r y , e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e rh a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，a r t i f i c i a l i n t e l l i g e n c e ，a n dm a n yo t h e rf i e l d so fa d v a n c e dt e c h n o l o g y s o f t w a r es y s t e mp l a y sa n i m p o r t a n tr o l ei ne d u c a t i o n a lr o b o tp l a t f o r ma n di t sf u n c t i o n sc o v e re d i t i n ge n v i r o n m e n tf o r a l g o r i t h m s ，s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t ，r o b o tc o n t r o l l i n g ，a n ds oo n a tp r e s e n t ，m o s to ft h e s o r w a r e sa v a i l a b l ef o re d u c a t i o n a lr o b o ta r et o op o o ri nf u n c t i o n sa n dp e r t i n e n c e st om a k e m 1 1u s eo ft h ee d u c a t i o n a lr o b o t t h u st h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r es y s t e mf o re d u c a t i o n a l r o b o t ，w h i c hi se d u c a t i o n t h e o r ye m b e d d e d ，f e a t u r e - r i c ha n de f f i c i e n t ，d e s e r v e st h et o p p r i o r i t yi nt h ei m p l e m e n t i n go fe d u c a t i o n a lr o b o tp l a t f o r m b a s e do nt h es t u d yo fe x i s t i n g m e c h a n i c a lc o n t r o ls y s t e mo fe d u c a t i o n a lr o b o tp l a t f o r m ，s o f t w a r es y s t e mf o re d u c a t i o n a l r o b o ti s d e s i g n e dt om e e tt h e f u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t sa n df u l l yv e r i f i e db ys p e c i f i e d e x p e r i m e n t so nt h ei n n o v a t i o n a lp l a t f o r mo fi n t e g r a t e da u t o m a t i o nf o rp r o c e s si n d u s t r y f u n d e db y ”9 8 5p r o j e c t ”t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h ed i s s e r t a t i o na r e ， 1 a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t so fe d u c a t i o n a lr o b o t ，a n a l y s i so ft h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc u r r e n ts o f t w a r es y s t e mi sc a r r i e do u ta n dt h eg e n e r a l s t a n d a r d so fd e s i g na n dr e q u i r e m e n t so fs o f t w a r es y s t e mi sp u tf o r w a r db a s e do ns y s t e m a t i c a n dm o d u l a rm e t h o d s 2 t h es o f t w a r es y s t e mi sd e s i g n e da sr e q u i r e d t h es o f t w a r e s y s t e mf r a m e w o r ko f s o f t w a r es y s t e mi sp r e s e n t e db a s e do nd s sa n ds o a w h a ti sm o r e ，t h ef u n c t i o n sa n d s t r u c t u r eo fl d e ，s i m u l a t i o na n di n t e r f a c es u b s y s t e m sa r ed e s i g n e dr e s p e c t i v e l y 3 a c c o r d i n gt ot h es y s t e mf r a m e w o r k ，t h es o f t w a r es y s t e mi si m p l e m e n t e da sd e s i g n e d t h ei d et h a ti n t e g r a t e sd s ss e r v i c ed e v e l o p i n ga n ds u p e r v i s i n gi sa c h i e v e dt h r o u g ht h e d e v e l o p i n gm e t h o do fc u s t o m i z e dc o n t r o l sa n dm e s s a g e s a n ds i m u l a t e dr o b o tm o d e l si n s i m u l a t i o ne n v i r o n m e n ta r ec o n s t r u c t e dt o g e t h e rw i t ht h ec o s i m u l a t i o nb e t w e e ns i m u l a t i o n e n v i r o n m e n ta n dm a t l a b ，w h i c hi sr e a l i z e dw i t hd e v e l o p e dd a t a - e x c h a n g ed s ss e r v i c e s i n a d d i t i o n ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e ns y s t e m sa n ds u b s y s t e m sa r ea c t u a l i z e db yd e v e l o p i n g c o m m u n i c a t i n gd s ss e r v i c e s 4 t h es o f t w a r ei sv e r i f i e da n dt e s t e d t h e p e r f o r m a n c eo fs o f t w a r es y s t e ma n d s i m u l a t i o nc r e d i b i l i t yi sa n a l y z e d ，a n de x p e r i m e n t so fa c t u a lr o b o t sa n ds i m u l a t e do n e sw i t h c o n t r o la l g o r i t h m si m p l e m e n t e dt h r o u g hc o d e so rg r a p h i c sa r ec a r r i e do u t b o t ho ft h e m v e r i f yt h el i a b i l i t ya n dr e a s o n a b i l i t yo fs o f t w a r es y s t e m 一v 东北大学硕士学位论文a b s t 姐c t k e y w o r d s ：e d u c a t i o n a lr o b o t ；s o f t w a r es y s t e m ；c o - s i m u l a t i o n ；m i c r o s o f tr o b o t i c ss t u d i o v i p 乏 、l ， i 目录 独创性声明i 摘要i i i a b s t r a c t v 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景1 1 1 1 教育机器人概述1 1 1 2 教育机器人应用l 1 1 3 教育机器人系统结构2 1 2 教育机器人软件系统的研究现状3 1 3 课题的研究意义6 1 4 本文的主要工作7 第2 章教育机器人平台描述9 2 1 教育机器人平台结构9 2 2 教育机器人平台组成系统概述9 2 2 1 机械系统9 2 2 2 硬件系统1 0 2 2 3 软件系统1 2 2 2 4 实验系统1 2 2 3 软件系统在教育机器人平台中的作用1 4 2 4 本章小结15 第3 章教育机器人软件系统设计1 7 3 1m i c r o s o f tr o b o t i c ss t u d i o 简介1 7 3 2 教育机器人软件系统总体架构设计1 8 3 2 1 教育机器人软件系统的需求分析1 8 3 2 2 软件系统功能设计1 9 3 2 3 软件系统结构设计1 9 3 3 集成开发环境子系统设计2 0 3 3 1 集成开发环境的设计理念2 0 3 3 2 集成开发环境子系统的功能需求2 1 3 3 3 集成开发环境子系统功能设计2 1 3 3 4 集成开发环境子系统结构设计2 3 3 4 仿真子系统设计2 4 3 4 1m s r ss i m u l a t i o ne n v i r o n m e n t 简介2 4 3 4 ，2 仿真子系统的功能需求2 4 3 4 3 仿真子系统功能设计2 5 3 4 4 仿真子系统结构设计2 6 3 5 接口子系统设计2 7 3 5 1m a t l a b 实时通讯2 7 3 5 2 接口子系统功能需求2 7 3 5 3 接口子系统功能设计2 8 v i i 东北大学硕士学位论文 目录 3 5 4 接口子系统结构设计2 8 3 6 本章小结2 9 第4 章教育机器人软件系统开发3 1 4 1 教育机器人软件系统体系结构3l 4 1 1d s s 服务概述31 4 1 2 基于d s s 服务的软件系统结构实现31 4 2 集成开发环境子系统开发3 2 4 2 1 基于组件模型的体系结构实现3 2 4 2 - 2 人机界面的开发3 3 4 2 3 编辑编译环境开发3 6 4 2 4 服务调度功能实现3 8 4 2 5 基本数学库开发3 9 4 3 仿真子系统开发3 9 4 3 1 虚拟仿真对象建模3 9 4 3 2 运动场景建模4 3 4 3 3 与s i m u l i n k 联合仿真实现4 4 4 4 接口子系统开发4 5 4 4 1m a t l a b 的实时交互服务实现4 5 4 4 2 与仿真子系统的交互4 6 4 4 3 与教育机器人硬件系统的交互4 8 4 5 本章小结5 0 第5 章系统性能分析和应用实例5 1 5 1 系统仿真可信度研究51 5 1 1 仿真可信度评估5 l 5 1 2 相似度方法5 1 5 1 3 仿真子系统可信度定量分析5 3 5 2 系统的实时性分析5 5 5 2 1 仿真子系统的实时特性分析5 5 5 2 2 服务的实时特性分析5 6 5 3 应用实例5 6 5 3 1 基于教育机器人软件系统实验方法5 6 5 3 2 基于m a t l a b 脚本语言的仿真实验5 7 5 - 3 3 基于s i m u l i n k 的联合仿真实验6 1 5 3 4 基于代码的实物对象控制实验6 5 5 4 本章小结6 7 第6 章结论与展望6 9 6 1 工作总结6 9 6 2 以后研究工作展望6 9 参考文献7 1 致谢7 5 攻读硕士期间发表的论文7 7 v i i i i 雾 ：- 、 v 0 ，1，一 1 1 1 教育机器人概述 智能机器人是技术前沿之一，集成了数学、物理、化学、生物、机械、电子、材料、 能源、计算机硬件、软件、人工智能、多媒体技术、通讯技术、网络技术等众多领域的 科学与技术知识，没有一种技术平台比智能机器人更综合。所以为了现在的学生能够适 应未来信息时代的要求，在教学实验环节中及时地增加有关智能机器人知识的教学实验 内容是有必要的，也是可行的。 教育机器人( e d u c a t i o n a lr o b o t ) 就是在教学实验环节中的应用的智能机器人。较早的 教育机器人定义为：教育机器人就是结合教育学和机器人学原理，以教学为最终目的而 制造的机器人，它主要用于辅助讲解机器人的工作原理及机器人学相关学科的基本原理 。随着教育学理论与机器人学相关学科的不断发展，教育机器人有了更加丰富的含义。 教育机器人，不同于工业机器人等其它机器人，它是一种教育媒体、工具及平台，主要 用于传道、授业、解惑，它可以按照使用者的职业及学科要求被赋予一定的专业特色和 不同的教学特色。教育机器人平台就是一个具有全新理念的教育实验平台，它是在建构 主义学习与教学理论的指导下，把机器人作为工科实验教学的平台，通过完成对机器人 的一系列软、硬操作，来达到控制实验教学的目的和要求，满足新世纪工程技术人才培 养的需要。 教育机器人以教育为第一目的，因而它与工业上使用的机器人有很大区别1 。与机 器人的本身的技术价值相比，教育机器人的教育价值更为重要。因而在设计教育机器人 时要以教育理念为指导，以方便教学为目的进行设计与开发口1 。 1 1 2 教育机器人应用 随着机器人技术的迅速发展，机器人教育对高科技社会的巨大作用和影响已经引起 了美国、欧洲、日本等发达国家和亚洲各国的高度重视，也得到了我国教育界的极大关 注。各种教育机器人的教学侧重点不同。有的以培养学生动手能力为主，如积木式的机 器人，学生首先要发挥想象力，自己动手把一大堆零件组装起来；有的以培养学生程序 设计能力为主，为用户提供多种语言编程的平台，如支持训练小学生思维的l o g o 语言 或图形语言，支持适合中学生编程的q b a s i e 语言和适合较高层次学习的类c 语言或汇 编语言等；还有的教育机器人为相关专业的大学生或研究生服务，为他们提供人工智能、 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 机器控制、人机交互的研究平台。许多教育机器人同时配有仿真系统，仿真软件不仅可 以仿真机器人，而且可以仿真机器人的运行场地、周边环境和设施。学生可以自己配置 虚拟机器人，自己在仿真环境中为机器人搭建运行环境。教育机器人主要应用形式有h 1 ： ( 1 ) 教育机器人作为家庭的益智玩具 教育机器人可以作为儿童的伴侣，独生子女没有兄弟姐妹共同生活，容易形成感情 上的自我中心，不善于交流，不善于同情，不善解人意，缺少助人为乐的品质和行为。 而教育机器人可以充当儿童伴侣，在一定程度上缓解独生子女的以上问题，例如索尼公 司的“a i b o 机器狗”，玩偶欣帝( c i n d ys m a r t ) 等等；教育机器人还可以作为知识获取 工具，例如诺博特公司的“智能故事佬”；教育机器人也可以作为培养创新能力的工具， 例如乐高公司的机械系列、能源系列等等；教育机器人同样可以开拓成年人的视野。 ( 2 ) 教育机器人作为课外活动的载体 教育机器人可以作为学生课外活动的伙伴。教师可以组织有兴趣的同学组成机器人 小组，利用课余时间开展各种机器人活动，参加各类机器人比赛，课外活动不受教学计 划、教学大纲和教育形式的限制，活动的范围比较广泛，内容也很丰富。教育机器人作 为学校课外活动的载体，不仅使课外活动同时具有科学性和趣味性，而且可以培养学生 的创新精神、综合实践能力和协作能力。使他们在娱乐的过程中学到先进的机器人知识， 提高综合能力，培养团队精神。 ( 3 ) 教育机器人作为教育课程教学的载体 将教育机器人用于中小学传统课程的教学中，可以开发学生早期智力，激发教师和 学生的学习兴趣。在各门传统学科中都可以引入教育机器人，给传统课程注入新鲜血液， 增加新活力。而将教育机器人应用到高校课程实践中，可以使学生对工科的基础专业知 识如：机械零件、机械设计、电子、单片机、控制、编程等有直观的认知；可以培养学 生的基础能力和复合能力；激发学生学习工科知识的兴趣。 1 1 3 教育机器人系统结构 整个的教育机器人系统一般由两部分组成：软件系统部分和硬件系统部分。硬件部 分是教育机器人的载体，完成教育机器人的控制和调度功能，一般由不易形变的材料、 驱动器、传感器、能源以及具有可编程器件的电子控制系统构成；软件部分包括上位机 软件和下位机软件，是教育机器人智能化程度的体现。下位机软件完成教育机器人的数 据采集和低层控制功能，上位机软件提供智能控制算法的编辑、编译和下载的开发环境， 具有在线和离线控制功能、3 d 仿真的功能以及实验相关的功能。典型的l e g o 教育机 器人的模块结构图如图1 1 所示。 - 2 广 1 “、1 0 rt，。，- ，11 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 秒固9 碾p 图1 1 教育机器人的模块结构图 f i g 1 1m o d u l ed i a g r a mo fe d u c a t i o n a lr o b o t 1 2 教育机器人软件系统的研究现状 目前，机器人技术应用在很多方面被许多因素影响而止步不前，包括硬件的分裂发 展、缺乏代码的简洁性、缺乏所需的库函数和运行法则等哺 ，并且开发机器人应用程序 这样的研究工作需要非常强的专业知识。教育机器人作为智能机器人的一种，同样面临 这样的问题。因此，现在国内外越来越多的研发人员立志开发出通用的教育机器人平台 软件系统，目的是协助程序开发人员，充分的发挥教育机器人的性能1 。 近年来广大的科研工作者在机器人软件系统方面做了大量的工作，国内外已有许多 机器人软件系统问世，其中比较有代表性的是： ( 1 ) r o b o l a b 7 t 8 3 r o b o l a b 是l e g o 教育机器人的编程工具( 如图1 2 ) 。它基于图形化语言的编程 环境，适合各个年龄段的用户使用，程序的编写方式类似于做逻辑表达，不过是全部图 形化的：在基于r o b o l a b 编程环境进行程序编写，只需要清醒的头脑，清晰的逻辑，程 序编写完毕后通过l e g o 红外传感器传送至教育机器人的记忆体中。r o b o l a b 的出现原 本旨在为相关产品做软件支持，经过多年的发展，已经成为青少年进行机器人竞赛的必 备编程工具。 r o b o l a b 容易上手，功能较强大。它提供了对教育机器人微型控制器的所有控制能 力，另外，它还提供：将程序变为h t m l 页面或j p g 图像，便于在网上发布；通过使 用r o b o l a b 服务器，可以通过i n t e r a c t 来控制在其它地方的教育机器人微型控制器；监 控教育机器人微型控制器；强大的数据采集和处理功能，可以从乐高或传感器( 例如湿 度、电压、声压、p h 值) 采集数据，并进行数据处理及作图。 局限性：加载在积木块上的固件对可执行的命令和变量的数量有所限制，很难实现 非常复杂的智能控制逻辑，而且功能比较单一。 3 事臼 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 图1 2r o b o l a b 软件环境 f i g 1 2r o b o l a bd e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t ( 2 ) r o b o w o r k s 9 1 r o b o w o r k s 是一种易于使用的工具软件，提供了支持任何物理系统的3 d 建模，仿 真和模拟功能。现在大多数分析和可视化软件，如m a t l a b ，m a t h c a d 和l a b v i e w 等只 支持图形和图表。r o b o w o r k s 为这些软件包增加3 d 建模和模拟能力，将这些软件中的 分析结果在r o b o w o r k s 中可视化和模拟。此外，r o b o w o r k s 支持通过键盘、数据文件和 r o b o t a l k 的交互式模拟方式。r o b o w o r k s 的主要特性包括：3 d 可视化仿真环境；基于 各种类型结点模型的建模继承体系；l a b v i e w , m a t l a b 和v i s u a lb a s i c 联合仿真接口；基 于网络的仿真。 局限性：没有物理引擎的支持，只是单纯的三维仿真动画显示；仿真环境操作复杂； 没有算法实现环境。 图1 3r o b o w o r k s 软件环境 f i g 1 3r o b o w o r k sd e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t ( 3 ) w e b o t s w e b o t s 是流行的机器人快速建模和仿真软件。w e b o t s 提供了完善的机器人仿真解 决方案，可以针对每个项目设置机器人属性，如：形状、颜色、纹理、质量、摩擦等等。 w e b o t s 还内建了集成开发环境( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t ，i d e ) 。其主要特性包 4 。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 括：对轮式的、多足的和飞行机器人提供建模和仿真支持；包括完整的传感器和执行器 库；使用加速的o p e n g l 技术和内建的3 d 机器人编辑器，提供模型导入功能；编程语 言支持c ，c + + 和j a v a ：使用o d e ( o p e nd y n a m i c se n g i n e ) 作为物理引擎；可以直接将控 制程序移植到机器人本体；可以录制a v i 和m p e g 视频：支持多机器人之间的通讯。 局限性：物理引擎稳定性不足，存在失真的情况；不支持图形化编辑环境；渲染模 型和视觉特效比较粗糙。 嚣跫菇瘟玉龃勃凶疆隧醢溺辐龉秘酝珊瞄z 豳露嬲! a ! x ! ：- n 垣飘f a w 门西强圈蹬隧埋曩 量囊! ，“u t 一蛙。d r d i i ! f w f 砼l j ￥黔蹬 i 瞪凸_ 0 孕文 件凸_ h 蠢、i klk ki u 口日k ，i ，r ri s o 。c 尊_ j u x n 幛贸cl n 目日j i 0 目翰盘目翻一 瞄謦潮 2”：f 。k tl e 。5 0 c c e r s u 碑”! 釜 豳 _ ，融t eh b r u 4 r y1 l t 一一隧l4 d 母日c r ；p t l 能s u p e v x 螂t h l 墨f 4 w m - 固曩l翮 麟 s - s e n d h ec t c r d l n a t e c 一 目_ 7 u t h o r0 1 1 v l e rh - c h 一 一啊， 毫- h 酣i n 髓t l a n s 1 柏nb ) a n c h c 隧菇叠 一目嘲- ， a d e p t e dt h ec ? 曩l 匿 l 口 1 1 一? j ! c “p ”! 曲! g 2 o k ，阚 目* 榭。蛳：e 底l a 勘m 畦躺壶囊蝻嘲目曲越0l 嘲 雕露融稍潮璐露岫自i ! 一m 一一lt o m e t o w0 ：0 0 ：3 5 ：翻q65 4 i 雕霸瓣：骗烈孵憋熬霾氅懑 i 西囡骄冀逆盟，内丽嗣翻露置1 谬罄茹蹉翻鲻i 鼍函芒l x 陋咚蛰罗囊鼍 f b l 】r e 镕td o n e 【b 3 】r e s e t 由m _ o w 矿啪 磊 5 0 【b 2 】嘴t 由m - o v w p o n t i “l j 馆5 哦d 吖膏 【y 2 1r e s e td a 怕 l f e j 吼蚺 i 8 a c k g , o t t t l 函 _ op o n u 蛳 o0 9 8 0 c a 取阳d 铂驯 _ od 铲呲s o 嘣 o0 0 ：8 1 d l f i l n 怕l b 自oo 皆眩o 惭锄懈b 女od 手阳d 懦r e m b h e b b ood e fy 1 0 l 孵e n t l a h e e b jod 手y 2 0 i 晤朗的i w p b ，“ 图1 4w e b o t s 软件环境 f i g 1 4w e b o t sd e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t ( 4 ) e c r o b o t n x t 】 e c r o b o t n x t ( e m b e d d e dc o d e rr o b o tn x t ) 是基于m a t l a b 和s i m u l i n k 开发的l e g o m i n d s t o r m sn x t 专用教育机器人开发环境。e c r o b o t n x t 提供了n x t 控制决策的 编程环境，实现控制对象的动态建模以及将可视化的模型组件在3 d 虚拟现实图形化环 境中显示出来。同时，e c r o b o t n x t 支持基于r e a l t i m ew o r k s h o p 的目标代码直接下载 到n x t 教育机器人。 局限性：专用于l e g om i n d s t o r m sn x t 教育机器人，对其他机器人可扩展性 差；编程方式单一。 - 5 东北大学硕士学位论文笫1 章绪论 1 4 本文的主要工作 。 本论文旨在设计并开发一种通用的教育机器人软件系统。它提供3 d 仿真环境、算 法编辑环境及相关组件，能够以代码或者图形模块的方式实现控制算法，并且通过与 m a t l a b 的联合仿真或者半实物仿真来快速验证算法的正确性和性能，同时实现对实物教 育机器人有线和无线的实时控制。 本文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 设计和实现基于服务的教育机器人软件系统框架，完成各基本服务的调度和控 制工作。 ( 2 ) 开发n e t 框架语言的编辑和编译集成开发环境，编辑器具有智能感知、智能提 示、关键字高亮、自动格式调整以及标签等实用的功能。设计和实现了基于n e t 框架的数学函数库，其简化线性代数和统计学等方面的数学运算，方便代码控 制算法的开发和实现。 ( 3 ) 实现机器人3 d 可视化仿真环境，完成教育机器人3 d 渲染模型的设计和修饰， 用代码构建用于a g e i ap h y s x 物理引擎的物理模型，并根据实体教育机器人 进行物理参数调整。 ( 4 ) 设计和实现3 d 仿真环境中虚拟仿真对象的控制接口，针对同系列的教育机器 人仿真模型设计统一的驱动程序，完成与虚拟仿真对象的实时的数据交换和在 线控制。 ( 5 ) 建立m a t l a b 与教育机器人软件系统的数据交换通道，实现了3 d 虚拟仿真环境 和m a t l a b 的联合仿真。开发虚拟仿真对象和实物对象接口对应的s i m u l i n k 模 块，用于控制虚拟仿真对象和教育机器人实体。 ( 6 ) 教育机器人实物硬件通讯接口协议的制定以及有线无线控制通讯驱动服务实 现，并完成软件系统与硬件的连接和调试。 ( 7 ) 进行软件系统的实验验证和性能分析。包括软件系统时序性能的分析、3 d 仿 真系统的仿真可信度分析、基于代码图形化控制算法的虚拟仿真对象和实物 对象的实验验证。实现了教育机器人软件系统的功能要求，验证了软件系统的 通用性和可操作性。在实验的基础上，对该软件系统的实验效果和实验性能进 行总结，并指出进一步的工作。 - 7 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 8 j 、 ；( ：， 0 p 、 i o i - 、j 与 l鼍0矿 东北大学硕士学位论文 第2 章教育机器人平台描述 第2 章教育机器人平台描述 2 1 教育机器人平台结构 本课题设计和开发的教育机器人平台是基于快速原型控制和硬件在回路仿真思想 的教学产品，其高度融合机器人理论、m a t l a b 实时控制、3 d 仿真等技术并具有结构简 单、功能丰富、可扩展性强、面向工科教学特点，是适合于中国自动化相关学科实践用 的标准化实验教学产品。教育机器人由模块化的核心单元构成，模块单元之间有统一的 外设接口，不仅可以使用附件进行功能扩展，还可以多个基本模块组成蛇形、双足、多 足、环形、教育机器人集群等，提高教育机器人平台适应性和普遍性。 教育机器人平台由机械系统、硬件系统、软件系统和实验系统构成，教育机器人平 台的系统结构图如图2 1 所示。 图2 1 教百机器人平台的系统结构图 f i g 2 1f r a m e w o r ko fe d u c a t i o n a lr o b o t 2 2 教育机器人平台组成系统概述 2 2 1 机械系统 机械系统的整个教育机器人平台的物理基础和支撑，从控制的角度来看，也就是实 际被控对象。整个机械系统具有机械结构拆卸简单、维修方便、安全可靠、模块化、可 重用性强、体积小、质量轻，可扩展性强等优点。模块化可重构多功能的教育人机械系 统，通过不同的模块组合以及外部配件的装，可组合成单体教育机器人、扩展教育机器 人、组合教育机器人等多种不同功能的形式。 单体教育机器人机械系统利用三个直流电机最大可实现五个自由度，其中通过离合 器切换可以实现绕中心轴的俯仰为一个自由度，两个差分驱动齿轮为两个自由度，通过 电磁离合器切换可实现左侧转动杠为一个自由度，后部通过一个电机可实现一个旋转自 由度。由于单体教育机器人机械系统的四个面的构造是对称统一的，因此通过传动机可 以实现四个面的相互连接，可以重构成许多不同的形式。 9 - 东北大学硕士学位论文 第2 章教育机器人平台描述 单体教育机器人机械系统如果只装底部两个直流电机，就可成为一个差分驱动小 车。小车的轮子可以通过两个侧面的工艺孔方便的拆卸和安装。单体教育机器人机械系 统的中央部分预留了控制电路板和锂电池的安装位置，在前后分别预留了红外传感器接 口。由于主体副部分可以绕中心轴做俯仰运动，在主体副部分上安装的小摄像头是移动 机器人的视觉系统。 如果在单体教育机器人机械系统上加上合适的附件，则可构成许多其它扩展教育机 器人。单体教育机器人机械系统可以添加的附加有：可伸缩式( 可变质心) 倒立摆附件、 球杆平衡附件、直线导轨附件等，分别可以组成旋转倒立摆系统，球杆平衡系统和直线 倒立摆系统等。 两个单体教育机器人机械系统相互连接可以组成扭矩系统和两自由度机器人系统。 如果再加上倒立摆附件，则可构成两个自由度并联机器人和倒立摆系统。也可以组成一 个关节驱动系统，通过直流电机，可以控制其进行匍匐前进，完成一些蠕动控制方面的 实验研究。当采用多个单体教育机器人机械系统相互连接的时候，则可以构成蛇形机器 人，环形机器人，人形机器人以及多足机器人等。在构成蛇形机器人时，如果每个伺服 模块不加轮子，则可以研究蛇形机器人的蠕动行走控制。如果加上轮子还可以研究差分 驱动和关节蠕动配合的蛇形游走控制方法研究，提供了一种更加快速的运动方式。六个 单体教育机器人机械系统各交叉9 0 度连接，可以组成一个六自由度的机械手系统，还 可以加上机械手配件。 2 2 2 硬件系统 教育机器人硬件系统直接控制教育机器人的执行机构，对整个系统的稳定运行起着 至关重要的作用。教育机器人要求能完成精密的动作控制、执行机构要有多个自由度， 有丰富的传感器，有丰富的接口以及友好的人机界面、外形应尺