基于虚拟机的教育机器人软件设计

论文摘要

机器人是一个多种高新技术的集成体,涉及到当今许多前沿领域的科学技术。随着机器人技术的迅速发展,以机器人为载体的教育平台引起了国内外教育界的广泛重视。基于机器人的教育手段能够激发学生对高科技的兴趣,训练学生的创新性思维,培养学生的动手实践能力,尤其是计算机编程能力。在机器人教育活动积极开展的同时,对于教育机器人基础开发平台的研究也得到了蓬勃发展。国内外出现不少机器人教育产品。智能软件与机器人研究室研发的企鹅机器人是一款面向中小学生的教育机器人平台,用于科技馆机器人开放实验室的机器人科普活动。整个科普活动时间必须在2-3个小时内完成。面向的对象从小学生到中学生甚至是大学生。上述特殊的需求使得该平台软件的研发富有挑战性。根据机器人科普活动的目标和特点,提出了一个机器人科普教育平台的软件解决方案。软件系统分为三部分:图形化编程软件、机器人仿真软件和机器人控制软件。使用虚拟机技术构建了一个机器人虚拟机,并设计了相应的机器指令;设计了机器人程序的图形化指令,使用GuiToolkit开源图形工具包搭建友好的人机界面;使用开源物理引擎ODE（Open Dynamics Engine）实现虚拟机器人的仿真,使用OpenGL实现机器人及仿真场景的3D渲染。在软件平台中使用虚拟机器人,提高了学生调试程序的效率,同时也降低了错误程序对实物机器人的损害。在平台使用者的水平参差不齐的情况下,这项技术显得尤其重要。平台引入虚拟机技术,具有多项优点:解除图形化编程语言和机器人仿真对控制芯片的依赖性;降低用户调试机器人程序的难度;减少烧写控制器程序存储器的次数。平台在科技馆开放实验室的实际运行情况表明,本文的软件方案是有效的,达到了预期的目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景
• 1.2 教育机器人平台
• 1.2.1 教学方案
• 1.2.2 机器人实体
• 1.2.3 软件平台
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 本文工作
• 1.5 论文组织
• 1.6 本章小结
• 第二章 软件平台架构设计
• 2.1 引言
• 2.2 企鹅机器人教育平台概述
• 2.2.1 平台目标
• 2.2.2 机器人科普活动行程
• 2.2.3 实物机器人简介
• 2.2.4 机器人平台总体架构
• 2.3 软件总体设计
• 2.3.1 图形化编程软件功能描述
• 2.3.2 机器人仿真软件功能描述
• 2.3.3 机器人控制软件功能描述
• 2.4 本章小结
• 第三章 机器人虚拟机的设计
• 3.1 引言
• 3.2 虚拟机技术概述
• 3.3 机器人虚拟机的设计
• 3.3.1 指令集设计
• 3.3.2 硬件接口程序
• 3.3.3 虚拟机运行流程图
• 3.4 图形化编程软件的设计
• 3.4.1 图形化指令设计
• 3.4.2 图形化编程的人机交互设计
• 3.5 机器人程序编译流程
• 3.6 图形化语言与汇编语言的映射例子
• 3.7 本章小结
• 第四章 虚拟机器人的设计
• 4.1 引言
• 4.2 物理引擎概述
• 4.3 虚拟机器人的构造
• 4.3.1 本体仿真
• 4.3.2 执行机构仿真
• 4.3.3 传感器的仿真
• 4.4 虚拟机器人仿真流程
• 4.5 人机交互界面设计
• 4.5.1 仿真软件界面说明
• 4.5.2 界面类图设计
• 4.6 本章小节
• 第五章 软件平台应用
• 5.1 引言
• 5.2 软件运行环境
• 5.3 软件操作步骤示例
• 5.4 系统实际运行情况
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢