人工智能和机器人，已成为时下最热门的话题之一。
机器人，在仅仅几十年内发展到今天，已经被广泛应用到各个行业和领域当中。随着“工业4.0”概念的提出，机器人也得到了越来越高的关注度。2016年达沃斯世界经济论坛，将主题锁定在“第四次工业革命”,在这汹涌澎湃的创新浪潮中，智能机器人必将占据重要的位置。在我国《中国制造2025》规划中，机器人被列为政府需要大力推动实现突破发展的十大重点领域之一，《机器人产业“十三五”发展规划》也已正式发布。
国际机器人联合会表明，中国自2013年起连续三年成为全球最大的工业机器人消费市场，这一趋势在未来几年得到了延续。未来，机器人的发展方向将是人工智能，为推进机器人功能更加专业化、精细化，更加满足人们生活和工作的需要，推动产品的技术创新，院校联盟也是不可或缺的资源。
为加速机器人教育普及，推进机器人竞赛活动，引领机器人科技创新，促进机器人产业发展，由中国人发起创立的国际性机器人赛事——中国工程机器人大赛暨国际公开赛，得到了广大大、中、小学生和社会机器人爱好者的高度热情地参与。为满足初学者们学习机器人技术的愿望，增进互相交流与学习，本书编纂整理了中国工程机器人大赛暨国际公开赛的精选案例共28例,并将这些技术案例分为7篇，具体如下：
第一篇，工程创新创意机器人，包括无人机、机器狗、壁面作业机器人、履带式遥控扫雷车和工业创新智能小车等。
第二篇，仿人竞速机器人，包括交叉足机器人和单电机交叉足机器人。
第三篇，旋翼飞行器，包括四旋翼和六旋翼飞行器。
第四篇，搬运机器人。
第五篇，竞技体操机器人。
第六篇，生物医学创新创意，包括基于动态光谱的血氧饱和度测量系统、基于脸部动作编码的机器人视觉人机接口，以及基于动态光谱的血氧饱和度测量洗头膏等。
第七篇，其他机器人，包括智能快递分拣机器人、工程越野机器人、越障机器人、仿生爬坡机器人等。
每个案例中都详细介绍了设计创意来源、整体思路、硬件设计、软件设计、系统开发调试和结论与优化，非常适合读者寻找灵感，确定方向和启发借鉴。
回顾2016的“竞技体操机器人”
竞技体操机器人
体操机器人是一种仿生类型的机器人，可以模仿人类完成一系列体操规定动作，具有较好的自由度、灵活性、自主性。作为一种典型的由电气控制的动态机械系统，体操机器人包含了丰富的动力学特性，因此对于体操机器人的开发和研究是有必要的。
为实现传统体操机器人之间的互动以及机器人与人类之间的互动，并通过不同方式的表演来表达出人的情感，本文设计了具备部分人体功能的、模拟人舞蹈动作的十舵机及十七舵机类人型机器人，通过AVR单片机控制舵机运转带动机械结构件，使机器人完成各种动作，以模拟人体各种体操及舞蹈动作。作品综合应用了机械设计、力学、电路设计、自动控制、单片机、人工智能等技术，同时融合了多项创意。
该机器人具有明显的类人特征,具有可独立运行的双臂和双腿,其中手臂部分具有不少于3 个自由度,双腿部分具有不少于 2 个自由度，可完成一系列自由体操动作，如倒立、劈叉、侧翻等较高难度动作，稳定性较高，该设计方法具有一般适用性，可以适应于同类机器人的设计工作，因此该设计方案具有一定的推广应用价值。
作品简介
国内外研究现状
目前体操机器人的研究主要有欠驱动单杠体操机器人的研究，国外很多采用Acrobot的欠驱动两杆体操机器人模型。Acrobot是一种具有2自由度和1主动关节的二连杆机器人，它能简单粗略的模拟体操运动员在单杆上的摆起、倒立、大回环等动作。
国内主要为各种类型的复杂人形机器人的研究，可以实现体操舞蹈动作。各大高校通过各类机器人比赛来展示自己的研究成果，同时交流技术，促进体操机器人的发展。
任务目标
在竞技体操规定动作比赛场地上，要求有2个或3个机器人，其中一个是参加规定动作赛的体操机器人，另外再添加1 个或 2 个等于或大于十自由度的小型类人机器人。体操机器人需重新编排体操动作和自编动作。类人机器人需要编排有创意的、有难度的自编动作，以期获得舞美效果。比赛过程中，播放节奏感较强的音乐，体操机器人和类人机器人完成预设动作。动作要节奏感强、互动性好，配合协调有序。同时，场外有一个参赛队员（位于比赛场地左右两边的某一侧）与场上机器人互动。
需求分析
根据比赛任务的要求，机器人不仅要完成竞技体操机器规定动作，同时还要自编有创意、有舞美效果的动作。因此本款机器人以原有体操机器人为模板，在保证能完成准备动作、翻滚动作、俯卧撑、侧翻动作、倒立动作、自编动作等规定动作的基础上，增加两台类人机器人，重新设计其整体尺寸并改进部分机械结构件，以适应自主设计的其他创意动作，满足创新创意及良好的观赏性的需要。
除了要满足比赛动作要求，本款机器人的重难点在于机器人动作的流畅性，以及各机器人间地协调配合。初步考虑通过调试控制程序中动作持续时间，改进代码运行算法等方法，以较好地实现各机器人动作之间的同步，从而使其具有良好的观赏性。另外，本款机器人要具有新奇的外观，突破性的创意动作，良好的人机互动等，从而完全满足比赛创新创意的要求，达到预定目标。
机械结构设计
体操机器人的机械结构设计是体操机器人设计中最基础的一部分，是进驱动执行和动作规划等的前提要求。一个完整的体操机器人必须是一个机械结构合理、自由度分配正确、重心设计严谨、尺寸大小符合设计要求的机械结构。
本款机器人由三台机器人组成，其中一号和二号机器人结构相似，均为十七自由度机器人；三号机器人为标准十自由度体操机器人。
一号机器人和二号机器人身高38cm,肩宽20cm，臂长18cm，整体重量为1.75kg。采用17个数字伺服舵机马达，拥有17个自由度（活动关节），双腿十个，双手六个，头部一个。采用的数字舵机有标准的180度运动范围，PWM脉宽控制模式，15kg力矩，马达内部自主反馈保证输出角度准确。型材材质采用1MM高强度铝镁合金，连接件，紧固件采用凸台攻丝紧固。表演时机器人随音乐翩翩起舞，动作协调、灵活。
三号机器人为比赛要求的参加规定动作赛的体操机器人，身高24cm，肩宽8.5cm，臂长13.5cm，整体重量1.5kg。机器人的外观结构由三类结构件组成。一类是手臂、身体、腿部结构件，为矩形直条夹持构件；二类是手掌、脚掌结构件，一端连接舵盘，另一端为手部脚部造型；三类是肩部、跨步结构件，为多次弯折的U型结构件。设计的尺寸依据力学平衡原理，保证能够充分完成动作。
电气控制设计
为实现舞蹈机器人的工作，必须对机器人的控制部分的硬件和软件进行合理规划，本文硬件设计是指电路控制板设计，软件设计主要指动作控制程序设计。
硬件设计即通过对功能设计要求的分析，对各种元器件的了解，而得出分立元件与集成块的某些连接方法，以达到所需的功能要求；然后把这些元器件焊接在一块电路板上。
软件设计是设计完成整体程序指令，通过控制板完成程序的运行，从而依照时序对输出管脚的电压进行规律调整，从而对舵机进行协调时序控制，完成各种设计动作。
硬件、软件设计
本文将机械结构设计和电路控制板两部分归为硬件设计。由于篇幅所限，本文略去此部分内容。
创新创意
体操机器人创新创意赛较规定动作赛的不同就在于创新创意，而本款机器人的最大亮点就在于其创新创意，以下是几个关键创新点。
外貌创新
除传统的十舵机体操机器人之外，本款机器人还引入了十七舵机舞蹈机器人参与合跳。本款机器人的脚底板在原有基础上进行了修饰，利用3D打印技术打印了两对白色的脚底板粘在原金属脚底板上，不仅使机器人更加稳定，而且可以看成白色鞋子修饰，有很好的观赏感。此外，本款机器人在表面增加了一层贴纸，以白色衬衣及背带牛仔裤工装裤作为外形，仔细贴在机器人身上，使外貌更加简单亮眼，时尚新奇。最后为其增加了动物造型面具，给机器人一个丰满的形象，使表演更加符合主题。
而且，每个舵机的线都经过了仔细固定，包括开关和电池的摆放，都属于机器人外貌的一部分，在实用的基础上，提升了外在美观效果。
创意动作
十舵机体操机器人在体操的规定动作组之外，还加入了优美的舞蹈动作。十七舵机舞蹈机器人除了简单的舞蹈动作，还克服了重心高的限制，做出一系列高难度动作，例如劈叉，深蹲，单脚站立等。虽然机器人的关节有限，而且舵机可动范围有限，但将各个动作排列组合成一小节舞蹈，将不同的小节组合成整个比赛动作后，再穿插个别高难度动作，整体动作就不显得单调枯燥，也不会使观赏者觉得动作局限性大，做出一套流畅优美的体操创新创意动作。
小提琴演奏
机器人小提琴演奏与机器人体操舞蹈表演的完美结合，是本款机器人亮点之一。在背景音乐的提示下，本款机器人用机器人拉小提琴，来丰富舞蹈内容。一个机器人拉小提琴，两个机器人做体操舞蹈动作，三者同时配合背景音乐，创造一个和谐融洽的舞台效果。
拉小提琴的机器人推拉节奏与背景音乐相一致，手起臂落，弓腰低头等细微的动作也必须要有，这样才能符合拉小提琴的优雅之姿。
人机互动斗舞
机器人与人的关系是本款机器人力求凸显的主题，人与机器人斗舞的情节就是本款机器人表现的主要形式，也是本款机器人在比赛中的最大亮点。斗舞过程中，从外貌到情节到音乐到动作，机器人与人的搭配都十分重要，细节之处也要在意，比如与机器人斗舞的人也身着背带牛仔裤工装，使整体舞台效果协调一致。改进时可着重发展人和机器人的配合互动。
在原有机器人的结构基础以及调试经验上，本文设计了一种适应新项目的体操机器人创新创意组合，通过进行结构优化、动作创新设计和优化、电气控制电路的升级以及控制程序的算法改进，完成了三台机器人的动作展示和协调配合，并在比赛现场表现良好，赢得了在场观众和各位评委老师的一致认可。下一步应该加入更多自动控制上的策略和硬件，使机器人脱离传统PC机上调试的低效率方法，实现通过反馈调节的闭环控制策略，使机器人的动作有更强的适应性，减少冗长乏味的调试工作。
P.S.：2017中国工程机器人大赛暨国际公开赛5月27日在徐州中国矿业大学开幕，欢迎围观！
本文摘编自中国工程机器人大赛暨国际公开赛技术委员会编《中国工程机器人大赛精选案例1》（北京：科学出版社，2017.5），内容有删节。
ISBN 978-7-03-053050-9
责任编辑：惠雪
针对中国机器人竞赛的具体项目，本书是从中国工程机器人大赛暨国际公开赛获奖案例中精选出的28 个技术案例。这些精选的案例都具有代表性，并获得广大学生和机器人爱好者的关注。每个案例都详细介绍设计创意的来源、整体思路、硬件设计、软件设计、系统开发调试和优化等内容。
按照不同类型，这些精选技术案例分为7 篇，分别为：工程创新创意设计篇，包括无人机、机器狗、壁面作业机器人、履带式遥控扫雷车和工业创新智能小车等；仿人竞速机器人篇，包括交叉足机器人和单电机交叉足机器人；旋翼飞行器篇，包括四旋翼和六旋翼飞行器；搬运机器人篇；竞技体操机器人篇；生物医学创新创意篇，包括基于动态光谱的血氧饱和度测量系统、基于脸部动作编码的机器人视觉人机接口，以及低功耗穿戴式血氧饱和度测量仪等；其他机器人篇，包括智能快递分拣机器人、工程越野机器人、越障机器人、仿生爬坡机器人等。此外，本书还提供了多个精选案例的相关程序代码的下载（http://robotmatch.cn/Contents/TechnicalReport/Programe.htm）。
本书既可作为高等学校电气工程、自动化、计算机等专业本科生的教材，也可作为机器人爱好者的学习资料。
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（本期编辑：王芳）
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