創(chuàng)意機(jī)器人學(xué)習(xí)與研究-智能晾衣機(jī)器人

PAGE6創(chuàng)意機(jī)器人學(xué)習(xí)與研究——智能晾衣機(jī)器人高一（2）班張哲曾燁指導(dǎo)教師藍(lán)凌一、課題背景在2004年，我們加入了學(xué)校的機(jī)器人小組，并選擇研究機(jī)器人創(chuàng)意這個(gè)項(xiàng)目。在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的討論后，根據(jù)今年大賽的創(chuàng)意要求，我們決定研究設(shè)計(jì)一個(gè)智能晾衣機(jī)器人，并參加“廣東省青少年機(jī)器人競(jìng)賽”的創(chuàng)意機(jī)器人項(xiàng)目。確定研究主題后，就針對(duì)智能晾衣機(jī)器人進(jìn)行討論，搭建，編程，最終在大賽里取得成績(jī)。以下是針對(duì)研究過(guò)程中的幾個(gè)比較重要的問(wèn)題（如模型搭建，程序設(shè)計(jì)等）的研究學(xué)習(xí)過(guò)程。二、研究課題的目的通過(guò)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)對(duì)身邊事物的觀察能力；通過(guò)學(xué)習(xí)，培養(yǎng)創(chuàng)新精神通過(guò)學(xué)習(xí)，加強(qiáng)對(duì)機(jī)器人這種前沿科技的了解，以及培養(yǎng)和提高對(duì)事物研究的能力；通過(guò)實(shí)踐，增強(qiáng)思考能力和動(dòng)手能力；通過(guò)實(shí)踐，培養(yǎng)團(tuán)體協(xié)作精神；通過(guò)實(shí)踐，把在課堂知識(shí)運(yùn)用到機(jī)器人的搭建當(dāng)中，達(dá)到理論與實(shí)際相統(tǒng)一；經(jīng)過(guò)一番努力，在全省、全國(guó)舉行的機(jī)器人制作大賽中取得好的成績(jī),為校爭(zhēng)光。三、課題研究的方法（1）課題研究的具體方法1觀摩過(guò)去隊(duì)員的成果，以及上網(wǎng)查詢資料，充分了解創(chuàng)意機(jī)器人的創(chuàng)作理念和制作要領(lǐng)2發(fā)揮想象，想出幾個(gè)比較有研究?jī)r(jià)值的創(chuàng)意方案3小組討論，確定研究對(duì)象，選出一個(gè)最適宜的方案進(jìn)行研究4經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)踐，搭建出機(jī)器人模型5編寫(xiě)程序6不斷試驗(yàn)，保證機(jī)器人能完成所給出的指令7后期的完善（2）課題研究的時(shí)間.地點(diǎn)和人員時(shí)間：2018年9月到2019年9月地點(diǎn)：廣東北江中學(xué)電教樓人員：廣東北江中學(xué)機(jī)器人小組高中創(chuàng)意組學(xué)生：張哲、曾燁指導(dǎo)老師：藍(lán)凌四、課題研究的過(guò)程（1）創(chuàng)意機(jī)器人作品的由來(lái)在仔細(xì)閱讀了今年機(jī)器人大賽的參賽規(guī)則和創(chuàng)意核心之后，我們開(kāi)始思考，應(yīng)該設(shè)計(jì)一個(gè)怎樣的機(jī)器人，今年主要是設(shè)計(jì)工程學(xué)的機(jī)器人，而且今年大賽的主題是來(lái)源于生活，服務(wù)于生活。我們根據(jù)這樣的理念，想了以下三款機(jī)器人的設(shè)計(jì)方案：1.智能晾衣機(jī)器人這款機(jī)器人能改變傳統(tǒng)的晾衣方式所造成的諸多弊端，使晾曬衣服更加方便，智能化，同時(shí)也使家居生活的效率和質(zhì)量有所提高，除了晾曬衣服，還能完成很多額外的功能。如智能觀測(cè)日照情況并做出相應(yīng)措施，智能烘干等等。2.2008智能機(jī)場(chǎng)迎賓系統(tǒng)這款機(jī)器人是一個(gè)完整的，系統(tǒng)的迎賓設(shè)施，可以代替人力接待外賓，并完成從機(jī)場(chǎng)到賓館的所有接待任務(wù)，特別是在2008北京奧運(yùn)的時(shí)候，能夠?yàn)閬?lái)參加北京奧運(yùn)的中外朋友們提供更良好的服務(wù)。3.智能多車道運(yùn)河橋這款機(jī)器人應(yīng)用于運(yùn)河或有船只?？康暮８郏跊](méi)有船只通過(guò)時(shí)，分為上下各兩條共四條車道，而當(dāng)有船只經(jīng)過(guò)時(shí)，上層兩條車道向兩邊移開(kāi)，下層向上抬高至與上層水平，方便船只通過(guò)。這樣即充分空間，又不妨礙碼頭的正常營(yíng)運(yùn)。對(duì)于這三款機(jī)器人，都有各自的閃光之處，究竟如何取舍，我們經(jīng)過(guò)了一番討論。通過(guò)討論，我們認(rèn)為，第2款機(jī)器人雖然用途很實(shí)際，對(duì)國(guó)家也是意義重大，能夠充分體現(xiàn)我國(guó)的服務(wù)之周到，科技之發(fā)達(dá)，但是在一些細(xì)節(jié)之處卻未能照顧周全，對(duì)于突發(fā)情況也不能隨機(jī)應(yīng)變，而且構(gòu)思也不夠創(chuàng)新，制作相對(duì)簡(jiǎn)單；而第3款機(jī)器人，在有限的LOGO積木材料下很難完成，其中的技術(shù)問(wèn)題比較難以解決，加之要對(duì)應(yīng)不同港口，不同地貌，則一些具體的情況也不同，技術(shù)上有一定的難度，實(shí)用性也是一個(gè)問(wèn)題；而第1款機(jī)器人，結(jié)合工程學(xué)，機(jī)械原理和人工智能技術(shù)，非常實(shí)用，貼近老百姓的生活，真正解決日常家居生活中的問(wèn)題，非常有研究?jī)r(jià)值，在現(xiàn)有的條件下也可以完成，所以，我們最后決定采取第一個(gè)方案，做智能晾衣機(jī)器人。（2）機(jī)器人制作的過(guò)程1.所需材料LOGO機(jī)器人配件，中鳴馬達(dá)，紙箱，泡沫塑料，吹塑紙，布料說(shuō)明：我們用紙箱等材料做了一個(gè)模擬的家居陽(yáng)臺(tái)，以便更直觀地感受到機(jī)器人的用途。2.制作過(guò)程a.基本結(jié)構(gòu)在制作的時(shí)候，我們嘗試過(guò)很多形式，曾經(jīng)試過(guò)將機(jī)器人做成懸掛式的，安置在模擬的天花板上，可是效果并不理想，最后我們把這個(gè)機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)做成落地式的，由一個(gè)底板和兩側(cè)的塔式支柱構(gòu)成。b.旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)我們將曬衣桿做成一個(gè)矩形的框架結(jié)構(gòu)，用鐘鳴馬達(dá)帶動(dòng)其旋轉(zhuǎn)。（如圖）c.伸縮結(jié)構(gòu)這個(gè)結(jié)構(gòu)是整一個(gè)機(jī)器人的核心部分，是最重要的功能所在。我們?cè)谄渲幸粋?cè)的支柱的上端安裝了一條槽，在旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的馬達(dá)上連接一條帶鋸齒的LOGO積木條，并使其能在槽上來(lái)回順暢地滑動(dòng)，并在支柱頂端安放一個(gè)LOGO馬達(dá)，在馬達(dá)上套一個(gè)齒輪使其與帶鋸齒的LOGO積木條相吻合，從而用LOGO馬達(dá)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)來(lái)回移動(dòng)，達(dá)到我們所要求的功能。（如圖）

為了使它的伸縮更平穩(wěn)，我們?cè)诹硪粋?cè)的支柱上同樣安裝了一條槽，將齒輪與矩形框架的另一端相連，在槽里鋪上鋸齒。但后來(lái)經(jīng)過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，為了使曬衣架的滑出更為流暢，便將槽上的齒輪改為了光滑表層。（如圖）(注：圖一為原來(lái)的方案，圖二為后來(lái)的方案)d.風(fēng)干和烘干系統(tǒng)在兩側(cè)支柱的中間偏上的部位，分別安裝了一個(gè)LOGO馬達(dá)，用來(lái)控制圓形的風(fēng)干裝置，而在其中一側(cè)支柱與風(fēng)干裝置水平的位置，安了一個(gè)LOGO專用的燈泡，表達(dá)烘干裝置的效果。該裝置將根據(jù)所給程序的指令完成相應(yīng)的功能。（如圖）e.其他為了方便操控，還安裝了兩個(gè)觸動(dòng)傳感器，同時(shí)為了讀取太陽(yáng)光值的數(shù)據(jù)，在一條的槽的盡頭靠外的一端安裝了一個(gè)光學(xué)傳感器。最后完成的機(jī)器人模型如下：（如圖）（3）程序介紹我們來(lái)看看程序編寫(xiě)的情況：1．我們是運(yùn)用ROBOLAB軟件來(lái)進(jìn)行編程的。這是一種圖形化編程軟件（也可稱為G語(yǔ)言），因而減免了運(yùn)用諸如BASIC、PASCAL等語(yǔ)言所帶來(lái)的困難，從而只須掌握一百多種圖片的功能、圖片的各種運(yùn)用方法和場(chǎng)合以及實(shí)際操作中機(jī)器人所要擁有的效果即可。2.編寫(xiě)程序的過(guò)程及其簡(jiǎn)介1)曬衣桿旋轉(zhuǎn)程序的編寫(xiě)這需要用到2個(gè)觸動(dòng)傳感器判斷，按下1號(hào)觸動(dòng)傳感器，馬達(dá)就可以帶動(dòng)曬衣桿向一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，按下2號(hào)觸動(dòng)傳感器就會(huì)向另一方向旋轉(zhuǎn)；2)曬衣架伸縮程序的編寫(xiě)開(kāi)始我們又用了一個(gè)觸動(dòng)傳感器判斷，并使用了容器賦值的方法：容器清零后，第一次按下3號(hào)觸動(dòng)傳感器，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)一段時(shí)間后停止，同時(shí)容器賦值為1，那么曬衣架就伸了出來(lái)；再按一下觸動(dòng)傳感器，程序判斷容器值，當(dāng)值為1時(shí)，馬達(dá)就與之前反向旋轉(zhuǎn)一段時(shí)間停止，曬衣架就收了回來(lái)，然后容器賦值為0，如此循環(huán)即可；3)智能操控程序的編寫(xiě)首先要用到一個(gè)光學(xué)傳感器判斷，給它賦一個(gè)值（該值由具體情況確定），就可以用來(lái)判斷屋外的天氣情況了：當(dāng)陰天就要下雨時(shí)，光學(xué)傳感器測(cè)得的光值就會(huì)降低，光值一低于原來(lái)賦的值，容器馬上進(jìn)行判斷，若容器值為1，即曬衣架伸了出來(lái)，那么馬達(dá)立即旋轉(zhuǎn)將曬衣架收回同時(shí)烘干與風(fēng)干程序馬上執(zhí)行；若容器值為0，即曬衣架未伸出，則不動(dòng)。當(dāng)晴天時(shí)，光學(xué)傳感器測(cè)得的光值上升，光值一高于原來(lái)賦的值，容器又立刻進(jìn)行判斷，若容器值為0，那么曬衣架就會(huì)伸出來(lái)，若容器值為1，曬衣架已經(jīng)伸出，則不動(dòng)。如此就實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的手動(dòng)工作模式與智能操控模式的結(jié)合。4)程序的整合由于程序命令比較多，我們用了很多的分叉合并以及循環(huán)命令，并將智能操控程序進(jìn)行了修改，添加入了計(jì)時(shí)器命令，讓光學(xué)傳感器、容器判斷后隔一定時(shí)間再執(zhí)行馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的命令，這樣可以防止光值突然下降又回升的特殊情況發(fā)生；由于RCX接口有限，只能用最多2個(gè)觸動(dòng)傳感器，所以我們將原來(lái)的3號(hào)觸動(dòng)傳感器去掉，改為由1號(hào)、2號(hào)觸動(dòng)傳感器同時(shí)按下來(lái)實(shí)現(xiàn)3號(hào)觸動(dòng)傳感器的功能；5）程序的調(diào)試在調(diào)試過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)若馬達(dá)功率大了，曬衣桿旋轉(zhuǎn)與衣架伸縮速度太快都會(huì)造成支架搖晃、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)、不安全這些問(wèn)題，馬達(dá)功率小了又會(huì)造成推不出馬力不夠，對(duì)此，我們反復(fù)調(diào)試、更改了馬達(dá)的功率，最終以4級(jí)馬達(dá)功率推出曬衣架，以2級(jí)馬達(dá)功率旋轉(zhuǎn)曬衣桿。3.程序編寫(xiě)過(guò)程中遇到的困難整合程序時(shí)，要求旋轉(zhuǎn)程序、伸縮程序、操控程序都能隨時(shí)運(yùn)行，并且沒(méi)有次數(shù)、順序的限制，所以這樣必須考慮得很周全，難度升高了很多，經(jīng)過(guò)了許多次的調(diào)試、修改，終于編出最合心的程序了。(如圖)（4）該機(jī)器人的工作流程和各項(xiàng)功能簡(jiǎn)介首先，當(dāng)我們按下其中一個(gè)觸動(dòng)傳感器，曬衣桿就會(huì)自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到垂直角度，這樣，即使不用衣杈也可以輕松晾曬衣服。按下另一個(gè)觸動(dòng)傳感器，便會(huì)將曬衣桿的另一邊緩緩旋轉(zhuǎn)到下方，使我們有足夠的曬衣空間。當(dāng)我們將所需要晾曬的衣服都掛上去以后，就把它轉(zhuǎn)回水平的位置，使機(jī)身平衡。為了使這款機(jī)器人更加人性化，我們?cè)O(shè)計(jì)了手動(dòng)和智能操控兩種模式。a.手動(dòng)模式同時(shí)按下兩個(gè)觸動(dòng)傳感器，整個(gè)曬衣桿便會(huì)平穩(wěn)地伸出陽(yáng)臺(tái)外面，衣服周圍的空氣流動(dòng)加大，使衣服加快晾干；再次按下兩個(gè)觸動(dòng)傳感器，曬衣桿便會(huì)平穩(wěn)地縮回。b.智能操控模式當(dāng)然，上面的步驟人們也可以不用做。當(dāng)室外光線達(dá)到一定強(qiáng)度的時(shí)候（即高于我們所賦予光學(xué)傳感器的太陽(yáng)光值的時(shí)候），曬衣桿就會(huì)自動(dòng)伸出，這樣一來(lái)，就能使衣服加快晾干，同時(shí)太陽(yáng)光也能起到殺菌消毒的作用，對(duì)人體健康也是有益的。而當(dāng)室外光的強(qiáng)度變小，有下雨傾向的時(shí)候，曬衣桿自動(dòng)縮回，防止被衣服雨水打濕，與此同時(shí)，風(fēng)干和烘干系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，既能使衣服在沒(méi)有陽(yáng)光的情況下快速干燥，又能防止陰雨天氣導(dǎo)致衣服霉變。五、智能晾衣機(jī)器人的前景展望在二十一世紀(jì)的今天，科學(xué)技術(shù)在不斷地發(fā)展，人們的物質(zhì).生活的水平也在不斷地提高，人工智能技術(shù)也隨之走進(jìn)我們的生活。我們這臺(tái)智能晾衣機(jī)器人不僅使傳統(tǒng)的晾衣架得到飛躍的革新，同時(shí)使曬衣服這種家務(wù)活的安全系數(shù)和智能化得到很大的提高，使人們的生活在機(jī)器人的幫助下變得更悠閑，更舒適，不必為瑣碎的家務(wù)而勞心勞力。正是因?yàn)樗嬲秊槔习傩张艖n解難，具有非常高的實(shí)用性，所以將會(huì)擁有廣闊的開(kāi)發(fā)市場(chǎng)，極高的開(kāi)發(fā)價(jià)值。同時(shí)，也能改變?cè)疽驗(yàn)闈褚挛锒睗竦募揖迎h(huán)境，防止細(xì)菌滋生，給居民一個(gè)健康的生活環(huán)境。所以說(shuō)，這個(gè)機(jī)器人是“來(lái)源于生活，服務(wù)于生活”的！六、制作機(jī)器人的感想和參賽體驗(yàn)1.由于剛剛加入機(jī)器人小組這個(gè)團(tuán)體，對(duì)LOGO機(jī)器人的制作和ROBOLAB編程并不十分熟悉，在制作這個(gè)機(jī)器人的時(shí)候，走了很多彎路，但也正是因?yàn)檫@一次次的嘗試，才使我們累積了很多的經(jīng)驗(yàn)，是我們一步步走向成熟。2.在制作的時(shí)候，小組里面的很多經(jīng)驗(yàn)豐富的成員給了我們很多的幫助，也給我們提了很多寶貴的意見(jiàn)，在很多比較難以理解的問(wèn)題上全力啟發(fā).指導(dǎo)我們，尤其是ROBOLAB編程，他們會(huì)盡心盡力地講解詳細(xì)的編程方法，讓我們?cè)谳^短的時(shí)間內(nèi)掌握了機(jī)器人的設(shè)計(jì).制作要領(lǐng)，在后來(lái)的制作過(guò)程中就順利了很多，真的是非常非常的感謝。3.而我們更加深刻地體會(huì)到，團(tuán)隊(duì)精神的重要性。無(wú)論是機(jī)器人的制作還是后來(lái)的比賽，如果沒(méi)有了團(tuán)隊(duì)協(xié)作，那就不可能有今天的成績(jī)。我們每一個(gè)人都發(fā)揮自己的長(zhǎng)處，盡力去做到最好，達(dá)成了高度的默契。我們分工明確，又相互配合，才能做得更好，不斷地取得進(jìn)步。4.由于在剛開(kāi)始時(shí)懶散而又猶豫不決的個(gè)性，是我們?cè)诖_定制作何種機(jī)器人這一步浪費(fèi)了很多時(shí)間，導(dǎo)致該作品的后期制作過(guò)于倉(cāng)促，機(jī)器人的場(chǎng)景做得過(guò)于簡(jiǎn)陋。這個(gè)機(jī)器人，還有很多可以改善的地方，我們，還可以做得更好。在以后，一定要改正這個(gè)毛病。5.動(dòng)手能力很重要。在平時(shí)，我們很少注重自己的實(shí)踐能力，但在機(jī)器人隊(duì)，最重要的就是動(dòng)手實(shí)踐的能力。我們真的能學(xué)到很多，還能把課堂里的知識(shí)運(yùn)用到機(jī)器人的制作里面去，還能使我們的思維更有邏輯性，真的是首受益匪淺。6.在比賽的時(shí)候，我們的合作非常融洽，共同面對(duì).克服了很多難題。在現(xiàn)場(chǎng)比賽時(shí)，還與評(píng)委有良性互動(dòng)，但是還是免不了緊張，又因?yàn)闆](méi)有參賽經(jīng)驗(yàn)，一遇到困難就比較慌張，在即興題的時(shí)候還是因?yàn)檫^(guò)度緊張而沒(méi)有完成，丟了很多分。不過(guò)，最后的成績(jī)也還是比較樂(lè)觀的。在這次的比賽里面，我們學(xué)到了很多，增長(zhǎng)了見(jiàn)識(shí)，積累了經(jīng)驗(yàn)，對(duì)以后的比賽，會(huì)有很大的幫助。注：本作品在第二十屆廣東省青少年科技創(chuàng)新大賽優(yōu)秀機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計(jì)展示活動(dòng)暨第五屆廣東省青少年電腦機(jī)器人競(jìng)賽創(chuàng)意項(xiàng)目中獲得二等獎(jiǎng)。參考文獻(xiàn)：1、《通用技術(shù)（必修1）－技術(shù)與設(shè)計(jì)1》 江蘇教育出版社2、西覓亞官方網(wǎng)站：3、機(jī)器人diy論壇：HYPERLI