第 1 章 绪论
1.1 课题的来源及研究背景
1.1.1 课题的研究背景
机器人所属智能制造装备范畴，是世界各国竞争激烈的热门领域之一。 关于国家智能装备的十三五发展规划中就明确提出要加快机器人发展，解决机器人的关键技术，并提高其质量和可靠性。由此可见，机器人的发展布局已经成为国家发展战略中至关重要的一部分[1]。随着互联网时代的到来，很多的技术被综合创新，机器人技术也得到很大的突破。在全球机器人保有量来看，亚太市场目前处于领先地位，按照当前的增速发展，预计在 2020 年支出将达 1330 亿美元，将会在全球市场中占据 71%[2]；而欧洲、中东和非洲的保有量为第二大区域；美洲市场其次，
预计 2020 年全球机器人市场占比，如图 1-1 所示。
面对当前知识经济时代的机遇和挑战，机器人已经变成二十一世纪高科技的代表之一。2012 年麦肯锡咨询公司首次将机器人技术列为引领全球经济变革和影响人类社会生活与社会发展的 12 大颠覆性技术之一，我国在《中国制造 2025》中明确提出将机器人列为十大重点领域之一[3]。
由于智能感知认知、多模态人机交互、云计算等智能化技术不断成熟，机器人正朝着更高层次、与人类生活更加密切的方向发展，从而真正地体现出新世纪人类享受现代化科技成果的重要特色[4]。
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1.2 国内外研究现状
1.2.1 国外研究现状1968 年，斯坦福国际研究所(SRI)研制的移动式智能机器人-Shakey，它是一种典型的“眼一车”系统。Shakey 的主要感觉器官是“眼”，也就是它的视觉系统，安装可动头部的摄像机和光学测距器[9]。Shakey 的主要功能是在视野范围内识别对象，依靠积累的经验求解行动规划，以及对识别出的目标物体进行跟踪。美国在机器人的创新性领域一直保持着世界领先的地位。但是日本这些年的创新性技术较少，基本上在模仿性的工作。除此之外，美国在军用机器人方面的技术可以说是达到了当今世界上顶尖的地步，近期美国新研发的 Big Dog 军用轮式机器人就是其中的代表之作。
21 世纪以来，机器人因为其丰富的科学技术以及可重构的多样化布局，呈现出各行各业都采纳机器人技术为己所用的趋势[10]。机器人技术综合了计算机、人工智能、机构学、控制学和传感技术等多门学科，机器人的应用普及状况将成为评价一个国家自动化水平的重要标志之一。
国外机器人发展到现在主要有四个阶段，如图 1-2 所示。美国在机器人的创新性领域一直保持着世界领先的地位。但是日本这些年的创新性技术较少，基本上在模仿性的工作。除此之外，美国在军用机器人方面的技术可以说是达到了当今世界上顶尖的地步，近期美国新研发的 Big Dog 军用轮式机器人就是其中的代表作。
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第 2 章 投掷机器人总体方案论证
2.1 概述
第十六届全国大学生机器人比赛的主题是“舞盘雅乐”，赛场中共设置了 7 个不同的着陆台，场地尺寸为 12000*4950mm，着陆台的尺寸为直径为 750mm，1000mm，如图 2-1，图 2-2，图 2-3 所示。每场比赛要每支队伍有一台机器人，可以是自动控制，也可以是半自动控制。比赛时每支队的机器人可以向 7 个着陆台中任个投掷飞盘，将球击落，并且飞盘落在没有球的圆台上，即为得分。
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2.2 投掷机器人的设计准则及要求
2.2.1 设计准则
本次比赛采用的是积分制，参赛双方（红队和蓝队）同台竞技，为保证本次比赛的公开、公正原则，因此考虑到双方队员机器人的整机重量、方案设计、材质、制作加工等方面的影响，所有参赛队伍的竞赛机器人需要遵循以下设计原则：（1）每支参赛队只能带一台机器人参赛，可以无线控制或线缆控制；
（2）由于比赛要求在最短间内将飞盘抛掷到着陆台，为保证着陆台上的飞盘数量，要求机器人发射出较多的飞盘；
（3）机器人及用于装飞盘的任何容器不得超过 1500mm 长×1500mm 宽×1800mm 高，从而限制了机器人的发射装置的尺寸；
（4）机器人、装填飞盘后任何附着于机器人上的容器、控制盒、控制线缆及参赛队携带用于比赛的任何其它设备的总重不得超过 25kg，备份电池和备件除外；
（5）在保证实现功能的前提下，机器人的结构要简单、精妙，重量尽可能越轻，选材在保证强度和刚度的前提下，越轻越好；
（6）使用压缩空气的参赛队必须使用专用容器或新塑料瓶。气压不得超过0.6MPa；
（7）机器人移动要灵活，可以在场地内较快较稳地移动。
2.2.2 设计要求
每场比赛在两队之间进行，每队有一台机器人。比赛时两队的机器人可以向任何着陆台上投掷飞盘，把球从着陆台上击落，飞盘落在没有球的圆台上，即为得分。因此，在满足使用功能要求下，要尽量精简体积、保证可靠性、减轻重量以及减少能耗。综上所述，对机器人的机械结构部分提出如下要求：
（1）能够完成设计方案规定的运动；
（2）简单、合理。方便后续控制计算及编写程序，同时方便更换或者修改易损原件；
（3）抛掷飞盘到不同的着陆台，在规定时间内尽可能发射较多的飞盘；
（4）整车的质量要轻便、稳定性好、运动精准。框架结构要有足够的强度和刚度；
（5）尽可能的选择使用标准件，以降低后期的维护成本与维修时间。
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3.1 建模方法论证......................... 29
3.1.1 概述........................... 29
3.1.2 动力学分析简介...................... 29
第 4 章 飞盘的运动轨迹分析......................... 39
4.1 概述............................. 39
4.2 理论分析........................ 39
第 5 章 实验数据比对及其分析................. 55
5.1 实验准备........................ 55
5.2 实验布局.......................... 56
第 5 章 实验数据比对及其分析
5.1 实验准备
投掷机器人的可靠性是用飞盘着陆点的散布来描述，即着陆点的密集度表示可靠性好。为此准备了与比赛要求相同的条件，来验证该投掷机器人的可靠性。实验准备如下：
1、投掷器人出口离地高度约为 0.5m，飞盘自由飞行着陆，准备投掷机器人如下图 5-1 所示。
2、在实验过程中，机器人的发射装置参数保持不变，即发射的飞盘的射向、初速度（出口线速度）、转速、横滚角等参数是一致的，如图 5-2 所示。
3、飞盘逆时针（俯视）旋转。
4、飞盘射程在 2~5m。
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总结与展望
本论文根据第十六全国大学生机器人大赛要求，提出投掷机器人的总体设计方案，并对其进行功能设计和结构设计，重点对机器人抛掷飞盘进行计算机仿真，使投掷机器人抛掷飞盘准确到达着陆台，为低速飞行物轨迹预测提供了理论基础，具有很高的理论研究意义和实际应用价值。主要研究工作和结论如下:
（1）首先介绍了课题来源、机器人研究背景，系统的分析了国内外机器人的研究现状和未来发展趋势，总结了本论文的研究内容和研究意义。
(2)基于机器人设计的需求分析，提出了机器人的总体设计方案，包括机械功能设计、结构设计。
(3)对机器人的关键结构进行了研究与设计，确定了机器人的相关参数。
(4)对机器人关键部件进行简化，在三维软件 SolidWorks 中进行建模设计，将其导入到 ADAMS 软件中进行相关的动力学仿真分析。
（5）对飞盘飞出后进行受力分析，用 matlab 软件确定出较为合适的发射角度和速度范围。
（6）在 ADAMS 软件中仿真，后处理输出的飞盘的运动曲线图，对其运动情况作了最好的解释，有助于描述飞盘的飞行轨迹。
在研究低速飞行物的轨迹时，由于影响其运动的因素较为多，如果同时研究，可能会使得问题复杂且无法进行，此时往往采用研究单一变量的手法，这样使得问题简单且有效。
参考文献（略）