机器人技术论文(合集五篇)

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论文是一个汉语词语，拼音是lùn wén，古典文学常见论文一词，谓交谈辞章或交流思想。当代，论文常用来指进行各个学术领域的研究和描述学术研究成果的文章，简称之为论文。以下是小编整理的机器人技术论文(合集五篇)，仅供参考，大家一起来看看吧。

第一篇: 机器人技术论文

摘要随着社会经济发展，机器人开始被广泛应用于各行各业中，替工人进行一些复杂、繁重的体力劳动。目前，机器人是一种制造业与自动化设备中的典型代表，这将会是人造机器的“终极”版。它的应用已经涉及信息化、自动化、智能化、传感器与知识化等多个学科和领域，这是目前，是我国乃至世界高新技术成果的最佳集成，因此，它的发展是与许多学科的发展有着密切的联系。以现在的发展趋势来看，工业机器人的应用范围越来越广泛，同时在技术操作中，他也变得越来越标准化、规范化，提高工业机器人的安全性。另一方面，工业机器人发展越来越微型化、智能化，在人类生活中应用越来越广泛。

关键词工业机器人智能化应用领域安全性

随着社会复杂的需求，工业机器人在应用领域中越来越广泛。一方面，工业机器人被广泛应用于工业生产中，代替工人危险、复杂、单调的长时间的作业，例如在机械加工、压力铸造、塑料制品成形及金属制品业等各种工序上，同时还应用于原子能工业等高危险的部门，这已经在发达国家中应用比较广泛。另一方面，工业机器人在其他的领域应用也比较多，随着科学技术的飞速发展，提高了工业机器人的使用性能和安全性能，其应用的范围越来越广泛，应用的范围已经突破了工业，尤其在医疗业中应用比较好。

一、工业机器人的发展历程

第一代机器人，一般指工业上大量使用的可编程机器人及遥控操作机。可编程机器人可根据操作人员所编程序完成一些简单重复性作业。遥控操作机制每一步动作都要靠操作人员发出。1982年，美国通用汽车公司在装配线上为机器人装备了视觉系统，从而宣告了第二代机器人―感知机器人的问世。这代机器人，带有外部传感器，可进行离线编程。能在传感系统支持下，具有不同程度感知环境并自行修正程序的功能。第三代机器人为自治机器人，正在各国研制和发展。它不但具有感知功能，还具有一定决策和规划能力。能根据人的命令或按照所处环境自行做出决策规划动作即按任务编程。

我国机器人研究工作起步较晚，从“七五”开始国家投入资金，对工业机器及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发和研制。1986年国家高技术研究发展计划开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。

我国工业机器人起步于70年代初期，经过30多年的发展，大致经历了3个阶段：70年代的萌芽期，80年代的开发期和90年代的适用化期。

上世纪70年代是世界科技发展的一个里程碑：人类登上了月球，实现了金星、火星的软着陆。我国也发射了人造卫星。世界上工业机器人应用掀起一个高潮，尤其在日本发展更为迅猛，它补充了日益短缺的劳动力。在这种背景下，我国于1972年开始研制自己的工业机器人。

进入80年代后，在高技术浪潮的冲击下，随着改革开放的不断深入，我国机器人技术的开发与研究得到了政府的重视与支持。“七五”期间，国家投入资金，对工业机器人及其零部件进行攻关，完成了示教再现式工业机器人成套技术的开发，研制出了喷涂、点焊、弧焊和搬运机器人。1986年国家高技术研究发展计划(863计划)开始实施，智能机器人主题跟踪世界机器人技术的前沿，经过几年的研究，取得了一大批科研成果，成功地研制出了一批特种机器人。

从90年代初期起，中国的国民经济进入实现两个根本转变时期，掀起了新一轮的经济体制改革和技术进步热潮，我国的工业机器人又在实践中迈进一大步，先后研制出了点焊、弧焊、装配、喷漆、切割、搬运、包装码垛等各种用途的工业机器人，并实施了一批机器人应用工程，形成了一批机器人产业化基地，为我国机器人产业的腾飞奠定了基础。

我国工业机器人经过“七五”攻关计划、“九五”攻关计划和863计划的支持已经取得了较大进展，工业机器人市场也已经成熟，应用上已经遍及各行各业。

我国未来工业机器人技术发展的重点有：第一，危险、恶劣环境作业机器人：主要有防暴、高压带电清扫、星球检测、油汽管道等机器人;第二，医用机器人：主要有脑外科手术辅助机器人，遥控操作辅助正骨等;第三，仿生机器人：主要有移动机器人，网络遥控操作机器人等。其发展趋势是智能化、低成本、高可靠性和易于集成。

二、工业机器人的发展趋势

机器人是先进制造技术和自动化装备的典型代表，是人造机器的“终极”形式。它涉及到机械、电子、自动控制、计算机、人工智能、传感器、通讯与网络等多个学科和领域，是多种高新技术发展成果的综合集成，因此它的发展与众多学科发展密切相关。当今工业机器人的发展趋势主要有：一是工业机器人性能不断提高(高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修)，而单机价格不断下降。二是机械结构向模块化可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化;有关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人。三是工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化，网络化;器件集成度提高，控制柜日渐小巧，采用模块化结构，大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。四是机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，视觉、力觉、声觉、触觉等多传感器的融合技术在产品化系统中已有成熟应用。五是机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。

总体趋势是，从狭义的机器人概念向广义的机器人技术概念转移，从工业机器人产业向解决方案业务的机器人技术产业发展。机器人技术的内涵已变为灵活应用机器人技术的、具有实际动作功能的智能化系统。机器人结构越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。

　三、我国工业机器人发展面临的挑战与前景

我国工业底子薄，工业机器人发展一直处于一个初步发展阶段，虽然我国从上个世纪70年代开始研发工业机器人，但是技术力量不足与西方国家的技术封锁，对此，在发展过程中，存在着比较多的问题。细分起来，有如下几点：

首先，我国基础零部件制造能力差。虽然我国在相关零部件方面有了一定的基础，但是无论从质量、产品系列全面，还是批量化供给方面都与国外存在较大的差距。特别是在高性能交流伺服电机和精密减速器方面的差距尤其明显，因此造成关键零部件的进口，影响了我国机器人的价格竞争力。

第二，我国的机器人还没有形成自己的品牌。虽然已经拥有一批企业从事机器人的开发，但是都没有形成较大的规模，缺乏市场的品牌认知度，在机器人市场方面一直面临国外机器人品牌的打压。国外机器人作为成熟的产业采用整机降价，吸引国内企业购买，而在后续的维护备件费用很高的策略，逐步占领中国市场。

第三，认识不到位，在鼓励工业机器人产品方面的政策少。工业机器人的制造及应用水平，代表了一个国家的制造业水平，我们必须从国家高度认识发展中国工业机器人产业的重要性，这是我国从制造大国向制造强国转变的重要手段和途径。□

参考文献：

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[5]杜玉红，李修仁.生产线组装单元气动搬运机械手的设计.液压与气动，2006年05期.

[6]徐晓峰.基于串行通信技术的机器人实时控制研究.南京林业大学，2005年.

第二篇: 机器人技术论文

摘要：针对隧道巡检机器人巡检过程中环境密闭、强磁干扰、长距离传输、信号延迟、通信不稳定等问题设计了隧道巡检机器人通信系统，分别从网络通信及内部通信两方面设计了基于Labview的软件控制的网桥通信、以太网络通信与串口通信结合的隧道巡检机器人通信系统。有效解决了隧道巡检环境干扰问题，使通信更加快速，信号更加稳定，保障了隧道巡检机器人巡检过程信息交互的稳定与可靠。

关键词：隧道巡检机器人;通信系统;网络通信

中图分类号：TP242   文献标识码：A  文章编号：1007-9416（2020）04-0000-00

0引言

随着经济的发展，电缆发生故障引发的事故的几率也在相应地增加，为了保障电力电缆在地下隧道内的稳定安全运行，隧道巡检机器人孕育而生[2]。隧道巡检机器人具有可长时间不间断工作，保证了巡检过程中的实时可靠性，复杂环境中适用性等。隧道巡检机器人在进行巡检时需要与外界搭建可靠的通信，由于隧道区域空间狭小，存在拐角和岔口，加上内部有大量的电力电缆，构成了一种闭域空间环境，这些都将给隧道巡检机器人的通信带来严重困难，因此有必要对隧道巡检机器人的通信系统进行设计[1]。

1通信系统整体设计

通信系统分为网络通信和内部通信，其中网络通信为了避免因直角弯产生的信号延迟等问题，主要由两个部分组成分别为有线、无线传输[3]。有线传输部分与信号中继相连接，被放入井下的隧道巡检机器人携带中继模块。其中中继模块通过网桥无线发射和接受相应指令;内部通信即本体携带的控制单元与驱动器、传感器等装置的信号通信。

由于隧道巡检系统的硬件结构可分为三层：上层-上位机、中层-微控制器、下层-用于执行的驱动单元和用于反馈的采集单元。因此隧道巡检机器人的通信系统流程图如图1所示，上层上位机与中层微控制器通过网络通信完成指令的传输及相应处理;中层微控制器与下层单元选用串口通信方式完成信息交互[4]。

2网络通信设计

通信系统中运用网络通信传输者着上层上位机和中层微控制器之间的指令，同时负责与机器人所携带的摄像头之间的画面反馈工作。因为隧道空间密闭同时存在强磁干扰，所以需要传输距离较长并且稳定的信号传输，为稳定完成通信任务，实现较长距离信号传输，为实现对机器人动作位置调整和实时监控等功能，设计了以网桥为中继的网络通信模式[6]。

网桥可以在较长的距离上正常工作，其主要在数据链路层工作，连接LAN的方法是不同的MAC地址發送帧[5]。由于考虑到在网络通信的过程中会有障碍物出现的可能，为降低对信号的影响将中继单元（网桥）放置在隧道内，与上位机的连接由于不需要移动所以选用了有线传输更加稳定。传输网桥有2.4G和5.8G两种型号传输方式，由于5.8G传输距离长、传输速率块、传输稳定等优势选用5.8G网桥进行信号传输。

上位机和微控制器及上位机和摄像头之间为单独通信，因为与上位机间的通信都需要通过双绞线形式进行连接并且在于机器人内部，并且稳定性能要求高，所以选择国电龙源电气路由器搭建网络，即能接入控制器进行指令传输，也能连接摄像头增加控制灵活性。具体参数如表1所示。

3串口通信设计

中层的微控制器与下层的电机及三个驱动器之间的信号通信采用的是串口通信模式，因为RS232应用简便、成本较低、通信质量稳定、应用领域广泛等特点所以设计选用了RS232串口协议通信方式。

RS232串行接口主要用于完成中层微控制器与下层部分模块之间的通信，选用的中层的微控制器与下层的驱动器上均有可以用于进行RS232通信的DB9串行接口。组网时应在发送线与地线之间连接一个10kΩ的电阻，为保障工作电路和驱动器的安全。通过对三个驱动器的组网方法就可以实现机器人各个电机之间的联动控制，实现灵活操作控制。

4结论

本文完成了基于Labview的软件控制的5.8GHz的外部网桥通信、以太网络通讯与RS232串口通信结合的隧道巡检机器人巡检系统的通信系统设计。此通信系统可以保证网络传输的快速可靠，有效降低隧道内的强磁干扰。

参考文献

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[5]赵亮，冯林，吴振宇，等.基于FPGA的小型机器人无线通信系统[J].计算机工程，2010，36（13）：251-253.

[6]李向东，厉秉强.基于巡检机器人的通信控制系统设计与分析[J].山东电力技术，2005（6）：3-7.

第三篇: 机器人技术论文

摘 要：在光电技术迅猛发展的背景下，出现了用机器替代人眼发挥识别功能的技术，也就是机器视觉技术。这样的先进技术手段具备高度自动化、精准化以及便捷安全的突出优势，也因此促进了这一技术在诸多领域中的实践应用。本文首先对机器视觉技术及其发展情况进行简要概述，之后着重对机器视觉技术的主要应用领域与应用方法进行说明，以期为机器视觉技术的大范围普及推广创造良好条件。

关键词：机器视觉技术;发展;应用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.05.130

1 机器视觉技术发展概述

视觉是人获知外界事物多元信息的一个重要渠道，会将获得的信息传入大脑，由大脑结合人类知识经验处理分析信息，完成信息的识别。机器视觉顾名思义是用机器模拟人类视觉，从图像或者图像序，识别检测实际生活中三维物体的形态及其运动情况。和人类视觉相比，机器视觉具备很多优势，比方说机器视觉不会出现视觉疲劳，同时机器视觉技术功能比人类视觉的速度和精准度更高;机器视觉技术可以在诸多检测技术如紫外线、超声波等的支持之下检测到人类视觉但没有办法检测得到的事物。

2 机器视觉技术的主要应用领域分析

2.1 机器视觉技术在制造业的应用

機器视觉技术在制造业中有以下几个主要应用领域：第一，精密测量。在制造业的生产活动当中，对零件进行精密测量是必不可少的一个工作环节。机器视觉监测体系基本是由摄像头、计算机处理和光学系统几部分构成的。先是用光源发射平行光束照在零件被检测部位上，被检部位轮廓用纤维光学镜成像，由计算机进行图像处理，获得被测部位轮廓位置信息。在被测零件出现位移以后，机器视觉系统两次测量边缘轮廓位置，位移是两次测量结果的差值。假如是在同一图像当中的两条平行边缘轮廓的话，轮廓差值是位置差值。第二，产品特征检测。机器视觉技术可利用产品特征检测在批量生产模式当中精准高效检测产品质量。其一是从产品空间特征着手进行检测，也就是检测产品尺寸与形状是否能够达到合格标准;其二是检测产品表面特点，也就是通过检测产品表面划痕、裂纹、磨损、粗糙度、纹理等划分产品质量;其三是检测产品结构特点，检验产品是否缺少零件或掺有多余杂质。第三，机器人研究。机器视觉技术应用于机器人的制造和研究，能够给机器人建立视觉系统，提升其智能化与自动化水平。

2.2 机器视觉技术在农业中的应用

农业现代化水平在不断提高，呼吁大量先进科技在农业领域的应用，而机器视觉技术就是农业改革发展中不可或缺的技术力量。机器视觉技术在农业中的应用主要体现在：第一，应用于土壤检测，给农作物种植提供根据。机器视觉技术可以对目标物的图像信息进行有效的分析判断，提升机器处理速度与效率。收集农产品的信息常常利用CCD照相机或摄像机，同时和红外光谱或高光谱信息进行整合完成信息收集，给信息处理工作打下基础。通过把计算机视觉技术和近红外光谱结合起来，能够迅速检测出土壤的含水率，检测不同地点土壤成分，更好的选择要种植的农作物种类。第二，应用于农作物生长参数的获取。机器视觉技术在图像处理和算法识别方面有着很强的精准度，通过选取恰当算法的方式可以给精准获得自然环境之下农作物的多方面生产参数提供重要参考。第三，可以提高农业机器人的智能化水平，使其顺利完成农产品采摘、分类、包装、管理等活动。

2.3 机器视觉技术在汽车业的应用

汽车行业是如今发展速度很快的一个行业，也是计算机视觉技术应用的一个主要领域，现如今已经逐步和汽车生产制造的多个环节结合起来，给汽车智能化发展提供了巨大助力。就拿检测汽车零部件尺寸与外观质量来说，过去检测方法耗费过多的人力物力，而结果的精准度和产品的合格率也得不到保障，但是在有了机器视觉技术发挥检测作用，显著提升了检测效率和精确程度。机器视觉技术在汽车业的应用主要体现在：第一，应用于3D四轮定位。机器视觉技术在汽车3D四轮定位仪的开发和产品研发当中有着显著应用价值，是其中的关键技术，而且设计精度水平很高。第二，应用于汽车整车与零部件自动检测。比如，运用带有双光源光路的机器视觉系统得到活塞表面图像信息，并选取恰当软件平台处理数字图像信息，能够一次性检测汽车所有活塞重点项目;以机器视觉技术为核心的汽车门锁自动检测系统可以提升门锁检测效率与精度，保证经济价值;通过对以机器视觉技术为基础的汽车连杆裂解槽检测法的应用，消除人工检测的误判和漏检问题。第三，应用于汽车产品装配加工。机械产品装配、新能源电池模块焊装等都能够对机器视觉技术进行应用。第四，应用于汽车智能驾驶。现如今汽车智能驾驶的研究在不断深入，而机器视觉技术是智能驾驶真正得以落实的核心技术，为车辆的智能驾驶提供强有力的信息支撑。

3 机器视觉技术未来发展趋势

在未来机器视觉技术会进一步扩大优势功能，弥补当前技术发展和应用当中的不足，接下来从以下几个角度着手分析其未来发展趋势：第一，统一开放标准是其发展的动力所在。在未来基于机器视觉技术的产品应逐渐依照国际统一标准来进行衡量判断，而在我国自动化开放程度逐步提升的背景下会促进机器视觉技术走开放性发展道路，逐步和国际接轨，推动机器视觉整个行业的长足进步。第二，嵌入式产品会逐步替代板卡式产品。未来机器视觉会逐步趋于依靠PC技术，而且和数据采集等控制与测量的集成会更加紧密。由嵌入式产品替代板卡式产品正在持续增长，而彻底替代是必然趋势。其重要原因是在计算机与微电子技术手段的迅猛进步之下，嵌入式系统将会更大范围的推广应用，特别是在低功耗技术优势的发挥之下将会得到人们的关注。除此以外，嵌入式操作系统主要运用的是高级语言，其优势是能够提升工作效率、可靠性和可维护性。第三，标准一体化解决方案是其必然发展路径。机器视觉技术在未来发展当中会更大范围运用标准化技术，尤其是为满足自动化企业需求探寻软硬一体化解决方案，推动机器视觉技术高端化发展与应用。

参考文献：

[1]唐向阳，张勇，李江有，黄岗，杨松，关宏.机器视觉关键技术的现状及应用展望[J].昆明理工大学学报（理工版），2014（02）：68-70.

[2]董娜.基于机器视觉技术的机械制造自动化技术应用[J].中国科技投资，2016（16）：139-140.

第四篇: 机器人技术论文

《论如何在科技馆中开展中小学机器人教育》

[摘要]随着机器人产业的发展,世界各国都认识到,培养机器人设计与操作人才的重要性。因此,纷纷出台政策加强对中小学生的机器人教育。科技馆作为重要的校外教育机构,也有必要在此领域发挥自己的作用。通过分析认为,科技馆的机器人教育应定位于中小学机器人校内教育的补充与提高,提出在建构主义教育理论的指导下,以项目学习的模式,开展机器人俱乐部、夏令营及机器人比赛等形式的中小学生机器人教育。

[关键词]科技馆中小学机器人教育建构主义项目学习

自上世纪50年代以来,随着人工智能技术的迅速发展,机器人产业也发生了日新月异的变化。虽然其初衷是为工业、农业、国防等领域服务,但随着技术的进步及社会需求的发展,它已对普通公众的生活产生了潜移默化的影响,在医疗、教育、娱乐、交通等领域都能看到机器人“身影”,这也使人们愈来愈认识到,培养机器人设计与操作人才对机器人产业发展的重要性。因此,目前很多中小学校和校外机构都开设了机器人教育及培训课程,这对机器人人才储备而言具有重大意义。而作为校外教育不可或缺的一个环节,科技馆在中小学机器人教育体系中理应占据一席之地,发挥出自己的作用。那么,如何发挥呢?笔者认为,应在明确机器人教育的概念、厘清其发展现状的基础上,结合科学教育理论,确定合适的教育模式并加以实施。

一、机器人教育的概念

1920年,当捷克斯洛伐克作家卡雷尔•恰佩克在他的科幻小说《罗萨姆的机器人万能公司》中创造出“机器人(Robot)”这个词的时候,他肯定没料到在近一个世纪之后,其小说中让机器人代替人类劳动的情节已经变成了现实,并且它们还对公众生活产生了巨大的影响。

伴随着“机器人”这个词的诞生,社会各界一直对它的定义争论不已,但是一般说来,人们都可以接受这种说法,即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义:“一种可编程和多功能的,用来搬运材料、零件、工具的操作机;或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”

那么,什么是“机器人教育”呢?根据目前被广泛采用的彭绍东教授的定义,“机器人教育”就是学习、利用机器人,优化教育效果及师生劳动方式的理论与实践。

彭教授根据机器人在教学中扮演的角色,把机器人教育分为五大类:

(1)机器人学科教学(RobotSubjectInstruction,简称RSI);

(2)机器人辅助教学(Robot―AssistedInstruction,简称RAI);

(3)机器人管理教学(Robot――ManagedInstruction,简称RMI);

(4)机器人代理(师生)事务(Robot―RepresentedRoutine,简称RRR);

(5)机器人主持教学(Robot――DirectedInstruction,简称RDI)。

国内外目前所开展的主要是前两个类型,即机器人学科教学(RSI)和机器人辅助教学(RAI)。前者是指以机器人为对象进行学习,学习的内容是“机器人学科”;而后者指的是以机器人为工具进行学习,学习的内容是“自然科学的各个学科”。由于国内外情况的差异,我国中小学目前所开展的机器人教育以“机器人学科教学”为主,而国外则两种教育类型发展较为平均,并无特殊偏重。

　二、国内外中小学机器人教育的现状

在一些发达国家,机器人教育已经成为中小学教育的热点。在美国,一般通过机器人技术课程、机器人辅助教学课程、课外活动及机器人主题夏令营等定期活动来对中小学生进行机器人教育。比如,美国加利福尼亚州高中工程与技术联盟在为高中生开设的工程与技术选修课程中,提供了ROBOTICS课程,主要介绍机器人技术历史,基础,术语,微控制,传感器,程序控制等方面的知识;美国国家自然基金支持的项目“K―12教育中的机器人技术”,目的是帮助K―12教师以及其他教育者开发或改进以机器人作为一种工具,来教授STEM的课程和开发机器人技术课程;印地安那州的Purdue大学与LAFAYETTE学校合作,在5至8年级学生课外活动中开展的ROBOTICS项目;CarnegieMellon大学提供的针对高中生的ROBOCAMP暑期机器人计划,通过八星期的课程,使学生懂得一些基本的与机器人有关的电子,机械和计算机科学知识。

在日本,其机器人产业的发展已经超过了欧美各国,这与他们对机器人教育的高度重视密不可分。他们不光在各个大学设立了机器人研究专业,并且在中小学的教学大纲中也加进了机器人课程。每年定期举办针对不同层次学生的机器人设计和制作大赛,各个学校也会在假期举办机器人研习营,从而形成了一个多角度、全覆盖的机器人教育体系。

此外,英国、俄罗斯、巴西、新加坡等国也早已出台了多项措施推进本国的中小学机器人教育发展。

而我国的中小学机器人教育则起步较晚,且覆盖面较小。2000年,北京景山学校以科研课题的形式将机器人普及教育纳入到信息技术课程中,在国内率先开展了中小学机器人课程教学。2001年,上海市西南位育中学、卢湾高级中学等学校开始以“校本课程”的形式进行机器人活动进课堂的探索和尝试。2005年,哈尔滨市正式将机器人引入课堂教学,在哈尔滨师大附小、60中、省实验中学等41所学校开设了“人工智能与机器人”课程,用必修课形式对中小学生进行机器人科学方面的教育。

除了这些进行正规课堂教学的学校外,有些中小学则采用兴趣班、培训班的形式开展机器人教育。

庆幸的是,我国政府已经意识到中小学机器人教育的重要性,并在“课标”中有所体现。如教育部在2003年4月正式颁布的《普通高中技术课程(实验)标准》中,首次在“通用技术”科目中设立了“简易机器人制作”模块,它是基于计算机技术的学习的平台、将机械传动与单片机的应用有机组合的一个选修课程模块。现在,新的高中课程标准在“信息技术”科目中也已设立了“人工智能初步”选修模块,这是我国高中阶段开展人工智能教育迈出的第一步。

不过值得注意的是,在我国中小学机器人教育体系中,科技馆所占比例几可忽略。我们认为作为青少年科普的重要阵地,科技馆理应在中小学机器人教育中发挥更大的作用。

　三、科技馆与中小学机器人教育

1.科技馆在中小学机器人教育中的定位

作为校外科普机构,科技馆不可能将完成“课标”为己任,而是应定位于中小学机器人校内教育的补充与提高。就中国的情况而言,我们认为,补充的内容应该是校内教育极少涉及的机器人辅助教学(RAI),而提高的内容是校内教育已有一定基础的机器人学科教学(RSI)。

2.科技馆在中小学机器人教育中可采用的指导理论

在杜威“做中学”、皮亚杰的“发生认识论”以及维果斯基“心理发展的文化历史学说”基础上发展起来的建构主义教育理论(本文的讨论范围不包括激进的建构主义〈radicalconstructionism〉),近年来已经在科学教育领域中产生了巨大影响。

建构主义认为,世界是客观存在的,但世界的意义却是由人建构的。它强调知识的动态发展性,并认为知识不是通过教师传授得到的,而是学习者在一定的情境(即社会文化背景下),借助其他人(包括教师和学习伙伴)的帮助,利用必要的学习资料,通过意义建构的方式而获得。由于学习是在一定的情境(即社会文化背景下),借助其他人的帮助(即通过人际间的协作活动)而实现的意义建构过程,因此建构主义学习理论认为“情境”、“协作”、“交流”和“意义建构”是学习环境中的四大要素。

在学习过程中,学习者处于中心地位,是信息加工的主体,要主动对意义进行建构;而教师则是意义建构的帮助者,而非知识的灌输者。故在此理念下,整个学习过程中,学生要充分发挥自己的主动性,使用探究的方式,以自己已有的知识和经验为基础,努力构建属于自己的新知识;他们需要主动搜集、分析相关信息、资料,并对要学习的问题提出假设并加以验证。而教师的任务则是激发学生的学习兴趣,创设符合学习内容的情境,提示新旧知识之间联系,引导学生之间的协作、对话,从而帮助学生完成新知识的构建。

建构主义教育理论与科技馆教育的教育特点非常契合。因为“科技馆教育的本质特点在于它模拟再现了科研和生产活动的实践过程,并且不是简单地模拟再现,而是以学习为目的、经过改造的模拟再现,创造了引导观众进入探索与发现科学过程的条件。科技馆提供的‘从实践中学习’的途径不仅成为它与其他教育、传播机构及传统博物馆的最大区别,而且是科技馆生存与发展的价值所在。”也就是说,科技馆的教育需要创设学习情境,引导观众自己进行意义建构,并且在此过程中,可能伴有观众与科技馆员工或观众之间的交流,这恰恰正是一个完整的建构主义者所提倡的教育过程。

3.科技馆在中小学机器人教育中可采用的模式

1918年,著名教育学家克伯屈(WilliamHeardKilpatrick)在他名为《项目(设计)教学法:在教育过程中有目的活动的应用》的文章中,首次提出了“项目学习(Project-basedLearning)”的概念,用以说明有目的的设计行为对教育的重要性及其在教育过程中的应用。它让“学生自己计划、运用已有的知识经验,通过自己的操作,在具体的情境中解决实际问题”。它是“一套能使教师指导儿童对真实世界进行深入研究的课程活动,它在真实世界中让学生借助多种资源开展探究活动,并在一定时间内解决一系列相互关联着的问题的一种新型的探究性的学习,具体表现为构想、验证、完善、制造出某种东西,它可以是有形的由学生制作的物体,如书、剧本或一项发明等。”20世纪二三十年代,项目教学法已经在美国一些学校的低年级中得到了运用,到20世纪八九十年代,则在广大中小学中得到了普遍推广。

我们认为,项目学习法正是在科技馆中进行机器人教育所可以采用的模式。不论是机器人学科教学(RSI),还是机器人辅助教学(RAI),都可以项目学习的模式开展。而可采用的活动形式有机器人俱乐部、夏令营、机器人比赛等。

选定项目后,就需要组织学生对主题的探究活动。这一阶段一般都以学习小组或团队的形式进行。学生首先要对项目的主题进行调查、讨论,提出解决问题的假设;然后收集相关信息,对它们进行处理和分析,再验证或推翻之前的假设,最终得出问题的解决方案。在整个探究过程中,为有利于学生自我知识的建构,应对他们的一切探索和决定都持鼓励态度,而毋须规定出唯一正确的答案。

　四、结论

科技馆作为重要的校外教育机构,也有必要在此领域发挥自己的作用。本文通过分析认为,科技馆的机器人教育应定位于中小学机器人校内教育的补充与提高,补充的内容应该是校内教育极少涉及的机器人辅助教学(RAI),而提高的内容是校内教育已有一定基础的机器人学科教学(RSI)。具体应在建构主义教育理论的指导下,以项目学习的模式,开展机器人俱乐部、夏令营及机器人比赛等形式的中小学生机器人教育。

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第五篇: 机器人技术论文

 摘要：随着科技的飞速发展，我国在国际上的地位日益增长的同时，国家领导入也在鼓励广大青年要善于将传统文化与现代科技相结合，去其糟粕，取其精华，形成一种新的文化。故本文主要介绍如何基于Arduino将传统文化进行改变，完成传统文化的继承与创新的目标。木偶戏又称为傀儡戏，主要是用木偶表演故事的戏剧，是我国传统艺术之一川。本文使用Arduino制作木偶戏机器人，利用金属齿轮数字标准舵机进行提线控制木偶的四肢，自动完成木偶戏最简单最基本的动作表演。

关键词：傀儡戏;机器人;Arduino;舵机

中图分类号：TP391

文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）04-0242-02

收稿日期：2019-11-21

基金项目：甘肃农业大学省级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：201810733011）

作者简介：贾嫣（1978—），山西太原人，硕士，副教授，通信作者，主要研究方向为数字图像处理。

Arduino-based Puppet Show Robot

ZHOU Yu-huai，W ANG Bang-zhou，HU Bin，LIU Min，JIA Yan

（School of Information Science and Technology，Gansu Agriculture University，Lanzhou 730070，China）

Abstract：With the rapid development of science and technology，China"s position in the world is growing day by day，at the same time，the national leaders are also encouraging the majority of young people to be good at combining traditional culture with modern science and technology，to get rid of its bad situation，take its essence，and form a new culture.Therefore，this paper mainly introduces how to change traditional culture based on Arduino to achieve the goal of inheritance and innovation of traditional culture.As one of the tradi is used to make a puppet robot，and the metal gear digital standard steering engine is used to control the limbs of the puppet with strings，so as to automatically complete the simplest and most basic action performance of the puppet show.tional arts in China，puppet plays，also known as puppetry，are mainly plays that use puppets to perform stories ["].In this paper，Arduino

Key words：puppet show;robot;Arduino;steering engine

1 概述

我國有着上下五千年的历史，是四大古国中唯一个没有文化断层的国家，而木偶戏就是我国五千年历史长河中的一点星光。木偶戏源于汉，兴于唐，三国时期已有偶人可进行杂技表演，隋代则开始用偶人表演故事[1]。宋代黄庭坚也在《涪翁杂说》中说：“傀儡戏，木偶人也。或曰当书魁曇，盖象古之魁曇之士，仿佛其言行也。”2006年5月20日，木偶戏经国务院批准列人第一批国家级非物质文化遗产名录。

木偶戏是台湾民间最神秘诡异的剧种，一般民间戏曲多为庙会酬神之用，兼具娱神、娱人特色，唯独傀儡戏以除煞禳灾为主要功能，除必要的工作人员及主事者外，并不欢迎一般“闲杂人等”，而除煞仪式所使用的咒语、手诀、符咒及法索、七星剑等法器，也使傀儡戏更具神秘色彩[2]。随着朝代更替与文化的相互交融与碰撞，慢慢地木偶戏被用于表演，表演时，演员在幕后-边操纵木偶，一边演唱，并配以音乐。但是由于近现代外来文化的入侵、人们生活节奏的变化和娱乐方式的改变，木偶戏的传承和发展面临着前所未有的困难。把科学技术与传统文化相互结合，是我们义不容辞的责任与义务。本项目是在上代产品的基础上重新对机械臂等基础机构进行了新的改进。

2 功能与结构

2.1 Arduino控制器模块

Arduino是一个基于开放原始码的软硬件平台，构建于开放原始码simple I/O介面板，并且具有使用类似Java、C语言的Processing/Wiring开发环境。Arduino 包含两个主要的部分[5]：硬件部分是可以用来做电路连接的Arduino电路板;软件部分是Arduino IDE程序开发环境。在IDE中编写程序代码，将程序;上传到Arduino电路板后，Arduino主控板就会根据程序执行相应的任务。Arduino能通过各种各样的传感器来感知环境，通过控制灯光、马达和其他的装置来反馈、影响环境。主控板上

的微控制器可以通过Arduino的编程语言来编写程序，编译成二进制文件，烧录进微控制器[3]。 　　本系统所采用的主控板是Arduino UNO R3开发板，主控板主要负责接收按钮发送的信号，在接收到信号后控制电机和舵机运转，完成对电机的PWM调速和舵机的转动角度控制，控制各个舵机运转完成预期动作[4]。

2.2 PCA9685 16路12位PWM信号发生器

2.2.1 PCA9685 16路12位PWM信号发生器的简介

在该作品中，PCA9685 16路12位PWM信号发生器是最主要的部件，该模块使用I2C总线可控制16路PWM输出，每路12位分辨率（4096级），其内置25MHz晶振，可以不连接外部晶振，也可以连接外部晶振，但是最大晶振为50MHz。该模块支持2.3-5.5V电压，最大耐压值为5.5V，该模块还具有上电复位及软件复位等功能。在该模块使用过程中，必须确定I2C地址，通过焊接A5-A0确定模块的I2C地址，如果不做任何焊接，默认地址是0x80，其V+引脚用于给舵机供电。在本次实验中使用十个舵机，来分别控制两个人偶完成相应的动作。

2.2.2 精度控制

如果假设舵机为50Hz的控制频率，脉宽为0.5ms-2.5ms，12位分辨率（4096级），相关精度计算如下：

·PWM周期：

·时间分辨率：

·最大脉宽时间：

·最大脉宽时间可分成的份数：

.0-180o的舵机，角度分辨率为：

2.3 供电模块

供电模块由5V可充电电池和9V干电池组成，9V干电池用于给Arduino控制器供电，5V电池用于PCA968516路12位PWM信号发生器供电。Arduino 5V引脚接PCA968516 路12位PWM信号发生器Vec引脚供电示意图如下：

2.4 硬件连接说明

Arduino通过库函数来驱动PCA968516路12位PWM信号发生器，它们的具体连接如图2所示。

2.5 机械臂的结构与组成

机械臂由一个JX11092.5Kg大金属舵机和四个MG90S 9g金属舵机组成，2.5Kg金属舵机用来控制木偶转身，其他四个9g金属小舵机分别控制木偶的四肢，通过五个舵机的相互配合木偶可完成一些较为复杂的动作，本实验中使用完全相同的两个机械臂来控制两个木偶，通过编程控制舵机转动不同的角度来实现相应的动作，在、再配以音乐，可以完成简单的木偶戏表演。

2.5.1 舵机

舵机是由直流电机、控制电路板、可调电位器、变速齿轮组等组成，（如图2所示）这些器件被封装在舵机外壳里，简单地来说，舵机就是一个封装 好的伺服马达，英文Servo。

其简单的工作原理是：控制电路电路接收控制源的信号，并控制小型直流电机转动，变速齿轮组将电机的转速成倍的缩小，并将电机的输出扭矩放大相应的倍数，然后进行输出。可调电位器和变速齿轮组的末级一起转动，测量舵机轴转动的角度，控制电路板检测并根据可调电位器判断舵机转动角度，以达到控制舵机转动相应角度的目的。实验所用的舵机外壳是塑料外壳，舵机散热效果并不理想，对实验结果有轻微的影响，如使用金属外壳舵机，能大大提高舵机的散热效果。变速此轮组按照材料的不同也分为：塑料此轮组、金属此轮组和混合此轮组。塑料齿轮组价格低廉，噪音小，但是强度较低。金属此轮组一般噪声大，价格相比于塑料齿轮组要贵，但是强度高。混合齿轮组在金属齿轮组和塑料齿轮组间做了折中，如电机输出扭矩不大时，一般采用塑料齿轮。

2.5.2 机械臂的物理结构

第一代实验作品采用如下机械臂机构：

第一代机械臂的结构设计如图4所示，由1个大扭力舵机.和4个9g舵机构成，能够基本满足提线木偶戏表演的操作需求，具有结构简单、重量轻、易组装的特点，同时也满足了提线木偶表演的强度需要。舵机A为大扭力舵机，通过转动，带动十字架型机械臂及4个9g舵机的位置移动，从而实现提线木偶的转身动作。舵机1、舵机2、舵机3、舵机4为9g舵机，每个舵机上分别牵引着木偶双手和双脚上的线，通过程序控制每個舵机的转动，从而实现对木偶的每条胳膊、每条腿的控制，完成较为复杂的动作。每个舵机上分别牵引着木偶双手和双脚上的线，通过程序控制每个舵机的转动，从而实现对木偶的每条胳膊、每条腿的控制，完成较为复杂的动作[4]。

第二代实验作品采用如下机械臂机构：

机械臂最上方是一个2.5Kg大舵机，该舵机固定在舞台的上方的横梁上，大舵机的下方是一个“工”字形的舵机支架，大，舵机的转动轴固定在“工”字支架的中间位置，当大舵机转动时可以控制其下方的其他结构和木偶转动，以达到转身效果。“工”字型结构的一端朝上开有四个小孔。另一端的近地面固定着是个9g小舵机，小舵机的转动轴上固定着条形结构长度刚好到达小孔下方，木偶四肢的提线由，上至下穿过小孔固定在条形结构的末端。当四个小舵机开始摆动时，木偶四肢的提线被拉动，以此控制木偶四肢的运动。

第一代实验作品因为舵机在运动时，控制木偶的提线不在同一水平线上抽动，导致木偶在运动时会出现极不协调的肢体动作。在重新设计机械臂结构以后，人偶肢体协调度得到显著改善。

3 实验结果

该实验可以通过编程实现对舵机多个舵机进行控制，多个舵机相互配合可以实现不同的动作，如抬手遮脸行走移动、转身、抬腿等动作，各动作相互配合，再配上传统木偶戏音乐，基本可以完成简单的表演，在该实验中，我们选的木偶人物为神话人物七仙女和董永，所选音乐为黄梅戏天仙配选段。

参考文献：

[1]叶明生.中国傀儡戏史-古代、近现代卷，Antiquity to moderm periods：古代、近现代卷Antiquity to modern periods[M].北京：中国戏剧出版社，2017.

[2]叶明生.台湾傀儡戏探源[J].台湾研究，2004（6）：52-55.

[3]闫洪猛.基于Arduino的移动机器人控制系统设计[J].电子技术与软件工程，2018（7）：106.

[4]周榆淮，贾嫣，孙文燕，等.基于Arduino的提线木偶戏机器人的设计与实现[J].电脑知识与技术，2018，14（18）：193-195.

本文来源：https://www.wnzmb.com/lunwen/136642/