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图书类别：机械工程/机器人技术

书名：大学生课外科技创新竞赛获奖作品精析（机械机电控制类）

书号：978-7-111-43440-5

作者：罗庆生 韩宝玲 主编

出版日期：2013年9月

开本：16

页数：452页

字数：697千字

定价：88.00元

 

宣传语：

全国三大竞赛获奖精品

全面详实 生动解析

参赛视频 精彩呈现

 

内容简介：

    本书对作者的团队参加大学生课外科技创新竞赛的获奖作品进行了详尽的介绍和剖析，所述作品的研究背景、设计理论、基本构成、机构特点、运动特性、关键技术、创新成果、发展前景均是作者根据实际工作总结而成，展示了他们参与大学生课外科技创新活动的水平和成果，也代表着作者对大学生课外科技创新活动的认识与把握。

    本书共11 章，系统阐述了“新型多用途反恐防暴机器人”、“新型特种搜救机器人”、“新型轮腿式机器人”、“新型节肢机器人”、“新型仿生六足机器人”、“新型工业焊接机械臂”、“边缘救援平台”、“千足虫宠物机器人”、“‘外骨骼’智能健身与康复机器人”、“高处空间物品存放及管理系统”和“壁面清洁智能机器人”的研究背景及意义、作品概述、关键技术、主要创新点及取得成果、总结与展望。

    本书在介绍和论述过程中着力突出大学生课外科技创新活动的新理念、新技术、新方法和新成果，以期对从事课外科技创新活动的指导老师和大学生提供助益和启发。

 

图书在版编目（CIP）数据:

大学生课外科技创新竞赛获奖作品精析：机械机电控制类/罗庆生，韩宝玲

编著．—北京：机械工业出版社，2013.9

ISBN 978-7-111-43440-5

Ⅰ．①大…Ⅱ．①罗… ②韩…Ⅲ．①大学生—科技成果—课外活动—汇编—中国Ⅳ．①G644

中国版本图书馆CIP 数据核字（2013）第168574 号

 

代序：

    凝心聚力，帮助大学生科技创新起跑和腾飞（代序）

    北京理工大学机电学院特种机器人技术研究中心成立于2005年，由博士生导师罗庆生教授和博士生导师韩宝玲教授带领，是一支拥有博士生导师、教授、高工、博士等高水平人才的研究团队，成员三十余人。该中心多年来一直进行军用机器人、工业机器人、机电伺服控制技术、机电设备测试技术、机电系统传感技术和机电产品创新设计等的研发工作，在科学研究、技术创新、产品开发、成果转化、人才培养等方面卓有建树，在国内享有很高的知名度和影响力。近年来，该中心整合了全校多个相关学科的技术、人才和信息优势，成为一支攻关力量强大、研发经验丰富、满足市场需求的高新科技研发实体，并与一些企业建立起良好的产学研协作关系，推动着机电伺服控制技术与特种机器人技术及产品的不断进步。在承担国家“863”、“973”和一些省部级纵向课题研究过程中，中心成员更是大大提升了自身的理论水平和技术能力，指导大学生开展课外科技创新活动的能力与水平也在与时俱进。

    罗庆生教授是北京理工大学机械电子工程本科专业责任教授，他深知创新素养的培育、创新潜力的开发、创新品格的激励、创新能力的训练对新时期大学生创新型人才培养的重要性。韩宝玲教授曾担任北京理工大学教务处主管本科教学工作副处长，她也深感培养具有“高远的理想，精深的学术，强健的体魄，恬美的心境”的新时期大学生复合型人才在我国高等教育中的紧迫性。为使培养出来的学生成为创新型、复合型、通才型的人才，在多年的科研、教学实践中，罗庆生教授、韩宝玲教授带领团队探索并实施了“书本内外结合、课堂内外结合、校园内外结合、理论实际结合、继承创新结合、动脑动手结合”的新型教学模式，并把这一模式贯彻到指导大学生开展课外科技创新活动中去。

    特种机器人技术研究中心在罗庆生教授、韩宝玲教授带领下，通过反复实践、积极探索和认真总结，形成了以指导大学生开展课外科技创新活动为主体，辅以短期性、专业性课程教学的新型创新教育模式。

    在新型创新教学法、创新指导法实施过程中，研究中心紧密结合现有实验设备、重点研究方向、关键技术领域及教师在研课题，以多领域的科研课题和多学科的科研经验为实施理论教学、实验教学、实践教学提供重要依托和直接帮助。

    实施过程中，该中心始终坚持“大学生课外科技创新活动、毕业设计课题、实验室项目”三位一体的结合方式，并提出“以高带低、以硕带本”的创新实践理论。团队成员积极指导不同专业、不同年级的大学生开展课外科技创新活动，充分发挥特种机器人研发中心在机器人核心技术方面多年来形成的优势，以研究中心的实验设备和工作室为硬件，以团队成员研究经验、实验技能等为软件，软硬结合，为大学生创新能力的培养提供全方位支持，针对大学生课外科技创新活动的具体内容，开展了综合性、设计性、创新性的设计类实验与设计类实践活动，锻炼和提升学生理论与实践相结合、动脑与动手相结合的能力。

    在指导大学生开展课外科技创新活动中，特种机器人技术研究中心广泛采用学习小组互动、活动小组互动、设计专题互动等形式，发挥互动行为在培养学生辨析思维能力、强化学生质疑问题能力、发展学生人际交流能力、锻炼学生构思方案能力等方面的强大作用。与此同时，特种机器人技术研究中心还灵活运用反馈策略，使师生双方依据反馈信息，及时调整教与学的关系，提高教与学的效率，将在教学中、实验中、实践中获取知识的主动权交给学生，增强学生开展综合性、设计性、创新性实践活动的信心和能力。

    特种机器人技术研究中心的全体成员通过多年的积极探索和认真总结，构建了“问题→探索→解答→结论→新问题→新探索→新解答→新结论”的新型反馈式、开放式、创新式、实践式教学模式，促使学生在开展课外科技创新过程中“多看、多想、多问、多议、多试”，使学生从单纯学习者转变成参与者、实施者和促进者，激发了参研学生们学习的自觉性、主动性和创新热情；提高了学生动脑思考动手实践的能力、分析问题解决问题的能力、创新设计创新实现的能力；提升了学生团队协作，集体攻关的能力；培养了学生的科研热情和科研意识，为学生成为科研团队的后备力量和投身于今后的科研工作夯实基础。据统计，参加特种机器人技术研究中心组织、指导、培训的课外科技创新项目的学生中，80%～90%的学生获得了免试推荐研究生的资格并选择在本校深造；部分学生以优异的成绩考取了清华大学、北京航空航天大学等院校的研究生；选择留学的学生更是凭借着参加创新项目的经历、与创新团队一起披荆斩棘、奋勇攻关所历练出的能力，得到了国外著名大学的认可和录取。

    众所周知，当前在我国高等院校范围内影响最大、范围最广、水平最高的大学生课外科技创新成果竞赛包括“挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛”、“全国大学生创新性实验计划项目竞赛”、“全国大学生机械创新设计大赛”。在这三大赛事中，罗庆生教授、韩宝玲教授近五年来指导的获奖项目就有十余项，其中更有一些是名列前茅、独占鳌头。

      2007年6月-2008年10月，罗庆生教授、韩宝玲教授指导了“教育部大学生创新性实验计划项目”—— 新型多用途反恐防暴机器人的研制工作。该项目在2008年10月于长沙举行的首届全国大学生创新论坛中荣获“我最喜爱的10件作品”称号，且排名第一。2009年5月，“新型多用途反恐防暴机器人”在参加北京举办的“全国科技周开幕式”展出时，受到国务委员刘延东、科学技术部部长万钢等领导同志的高度评价，在国内引起极大反响。

      2008年5月-2009年10月，韩宝玲教授、罗庆生教授指导了“教育部大学生创新性实验计划项目”—— 新型特种搜救机器人的研制工作。该项目在2009年10月于南京举办的第二届全国大学生创新论坛中荣获“我最喜爱的10件作品”称号。

      2009年5月-2010年9月，罗庆生教授指导了“教育部大学生创新性实验计划项目”—— 新型轮腿式机器人的研制工作。2010年9月，在大连举办的第三届全国大学生创新论坛上，两个作品均获得“我最喜爱的10件作品”称号，其中“新型轮腿式机器人”项目在“我最喜爱的10件作品”排名第五。

      2009年11月，罗庆生教授指导的“新型多用途反恐防暴机器人”项目参加了第十一届“挑战杯全国大学生课外学术、科技作品竞赛”，获得一等奖。

      2010年5月，韩宝玲教授、罗庆生教授指导的“新型特种搜救机器人”项目参加了在北京举办的“全国科技成果展示会”展出，受到国务委员刘延东、科学技术部部长万钢等领导同志的高度评价，国内主要媒体都作了重点报道。

      2010年10月，罗庆生教授与苏伟老师率领四件作品参加在江苏南京举办的第四届全国大学生机械创新设计大赛决赛，四件作品均获得一等奖，总成绩名列全国第一；其中罗庆生教授指导的“边缘救援平台”项目得到与会专家和现场观众的一致好评。

      2011年10月，罗庆生教授为指导教师、机电学院三年级本科生为主要成员、融合了数名其他专业本科生的“智能机器人代表队”代表北京理工大学参加了于哈尔滨举行的首届“中俄工科大学联盟”大学生机器人创新大赛及展示。“中俄工科大学联盟”由30所中国和俄罗斯两国顶尖的工科院校组成，代表着中俄两国在工科领域的科技实力和办学水平。北京理工大学“智能机器人代表队”创造了在所参加项目中均获得奖项的好成绩。罗庆生教授指导的全国大学生创新性实验项目—— 新型节肢机器人”在大会展示活动中获得“最佳团队奖”，“智能机器人代表队”还获得“最佳组织奖”，代表队总获奖数达到六项，为此次赛事所颁奖项的四分之一，是所有参赛学校中获得奖项最多的。

      2011年10月，罗庆生教授率领北京理工大学代表队参加在同济大学举办的“第四届全国大学生创新年会”，两个作品均获得论坛“我最喜爱的10件作品”称号；罗庆生教授、韩宝玲教授指导的“新型节肢机器人”项目以绝对领先的得票数排名第一。

      2012年5月，罗庆生教授、韩宝玲教授指导的“千足虫宠物机器人”、“室内高处空间物品存放及管理系统”、“外骨骼智能健身与康复机器人”和“壁面清洁智能机器人”等四项作品参加了“首都高校第六届机械创新设计大赛”。上述四项作品全部获得一等奖，并将代表北京市参加在西安举行的“全国第五届大学生机械创新设计大赛”总决赛。

      2012年10月，享誉全国的“新型节肢机器人”，以其丰富的行进步态、精彩的运动效果、可靠的控制性能、超群的演示功能，代表教育部系统出席中共中央宣传部、国家发展与改革委员会举办的“科学发展，成就辉煌”全国科技成果展，以迎接党的十八大胜利召开。

    海阔凭鱼跃，天高任鸟飞。当前，我们的国家正面临科学发展、开拓创新的大好时机，时不我待，创新年代需要创新人才，创新人才需要创新培养。北京理工大学特种机器人技术研究中心在教学育人、科研育人、创新育人等方面做出了一些尝试，取得了一些成果，愿这些尝试与成果能够成为我国广大学生们不断创新、不断开拓的铺路石，让我们共同筑就通往创新成才的康庄大道。

 

中国工程院院士朵英贤

 

前言：

    广泛、深入、成功地开展大学生课外科技创新活动是我国高等教育创新型人才培养目标的重要体现，其作用和意义十分重大。当前，我国各高等院校及各专业学科都十分重视大学生课外科技创新活动的开展与实施，都把这种活动看成是促进大学生创新型人才培养的加速器和孵化器。作者及其学术团队坚持大学生课外科技创新指导工作已有多年，在指导大学生课外科技创新活动方面成果丰富、水平突出，所指导的大学生课外科技创新项目获得过多项国家级奖项，罗庆生教授、韩宝玲教授也是国内最著名的大学生课外科技创新活动指导专家。

    一个国家、一个民族、一个社会、一个团队，其发展前景与创新密切相关，而创新需要创新型人才；创新型人才除了需要创新意识、创新精神、创新激励以外，还需要创新思考、创新实践和创新训练。为了提升我国大学生在开展课外科技创新活动时的创新思考水平、创新实践能力和创新训练难度，使更多的大学生在开展课外科技创新活动时有经验可以借鉴、有方法可以参考、有技术可以复制、有成果可以移植，我们精选了近年来由团队主要成员指导的在“挑战杯全国大学生课外学术科技作品竞赛”、“全国大学生创新性实验计划项目竞赛”、“全国大学生机械创新设计大赛”中大放异彩、引领潮流的11项获奖作品，将其研究背景、立项依据、主体思路、关键技术、创新成果编撰成书，以飨读者。

    本书介绍的这些作品因完善的功能配备、独特的方案设计、巧妙的结构安排、合理的决策规划、优异的运动特性、稳定的性能表现、高效的控制机理、新颖的感测技术、完备的能源管理、科学的实验方法、有益的经验体会、广阔的应用前景而引人入胜。本书以这些作品的研发思路为主线，核心技术为依托，创新成果为抓手，总结团队在指导大学生课外科技创新活动中设计的新理念、探索的新思路、研发的新技术、实验的新方法、工作的新成果，系统地介绍给读者，以推动大学生课外科技创新活动在我国各高等院校更加普及、更加深入的开展。

    本书所述作品的研究背景、设计理论、基本构成、机构特点、运动特性、关键技术、创新成果是作者根据实践工作总结而成，展示了大学生课外科技创新活动的水平和成果，也代表着作者对大学生课外科技创新活动的认识与把握。本书在介绍和论述过程中着力突出大学生课外科技创新活动的新理念、新技术、新方法和新成果，以期对从事课外科技创新活动的大学生们能够有所助益和启发。

    本书共十一章，系统阐述了“新型多用途反恐防暴机器人”、“新型特种搜救机器人”、“新型轮腿式机器人”、“新型节肢机器人”、“新型仿生六足机器人”、“新型工业焊接机械臂”、“边缘救援平台”、“千足虫宠物机器人”、“‘外骨骼’智能健身与康复机器人”、“高处空间物品存放及管理系统”和“壁面清洁智能机器人”的研究背景及意义、作品概述、关键技术、主要创新点及取得成果、总结与展望。本书由罗庆生、韩宝玲负责编著，罗霄、李华师、葛卓、樊红亮、蔺伟、张辉、参与了大量的写作工作，杨成伟、逯鹏、向前有、李喜玉、何灏、杨继伟、赵小川、苏晓东、龚汉越、刘祎纬、梁冠豪、牛锴、黄莹、岳凯、向程勇、吴帆、张叶青、周双、赵欣驰、冯达、罗翔辉、曹虹蛟、李金科、莫洋、魏天骐、王勇、智耕、王帅、范昊参与了部分章节的撰写和相关资料的整理工作。

    当前，我国大学生课外科技创新活动的热潮风起云涌，作者所开展的工作及其成果只是沧海一粟。要使我国大学生课外科技创新活动的水平能够真正满足创新型人才培养的需要，还需集众人之智、众人之力才能有所作为，希望本书的出版发行能起到抛砖引玉的作用，同时也希望广大专家、读者对本书的谬误之处不吝赐教。

    最后，向支持我国大学生课外科技创新活动的各级领导、专家和同事们表示衷心的感谢，向本书所引用参考文献的作者和支持本书出版发行的机械工业出版社表示诚挚的敬意。

 

作  者

 

目录：

凝心聚力，帮助大学生科技创新起跑和腾飞（代序）

前言

第1章  新型多用途反恐防暴机器人       1

　　1.1  作品研究的背景及意义      1

　　1.2  作品概述      2

　　1.2.1  研究内容概述   2

　　1.2.2  技术指标   4

　　1.3  关键技术      4

　　1.3.1  结构造型技术   4

　　1.3.2  机器人视觉技术       9

　　1.3.3  铅酸动力电池组技术       14

　　1.3.4  控制与无线通信技术       19

　　1.3.5  机器人研发实验       30

　　1.4  主要创新点及取得的成果   33

　　1.4.1  作品主要创新点       33

　　1.4.2  作品取得的成果       33

　　1.5  总结与展望   33

　　1.5.1  作品研发工作总结   33

　　1.5.2  作品应用范围及前景分析       35

　　参考文献       35

第2章  新型特种搜救机器人    36

　　2.1  作品研究的背景及意义      36

　　2.2  作品概述      38

　　2.2.1  研究内容概述   38

　　2.2.2  技术指标   40

　　2.3  关键技术      40

　　2.3.1  结构造型技术   40

　　2.3.2  机器人视觉系统       43

　　2.3.3  电源系统控制技术   48

　　2.3.4  运动控制技术   52

　　2.3.5  无线通信技术   60

　　2.4  主要创新点及取得的成果   62

　　2.4.1  作品主要创新点       62

　　2.4.2  作品取得的成果       63

　　2.5  总结与展望   63

　　2.5.1  作品研发工作总结   63

　　2.5.2  成果应用范围及前景分析       64

　　参考文献       64

第3章  新型轮腿式机器人       66

　　3.1  作品研究的背景及意义      66

　　3.2  作品概述      68

　　3.2.1  研究内容概述   68

　　3.2.2  技术指标   69

　　3.3  关键技术      70

　　3.3.1  机器人结构设计       70

　　3.3.2  机器人步态分析       74

　　3.3.3  机器人控制系统设计       78

　　3.3.4  机器人运动仿真与样机实验   87

　　3.4  主要创新点及取得的成果   91

　　3.4.1  作品主要创新点       91

　　3.4.2  作品取得的成果       92

　　3.5  总结与展望   92

　　参考文献       93

第4章  新型节肢机器人    94

　　4.1  作品研究的背景及意义      94

　　4.2  作品概述      95

　　4.2.1  研究内容概述   95

　　4.2.2  技术指标   98

　　4.3  关键技术      98

　　4.3.1  结构设计技术   98

　　4.3.2  控制系统与多轴运动控制技术       102

　　4.3.3  步态控制理论与技术       108

　　4.3.4  传感探测技术   110

　　4.3.5  无线通信技术   112

　　4.3.6  电源管理技术   113

　　4.3.7  软件程序开发技术   114

　　4.4  主要创新点及取得的成果   117

　　4.4.1  作品主要创新点       117

　　4.4.2  作品取得的成果       117

　　4.5  总结与展望   117

　　参考文献       118

第5章  新型仿生六足机器人    123

　　5.1  作品研究的背景及意义      123

　　5.2  作品概述      124

　　5.2.1  研究内容概述   124

　　5.2.2  技术指标   125

　　5.3  关键技术      125

　　5.3.1  典型昆虫观测试验   125

　　5.3.2  机器人结构设计       133

　　5.3.3  机器人运动学分析   137

　　5.3.4  机器人控制系统       144

　　5.3.5  机器人传感探测技术       151

　　5.3.6  机器人原理样机试验       164

　　5.4  主要创新点及取得的成果   170

　　5.4.1  作品主要创新点       170

　　5.4.2  作品取得的成果       171

　　5.5  总结与展望   171

　　5.5.1  作品研发工作总结   171

　　5.5.2  作品应用范围及前景分析       172

　　参考文献       172

第6章  新型工业焊接机械臂    174

　　6.1  作品研究的背景及意义      174

　　6.2  作品概述      174

　　6.2.1  研究内容概述   174

　　6.2.2  技术指标   176

　　6.3  关键技术      176

　　6.3.1  机械结构设计   176

　　6.3.2  嵌入式控制系统设计       180

　　6.3.3  运动控制算法设计   187

　　6.3.4  上位机软件设计       207

　　6.3.5  运动控制算法实验   216

　　6.4  主要创新点及取得的成果   225

　　6.4.1  作品主要创新点       225

　　6.4.2  作品取得的成果       226

　　6.5  总结与展望   226

　　6.5.1  作品研发工作总结   226

　　6.5.2  展望   227

　　参考文献       227

第7章  边缘救援平台       229

　　7.1  作品研究的背景及意义      229

　　7.2  作品概述      230

　　7.2.1  研究内容概述   230

　　7.2.2  技术指标   231

　　7.3  关键技术      232

　　7.3.1  救援平台工作流程   232

　　7.3.2  拖拽系统设计计算   233

　　7.3.3  救援担架系统设计   238

　　7.3.4  自平衡控制系统       241

　　7.4  主要创新点及取得的成果   245

　　7.4.1  作品主要创新点       245

　　7.4.2  作品取得的成果       245

　　7.5  总结与展望   246

　　参考文献       246

第8章  千足虫宠物机器人       248

　　8.1  作品研究的背景及意义      248

　　8.2  作品概述      248

　　8.2.1  研究内容概述   248

　　8.2.2  技术指标   249

　　8.3  关键技术      249

　　8.3.1  机械结构设计   249

　　8.3.2  运动仿真及步态设计       259

　　8.3.3  控制系统硬件电路设计   263

　　8.3.4  控制系统软件程序设计   273

　　8.4  主要创新点及取得的成果   276

　　8.4.1  作品主要创新点       276

　　8.4.2  作品取得的成果       277

　　8.5  总结与展望   277

　　8.5.1  作品研发工作总结   277

　　8.5.2  作品应用范围及前景分析       278

　　参考文献       278

第9章 “外骨骼”智能健身与康复机器人      280

　　9.1  作品研究的背景及意义      280

　　9.2  作品概述      283

　　9.2.1  研究内容概述   283

　　9.2.2  技术指标   285

　　9.3  关键技术      285

　　9.3.1  人体解剖学与肢体运动机理分析技术   285

　　9.3.2  机构设计技术   289

　　9.3.3  控制与驱动系统       301

　　9.3.4  安全保护装置   306

　　9.4  主要创新点及取得的成果   308

　　9.4.1  作品主要创新点       308

　　9.4.2  作品取得的成果       309

　　9.5  总结与展望   309

　　9.5.1  作品研发工作总结   309

　　9.5.2  展望与规划       310

　　参考文献       311

第10章  高处空间物品存放及管理系统  313

　　10.1  作品研究的背景及意义    313

　　10.2  作品概述    315

　　10.2.1  研究内容概述  315

　　10.2.2  技术指标  316

　　10.3  关键技术    316

　　10.3.1  系统设计方案  316

　　10.3.2  机械结构设计  318

　　10.3.3  控制电路设计  328

　　10.3.4  驱动程序设计  332

　　10.3.5  系统软件开发  334

　　10.4  主要创新点及取得的成果 344

　　10.4.1  作品主要创新点     344

　　10.4.2  作品取得的成果     345

　　10.5  总结与展望 345

　　10.5.1  作品研发工作总结  345

　　10.5.2  作品应用范围及前景分析     345

　　参考文献       346

第11章  壁面清洁智能机器人  347

　　11.1  作品研究的背景及意义     347

　　11.2  作品概述     348

　　11.2.1  研究内容概述  348

　　11.2.2  技术指标  348

　　11.3  关键技术     349

　　11.3.1  机器人结构设计     349

　　11.3.2  履带吸盘式行走装置力学分析     357

　　11.3.3  机器人控制系统设计     359

　　11.4  主要创新点及取得的成果 362

　　11.4.1  作品主要创新点     362

　　11.4.2  作品取得的成果     362

　　11.5  总结与展望 363

　　11.5.1  作品研发工作总结  363

　　11.5.2  作品应用范围及前景分析     363

　　参考文献       364

附录       365

　　附录A  轻型履带式机动平台减震悬挂装置专利    365

　　附录B  轻型履带式机动平台履带自动张紧装置专利    367

　　附录C  小型四履带移动机器人驱动装置专利 369

　　附录D  小型六履带全地形移动机器人专利    374

　　附录E  仿生多关节型机器人腿部驱动传动装置专利    383

　　附录F  多足式机器人足端压力传感器专利    386

　　附录G  一种适用于特种机器人的超声波测距系统专利       389

　　附录H  一种基于模块化的多关节链节式机器人专利    393

　　附录I  一种节肢机器人的轮腿式运动足设计专利  398

　　附录J  外骨骼穿戴式健身与康复机专利 404

　　附录K  穿戴式腰背部健身与康复机专利 415

　　附录L  室内高处空间物品存放及管理系统专利     422

　　附录M  履带吸盘式壁面清洁机器人专利       427

　　附录N  一种可用于爬壁机器人的履带吸盘组合式行走装置设计专利       433