移动机器人控制软件的设计和实现
作者：李晓明 文章来源：https://www.doczj.com/doc/d915347765.html, 更新时间：2006-8-9 17:25:55 点击数： 2742
简介：现在做一个移动机器人是很容易的一件事，车体自己可以加工，或买现成的；避障可以用超声阵列；
导航可以用激光测距 LMS；定位可以用电子地图加 LMS 加陀螺仪；然而控制软件却只能自己编写。本文 或许可以给你一些启示。
相关链接 基于 VIA 平台的移动机器人
移动机器人的使用现在非常多，做一个移动机器人似乎也很容易，车体自己可以加工，也可以去 买现成的；避障可以用超声阵列；导航可以用激光测距 LMS；定位可以用电子地图加 LMS 加陀 螺仪；驱动可以用各种电机及配套驱动器或者自己做；通讯可以去买现成的无线通讯模块，可以 是数字的，也有模拟的；大范围定位可以用 GPS 模块，也是现成的；至于什么红外，蓝牙，甚 至计算机视觉都可以去市场上买，但是（然而）为什么做一个移动机器人还是这么难呢？尤其是 对一个新手而言。一个老外说过，硬件是现成的，软件算法杂志里有的是，很多可以在网上当， 但即使是一个博士生也要花费很长的时间完成一个实际可用的移动机器人。为什么？因为机器人 使用的困难在使用软件的设计上。前面那个老外也说过，现在什么都可以在网上当，唯独使用程 序不能。有过自己写移动机器人程序的人可能会理解这段话，当然也仅仅是可能，因为不排除有 很多机器人大拿一上来就可以写出很棒的移动机器人软件。
移动机器人的控制软件开发是和硬件紧密相关的，甚至和机器人的体系结构也密切相关，同样是 移动机器人，有的是用 PC 控制的，有的是用多个嵌入式系统实现的，有的则是多机器人协同工 作的，操作系统有人会用 DOS，有人会用 Windows，有人会用 Linux，有人会用 Embeded Operation System。硬件平台有的用 x86，有的用 ARM 芯片，有的会用 DSP，通讯里面会 有串口，TCP/IP 网络，无线以太网，红外，蓝牙等，甚至驱动机构也不一样，有的是用腿，有
移动机器人控制系统的发展方向 摘要随着计算机技术、传感器技术的不断发展，对于机器人领域的发展具有一定的促进作用。而由于移动机器人具有能够自治与移动的特征，在机器人领域处于核心地位。在复杂、危险的环境中，移动机器人所发挥的作用是有目共睹的。对此，对当前国内外较为常见的移动机器人控制系统进行剖析，并在此基础上论述了该领域的未来发展方向。 【关键词】移动机器人控制系统发展方向 移动机器人属于能够自动执行工作任务的机器，不但能够按照事先编译的程序运行，同时人类还可对其指挥。当前主要被运用在生产业、建筑业以及航空航天领域，而该领域的发展情况直接关系到国家综合实力的提升速度，对此加强对移动机器人控制系统的发展情况，以及未来发展方向的研究势在必行。 1 国内外常见的移动机器人控制系统 相对于国内在移动机器人的研究状况，能够看出国外在该领域的研究是较早的，其中具有代表性的有Saphira、TeamBots以及ISR。而在国内方面，代表性的有OSMOR、ZJMR以及Agent。下面，便对较为常用的控制系统进行介绍：
1.1.1 Saphira控制系统 Saphira控制系统是移动机器人领域中最早的系统，是有SRI国际人工智能中心在1990年所研发的，此系统是基于本地感知空间的共享内存与黑板，来实现协调与通信进程。由于Saphira是采用C语言来进行开发的，同时支持Windows 与Unix系统，因此具有文档资料相对完整、系统资源占用少等特征。但是需注意的是，由于Saphira系统在定位方面无法达到当前的实际需求，因此运用是相对较少的。 1.1.2 TeamBots控制系统 本系统是基于Java包与Java应用程序而构建的，经过20余年的发展后，此系统截止到目前已经被运用到多种类型的机器人平台当中。除此之外，在适用的操作系统方面，其中具有代表性的有Windows、MacOS以及Linux等，因此其运用的范围是更加广泛的。 1.1.3 ISR控制系统 ISR是基于行为的控制模式，其中是有任务执行层、反映层以及推理层所构成的，是有CAS研究中心所研发的。其中，任务执行层的作用是执行推理层所传输的指令；反映层其中包含资源、控制器以及行为；推理层的功能是根据用户的指令来对决策进行制定。此外，ISR控制系统仅能够在Linux中进行操作，并且没有公开化使用。
全向移动机器人的运动控制 作者：Xiang Li, Andreas Zell 关键词：移动机器人和自主系统，系统辨识，执行器饱和，路径跟踪控制。 摘要：本文主要关注全向移动机器人的运动控制问题。一种基于逆运动学的新的控制方法提出了输入输出线性化模型。对执行器饱和及驱动器动力学在机器人性能体现方面有重要影响，该控制法考虑到了以上两个方面并保证闭环控制系统的稳定性。这种控制算法常用于真实世界的中型组足球机器人全方位的性能体现。
1.介绍 最近，全方位轮式机器人已在移动机器人应用方面受到关注，因为全方位机器人“有一个满流动的平面，这意味着他们在每一个瞬间都可以移动，并且在任何方向都没有任何调整”。不同于非完整的机器人，例如轮式机器人，在执行之前具有旋转任何所需的翻译速度，全方位机器人具有较高的机动性并被广泛应用在动态环境下的应用，例如在中型的一年一度的足球比赛。 大多数移动机器人的运动控制方法是基于机器人的动态模型或机器人的运动学模型。动态模型直接描述力量施加于车轮和机器人运动之间的关系，以外加电压的每个轮作为输入、以机器人运动的线速度和角加速度作为输出。但动态变化所造成的变化的机器人惯性矩和机械组件的扰动使控制器设计变得较为复杂。假设没有打滑车轮发生时，传感器高精度和地面足够平坦，由于结构的简单，因而运动模型将被广泛应用于机器人的设计行为中。作为输入运动学模型是机器人车轮速度，输出机器人的线速度和角速度，机器人的执行器的动力都快足以忽略，这意味着所需的轮速度可以立即达到。然而，该驱动器的动态极限，甚至降低了机器人在真实的情况中的表现。 另一个重要方面是机器人控制的实践：执行器饱和。因机器人轮子的指挥电机速度是有饱和的界限的，执行器饱和能影响到机器人的性能，甚至使机器人运动变得不稳定。 本文提出了一个全方位的机器人的一种运动控制方法，这种控制方法是基于逆输入输出的线性的运动学模型。它需要不仅考虑到驱动器动力学的识别，但也需要考虑到执行器饱和控制器的设计，并保证闭环控制系统系统稳定性。 本文其余的部分：在2节介绍了运动学模型的一个全方位的中型足球机器人；在3节介绍了路径跟踪与定位跟踪问题基于逆运动学模型的输入输出线性化的解决方法，其中包括执行器饱和分析；4部分介绍了动态识别器及其在控制性能方面的影响；最后的实验结果和结论讨论部分分别在5和6。
燕山大学 课程设计说明书 题目：移动机器人轨迹跟踪软件设计（站点设计）学院（系）：电气工程学院 年级专业： 10级过程控制二班 学号： 学生姓名： 指导教师：陈贵林李雅倩
燕山大学课程设计（论文）任务书
2013年11 月25 日
目录 前言……………………………………………………………………………第一章设计思路……………………………………………………………第二章程序…………………………………………………………… 第三章算法…………………………………………………………… 心得体会
前言 机器人的应用越来越广泛,几乎渗透到所有领域。移动机器人是机器人学中的一个重要分支。早在60年代,就已经开始了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,移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。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、防核化污染等危险与恶劣环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 关键字：移动机器人
第一章设计思路 1.1 机器人的介绍 机器人的诞生和机器人控制技术发展作为20世纪自动控制原理最具说服力的成就、人类科学技术进步的重大成果[1]，是现代计算机与自动化等技术高速发展的产物，同时也是当代最高意义上的自动化。自1956年第一台工业机器人诞生之日起，机器人的应用越来越普及。20世纪60年代末机器人开始进入商业化和工业领域以来，机器人的应用范围已经遍及到工业、国防、宇宙空间、海洋开发、医疗保健、抢险救灾等人类生活的各个方面。机器人由于具有高度的灵活性、快速的反应能力以及巨大的信息处理能力，使其能够在很多环境替代人进行工作。从重复动作的流水线机械手到智能机器人，从平地到高山海底甚至太空，以至于在比较恶劣危险的工作环境，都是机器人发挥其作用的重要舞台，然而控制系统作为机器人的心脏，其性能的好坏直接决定了机器人的智能化水平。近年来对移动机器人的研究已成为了一大热点，促进了移动机器人在各个领域中的进一步应用，本文也将在这一方面进行一些分析和研究。智能移动机器人，是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。它集中了传感器技术、信息处理、电子工程、计算机工程、自动化控制工程以及人工智能等多学科的研究成果，代表机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一。随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探测领域等有害与危险场合得到很好的应用。因此，移动机器人技术已经得到世界各国的普遍关注。 1.2 实训任务分配 本次的设计任务在老师的帮助下得到了细致地划分，而且也增加了一些项目，总体来说任务分为三大块：1.轨迹的识别与跟踪。2.站的设计。3.自定义轨迹的运行。这三部分的任务既是相互独立的又是相互联系的。 首先来分析第一个任务：轨迹的识别与跟踪，这个任务包含了摄像头的初始化以及图像的采集以及图像的存取，轨迹的识别用到了一个算法。机器人的控制也是这个任务包含的一个总要部分，其中包括了速度控制，方向控制等等。 第二个任务是站的设计，老师提到了“站”这个概念，这是在工厂的生产中的一些重要的机制，也是非常有实用性的一个设计。 第三个任务是自定义轨迹的运行，老师提到了可以设计一个圆形轨迹也可以设计一个方形轨迹，机器人的这种运动在生产生活中的应用也是很广泛的。
文章编号 2 2 2 一种移动机器人轮子打滑的实验校核方法3 王卫华 熊有伦 孙容磊 华中科技大学机械科学与工程学院 湖北武汉 摘要 提出一种机器人不受磁场干扰情况下 利用编码器和电磁罗盘校核轮子打滑的方法 该方法定义机器人轮子打滑的模型 利用该模型能够判断轮子是否发生滑动 当机器人轮子打滑时 提出一种算法来判断哪个驱动轮打滑并校核轮对应的方向误差和位置误差 试验结果表明了本文算法的有效性 关键词 轮子打滑 测程法 定位 移动机器人 中图分类号 ×° 文献标识码 ΑνΕξπεριμενταλΧαλιβρατιονΜετηοδφορ?ηεελ2σλιππαγεινΜοβιλεΡοβοτσ ? ? 2 ∏ ÷ ≠ ∏2 ∏ ≥ 2 (ΣχηοολοφΜεχηανιχαλΣχιενχεανδΕνγινεερινγ,ΗυαζηονγΥνι?ερσιτψοφΣχιενχεανδΤεχηνολογψ,?υηαν ,Χηινα) Αβστραχτ:× 2 π 2 ∏ √ √ √ 2 ∏ 2 ∏ ∞? ∏ √ Κεψωορδσ: 2 1引言(Ιντροδυχτιον) 测程法 是使用最广泛的移动机器人定位方法≈ 它不需要外部传感器信息就能实现对机器人位置和方向的估计 能够提供很高的短期定位精度 测程法是一种自包含的定位方法 方法简单!低成本并且容易实时完成≈ 它的缺点在于无界的误差累积≈ 测程法的误差可以分为系统误差和非系统误差≈ 考虑测程法的误差时 方向误差是主要的误差源 机器人导航过程中小的方向误差会导致严重的位置误差≈ 当机器人在平坦的地面移动时 轮子打滑是主要的方向误差来源 目前已有国外学者提出了一些轮子打滑的校核方法 然而这些方法要么利用特殊设计的机器人结构来减少轮子打滑对定位精度的影响≈ 要么从动力学的角度来校核轮子打滑≈ 实现起来比较复杂 本文的试验平台为一台低成本的差分移动机器人× 它配置有精度为 β的电磁罗盘 在进行本文的试验之前 假定机器人不受磁场干扰 × 的系统误差由 等人提出的 方法≈ 校核 因此 本文在校核轮子打滑时不考虑测程法系统误差的影响 2轮子打滑模型(Μοδελφορωηεελ2σλιππαγε)当机器人旋转时,定义逆时针方向为正方向.假定机器人在第Κ个采样周期内由编码器获得的左轮和右轮位移增量分别为Υ (κ)和Υ (κ),那么机器人在这个采样间隔内的方向增量为: Η ∞ (κ)= Υ (κ)?Υ (κ) Β ( ) 其中Η ∞ (κ)为机器人方向增量,Β为机器人轮距.近 一步假定在该采样周期内由电磁罗盘测量的机器人 方向增量为Η ≤ (κ).定义: ?Η(κ)=Η ∞ (κ)?Η ≤ (κ)( ) 第 卷第 期 年 月机器人 ×? 3基金项目 国家自然科学基金资助项目 国家 计划资助项目 ≤ 收稿日期
智能移动式送料机器人机械系统设计 摘要：智能移动式送料机器人以电动机作为驱动系统，运用单片机传感器等技术达到其智能移动的目的，实现行走、刹车、伸缩、回转等多种动作的操作。因此它具有机械化、程序化、可控化、适应性、灵活性强的特点。 前言：工业机器人是一种典型的机电一体化产品在现代生产中应用日益广泛，作用越来越重要，机器人技术是综合了计算机、控制、机构学、传感技术等多学科而形成的高新技术是当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。
现在，国际上对机器人的概念已经逐渐趋近一致。一般说来，人们都可以接受这种说法，即机器人是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会给机器人下的定义：“一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机；或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。”我国研制的排爆机器人不仅可以排除炸弹，利用它的侦察传感器还可监视犯罪分子的活动。监视人员可以在远处对犯罪分子昼夜进行观察，监听他们的谈话，不必暴露自己就可对情况了如指掌。 智能小车，又称轮式机器人，可以在人类无法
适应的恶劣和危险环境中代替人工作。它是一个集环境感知，规划决策，自动驾驶等功能于一体的智能系统。现如今已在诸多领域有广泛的应用。对于快要毕业的大学生来说也是一个实时、富有意义和挑战的设计课题。 正文： 设计方案： 一课题名称：智能移动式送料机器人设计 二机器人工作过程及设计要求 自主设计智能移动小车，设计一个取料 手爪装配到小车上，完成取料机器人的机械系统设计，并进行机器人运动规划和取料虚拟仿真，使机
器人完成如下动作：沿规定路径行驶——工件夹取——车体旋转——手爪张开，将工件从储存处送到运料车上。 三机器人设计的内容 一机械手的设计：
? 197 ? ELECTRONICS WORLD?技术交流 移动机器人控制系统设计 广东工业大学 侯晓磊 随着移动机器人在人们社会生活中的地位不断提高，设计一种 可靠、稳定的机器人控制系统越发的变得重要起来，以NI公司的MyRIO控制器以其安全可靠、编程开发简单而脱颖而出。本文基于上述控制器、L298N电机驱动芯片Labview设计一种移动机器人控制软硬件系统系统，经验证，该系统运行稳定、可靠、高效。 1.前言 新一轮科技革命引发新一轮产业革命。“互联网+制造”构建工业4.0，智能制造成为我国由制造大国向制造强国转变的关键一步，移动机器人作为智能制造中的一个组成部分，作用越发的变得举足轻重。本文给出一种以MyRIO+L298N+Labivew的移动机器人控制系统。 2.IN MyRIO控制器 NI myRIO是NI最新设计的嵌入式系统设计平台。NI myRIO中内含双核ARM Cortex-A9，实时性高，并且还可以便捷定制FPGA I/ O，给开发设计人员提供更好的设计复杂系统的平台。 NI myRIO作为可重配置控制器具有以下重要特点： 易于上手使用：引导性安装和启动界面可使开发人员更快地熟悉操作，协助开发人员快速了解工程概念，完成设计任务。编程设计简单，利用实时应用、内置WiFi等功能，开发人员可以实现远程部署应用，“无线”操控。 板载资源众多：有丰富的数字I/O接口，提供SPI串行外设接口、PWM脉宽调制输出端口、正交编码器输入端口、UART异步收发器端口和I2C总线接口、多个单端模拟输入、差分模拟输入和带参考的模拟输入等可供选择的资源。 另外，NI MyRIO还提供可靠性能较好的控制器保护电路，防止由于意外操作造成控制器不可恢复性损坏，总之，NI MyRIO为开发人员提供了一个编程简易，设计电路方便，不用刻意担心意外操作而影响控制器使用的平台。 3.L298N电机控制芯片 L298N是一种用来驱动电机的集成电路，可以较稳定的输出平稳电流和较强的功率。工作均电流为2A，最高可达4A，最高输出电压为50V，能够带动带有感性元件的负载。控制器可以直接通过输入输出口与电机驱动芯片联接，从而方便控制驱动芯片的输出。如将芯片驱动直流电机时，可以直接与步进电机相联接，通过调节控制器输出实现步进电机的的正反转功能当控制直流电机时，可以通过调节控制芯片的电压信号的极性，PWM波的占空比，从而实现直流电机转速和转向的调节。4.系统硬件部分设计 系统采用MyRIO整体框架，外围增设电机驱动电路、避障驱动电路、里程计电路、液晶显示电路、陀螺仪电路。通过MyRIO主控制发送控制信号驱动移动机器人运动，实时通过外围传感器获取位置信息反馈给主控制 器，然后控制器通过闭环系统调节当前位置以保证对目标位置的追踪。 图1 5.系统软件部分设计 系统软件部分采用经典控制理论的闭环控制系统，将电机、主控制器和外设传感器构成闭环系统，通过调节闭环统的参数，来使 移动机器人以较小偏差追踪按照预定轨迹。 图2 6.结束语 本文介绍了基于NI MyRIO控制器设计移动机器人控制系统，通过仿真和实物测试，能较好的完成对任务的追踪踪。 参考：From Student to Engineer:Preparing Future Innova-tors With the NI LabVIEW RIO Architecture https://www.doczj.com/doc/d915347765.html,.2014-04-01；王曙光,袁立行,赵勇.机器人原理与设计.人民邮电出版社,2013 。
附录： 外文资料与中文翻译 外文资料： Robots First, I explain the background robots, robot technology development. It should be said it is a common scientific and technological development of a comprehensive results, for the socio-economic development of a significant impact on a science and technology. It attributed the development of all countries in the Second World War to strengthen the economic input on strengthening the country's economic development. But they also demand the development of the productive forces the inevitable result of human development itself is the inevitable result then with the development of humanity, people constantly discuss the natural process, in understanding and reconstructing the natural process, people need to be able to liberate a slave. So this is the slave people to be able to replace the complex and engaged in heavy manual labor, People do not realize right up to the world's understanding and transformation of this technology as well as people in the development process of an objective need. Robots are three stages of development, in other words, we are accustomed to regarding robots are divided into three categories. is a first-generation robots, also known as teach-type robot, it is through a computer, to control over one of a mechanical degrees of freedom Through teaching and information stored procedures, working hours to read out information, and then issued a directive so the robot can repeat according to the people at that time said the results show this kind of movement again, For example, the car spot welding robots, only to put this spot welding process, after teaching, and it is always a repeat of a work １
第25卷第2期 系统工程与电子技术 Systems Engineering and E lectronics V ol 125,N o 122003 收稿日期:2001-12-04 修订日期:2002-04-15 作者简介:杨福广(1974-),男,硕士研究生,工程师,主要研究方向为机器人控制。 文章编号:10012506X (2003)022******* 全方位轮式移动机器人控制器设计与实现 杨福广1,周风余1,侯宏光2 (1.山东科技大学机器人研究中心,山东济南250031;2.海军潜艇学院,山东青岛266071) 摘 要:全面介绍了一种全方位移动机器人的控制系统体系结构及软件的控制策略,包括采用的超声和激光传感器系统、网络化无线通讯系统、基于上下位机的计算机控制系统等方面。重点介绍了基于LM628的系统的伺服控制方法,并给出了机器人运动实验的结果,证明了系统的可行性。该系统适合在非结构化动态环境中进行分布式多Agnet (智能体)、多机器人的协作与协调、移动机器人路径规划与避碰等研究。 关键词:移动机器人;控制器;传感器中图分类号:TP24 文献标识码:A Design and R ealization of the Controller for the Mobile R obot With Full Mobility Y ANG Fu 2guang 1,ZH OU Feng 2yu 1,H OU H ong 2guang 2 (1.Shandong University o f Science &Technology ,Jinan 250031,China ; 2.Navy Submarine Academy ,Qingdao 266071,China ) Abstract :T he system con figuration of hardware and control strategy for rob ot with full m obility is introduced.T he sens or system including ultras onic and laser ,wireless communication system using netw ork and the control system based on master 2slave com puter are presented.T he serv o control meth od that based on LM628is introduced and the result which proves the feasibility is given.T his system is adapted to study distributed muti 2agent ,the cooperation and harm ony of muti 2rob ot ,path plan and obstacle av oidance of m obile rob ot in n one con figuration dynamic circumstance. K eyw ords :M obile rob ot ;C ontroller ;Sens or 1 引 言 近年来随着人工智能技术、计算机技术等相关技术的发展,对智能机器人的研究越来越多。轮式移动机器人 (W MR )可以作为各种智能控制方法(包括动态避障、群体协 作策略)的良好载体,同时又可以方便地构成网络化的分布式系统,开展多智能体的调度、规划等研究,所以对它的研究越来越受到重视。 本文全面介绍了一种全方位移动机器人的控制系统体系结构,包括传感器、通讯、伺服控制系统等,并给出了实验结果,证明了系统的可行性。 2 移动机器人的计算机控制系统的硬件 结构及工作原理 由于机器人不断移动的需要,系统采用充电电池供电。机器人硬件平台由两台工业PC 机、一块由LM628构成的伺服板、三个PW M 放大器和直流伺服电机组成。其结构框图如图1所示。系统可以分成以下四个模块:监控模块、感知 模块、路径规化和逆运动学计算模块、执行模块。 (1)监控模块 该模块的功能通过监控计算机来实现,在Win98下用 Visual C ++6.0开发,主要功能包括: ①任务描述 利用操作者规定的语言,描述对机器人的控制任务。 ②监控指令输入 在机器人完成任务的过程当中,操作者根据任务的执行情况以及环境的状况,对系统进行适当的干预,以充分发挥人的智能,构成人-机合作系统。如遇到不可避开的障碍、或者多个机器人运动过程中发生死锁等意外情况,都需要操作者适时的干预。 ③文本和图形的显示界面 以文本或者图形的方式实时地显示机器人系统的工作信息,包括当前正在执行的任务,机器人的位置、速度、障碍物等环境信息。 监控计算机是通过无线网络与每一个移动机器人取得联系的。 (2)感知模块 传感器作为机器人的感知部分,是机器人具有自主能力的重要前提条件。在W MR 系统中,共有三种传感器:超声、
毕业设计（论文）开题报告 题目轮式移动机器人的结构设计 专业名称机械设计制造及其自动化 班级学号 学生姓名 指导教师 填表日期2011 年 3 月 1 日
一、毕业设计（论文）依据及研究意义： 随着机器人技术在外星探索、野外考察、军事、安全等全新的领域得到日益广泛的采用，机器人技术由室内走向室外，由固定、人工的环境走向移动、非人工的环境。移动机器人已经成为机器人研究领域的一个重要分支。在军事、危险操作和服务业等许多场合得到应用，需要机器人以无线方式实时接受控制命令，以期望的速度、方向和轨迹灵活自如地移动。其中轮式机器人由于具有机构简单、活动灵活等特点尤为受到青睐。按照移动特性又可将移动机器人分为非全方位和全方位两种。而轮式移动机构的类型也很多，对于一般的轮式移动机构，都不能进行任意的定位和定向，而全方位移动机构则可以利用车轮所具有的定位和定向功能，实现可在二维平面上从当前位置向任意方向运动而不需要车体改变姿态，在某些场合有明显的优越性；如在较狭窄或拥挤的场所工作时，全方位移动机构因其回转半径为零而可以灵活自由地穿行。另外，在许多需要精确定位和高精度轨迹跟踪的时候，全方位移动机构可以对自己的位置进行细微的调整。由于全方位轮移动机构具有一般轮式移动机构无法取代的独特特性，对于研究移动机器人的自由行走具有重要意义，成为机器人移动机构的发展趋势。基于以上所述，本文从普遍应用出发，设计一种带有机械手臂的全方位运动机器人平台，该平台能够沿任何方向运动，运动灵活，机械手臂使之能够执行预定的操作。本文是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。 二、国内外研究概况及发展趋势 2.1 国外全方位移动机器人的研究现状 国外很多研究机构开展了全方位移动机器人的研制工作，在车轮设计制造，机器人上轮子的配置方案，以及机器人的运动学分析等方面，进行了广泛的研究，形成了许多具有不同特色的移动机器人产品。这方面日本、美国和德国处于领先地位。八十年代初期，美国在DARPA的支持下，卡内基·梅隆大学（Carnegie Mellon university,CUM）、斯坦福（Stanford）和麻省理工（Massachusetts Institute of Technology,MIT）等院校开展了自主移动车辆的研究，NASA下属的Jet Propulsion Laboratery(JPL)也开展了这方面的研究。CMU机器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5系列机器人代表了室外移动机器人的发展方向。德国联邦国防大学和奔驰公司于二十世纪九十年代研制成VaMoRs-P移动机器人。其车体采用奔驰500轿车。传感器系统包括：4个小型彩色CCD摄像机，构成两 组主动式双目视觉系统；3个惯性线性加速度计和角度变化传感器。SONY公司1999年推
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 移动机器人平台 2.1 引言 Pioneer是Active Media公司生产的一种移动机器人系列，这个系列有两轮驱动（室内移动机器人），也有四轮驱动的（室外移动机器人）（如图2-1所示）。这是一类小型移动机器人，其结构是由SRI International公司斯坦福大学的Kurt Konolige博士开发出来的。 图2-1 Pioneer 机器人系列 Pioneer Ⅰ是最初的设计型号，它引入了基于西门子68HC II的微控制器和PSOS（Pioneer Server Operating System）软件。它被设计在室内坚硬平整地面上移动，拥有坚固防滑的橡胶轮胎，还有一个双轮差分可反向驱动的系统，以及一个用于支撑的方向轮。 Pioneer II是Pioneer Ⅰ的改进型，它采用了西门子20MHz高性能的88C166微控制器。带有精度更高的轮式编码器来定位﹑测距。它还拥有面向360度范围的声纳环（前面8个，后面8个），基本达到了无缝测量。软件方面，Pioneer II采用的是P2OS（Pioneer 2 Operating System），它对Pioneer Ⅰ是向下兼容的，
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 扩展了原来的PSOS软件。 2.2 Pioneer II移动机器人硬件平台 Pioneer 2-Dx型机器人长44.5cm，宽40cm，高24.5cm ，重9kg，可载重23kg，最大的平移速度为1800mm/sec，最大的旋转速度为360deg/sec[35]。它提供了一个内嵌的西门子88C166微处理器(20MHz)，负责低层次的数据处理和命令执行。另外，它具有如下基本设备：十六个声纳测距装置、一个激光测距仪、十个避碰传感器、一个Cannon EVI-D30摄像头、一个遵循802.11b规约的无线网卡和两个RS-232串行接口等。在装满电池的情况下，该移动机器人可以连续运行近8个小时。这种机器人是即插即用（Plug and Play）的。除了上面说的这些部件外它还可以挂载其他传感器和一些附件。这些部件都是由车载微控制器（Onboard microcontroller）和移动机器人服务器端软件来控制管理的。 我们智能与复杂系统实验室使用的是DX型移动机器人，它主要由下列部件构成：控制台，通讯端口，摄像头，激光测量部件，声纳，轮式编码器，避碰传感器，语音系统，电子罗盘以及蓄电池。 2.2.1控制部件 Pioneer II控制部件包括微控制器和控制面板。微控制器就在控制面板下方，主要用于控制传感器，从传感器读取数据。并根据传感器数据由控制算法得到控制量，从而把控制量施加到驱动设备，完成本次任务。 控制面板一部分是与甲板连在一起的，另外一部分位于机器人的一侧。如图2-2所示。它包括一个液晶显示屏LCD，主要用来现实移动机器人的运行状态﹑内部信息以及相应的报警信息，比如说电池电量不足。在控制面板上还有一个MOTOR和RESET控制按钮以及相应的指示灯，是用来控制移动机器人运动的硬件开关；同时控制面板上还带有一个9针的D型接头串行口。
一种全向移动机器人 的实现 --------------------------------------------------------------------------作者: _____________ --------------------------------------------------------------------------日期: _____________
机械电子学 学院：机电工程学院 专业：机械设计及理论 班级：研1501 学号： 姓名：鹿昆磊 指导教师：李启光 日期： 2016年5月13日 一种全向移动机器人的设计
摘要:轮式机器人作为移动机器人中的重要分支之一,由于其承载能力强、定位精度高、能源利用率高、控制简单等优点，长久以来一直受到国内外研究人员的关注。移动机器人的研宄涉及到控制理论、计算机技术和传感器技术等多门学科。因此,对轮式移动机器人进行研宄具有一定的意义。本文对四轮独立驱动和转向移动机器人的机械结构设计、运动学以及控制程序设计进行了分析研宄。 关键词：移动机器人；四轮独立驱动和转向； As one of the important branch of mobile robotics, wheel mobile robot has long been paid attention to by the research people at home and abroad for its high load ability, positioning accuracy, high efficiency, simple control, etc. Mobile robot has close relation to many technologies such as control theory, computer technology, sensor technology, etc. Therefore, research on the mobile robot has important significance. KEYWORDS: Mobile Robot; Four Wheel Drive and Steering; 0 前言 机器人技术的发展对人类社会产生了深渊的影响。首先,机器人被使用在那控需要重复劳动的场合,它不仅能够很好的胜任人类的工作,还可以更有效、快捷地完成工作任务。其次,在一些危险、有毒等场合,机器人也被用来代替人类去完成相应的工作。最后,机器人被运用在那些人类暂时无法到达的地方,例如深海、空间狭窄等地方。 陆地移动机器人大致分为轮式移动机器人、腿式移动机器人、履带式移动机器人、跳跃式移动机器人等几种。其中轮式移动机器人以其承载能力强、驱动和控制简单、移动方便、定位精准、能源利用率高、现有研宄成果较多等良好的表现更受科研人员热捧,许多科研人员纷纷加入其中作进一步研究、探索。 本文使用45度麦克纳姆轮，四轮独立驱动形式工作，在平面内可以实现3自由度运动，它非常适合工作在空间狭窄、有限、对机器人的机动性要求高的场合中[1]。 1 工作原理 单独的麦克纳姆轮无法实现全方位移动，需要多个( 至少4个) 才能组成全方位移动平台。因此，有必要对全方位移动平进行运动学分析，以便为全方位移动平台控制算法提供理论依据。 图1是一种麦克纳姆轮，典型的采用4个麦克纳姆轮的全方位移动平台如图2所示，图中车轮斜线表示轮缘与地面接触辊子的偏置角度，滚子可以实现2自由度的运动，一个是绕车轴旋转的运动和一个绕滚子轴向的旋转运动。 以移动平台中心O点为原点建立 全局坐标系, 相对地面静止; 是车轮 i中心。在平面上，全方位移动平台具有 3 个自由度，其中心点O 速度车轮绕轮轴转动的角速度是，车轮中心的速度是，辊子速度是。 图1 麦克纳姆轮
一、毕业设计（论文）依据及研究意义： 随着机器人技术在外星探索、野外考察、军事、安全等全新的领域得到日益广泛的采用，机器人技术由室内走向室外，由固定、人工的环境走向移动、非人工的环境。移动机器人已经成为机器人研究领域的一个重要分支。在军事、危险操作和服务业等许多场合得到应用，需要机器人以无线方式实时接受控制命令，以期望的速度、方向和轨迹灵活自如地移动。其中轮式机器人由于具有机构简单、活动灵活等特点尤为受到青睐。按照移动特性又可将移动机器人分为非全方位和全方位两种。而轮式移动机构的类型也很多，对于一般的轮式移动机构，都不能进行任意的定位和定向，而全方位移动机构则可以利用车轮所具有的定位和定向功能，实现可在二维平面上从当前位置向任意方向运动而不需要车体改变姿态，在某些场合有明显的优越性；如在较狭窄或拥挤的场所工作时，全方位移动机构因其回转半径为零而可以灵活自由地穿行。另外，在许多需要精确定位和高精度轨迹跟踪的时候，全方位移动机构可以对自己的位置进行细微的调整。由于全方位轮移动机构具有一般轮式移动机构无法取代的独特特性，对于研究移动机器人的自由行走具有重要意义，成为机器人移动机构的发展趋势。基于以上所述，本文从普遍应用出发，设计一种带有机械手臂的全方位运动机器人平台，该平台能够沿任何方向运动，运动灵活，机械手臂使之能够执行预定的操作。本文是机器人设计的基本环节，能够为后续关于机器人的研究提供有价值的平台参考和有用的思路。 二、国内外研究概况及发展趋势 2.1 国外全方位移动机器人的研究现状 国外很多研究机构开展了全方位移动机器人的研制工作，在车轮设计制造，机器人上轮子的配置方案，以及机器人的运动学分析等方面，进行了广泛的研究，形成了许多具有不同特色的移动机器人产品。这方面日本、美国和德国处于领先地位。八十年代初期，美国在DARPA的支持下，卡内基·梅隆大学（Carnegie Mellon university,CUM）、斯坦福（Stanford）和麻省理工（Massachusetts Institute of Technology,MIT）等院校开展了自主移动车辆的研究，NASA下属的Jet Propulsion Laboratery(JPL)也开展了这方面的研究。CMU机器人研究所研制的Navlab-1和Navlab-5系列机器人代表了室外移动机器人的发展方向。德国联邦国防大学和奔驰公司于二十世纪九十年代研制成VaMoRs-P移动机器人。其车体采用奔驰500轿车。传感器系统包括：4个小型彩色CCD摄像机，构成两 组主动式双目视觉系统；3个惯性线性加速度计和角度变化传感器。SONY公司1999年推
附录： 文翻译外文资料与中 外文资料： Robots First, I explain the background robots, robot technology development. It should be said it is a common scientific and technological development of a comprehensive results, for the socio-economic development of a significant impact on a science and technology. It attributed the development of all countries in the Second World War to strengthen the economic input on strengthening the country's economic development. But they also demand the development ofment, in other words, we are accustomed to regarding robots are divided into three categories. is a first-generation robots, also known as teach-type robot, it is through a computer, to control over one of a mechanical degrees of freedom Through teaching and information stored procedures, working hours to read out information, and then issued a directive so the robot can repeat according to the people at that time said the results show this kind of movement again, For example, the car spot welding robots, only to put this spot welding proc the productive forces the inevitable result of human development itself is the inevitable result then with the development of humanity, people constantly discuss the natural process, in understanding and reconstructing the natural process, people need to be able to liberate a slave. So this is the slave people to be able to replace the complex and engaged in heavy manual labor, People do not realize right up to the world's understanding and transformation of this technology as well as people in the development process of an objective need. Robots are three stages of developess, after teaching, and it is always a repeat １