Ｓｔｉｑｕｉｔｏ在机器人技术和嵌入式系统教学中的应用.doc

Ｓｔｉｑｕｉｔｏ在机器人技术和嵌入式系统教学中的应用 　　1　摘　要 　　 　　Stiquito是一个用来向学生介绍机器人技术的小型机械昆虫。它的新版本具有一个可预编程的微控制板，学生可以用来学习机器人技术和嵌入式系统的相关概念。 　　不同的人对机器人也有不同的理解。很多人把机器人想象成《星球大战》中的R2D2和C3PO的样子，它们能在任何环境中进行自主的运动，和他人进行谈话交流。很少有人将其想象成为无人交通工具和制造设备，然而，机器人主要就应用在这些领域。 　　机器人就是一个机电装置，在接受人的一系列命令后反复执行直到被通知停止为止。基于这个定义，建造一个玩具车并对其编程，使它沿地板上的一条黑带运动，这就是一个机器人装置的例子，而制造并驱动一个无线控制的玩具车却不是。 　　Stiquito是一个小型的六脚昆虫机器人，在教学中已经沿用多年。为了能走路，机器人的腿部“肌肉”用挠性材料制成，原先设计成一个人工控制装置，六条腿分为三组，两个开关连在一个绳索上。操作员通过按压两个开关来控制这六条腿的运动。 　　设计完成大量的Stiquito机器人已成为具有教学意义的新事物，因为它们不能通过一个可编程计算机来控制。研究者们希望通过一种简单易用的控制器，来研究群体机器人和新兴系统，由于缺少这种可用的控制器，他们的研究工作也受到了限制。 　　另一个障碍是机器人的低功耗问题，因此有必要设计完成一个可靠的控制器，并且同样需要低成本、低功耗。Stiquito是一种新型的自控机器人，它通过一个微控制器来协调腿的动作以产生前向运动。尽管控制器在出售时是已编程的，教师和研究人员仍可以对控制板重新编程来检测机器人的其他功能。实际上，这个开发板可以独自用来学习嵌入式系统开发概念。 　　 　　2　Stiquito发展史 　　 　　20世纪90年代初，印第安纳大学的JonathanMills在寻找一种机器人平台来测试他在模拟逻辑上的研究。当时大多数可用的平台过于昂贵，尤其对年轻助教而言，其研究资金有限。因此，Mills开始设计他廉价的机器人，在他的设计中，选择了四种基础原料： 　　驱动装置选择镍钛诺(Dynalloy公司的挠性材料Flexinol装置)，在电路控制下，这种材料可以提供一种类似肌肉的反应而精确地模仿生物动作。 　　Flexinol装置的反作用力选择弹性发条线来产生。这种线能产生一种使Flexinol回归原形的作用力，给机器人提供了支持。 　　机器人的身体选择1/8英寸宽的方形塑胶杆；对于腿和身体的支持，以及塑胶的Flexinol附件，Mills选择了铝管。 　　从微型的两英寸长的四腿机器人到四英寸长的软腿机器人，Mills针对不同的设计进行了实验。实验显示，当机器人的驱动装置Flexinol和地面平行，腿和地面接触时垂直，这时，机器人可实现最佳运动。 　　Stiquito机器人的六脚被分成两组三脚架，每一组中，两条腿在机器人的一侧，另外一条在机器人的另一侧。这种分法可以让机器人平滑运动，而没有单独控制每一条腿那样复杂。 　　 　　如图1所示，Stiquito依靠交替活动两个三脚架来行走。当第一个三脚架活动时，第二个处于“放松”状态，当它的腿和身体垂直时恢复该状态。这样，第二个三脚架被激活，第一个也就可以“放松”了。 　　最初设计的Stiquito只有一个自由度。两年后，Mills设计了一个新版本的StiquitoII，它具有两个自由度。如图2所示，两自由度就是说塑性发条除了用来向后拉腿(第一个自由度)，还用来抬腿(第二个自由度)。 　　 　　该机器人具有两个自由度，通过挠性发条来完成拉腿和抬腿。 　　 　　3　stiquito的教学应用 　　多年来，Stiquito已经广泛应用于高中、社区学院、大学学院等来培养未来的工程师。此外，很多初、高中学生选择Stiquito来完成他们的科学竞赛项目，而且成千上万的机器人爱好者通过Stiquito来涉猎机器人技术。一些使用Stiquito的实例如下： 　　新泽西技术学院的生物医学工程系资助了一个工程预科的教学推广计划，其中设计制造Stiquito机器人是其特色之一。 　　(/old/PreCollege/PrE-IOP/events.php)。 　　Texas AM将Stiquito用于工程和问题求解导论课程(ENGRlll) 　　 (.curriculum/engr111/stiquito/index.php)。 　　西密西根将Stiquito用于ECEl23移动机器人：电子和计算机工程导论课程 　　(/~miller/ECE123.html) 　　在佩恩州有许多实践项目中应用了Stiquito 　　(/me415/fal199/stiqu