论 国内外可移动机器人的发展现状 移动机器人是机器人学中的个重要分支。早在年代就己经开始 有关于移动机器人的研究。关于移动机器人的研究涉及许多方面首先要 考虑移动方式可以是轮式的履带式腿式的对于水下机器人则是推 进器。其次必须考虑驱动器的控制以使机器人达到期望的行为。第三 必须考虑导航或路径规划对于后者有更多的方面要考虑如传感融合 特征提取避碰及环境映射。因此移动机器人是个集环境感知动态决 策与规划行为控制与执行等多种功能于体的综合系统。由于对移动机器 人的研究提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题引起越来越多 的专家学者和工程技术人员的兴趣更由于它在军事侦察扫雷排险核 化污染等危险与恶劣坏境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景使 得对它的研究在世界各国受到普遍关注。国外在移动机器人方面的研究起步 较早不管是在应用还是在研究方面日本和美国都处于遥遥领先的地位。 美国国家科学委员会曾预言世纪的核心武器是坦克。世纪的核心武 器是无人作战系统其中年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部 队并走向战场。为此从年代开始美国国防高级研究计划局 专门立项制定了地面无人作战平台的战略计划。从此在全世界掀开了全 面研究室外移动机器人的序幕。 初期的研究主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理 并建立实验系统进行验证。虽然由于年代对机器人的智能行为期望过 高导致室外机器人的研究未达到预期的效果但是却带动了相关技术的发 展为探讨人类研制智能机器人的途径积累了经验同时也推动了其它国家 对移动机器人的研究与开发。进入年代随着技术的进步移动机器人 开始在更现实的基础上开拓各个应用领域向实用化进军。如由美国 资助研制的丹蒂八足行走机器人是个能提供对高移动性机 器人运动的了解和远程机器人探险的行走机器人年在斯拍火山的火 山口中进行了成功的演示。美国研制的火星探测机器人索杰那于 年登上火星。为了在火星上进行长距离探险又开始了新代样机的研制 命名为并在湖的岩溶流上和干枯的湖床上进行了成功的实 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计论文 验。此外在民用方面可移动机器人在国外己被广泛用于扫除割草室 内传送导盲导游导购室内外清洗和保安巡逻等各个方面。另外国 外还在高完整性机器人遥控移动机器人环境与移动机器人系统生态机 器人学多机器人系统等方面作了大量的研究。国内在移动机器人方面的研 究起步较晚大多数研究尚处于个单项研究阶段主要的研究工作有清 华大学智能移动机器人于年通过鉴定。涉及到五个方面的关键技术基 于地图的全局路径规划技术研究准结构道路网环境下的全局路径规划具 有障碍物越野环境下的全局路径规划自然地形环境下的全局路径规划基 于传感器信息的局部路径规划技术研究基于多种传感器信息的感知动 作行为基于环境势场法的感知动作行为基于模糊控制的局部路 径规划与导航控制路径规划的仿真技术研究基于地图的全局路径规划系 统的仿真模拟室外移动机器人规划系统的仿真模拟室内移动机器人局部 路径规划系统的仿真模拟传感技术信息融合技术研究差分全球卫星定 位系统磁罗盘和光码盘定位系统超声测距系统视觉处理技术信息融 合技术智能移动机器人的设计和实现智能移动机器人的体系结 构高效快速的数据传输技术自动驾驶系统。此外还有香港城市大学 之。 体系结构机器人的智能系统具有以下特点信息密集多层次的信息 与知识表示方式与环境交互丰富多样信息与知识分布存储等。所以它 是个高智能多系统的复杂系统工程不是单元技术的简单连接系统的 总功能是各种分系统在多层次的协调和分工中集成因此机器人的总体集 成技术是个核心问题其主要内容是机器人的体系结构研究。体系结构的 研究主要针对有意识行为和反射行为而展开的如何将两者相统是目 前的个研究热点。早期的移动机器人研究都是在室内进行的其体系结 构般只能在积木世界中运行。德国为在自动化工厂中运行的自动导 引车设计了种分层体系结构。德国还开发了种具有很高水平的移动 机器人系统其体系结构基本上采用模型的思想。美国 的人工智能实验室提出了包容体系结构思想并建立了系列新型的移动机 器人。包容体系结构采用所谓感知动作结构也称基于行为的结 构。些实验表明包容体系结构在处理动态环境中不确定性和模仿动物的 低级反射行为方面具有很多优点。最近又提出了基于行为控制思想的新型 体系结构。目前这种基于行为控制的体系结构还处于理论探讨阶段很多 工作有待深入。 移动机器人路径规划技术移动机器人的路径规划就是给定机器人及 其工作环境信息按照种优化指标寻求有界输入使系统在规定的时间内 从起始点转移到目标点。机器人路径规划的研究始于世纪年代目前 对这问题的研究仍十分活跃许多学者做了大量的工作。其主要研究内容 按机器人工作环境不同可分为静态结构化环境动态己知环境和动态不确定 环境按机器人获取环境信息的方式不同可分为基于模型的路径规划和基于 传感器的路径规划。运动规划是移动机器人的个重要问题对于自由 运动的机器人即机器人的运动不受约束运动规划问题可以通过在自由位 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计论文 形空间内计算条路径加以解决这样的条路径与工作空间内的条可行 的自由路径相对应。但是移动机器人运动受到非完整性约束并不是任意路 径都定是可行的。在复杂动态的环境中还要考虑运动中的避障问题因 此移动机器人的运动规划是个比较复杂的问题。尚有许多的问题有待研 究。 导航与定位在移动机器人的应用中精确的位置知识是个基本问 题。有关位置的测量可分为两大类相对和绝对位置测量。使用的方法可 分为种里程计惯性导航磁罗盘主动灯塔全球定位系统路标导 航和地图模型匹配。 方案分析及设计要求 本文所讨论机器人系统运动学模型近似于汽车因此称为轮型机器人 它的组态由机器人在工作环境中的位态确定。它作为种小型轮式移动机器 人是种非线性控制系统。为了能发挥将来加载到这种机器人上的功能 因而对小车性能作了要求。 作为主要在室内工作的机器人长度不宜超过高度要控制在机 器人平衡稳定运作的范围内。因此车体在保证稳定的情况下做的尽量小 各部件排列方式应尽量减小纵向尺寸使车体紧凑。内置于其中的电路板和 电池的尺寸也要受到限制。设计电路是要尽量选用功能大集成度高的芯 片而电池要选用体积小并且耐用的型号。因此本课题控制器设计选用 系列单片机来实现控制电路的架构并且减少外围逻辑电路使板面 布局紧凑。 车体系统的运动是影响系统性能决定机器人性能达标的重要因素。因 此在软硬件选型时满足快速性准确性要求是考虑的第要素之。要 求机构能够具有更大的灵活性与柔性能够具有更大的跨越障碍的能力。最 好采用减震设计它有利于保护机器人各组成部件特别是电器元件。 相对于工业环境来讲设计的机器人所处的环境所受的强磁干扰要小得 多但是要达到系统运作实时准确些干扰就显得较为明显 首先机器人体积很小电机及其驱动系统处理器系统无线模块同 处于很小的空间这几部分之间的相互干扰特别是电机及其驱动系统对处 理器的干扰无线模块对处理器的干扰以及无线通讯所特有的噪声干扰都不 容忽视。本课题中分别采用了硬件抗干扰设计和软件抗干扰设计。其次 机器人工作环境周围的电器将对其产生影响。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计论文 论文主要完成工作 课题主要完成轮型机器人驱动电机选择驱动芯片的选择及程序的编 制驱动电路设计。 机械结构部分包括机器人构成方案选择机器人本体机构设计和驱动 电机的选择 针对设计要求结合所选用的电机设计电机的驱动模块并讨论系统 设计的可靠性问题 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计论文 第章轮型机器人结构设计及硬件选择 机器人运动方式的选择 机器人运动方式归纳起来基本有三种轮子方式履带方式和腿足方 式。为了得到设计需要最合适的方式对以上三种方式做了简单的比较如下 表所示 表运动方式的比较 因素 方式 适应的环境 驱动方面的考虑 机构方面的考虑 轮子方式 适于室内硬路 面等平整地面 特别不适合松软 或崎岖地面。 驱动方式简单多 样力矩相对较小 主要有两轮驱动 兼转向加随动轮 两轮差动加辅助 轮驱动轮加转向 轮。 机构实现相对简 单相互约束条件 少稳定性较好 轮子安装需要定 精度要求。 履带方式 适应环境最广 泛特别是崎岖 不平地和湿洼地 形。 驱动方式单力 矩较大使用两侧 轮差动实现驱动 和转向不需要辅 助轮。 机构实现较轮子复 杂需要履带的张 紧设计支撑面积 大稳定性好。 腿足方式 适应范围较广 适应地形受其步 态影响不适合 崎岖山路。 驱动复杂对平衡 和稳定要求极高 自由度越多驱动 控制部分越多。 有较多的运动部件 和关节要求较高 的加工和装配等 级对材料性能要 求较高。 通过对以上方式的比较我们选用轮子方式做为机器人运动方式它符 合我们的设计要求适应室内活动环境需要动力较小能量消耗少结构 实现简单可靠。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计论文 轮型机器人驱动方案的选择 轮式机器人的机械结构如图图图所示 图驱动结构 图前轮驱动兼转向结构 图后轮驱动前轮转向结构 如图所示采用两轮驱动的结构驱动轮分别由两套直流伺服 系统驱动提供需要的转速或者力矩前轮为万向轮可任意移动。这种结 构优点简单轻便控制性好运动灵活转弯半径小。缺点承载能力低 对地面环境的要求高。 图中的机器人称为前轮驱动轮型机器人后轮为辅助轮方向不 变前轮为驱动轮兼转向轮两轮驱动速度相同转向速度致