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、
激光和增量式光电码盘。W MR 上安装的8个超声传感器用来探测周围2m 内的障碍物信息。激光传感器结合路标用来提供机器人在工作环境中的全局的位置信息。这两种传感器的信号通过2#计算机的实时处理(处理周期为200ms )形成位置和障碍物的信息,然后通过并行口将信息发送给
1#计算机。另外,每个电机上装有增量式光电码盘,除了
用来实现轴空间的位置闭环,还可以通过对轮子码盘值做差分并积分的方法得到忽略轮子滑动的里程计。
(3)路径规划以及运动学求解、轨迹插补模块
此模块的硬件平台是1#计算机,软件平台是实时多任务操作系统QNX 。采用QNX 避免了基于DOS 或WI NDOWS 环境下产生的任务死锁、混乱及多任务调试困难等缺点,它是整个移动机器人的核心。规划层的任务是接受监控计算机的总体任务,然后根据传感器提供的W MR 的状态信息和障碍物信息进行世界坐标系中的总体任务规划,以固定的时间节拍(100ms )进行世界坐标系中的任务插补,向伺服层提出下一个100ms W MR 在世界坐标系中描述的任务ΔX 、ΔY 、ΔΨ,然后通过世界—机器人坐标系的转换以及逆运动学求解,得到关节空间100ms 的任务,并在关节空间,进行周期为
10ms 的直线插补,得到每10ms 关节空间的任务。最后规划
层根据10ms 的关节空间任务做出速度梯形图,得到这个周期中的速度、加(减)速度的值
。
(4)执行模块
传统的分级式控制器一般都采用通用微机或以单片机作为下位机来实现位置控制,外围电路复杂,计算速度慢,上位机和下位机同步困难,从而导致控制精度不够理想。在此系统中我们采用了National Semiconductor 公司的智能化专用
控制芯片LM628来构成伺服控制系统的核心———伺服板(通过IS A 总线与PC 接口),它适用于由正交增量式光电编码器提供位置反馈的交直流伺服控制系统,能完成高性能数字运动控制中的实时计算工作。在QNX 下用Watcom C/C ++编
写LM628的驱动程序。LM628的功能原理图如图2所示。主要性能和特点如下:
(1)具有32位的位置、速度、加速度寄存器;(2)具有8位并行异步主计算机接口;(3)有实时可编程的主机中断;
(4)具有16位系数的动态可编程改变的数字PI D 参数;(5)运动中可以改变速度、目标位置;
(6)可实现位置闭环和速度闭环两种工作方式;(7)具有梯形速度图规划生成器;(8)具有8位或者12位的D/A 输出;
(9)带有索引脉冲(Z 脉冲)的正交增量式码盘接口;(10)运行在6MH z 的时钟频率
。
本系统中的伺服控制器共有三个LM628组成,实现位置闭环控制。PW M 放大器和测速机实现速度闭环,PW M 放大器内部实现电流闭环。系统的控制策略的结构图如图3所示。 每间隔10ms 1#计算机通过IS A 总线把规划的关节空间的位移、速度、加速度送到LM628的接口寄存器中。
LM628在接到1#计算机的任务后按照设定的控制方式(P 、
PI 、PI D )完成位置闭环控制。每341μs 进行一次位置、速度的检查,如果未达到指定的位置或速度,则继续运动或者加速,将达到位置时会自动地按照设定的加速度进行减速。最终作到关节空间的位置闭环。这不但克服了一般的单片机的运算速度慢,精度低的问题,也使1#计算机能够有更多的时间处理其他的任务。规划与计算模块每10ms 读一次码盘值,并与上一次的码盘值做差分,然后除以10ms ,这样可以得到在这个10ms 当中轮子的平均速度,把这个平均速度积分后经过机器人—世界坐标系的转换,就得到了W MR 在世界坐标系中的位置信息(忽略轮子与地面的相对滑动)。
在执行层设计了两个保护:(1)如果规划后的最大速度超过了系统设定的最大速度(属于意外情况),那么规划层将产生报警信号,并同时通过使能操作禁止LM628的信号输出
从而使W MR 停止运动;(2)如果某一路规划的码盘值与实际返回的码盘值相差2000码(电机的半转),认为有轮子遇到障碍堵转,禁止LM628的输出使W MR 停止运动,同时产生报警信号。
3 实 验
在实验过程中,反馈量是根据码盘值通过逆运动学运算得到的,读取码盘值的时间间隔是10ms ,图像是离线后根据实验数据绘制的。在本系统中,使用的码盘为4000码/转,
?
112?第2期全方位轮式移动机器人控制器设计与实现
齿轮的传动比为15:1,W MR 轮子半径为60mm ,因此这个系统的控制精度为
2
πR/(4000×15)=0.00628mm 实验1 初始时W MR 的坐标系与世界坐标系重合,让
W MR 先逆时针转动360°,转动的最大速度为9°/s ,加速时间100ms ,运动的时间为42.1s 。然后顺时针转动360°,转动的
最大速度为15°/s ,加速时间为200ms ,运动的时间为25.5s 。得到的实验图像见图4～图7
。
图4 W MR 的转角随时间的变化关系 图5 反馈的角速度
图4是W MR 的转角随时间的变化关系。在反馈的角度中,最大值为360.003°,最小值为-0.0029°,反映了系统的静态误差很小。图5是反馈的角速度。图6是规划的角度与实际转过的角度的差与时间的关系,它反映了系统的动态的性能。由图可见在运动的过程中,规划的角度要比实际转过的角度大,但在任务结束时,规划的角度与实际的角度的差很小。在运动过程中,如要求的速度越大,则这个角度差越大。图7是在W MR 的转动过程中的中心的位置,可见W MR 的中心出现了偏移(理想情况下应该在坐标原点),但这个偏移在各个方向上基本相同且很小,最大值的绝对值小于
0.04mm 。
实验2 初始时W MR 的坐标系与世界坐标系重合,命令W MR 沿Y 轴的方向以最大速度250mm/s 移动2m ,加速时
间400ms ,然后沿负Y 轴方向以最大速度350mm/s 运动到(0,
0)点。加速时间600ms
。
图6 规划的角度与实际角度差 图7 W MR 中心的位置
图8是W MR 在Y 方向的位置与时关系。图中W MR 沿正Y 方向运动到(0.00368,2000.16),然后返回到(-0.003
53,-0.10235)。图9是W MR 在空间运动的轨迹曲线。理想的情况下,X 方向的速度为0,所以W MR 的轨迹应该是一条直线。但是由于3个轮子不可能完全同步,所以W MR 出现了X 方向的位移。但是,它在X 方向的位移的绝对值在
0.1mm 之内。图10是规划的位移与实际的位移之差。图11
是W MR 在空间转动的角度。从图中可以看出,它转动的角度误差绝对值在1°之内,符合系统运行要求。
(下转第222页)
(a )
源图像
(b )
预处理后图像
(c )边缘勾勒后的图像 (d )kirsch 算子边缘检测结果
图5 仿真实验结果
5 结 论
本文通过实例具体说明如何使用VC 610编程环境,对二值图像进行像素标记的编程方法。同时扩展了像素标记法使得在标记目标所属点的同时可以标记目标的边界点,并
给出了仿真结果。经过实验,该程序可以对一幅二值图像中的所有目标进行目标标记和边缘标记,具有一定的通用性,为下一步计算目标的特征量以及图像理解等高端过程提供了充分的条件。
参考文献:
[1]Peli T ,M alah D.A S tudy of Edge Determination Alg orithms[J ].CG IP ,
1982,20:1-20.
[2]应骏,叶秀清,顾伟康.一个基于知识的边沿提取算法[J ].中
国图像图形学报,1999,4A (3):239-242.
[3]Sahoo P K.A Survey of Thresholding T echniques[J ].CVG IP ,1988,41
(2):233-260.
[4]尹平,王润生.基于边缘信息的分开合并图像分割算法[J ].中
国图像图形学报,1998,3A (6):450-454.
[5]陈燕新,戚飞虎.基于竞争H opfield 网络的自动聚类图像分割方
法[J ].模式识别与人工智能,1998,11(2):215-221.
[6]胡世英,周源华.模糊选择多分辨率K ohonen 聚类网络用于灰度
图像分割[J ].电子学报,1999,27(10):34-37.
[7]Pavlidis T ,Liow Y T.Integrating Region G rowing and Edge Detection
[J ].IEEE T rans.PAMI ,1990,12(3):225-233.
[8]邬敏鸣.自动多目标识别和跟踪系统[J ].红外与毫米波学报,
1993,12(1):27-33.
[9]Jain A K.Fundamentals of Digital Image Processing [C ].Prentice -Hall ,1989.
[10]Castleman K R.Digital Image Processing[C].Prentice -Hall ,1998.[11]章毓晋.图像分割[M].北京:科学出版社,2001.
(上接第212页
)
图8 Y 方向随时间变化位置 图9 W MR
在空间的轨变图10规划的Y 方向的位置与实际位置差 图11W MR 的转动速度
4 结 论
作为一个开放式的移动机器人控制系统,经过多机器人合作的实验,证明了系统设计的合理性与可靠性。
参考文献:
[1]Feng Y L ,K oren Y,Borenstein.A M odel 2Reference Adaptive M otion
C ontroller for a Differential 2Driver M obile R obot[J ].IEEE ,1994:3091
-3096.
[2]National Semiconductor C orporation.LM628/LM629Precision M otion
C ontroller[S],1997.
[3]冯勇1现代计算机数控系统[M]1北京:机械工业出版社,19991
270-2721
[4]Borenstein Johann ,M eber IEE ,Feng Liqing.M easurement and C orrec 2
tion of Systematic Odometer Errors in M obile R obots[J ].IEEE T rans 1on R obotic and Automation.1996,12(3).
《机器人技术及应用》综合 习题 -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
《机器人技术及应用》综合习题 一、判断 1.机器人是在科研或工业生产中用来代替人工作的机械装置。（对） 2. 19世纪60年代和20世纪70年代是机器人发展最快、最好的时期，这期间的各项研究发明有效地推动了机器人技术的发展和推广。（错） 3. 对于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。（对） 4. 所谓特种机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。（错） 5. 机器人机械本体结构的动作是依靠关节机器人的关节驱动，而大多数机器人是基于开环控制原理进行的。（错） 6. 机器人各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出，由主计算机根据示教点参考坐标的空间位置、方位及速度，通过运动学逆运算把数据转变为关节的指令值。（对） 7. 为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，机器人还应有各种通信接口和人机通信装置。（对） 8. 轮式机器人对于沟壑、台阶等障碍的通过能力较高。（错） 9. 为提高轮式移动机器人的移动能力，研究者设计出了可实现原地转的全向轮。（对） 10. 履带式机器人是在轮式机器人的基础上发展起来的，是一类具有良好越障能力的移动机构，对于野外环境中的复杂地形具有很强的适应能力。（对） 11. 腿式（也称步行或者足式）机构的研究最早可以追溯到中国春秋时期鲁班设计的木车马。（对） 12. 机器人定义的标准是统一的，不同国家、不同领域的学者给出的机器人定义都是相同的。（错） 13. 球形机器人是一种具有球形或近似球形的外壳，通过其内部的驱动装置实现整体滚动的特殊移动机器人。（对） 14. 可编程机器人可以根据操作员所编的程序，完成一些简单的重复性操作，目前在工业界已不再应用。（错） 15. 感知机器人，即自适应机器人，它是在第一代机器人的基础上发展起来的，具有不同程度的“感知”能力。（对） 16. 第三阶段机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制，它可以把感知和行动智能化结合起来，称之为智能机器人。（对） 17. 工业机器人的最早研究可追溯到第一次大战后不久。（错） 18. 20世纪50年代中期，机械手中的液压装置被机械耦合所取代，如通用电气公司的“巧手人”机器人。（错）
轮式移动机器人的结构设计 摘要：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。本课题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。 本文介绍了已有的机器人移动平台的发展现状和趋势，分析操作手臂常用 的结构和工作原理，根据选定的方案对带有机械臂的全方位移动机器人进行本 体设计，包括全方位车轮旋转机构的设计、车轮转向机构的设计和机器人操作 臂的设计。要求全方位移动机构转向、移动灵活，可以快速、有效的到达指定 地点；机械臂操作范围广、运动灵活、结构简单紧凑且尺寸小，可以快速、准 确的完成指定工作。设计完成后要分析全方位移动机构的性能，为后续的研究 提供可靠的参考和依据。 关键字：机器人移动平台操作臂简单快速准确
Structure design of wheeled mobile robots Abstract:with the robot technology in an alien exploration, field survey, military and security new areas to be increasingly widely adopted, robot technology by indoor, outdoor by fixed, to move towards artificial environment, the artificial environment. This topic is the basic link, robot design for the follow-up about robots can provide valuable reference and useful ideas platform. This article summarizes the existing robot mobile platform development status and trends of operating the arm structure and principle of common, According to the selected scheme of mechanical arm with ontology omni-directional mobile robots designed, including the design of all-round wheel rotating mechanism, wheel steering mechanism of design and the design of robot manipulator. Request to change direction, move the omni-directional mobile institution, can quickly and effectively flexible the reaches the specified location; Mechanical arm operation scope, sports flexible, simple and compact structure and size is small, can quickly and accurately completed tasks. The design is completed to analyze the performance of the omni-directional mobile institutions for subsequent research, provide reliable reference and basis. Keywords: Robot mobile platform manipulator simple accurate and quick
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。
江苏师范大学连云港校区海洋港口学院 课程设计说明书 课程名称 专业班级 学号姓名 指导教师
年月日
摘要 轮式移动机器人是机器人家族中的一个重要的分支，也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究发展方向。自上世纪九十年代以来，人们广泛开展了对机器人移动功能的研制和开发，为适应各种工作环境的不同要求而开发出各种移动机构。其中全方位轮可以实现高精确定位、原地调整姿态和二维平面上任意连续轨迹的运动，具有一般的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愈义。 本文主要是介绍了技术较为成熟的麦克纳姆全方位轮的运动原理结构，分析了由四个麦克纳姆轮全方位轮组成的全向移动机构的运动协调原理。并将其运用到轮腿复合式的机器人身上，使机器人移动能力更强。设计的主要方面包括（1）移动方式的选择；（2）机器人结构的设计；（3）机器人移动原理的分析；（4）对移动机器人控制系统的简单设计。 关键词: 轮式移动机器人，轮腿复合式，四足
目录 摘要 (1) 1 移动机器人技术发展概况 (1) 1.1 机器人研究意义及应用领域 (1) 1.1.1 机器人的研究意义 (1) 1.1.2 机器人的应用领域 (2) 1.2 移动机器人的发展概况 (2) 1.2.1 移动机器人的国内发展概况 (3) 1.2.2 移动机器人的国外发展概况 (4) 2 轮式移动机器人的结构设计 (7) 2.1轮式移动机器人系统结构 (7) 2.1.1移动方式的选择 (7) 2.1.2机器人移动原理构想 (8) 2.1.3机器人轮子的选择 (9) 2.1.4机器人腿部结构的设计 (10) 2.2轮式移动机器人主要结构 (11) 3 轮式移动机器人的控制系统 (12) 3.1 控制系统硬件选型与配置 (12) 3.1.1 驱动电机的选型 (12)
《机器人技术及应用》综合习题 一、判断 1.机器人是在科研或工业生产中用来代替人工作的机械装置。（对） 2. 19世纪60年代和20世纪70年代是机器人发展最快、最好的时期，这期间的各项研究发明有效地推动了机器人技术的发展和推广。（错） 3. 对于机器人如何分类，国际上没有制定统一的标准，有的按负载量分，有的按控制方式分，有的按自由度分，有的按结构分，有的按应用领域分。（对） 4. 所谓特种机器人就是面向工业领域的多关节机械手或多自由度机器人。（错） 5. 机器人机械本体结构的动作是依靠关节机器人的关节驱动，而大多数机器人是基于开环控制原理进行的。（错） 6. 机器人各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出，由主计算机根据示教点参考坐标的空间位置、方位及速度，通过运动学逆运算把数据转变为关节的指令值。（对） 7. 为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，机器人还应有各种通信接口和人机通信装置。（对） 8. 轮式机器人对于沟壑、台阶等障碍的通过能力较高。（错） 9. 为提高轮式移动机器人的移动能力，研究者设计出了可实现原地转的全向轮。（对） 10. 履带式机器人是在轮式机器人的基础上发展起来的，是一类具有良好越障能力的移动机构，对于野外环境中的复杂地形具有很强的适应能力。（对） 11. 腿式（也称步行或者足式）机构的研究最早可以追溯到中国春秋时期鲁班设计的木车马。（对） 12. 机器人定义的标准是统一的，不同国家、不同领域的学者给出的机器人定义都是相同的。（错） 13. 球形机器人是一种具有球形或近似球形的外壳，通过其内部的驱动装置实现整体滚动的特殊移动机器人。（对） 14. 可编程机器人可以根据操作员所编的程序，完成一些简单的重复性操作，目前在工业界已不再应用。（错） 15. 感知机器人，即自适应机器人，它是在第一代机器人的基础上发展起来的，具有不同程度的“感知”能力。（对） 16. 第三阶段机器人将具有识别、推理、规划和学习等智能机制，它可以把感知和行动智能化结合起来，称之为智能机器人。（对） 17. 工业机器人的最早研究可追溯到第一次大战后不久。（错） 18. 20世纪50年代中期，机械手中的液压装置被机械耦合所取代，如通用电气公司的“巧手人”机器人。（错） 19. 一般认为Unimate和Versatran机器人是世界上最早的工业机器人。（对） 20. 1979年Unimation公司推出了PUMA系列工业机器人，它是全电动驱动、关节式结构、多中央处理器二级微机控制，可配置视觉感受器、具有触觉的力感受器，是技术较为先进的机器人。（对） 1. 刚体的自由度是指刚体具有独立运动的数目。（对） 2. 机构自由度只取决于活动的构件数目。（错） 3. 活动构件的自由度总数减去运动副引入的约束总数就是该机构的自由度。（对） 4. 机器人运动方程的正运动学是给定机器人几何参数和关节变量，求末端执行器相对于参考坐标系的位置和姿态。（对） 5. 机器人运动方程的逆运动学是给定机器人连杆几何参数和末端执行器相对于参考坐标系的位姿，求机器人实现此位姿的关节变量。（对） 6. 机械臂是由一系列通过关节连接起来的连杆构成。（对） 7. 对于机械臂的设计方法主要包括为2点，即机构部分的设计和内部传感器与外部传感器的设计。（错） 8. 球面坐标型机械臂主要由一个旋转关节和一个移动关节构成，旋转关节与基座相连，移动关节与末端执行器连接。（对） 9. 为提高轮式移动机器人的移动能力，研究者设计出了可实现原地转的全向轮。（对） 10. 履带式机器人是在轮式机器人的基础上发展起来的，是一类具有良好越障能力的移动机构，对于野外环境中的复杂地形具有很强的适应能力。（对） 11. 腿式（也称步行或者足式）机构的研究最早可以追溯到中国春秋时期鲁班设计的木车马。（对） 12. 刚体在空间中只有4个独立运动。（错） 13. 球形机器人是一种具有球形或近似球形的外壳，通过其内部的驱动装置实现整体滚动的特殊移动机器人。（对） 14. 在机构中，每一构件都以一定的方式与其他构件相互连接，这种由两个构件直接接触的可动连接称为运动副。（错） 15. 运动副可以根据其引入约束的数目进行分类，引入一个约束的运动副称为二级副。（错） 16.通过面接触而构成的运动副，称为低副；通过点或线接触而构成的运动副称为高副。（对） 17. 两个构件之间只做相对转动的运动副称为移动副。（错） 18. 构成运动副的两个构件之间的相对运动若是平面运动则称为平面运动副，若为空间运动则称为空间运动副。（对） 19. 在平面机构中，每个构件只有3个自由度。每个平面低副（转动副和移动副）提供1个约束，每个平面高副提供2
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
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
《工业机器人技术与应用》试卷（A ） 一、填空（每空1分，共30分） 1．按照机器人的技术发展水平，可以将工业机器人分为三代 ___ _ ___ 机器 人、 ____ __ _ 机器人和 ___ ____ 机器人。 2．机器人行业所说的四巨头是__________ 、 __________ 、 __________ 、__________。 3．机器人常用的驱动方式主要有_____ _ ____、 ____ __和______ ____ 三种基本类型。 4．一般来说，机器人运动轴按其功能可划分为 __ ____ 、 _ 和工装轴，________ 和工装轴统称 _______。 5．从结构形式上看，搬运机器人可分为 __________ 、 __________ 、 __________ 、 __________ 和关节式搬运机器人。 6．码垛机器人工作站按进出物料方式可分为 __ ___ 、 _____ __ 、___ __ __ 和四进四出等形式。 7．装配机器人常见的末端执行器主要有__ ___ 、 _____ __ 、___ __ __ 和 。 8．弧焊系统是完成弧焊作业的核心装备，主要由 、送丝机、 和气瓶等组成。 9．目前工业生产应用中较为普遍的涂装机器人按照手腕构型分主要有两种： 涂装机器人和 涂装机器人，其中 手腕机器人更适合用于涂装作业。 二、判断（每题2分，共20分） （ ）1．涂装机器人的工具中心点（ TCP ）通常设在喷枪的末端中心处。 （ ）2．一个完整的点焊机器人系统由操作机、控制系统和点焊焊接系统几部分组 成。 （ ）3. 工业机器人是一种能自动控制，可重复编程，多功能、多自由度的操作机。 （ ）4．工业机器人的腕部传动多采用 RV 减速器，臂部则采用谐波减速器。 （ ）5．在直角坐标系下，机器人各轴可实现单独正向或反向运动。 （ ）6．当机器人发生故障需要进入安全围栏进行维修时，需要在安全围栏外配备 安全监督人员以便在机器人异常运转时能够迅速按下紧急停止按钮。 （ ）7．示教时，为爱护示教器，最好戴上手套。 （ ）8．机器人示教时，对于有规律的轨迹，原则上仅需示教几个关键点。 （ ）9．离线编程是工业机器人目前普遍采用的编程方式。 （ ）10．根据车间场地面积，在有利于提高生产节拍的前提下，搬运机器 人工作站可采用 L 型、环状、“品”字、“一”字等布局。 三、选择（每题2分，共20分） 1．通常所说的焊接机器人主要指的是（ ）。 ①点焊机器人；②弧焊机器人；③等离子焊接机器人；④激光焊接机器人 A. ①② B. ①②④ C. ①③ D. ①②③④ 2．工业机器人一般具有的基本特征是（ ）。 ①拟人性；②特定的机械机构；③不同程度的智能；④独立性；⑤通用性 A. ①②③④ B. ①②③⑤ C. ①③④⑤ D. ②③④⑤ 3．按基本动作机构，工业机器人通常可分为（ ）。 ①直角坐标机器人；②柱面坐标机器人；③球面坐标机器人；④关节型机器人 A. ①② B. ①②③ C. ①③ D. ①②③④ 4．操作机是工业机器人的机械主体，是用于完成各种作业的执行机构。它主要哪由几部分组成（ ） ①机械臂；②驱动装置；③传动单元；④内部传感器 A. ①② B. ①②③ C. ①③ D. ①②③④ 5．工业机器人常见的坐标系有（ ）。 ①关节坐标系；②直角坐标系；③工具坐标系；④用户坐标系 A. ①② B. ①②③ C. ①③④ D. ①②③④ 6．对工业机器人进行作业编程，主要内容包含（ ）。 ①运动轨迹；②作业条件；③作业顺序；④插补方式 A. ①② B. ①②③ C. ①③ D. ①②③④ 7．依据压力差不同，可将气吸附分为（ ）。 ①真空吸盘吸附 ②气流负压气吸附 ③挤压排气负压气吸附 A. ①② B. ①③ C. ②③ D. ①②③ 8．搬运机器人作业编程主要是完成（ ）的示教。 ①运动轨迹 ②作业条件 ③作业顺序 A. ①② B. ①③ C. ②③ D. ①②③ 9．涂装条件的设定一般包括（ ）。 ①涂装流量；②雾化气压；③喷幅（调扇幅）气压；④静电电压；⑤颜色设置表 A. ①②⑤ B. ①②③⑤ C. ①③ D. ①②③④⑤ 班级 姓名 学号 ---------------------------------------------密-------------------------------------封---------------------------------线----------------------------------------- -封
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：
目录 目录 (1) 摘要 (2) 1.移动机器人技术发展概况 (3) 1.1机器人研究意义及应用领域 (3) 1.1.1机器人的研究意义 (3) 1.1.2 机器人的应用领域 (3) 1.2移动机器人的发展概况 (4) 1.2.1移动机器人的国内发展概况 (4) 1.2.2移动机器人的国外发展概况 (4) 2.轮式移动机器人的结构设计 (7) 2.1移动机器人的系统结构 (7) 2.2轮式移动机器人主要结构 (7) 3.轮式移动机器人的控制系统 (11) 3.1控制系统硬件选型与配置 (11) 3.1.1驱动电机的选型 (11) 3.1.2伺服电机的选型 (12) 3.1.3轮毂电机的选型 (13) 3.2轮式移动机器人控制系统框架 (15) 4.结论和总结 (17) 致谢 (18) 参考文献 (19) 附录 (21)
摘要 移动机器人是机器人家族中的一个重要的分支，也是进一步扩展机器人应用领域的重要研究发展方向。自上世纪九十年代以来，人们广泛开展了对机器人移动功能的研制和开发，为适应各种工作环境的不同要求而开发出各种移动机构。 论文内容包括四个部分：简要介绍了移动机器人研究现状、对所设计移动机器人系统进行了描述、视觉导航轮式移动机器人底层硬件设计和视觉轮式移动移动机器人的底层控制。 论文详细地介绍了移动机器人底层硬件系统元件的选型和原理电路图的设计。我们选用PIC16F877单片机作为下位机接收上位机传来的命令和产生驱动信号。步进电机的驱动电路采用两个步进电机驱动器-L298，驱动程序写入PIC16F877单片机，通过程序控制步进电机的转速和转向。采用Propel 设计了底层控制系统的原理图和PCB版图，采用Proteus进行程序和硬件系统的仿真。仿真结果表明：步进电机运行稳定、可靠性高，实现了对步进电机的预期控制。 关键词：移动机器人；运动控制；PIC16F877；步进电机
? 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/9716438132.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 。
大学 机 器 人 技 术 及 应 用 结 课 论 文
智能引领未来 摘要： 智能引领未来，机器人能力将远胜人类，这不是梦想；未来的机器人也能自主的学习和思考，工作能力将远远超过人类，能承担大量人类所不能及的工作，进一步推动智能科学的发展，促进社会的进步，促进经济的高速增长，而实现智能化必须依靠强有力的硬件系统，就机器人而言，其身上集成了多种处理器、存储器与大量的传感器，设想，当这些器件不断地走向高端化、微型化、进一步集成化，那么机器人的处理速度将进一步提高，质量与体积将大大减小，机器人将越来越”聪明“。 关键词： 机器人、智能、硬件系统、高端化、集成化、微型化、聪明。 引言： 现在的机器人与人类比较起来，机器人不能自主学习与自主思考，缺乏情感，必须需要接收人的命令才能执行相关命令，或者事先就把各种命令存储到机器人的大脑中，有需要的时候就执行命令。随着集成电路的飞速发展，处理器、存储器、传感器等电子元件的高端化、微型化、集成化，机器人的处理速度将大大提高，质量与体积将大大减轻，机器人会变得越来越”聪明“。 集成电路前景优越 芯片即集成电路产业是国民经济和社会发展的战略性、基础性、先导性产业，在计算机、消费类电子、网络通信、汽车电子等几大领域起着关键作用，是全球主要国家或地区抢占的战略制高点，尤其是发达国家在这一领域投入了大量创新资源，竞争日趋激烈。 随着技术的不断进步，新的元件结构和材料上的变革都将对机器人的发展战略起到决定作用。在晶圆代工产业，14nm/16nm的FinFET器件已取得了一定的发展。拥有较低泄漏率和更高速度的低功率晶体管备受瞩目。3DNAND使平面NAND 降到20nm以下，创造出外形更小巧、位密度更高的产品。 为了改进3D设备的性能，未来的逻辑芯片和晶圆代工设备的解决方案需要采用选择性外延与高k金属栅电极材料加工工艺，以提高晶体管的速度，降低泄漏率。低功耗、高性能的晶体管则能丰富移动设备的功能，同时延长电池寿命, 3DNAND需要HAR蚀刻、阶梯绘图、多层堆叠沉积和高选择性硬模等技术的支持，从而在小巧的外形空间内实现高密度存储，这对智能化设备，如对机器人来说简直就是如虎添翼啊！ 随着LED产业发展越来越趋于健康和理性，LED领域设备需求也更多来自于新工艺、新技术的驱动，而非简单生产规模的扩张，比如倒装芯片与高压芯片被认为是目前最具有发展前景的LED芯片技术，而这两种技术也带动了深槽刻蚀设备和金属反射层镀膜设备等新设备、新工艺的需求。除此之外，还有AlN镀膜设备、高亮度红黄光芯片刻蚀设备等设备的需求。 集成电路引导未来生活 一张0.5毫米厚的世博会门票，其“真实面目”是个集成电路产品。门票里装了RFID芯片，当门票靠近读卡机时，门票上的线圈会感应出电流，电流便驱
《工业机器人技术与应用》试卷 （A ） 一、填空（每空1分，共30分） 1．按照机器人的技术发展水平，可以将工业机器人分为三代 ___ _ ___ 机器 人、 ____ __ _ 机器人和 ___ ____ 机器人。 2．机器人行业所说的四巨头是__________ 、 __________ 、 __________ 、__________。 3．机器人常用的驱动方式主要有_____ _ ____、 ____ __和______ ____ 三种基本类型。 4．一般来说，机器人运动轴按其功能 可划分为 __ ____ 、 _ 和工装轴，________ 和工装轴统称 _______。 5．从结构形式上看，搬运机器人可分为 __________ 、 __________ 、 __________ 、 __________ 和关节式搬运机器人。 6．码垛机器人工作站按进出物料方式可 分为 __ ___ 、 _____ __ 、___ __ __ 和四进四出等形 式。 7．装配机器人常见的末端执行器主要有__ ___ 、 _____ __ 、___ __ __ 和 。 8．弧焊系统是完成弧焊作业的核心装 备，主要由 、送丝机、 和气瓶等组成。 9．目前工业生产应用中较为普遍的涂装 机器人按照手腕构型分主要有两种： 涂 装 机 器 人 和 涂装机器人，其中 手腕机器人更适合用于涂装作业。 二、判断（每题2分，共20分） （ ）1．涂装机器人的工具中心点 （ TCP ）通常设在喷枪的末端中心处。 （ ）2．一个完整的点焊机器人系统 由操作机、控制系统和点焊焊接系统几部分组成。 （ ）3. 工业机器人是一种能自动控制，可重复编程，多功能、多自由度的操作机。 （ ）4．工业机器人的腕部传动多采 用 RV 减速器，臂部则采用谐波减速器。 班级 姓名 学号
基于视觉导航的轮式移动机器人设计方案第一章移动机器人 §1.1移动机器人的研究历史 机器人是一种自动化的机器，所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器)。1962年，美国Unimation公司的第一台机器人Unimate。在美国通用汽车公司(GM)投入使用，标志着第一代机器人的诞生。 智能移动机器人更加强调了机器人具有的移动能力，从而面临比固定式机器人更为复杂的不确定性环境，也增加了智能系统的设计复杂度。1968年到1972年间，美国斯坦福国际研究所(Stanford Research Institute, SRI)研制了移动式机器人Shaky,这是首台采用了人工智能学的移动机器人。Shaky具备一定人工智能，能够自主进行感知、环境建模、行为规划并执行任务(如寻找木箱并将其推到指定目的位置)。它装备了电视摄像机、三角法测距仪、碰撞传感器、驱动电机以及编码器，并通过无线通讯系统由二台计算机控制。当时计算机的体积庞大，但运算速度缓慢，导致Shaky往往需要数小时的时间来分析环境并规划行动路径。 1970年前联月球17号探测器把世界第一个无人驾驶的月球车送七月球，月球车行驶0.5公里，考察了8万平方米的月面。后来的月球车行驶37公里，向地球发回88幅月面全景图。在同一时代，美国喷气推进实验室也研制了月球车(Lunar rover),应用于行星探测的研究。采用了摄像机，激光测距仪以及触觉传感器。机器人能够把环境区分为可通行、不可通行以及未知等类型区域。 1973年到1979年，斯坦福大学人工智能实验室研制了CART移动机器人，CART可以自主地在办公室环境运行。CART每移动1米，就停下来通过摄像机的图片对环境进行分析，规划下一步的运行路径。由于当时计算机性能的限制，CART每一次规划都需要耗时约15分钟。CMU Rover由卡耐基梅隆大学机
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、