毕业设计（论文）轮腿混合移动机器人机构设计及分析.doc

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1、资料1490008574轮腿混合移动机器人机构设计及分析摘要： 本文阐述了国内外移动机器人的发展现状、应用和今后的发展方向，介绍了现有的移动机器人的类型和功能特点；论述了移动机器人系统得组成、原理。包括体系系统、运动系统、感知系统、通信系统、控制系统、控制软件系统等。讲述了移动机器人得机构设计，包括基本组成、总体设计、传动部件设计、行走部件设计等。还绘制了移动机器人的装配图、足部和腿部的零件图；对传动部件进行了静强度和疲劳强度的检验设计；对移动机器人进行了经济性分析。关键词：移动机器人、总体设计、系统设计Design and analysis of a Leg-wheeled mobile r

2、obotAbstract: This paper describes the development of domestic and international of the mobile robot, applications and future direction of development, describes the existing mobile robot types and features; discusses the composed of principle of mobile robot system . Including the system of systems

3、, motion systems, sensing systems, communications systems, control systems, control software systems. Describes the design of mobile robots body, including basic components, overall design, design of transmission components, walking parts design. Also mapped the mobile robot assembly drawings, part

4、drawings of foot and leg; take static strength and fatigue strength of the test design on the transmission components and economic analysis of mobile robots。Key words：mobile robot Overall design System Design 目 录1 绪论11.1移动机器人的发展11.2移动机器人的分类41.3 移动机器人的应用及其展望52 移动机器人系统的组成结构72.1 移动机器人的体系结构82.2 移动机器人的运动

5、系统102.3移动机器人的感知系统132.4移动机器人的通信系统132.5 移动机器人的控制系统142.6 移动机器人的控制软件系统153 移动机器人的总体和机械结构设计173.1移动机器人的基本组成及技术参数173.2 移动机器人总体设计193.3 移动机器人机械系统设计203.4移动机器人驱动系统设计223.5移动机器人传动部件设计233.6移动机器人行走机构设计293.7移动机器人机身设计314 移动机器人的视觉系统344.1 移动机器人的视觉系统简介344.2移动机器人单目视觉系统354.3 移动机器人双目视觉系统354.4 移动机器人全景视觉系统364.5 移动机器人网络摄像头375

6、 经济性分析386 结论39参考文献40致 谢411 绪论随着计算机、微电子、信息处理及智能控制的快速发展，机器人技术也在逐步深入和细化。移动机器人作为机器人技术的重要领域，正越来越多的受到人们的关注，朝着智能化和多样化的方向发展，开发速度越来越快，应用领域也越来越广。从机器人足球赛到陆地无人自主车赛，从无人机到机器鱼，从资源探测到机器人走向战场，移动机器人已经涉及工农业生产、军事应用、海洋开发、宇宙探测、社会服务、娱乐等各个领域。移动机器人的研究不仅可以推动科学技术的向前发展，同时其应用必将带来巨大的经济效益和社会效益。机器人技术的发展是一个国家高科技水平和工业自动化程度的重要标志和体现。机

7、器人在当前生产、生活中的应用越来越广泛，在某些场合和环境中正在替代人发挥着日益重要的作用。机器人技术是综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿生学等多学科而形成的高新技术，集成了多学科的发展成果，代表了高技术的发展前沿，是当前科技研究的热点方向。而移动机器人是机器人学中一个重要分支，且随着传感技术、计算机科学、人工智能及其他相关学科的迅速发展，移动机器人正向着智能化和多样化方向发展，它的应用也越来越广泛，几乎渗透到所有领域。移动机器人研究涉及机械工程、计算机、传感器技术、机器视觉、自动控制、人工智能等诸多科学领域，内容广泛。本文按照移动机器人技术所涉及的内容和主要方向来安排，

8、从层次结构、控制理论应用及信息处理技术三个层面上对移动机器人技术作了系统的阐述。主要内容包括移动机器人的基本结构、移动机器人的传感器与执行技术、移动机器人的军/民应用，移动机器人的定位导航、避障追踪、路径规划等控制与智能控制的理论、算法及实现，移动机器人的视觉技术、信息融合中的理论与应用、多机器人系统的发展等。1.1移动机器人的发展 机器人作为人类的新型生产工具，在减轻劳动强度、提高生产率、改变生产模式、将人从危险、恶劣、繁重的工作环境中解放出来等方面，显示出极大的优越性。不过，就机器人而言，目前还没有统一的定义，而且自机器人问世以来，人们就很难对机器人下一个确切的定义。欧美国家认为，机器人应

9、该是“由计算机控制的通过编程具有可以变更的多功能的自动机械”；日本学者认为“机器人就是任何高级的自动机械”。我果科学家对机器人的定义是：“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能力，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。”目前国际上对机器人的概念已经渐趋一致，联合国标准化组织采纳了美国机器人协会（Robot Institute of America,RIA）于1979年给机器人下的定义；“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。”概括说来，机器人是

10、靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。20世纪60年代以来，机械加工、弧焊点焊、喷涂、装配、检测等各种类型的机器人相继出现并迅速在工业生产中实用化，这大大提高了各种产品的一致性和质量。然而，随着机器人的不断发展，人们发现，这些固定于某一位置操作的机器人并不能完全满足各方面的需要。因此，20世纪80年代后期，许多国家有计划的开展了移动机器人（Mobile Robot）技术的研究。所谓的移动机器人，就是一种具有高度自规划、自组织、自适应能力，适合于在复杂的非结构化环境中工作的机器人。自主式移动机器人的目标是在没有人的干预且无需对环境作任何规定和改变的条件下，有目的的移动和完成相应任务。在自

11、主式移动机器人相关技术的研究中，导航技术是其研究核心，也是移动机器人实现智能化及完全自主的关键技术。导航研究的目标就是：在没有人的干预下使机器人有目的地移动并完成特定任务，进行特定操作。机器人通过装配的信息获取手段，获得外部环境信息，实现自我定位，判定自身状态，规划并执行下一步的动作。因此单从系统硬件层次上讲，移动机器人必须具有丰富的传感器、功能强大的控制计算机以及灵活和精确的驱动系统。1.1.1 国外移动机器人的发展（1）室外几种典型应用移动机器人由美国NASA资助研制的“丹蒂”八足行走机器人，是一个能提供对高移动性机器人运动了解和远程机器人探险的行走机器人。丹蒂计划的主要目标，是为实现在充

12、满碎片的月球表面或其他星球的表面进行探索而提供一种机器人解决方案。美国NASA研制的火星探测机器人“索杰那”于1997年登上火星，这一事件向全世界进行了报道，为了在火星上进行长距离探险，又开始了新一代样机的研制。命名为Rocky7，并在Lavic湖的岩溶流上和干涸的湖床上进行了成功的实验。德国研制了一种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境中和1998年汉诺威工业商品博览会的展览大厅环境中进行了实地现场表演。该轮椅机器人在公共场所所拥挤的、有大量乘客的环境中，进行了超过36个小时的考验，所表现出的性能是其他现存的轮椅机器人或移动机器人不可匹敌的。国外还研制了一种独轮机器人，它与静态

13、稳定性的多轮移动机器人相比，具有更好的动态稳定性、对姿态干扰的不敏感性。高可操作性、低的滚动阻力、跌倒的恢复能力和水陆两用性。（2）高完整性机器人没有一个系统可以做到100%可靠。一个可靠机器人是指它一直正常的工作；一个高完整性机器人则时刻监视自己的行为，一旦发现异常，立即停止运转。因此，一个高完整性机器人并不一定要连续工作，但工作时则一定是正确的。（3）遥控移动机器人在大多数室外环境中，要求机器人完全自主地完成任务，目前还有一定的困难。远程操作的半自主机器人毫无疑问是一个发展方向。完全遥控是实现远程操作一个或几个移动机器人的最佳可能方案，但价格昂贵。研制一套适于远程操作的、适用起来既自然又容

14、易的人机交互方案是必需的。（4）环境与移动机器人集成就像人需要道路、交通信号灯等一样，机器人为了在一个动态变化的环境中行动，也需要同样基础设施。作者将一个用导航移动机器人的分布式视觉系统作为例子，进行了解释和说明。实验在一个缩小了1/12的城镇模型中进行，内有阴影、树木结构、草地和房屋，足以代表室外环境的真实情况，并安装了用于机器人导航用的16个摄像机智能体，实现了移动机器人与环境的融合。（5）生态机器人学（生物机器人学）生态机器人学就是把生态学的原理应用到移动机器人设计中去实践。（6）多机器人系统机器人正在从工厂的结构化环境进入人们每天的生活环境医院、办公室、家庭、建筑工地和其他杂乱及不可控

15、环境。要求机器人不仅能自主完成工作，而且能与人共同协作完成任务或在人的指导下完成任务。这就需要机器人具有下述能力：移动和操作集成于一体的能力，在多机器人之间的协作能力，与人的交互能力和无碰撞路径的实时修改能力。Khatib等讨论了这个问题，并给出了有关的模型、策略和算法的开发，并在斯坦福大学的两个完整性移动平台上进行了演示。自从1996年成功地举行了第一次世界机器人足球赛以来，现在一年一度的世界机器人足球赛已经吸引了越来越多的团队参加，极大地推进了多移动机器人技术的研究，成为研究和验证人工智能成功的实验床。1.1.2国内移动机器人的发展 我国在移动机器人的研究起步较晚，大多数研究尚处于某个单项

16、研究工作有：（1）清华大学智能移动机器人于1994年通过鉴定。涉及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，室外移动机器人的规划系统的仿真模拟，室内移动机器人的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

17、、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THMR的体系结构、高效快速的数据传输技术、自动驾驶系统）。（2）香港城市大学智能设计、自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人（3）中国科学院沈阳自动化研究所的AGV和防爆机器人（4）中国科学院自动化所自行设计、制造的全方位移动机器人视觉导航系统（5）哈尔滨工业大学于1996年研制成功的导游机器人等1.2移动机器人的分类 移动机器人可以从不同的角度进行分类。从工作环境可分为室内移动机器人和室外移动机器人；按移动方式可分为轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇形移动机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等；按控制体系结构可

18、分为功能式（水平式）结构机器人、行为式（垂直式）结构机器人和混合式机器人；按功能和用途可分为医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人等；按作业空间可分为陆地移动机器人。水下机器人、无人飞机和空间机器人。（1）管道机器人管道机器人是一种可沿细小管道内部或外部自动行走，携带一种传感器及操作机械，在工作人员的遥控操作或计算机自动控制下，进行一系列管道作业的机电一体化系统，属于特种机器人的研究范畴。其主要功能有：检测管道适用过程中的破裂、腐蚀和焊缝质量情况，在恶劣环境下承担管道的清扫、喷涂、焊接、内部抛光等维护工作，对地下管道进行修复。 （2）水下机器人水下机器人的种类很多，如载人潜水艇、遥控有

19、缆水下机器人（ROV）、自制无缆水下机器人（AUV）等。ROV是最早得到开发和应用的潜水艇，而AUV由于自身的优点，代表了未来水下机器人的研究方向。（3）空中机器人空中机器人主要分为仿昆飞行机器人、LTA（lighter than air，轻于空气）飞行机器人、微型飞行器等。仿昆飞行机器人是一类基于仿生学原理开发的空中机器人，具有小尺寸、便于携带、行动灵活和隐蔽性好等特点，其飞行性能和物理特性是：雷诺数极小，表面积与体积之比很大，总质量严格受限。从结构特点、飞行力学、负载特性、能量供给和敏捷性等方面，仿昆飞行机器人与蜻蜓、蜜蜂、或蜂鸟有些相似，与传统的飞机有本质区别。（4）军事机器人军事机器人

20、是一种用于军事领域的具有某种仿人功能的自动机，其作用有三个方面：一是直接执行战斗任务；二是侦察和观察；三是工程保障。军用机器人有侦察机器人、爆炸物处理机器人、步兵支援机和无人机等。目前智能军用机器人正向着拟人化、仿生化、小型化、多样化的方向发展，随着电脑技术、光电子技术、通信技术以及自动控制技术的不断完善和进步，军事机器人将朝着更高的层次发展。（5）服务/娱乐机器人服务机器人是一种半自主或全自主工作、为人类提供服务的机器人，目前主要有医用机器人、家用机器人、娱乐机器人、导游机器人等。其中医用机器人具有良好的应用前景，能够完成或辅助完成常规医疗方法和设备难以完成的复杂诊断和手术，已在各类外科手术

21、和无损伤检测等方面引起重大变革，大大提高了医疗水平。娱乐机器人以供人欣赏、娱乐为目的，具有机器人的外部特征，可以像人或像某种动物一样，同时具有机器人的功能，可以行走或完成动作，有语言能力，会唱歌，有一定的感知能力，如机器人歌手、舞蹈机器人、乐队机器人、玩具机器人等。（6）仿生机器人仿生机器人是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。目前在西方国家，机械宠物十分流行。21世纪人类将进入老龄化社会，发展仿人机器人将会弥补年轻劳动力的严重不足，解决老龄化社会的家庭服务和医疗等社会问题，并开辟新的产业，创造新的就业机会，一些研究小组将注意力集中在制造具有人类形状的、能够完成人类动作且具有商业意义的仿人机

22、器人上，本田仿人机器人是其中的代表。（7）微型机器人微型/微操作机器人是正在兴起的机器人新领域，以纳米技术为基础，涉及微机械及其基础材料、微电子、微驱动与控制技术、微测量技术、微传感器、微能源、微系统设计等。微操作机器人是指机器人的运动位移在几微米和几百微米的范围内，其分辨率、定位精度和重复定位精度在亚微米至纳米级范围内。微型机器人技术在生物工程、医学工程、微型机电系统、光学、超精密加工及测量（如扫描隧道显微镜）等方面具有广阔的应用前景。1.3 移动机器人的应用及其展望在人类要探索和开发的宇宙、海洋、和地下等未知的危险环境中，例如空间移动机器人可被送上天空，去开发与利用空间，发现与利用外界星球

23、的物质资源；水下机器人将用于海底探索和开发、海洋资源开发和利用、水下作业和就生等。所有这类危险环境中的作业都可利用移动机器人去做。在未来战争中，机器人将发挥重要作用。例如：机器人坦克、自主式地面车辆；作战机器人、侦察机器人；将来可能出现机器人化部队或兵团，在未来战争中将会出现机器人对机器人的战斗。21世纪，机器人将用于提高人民健康水平与生活水准、丰富人民文化生活。例如：服务机器人将进入家庭，从事家庭护理与服务等作业；在医院，机器人可以从事手术、康复及病人护理等作业；在商业和旅游业中导购机器人、导游机器人和表演机器人都得到发展；智能机器人玩具和智能机器人宠物的种类将不断增加，从而使人类生活更加丰

24、富多彩。在农业、林业、畜牧业和养殖业等方面已开始应用机器人技术，能够合理地利用劳动力资源，提高劳动生产率。农业、林业、畜牧业和养殖业等将从现在的手工、半机械化和机械化作业发展到工业化和自动化生产。当前，移动机器人系统及其关键技术研究的趋势包括：（1）导航与定位。在完全未知或部分未知环境中，基于自然路标导航与定位技术及视觉导航中路标的识别和图像处理的快速算法的研究，并通过专用数字信号处理器（DSP）的开发与研制，可以为导航与定位提供突破性进展。（2）现场与服务机器人。继续开拓新的应用领域，研制新的机型，进行更多、更复杂、更符合实际的现场试验，积累更多的经验，吸取更多的教训，为实用化奠定坚实的基础

25、。（3）高完整性机器人。机器人工作时，不仅要与周围的设备共同工作，而且要与人一同工作，所以研制高完整性的机器人，有可能使其早日实现实用化。（4）网络机器人。随着计算机网络的扩展延伸，网络技术的发展完善，通过计算机网络遥控机器人，为人机交互技术、监控技术、远程操作技术和图像与控制命令的网络传输及并发多进程数据等通信技术提出了更高的挑战。（5）多移动机器人系统。多移动机器人系统的理论研究和工程实现已经成为机器人学的研究热点，这也是移动机器人发展的必然趋势。（6）主动环境。提出主动环境的概念，即环境能为机器人提供所需的信息。所以，研究移动机器人与环境之间的有机结合，将会使其早日走向实用。（7）人与机

26、器人融合。人本身的智能到今天也没有完全弄明白，机器人也就难以直接进化了。充分发挥人的智能，发展监控技术和良好的人机交互技术，甚至人机融为一体，是移动机器人走向实用的又一个途径。（8）智能技术。应用于移动机器人研究的各个方面，涉及传统人工智能和新的人工智能。移动机器人要走向人类的日常生活，必须综合运用智能技术，包括智能运动控制技术、智能规划技术、智能行为技术以及它们的学习机制。（9）特种机器人。移动机器人在各个领域中的应用刺激了特种机器人的研究与开发。战场上，为保护士兵的生命，刺激了无人战车、扫雷机器人和侦察机器人等军用机器人的不断研究；人们生活水平的提高促进了娱乐机器人、外科手术机器人和助残机

27、器人等民用服务机器人的开发。2 移动机器人系统的组成结构 移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行多功能于一体的综合动态系统。与传统的机器人不同，移动机器人能够运行到固定机器人无法达到的预定目标来完成操作任务，因此，其应用不再局限于工业制造自动化方面，而是广泛应用于军事、民用、科学研究等各个领域。移动机器人的应用场合各不相同，它们的现状结构看起来也是千奇百怪，但是它们都是由基本的模块搭建起来的。一般来说，移动机器人是由运动系统，感知系统，通信系统和控制系统几个主要部分组成。其中，控制系统是整个移动机器人的核心。2.1 移动机器人的体系结构 移动机器人的体系结构就是指为完成指定

28、目标的一个或几个移动机器人在信息处理和控制逻辑方面的结构方式，是从“软”的方面对机器人系统结构进行研究。2.1.1 移动机器人体系结构的基本功能和要素对于一个移动机器人系统，任何把感知、规划、决策、行动等各种模块有机的结合起来，从而形成具有一定特色的智能系统是其主要任务。其中包括：（1）依靠规范模块接口、通信协议和规划合理的数据流程把各个子系统连接为一个整体。（2）统一管理、调度各个子系统，控制他们功能的发挥；按总体工作模型进行协调工作，使各个子系统步调一致地完成总体任务。为了实现以上的总体集成和总体调度的作用，一个体系结构的设计主要包含以下几个基本成员要素： 基本功能模块的选取和设计； 模块

29、间关系和数据/控制流的确定； 接口的协议和通信的规范； 全局性信息资源的管理； 总体调度机构。2.1.2 移动机器人的三种基本体系结构 依据对不同的行为规律的模仿，智能移动机器人在发展过程中产生了三种基本体系结构：慎思控制结构（Deliberative Control Architecturea）、反应控制结构（Reactive Control Architecturea ）和混合控制结构（Hybrid Control Architecturea）。（1） 慎思控制结构慎思控制结构也叫水平式体系结构。这种结构（如同2.1所示）最早由N提出来的，该结构将机器人的任务进行功能上的水平分解，高层的模

30、块负责复杂的判断、推理等操作，智能化程度较高，像环境信息、决策规划等往往在这里实现，而较低层次用以实现各种具体的操作，如电机控制等。 图2.1 慎思控制结构示意图（2）反应控制结构反应控制结构又称垂直式体系结构(如图2.2所示)。这种结构是有MIT的RBrooks提出的。他认为，慎思结构属于垂直分片结构，在这种结构中只有底层的模块能与外界交互，对于环境变化的反应不够灵敏，而且这种结构在增加功能时涉及整个系统的重构。因此，他提出了一种水平分片的新型结构包容式结构。 图2.2 反应式结构示意图（3） 混合控制结构随着移动机器人技术的发展单独采用慎思控制结构或者反应控制结构都已不能满足需要，因此，越

31、来越多的学者开始研究混合式体系构，采两家之所长，补两家之所短。在混合式体系结构中，不存在中央控制器，而是由规划控制器和多个应激控制器组成。规划控制器起到宏观调控作用，做出全局的目标规划，比如：制订临时子目标，分解子任务，监督移动机器人运动，优化路径等。具体的基本任务还是采用反应式结构，由应激控制器完成。这样，就将反应控制结构和慎思控制结构整合在一起，具有两种结构的优点，而弥补了两者的不足。2.2 移动机器人的运动系统 移动机器人顾名思义就是具有移动功能的机器人。其应用范围要广泛的多，包括制造系统、服务行业、国防、航天及其他社会应用方面。这些应用场合通常都需要机器人具有灵活的移动能力，而移动机器

32、人的移动能力取决于它的运动系统。通常，运动系统是由移动机构和驱动系统组成的，它们在控制系统的控制指挥下，完成各种位移动作。2.2.1 移动机器人的移动机构一般而言，移动机器人的移动机构主要有轮式移动机构（如图2.3）、履带式移动机构、足式移动机构，此外，还有步进式移动机构、蠕动式移动机构、蛇形式移动机构和混合式移动机构，以适应不同的环境和场合。其中：以轮式移动机构的效率最高，但其适应能力相对较差；而腿式的适应能力最强，但其效率最低。 (a) (b)图2.3 常见的轮式移动机构2.2.2移动机器人的动力学原理对于四轮式移动机构，主要有三种简化驱动方式：一是前面的两个车轮为驱动轮同时起到方向轮的作

33、用，后面的两个车轮为从动轮；二是前面的两个车轮为方向轮，两个后轮为独立的驱动轮；三是前面的两个车轮为方向轮，两个后轮通过差动齿轮进行驱动。 (a) (b)图2.4 四轮移动的结构简图四轮移动的结构简图如图2.4所示。图（a）为第一种驱动方式的简化示意图，图(b)为第二种和第三种驱动方式的简化示意图。图中：xoy为绝对坐标系；v为移动机器人前面两个轮的运动速度；v1、v2分别为移动机器人两个后轮的速度；L为移动机器人前后轮之间的距离；D为两后轮之间的距离；点C为移动机器人的质心；点P为两后轮轴心连线的中点。设：移动机器人的方向轮相对于车体纵轴的旋转角度为；移动机器人的车体纵轴与x轴的夹角为。(1

34、)第一种驱动方式对于第一种驱动方式，方向轮在转弯时的瞬时圆心位于两后轮轴心的连线上，设此瞬时转弯半径为r。 车体的速度 Vp=VCOS则有 =vcoscos =vcossin经过简单的计算，可知前轮在转弯时的瞬时半径为 r=于是得到车体运动方程： = = (2)第二种驱动方式 对于第二种驱动方式，方向轮在转弯时的瞬时圆心也是位于两后轮轴心的连心线上，设此瞬时转弯半径为r，w为车体的转弯角速度。车体的速度为 Vp= 经过简单的计算，可求得前轮在转弯时的瞬时转弯半径为r= 于是可求得车体运动方程：= = （3）第三种驱动方式，方向轮在转弯时的瞬时转弯圆心也是位于两后轮轴心的连线上，由于目前此种驱动

35、方式已经用的很少，因此这里只给出车体运动方程的结果如下：=2.3移动机器人的感知系统移动机器人的感知系统相当于人的五官和神经系统，是机器人获取外部环境信息及进行内部反馈控制的工具，它是移动机器人最重要的部分之一。移动机器人的感知系统通常由多种传感器组成，这些传感器处于连接外部环境与移动机器人的接口位置，是机器人获取信息的窗口。机器人用这些传感器采集各种信息，然后采取适当的方法，将多个传感器获取的环境信息加以综合处理，控制机器人进行智能作业。移动机器人的感知系统由内部传感器和外部传感器构成。内部传感器通常用来确定机器人在其自身坐标系内的姿态位置，如用来测量位移、速度、加速度和应力的通用型传感器。

36、外部传感器则用于机器人本身相对其周围环境定位，负责检测距离、接近程度和接触程度之类的变量，便于机器人的引导及物体的识别和处理。选择机器人传感器应当完全取决于机器人的工作需要和应用特点，对机器人感知系统的要求是选择机器人传感器的基本依据。移动机器人对传感器的一般要求是：（1） 精度高，重复性好；（2） 稳定性好、可靠性高；（3） 抗干扰能力强；（4） 质量轻、体积小，安装方便可靠；（5） 价格适当。移动机器人的感知系统由多种传感器构成，这些传感器有着不同的分布形式。一般来说有如下几种。（1） 水平静态连接；（2） 非水平静态连接；（3） 水平动态连接；（4） 非水平动态连接；（5） 动态与静态混

37、合连接。2.4移动机器人的通信系统 移动机器人的通信，既包括机器人内部各模块之间的通信，也包括与外部进行的信息交流。通过通信系统，机器人可以传递外部或者内部信息，借助PC的强大处理能力，完成诸如传感器信息处理、运动控制、路径规划等数据运算，同时还可以实现多个机器人之间的信息交互。移动机器人的内部各模块之间的通信主要包括：传感器的模块控制与车载计算机之间的串口通信，运动系统中电动机的控制器与车载计算机的串口通信等。移动机器人的外部通信方式分为有线和无线方式。有线通信模块通常由机器人上安装的有线以太网接口组成，通过有线以太网接口可以将移动机器人与Internet连接起来进行远程控制或访问。随着通信

38、技术的发展，移动机器人在与外部的通信方式上越来越倾向于无线通信方式。因此，移动机器人自主规划、自组织、自适应能力强，所处环境不确定，无线通信在实现自主移动机器人之间相互通信或者机器人与计算机之间通信时具有非常理想的效果。在移动机器人导航研究中，经常通过无线通信方式获取 机器人运动中的环境信息，进而操作移动机器人进行实时跟踪与控制。2.5 移动机器人的控制系统 移动机器人控制系统是以计算机控制技术为核心的实时控制系统，它的任务就是根据移动机器人所要完成的功能，结合移动机器人的本体结构和机器人的运动方式，实现移动机器人的工作目标。控制系统是移动机器人的大脑，它的优劣决定了机器人的智能水平，工作柔性

39、及灵巧性，也决定了机器人使用的方便程度和系统的开放性。2.5.1 控制系统的结构形式移动机器人控制系统结构是由移动机器人的功能、机器人的本体结构和机器人的控制方式来确定的。从机器人控制算法的处理方式来看，可分为串行、并行两种结构类型。(1)串行处理结构串行处理结构是指移动机器人的控制算法是由串行机来处理的。对于这种类型的控制器，从计算机结构、控制方式来划分，又可分为以下几种。 单结构，集中控制方式； 二级结构，主从控制方式； 多CPU结构，分布式控制。(2)并行处理结构由于移动机器人控制算法的复杂性及对移动机器人控制性能的要求的不断提高，许多学者从建模、算法等多方面进行了减少计算量的努力，但仍

40、难以在串行结构控制器上满足实时计算的要求。因此，必须从控制器本身寻求解决办法。方法之一是选用高档微机或小型机；另一种方法，就是采用多处理器作并行计算，提高控制器的计算能力。构造并行处理结构的移动机器人控制器的计算机系统一般采用以下方式： 开发移动机器人控制系统专用的VLSI； 利用有并行处理能力的芯片式计算机构成并行处理网络； 利用通用的微处理器。2.5.2控制系统的硬件结构目前，移动机器人的控制系统普遍采用上、下位机二级分布式结构：上位机负责整个系统的管理以及运动学计算、轨迹规划等；下位机由多CPU组成，每个CPU控制一个关节运动，这些CPU和主控机是通过总线联系的。上位机通常是车载计算机，

41、它负责收集本地感知信息，进行局部导航、跟踪和避障，并将感知的信息实时送回远端的工作站，车载计算机系统一般由工业单板计算机（SBC）构成。下位机根据上午机的运算结果进行具体的控制。下位机一般由多个CPU组成，对移动机器人进行速度和位置控制及各关节的运动控制等。典型的移动机器人的控制系统硬件组成结构图，如图2.5所示。图 2.5 移动机器人的控制系统硬件结构图2.6 移动机器人的控制软件系统 移动机器人的控制软件系统以计算机操作系统Windows、Linus等为基础，主要管理用户程序中功能模块的执行和函数的调用，为传感器信息和控制信息的传递提供通道，以及提供移动机器人附件和其扩展的接口等中间组件，

42、是最底层和最高层之间联系的纽带。这一部分的原理框架图如图2.6所示。 图 2.6 移动机器人的软件系统任务管理模块为整个下位机系统的正常运行提供最必要的方便：系统初始化设定各芯片、存储器、程序的最初状态；I/O口读写为机器人各功能快的信息传递提供通道；移动机器人运动控制及实现模块负责对移动机器人动作的控制命令。实时监控包括三部分：状态监控模块负责机器人各状态数据的正常显示、图形化或者存储；故障报警模块监视各个模块运行，出现异常时负责报警；传感器管理模块完成传感器参数的设置、传感器数据的管理。信息管理模块提供整个信息服务程序的线程管理、程序的启动/终止及信息文件管理等，其中通信管理模块负责管理各

43、个模块的信息通信。最高层属于人为操作的用户层，由高级编程语言搭建的可视化用户程序界面、功能模块和函数组成，控制移动机器人相应动作的驱动及反馈数据的理解。3 移动机器人的总体和机械结构设计机器人采用四足型，总体可分为机身、髋关节、大腿、小腿、脚踝等部分。机器人的机身四角安装有四个电机，负责四个髋关节的前后摆动。在机身的中央位置放置机器人的控制系统。机器人的髋关节装有两个电机，通过齿轮传动分别控制其大腿与小腿的摆动。机器人的大腿和髋关节及小腿和大腿之间均采用齿轮连接，以达到精确的传动比。机器人足端从动轮与脚踝处小齿轮固结在一起，通过大腿电机带动小齿轮的转动达到轮腿转换的目的。如图为机器人的机构简图

44、。3.1移动机器人的基本组成及技术参数机器人的种类很多，不同结构和用途的机器人其组成当然也不完全一样。这里以工业移动机器人为例，介绍其组成和技术参数。3.1.1 移动机器人的基本组成如图3.1所示，移动机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成。这三大部分可分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人环境交互系统、人机交互系统、控制系统六个子系统。 图3.1 移动机器人的基本组成（1）驱动系统要使移动机器人运行起来，需给各个关节即每个运动自由度安置传动装置，这就是驱动系统（2）机械结构系统移动机器人的机械结构系统由机身、足臂、车轮三大件组成。每一大件都有若干自由度，构成一个多自由度的机械

45、系统。（3）感受系统 它由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息。（4）机器人环境交互系统机器人环境交互系统是实现机器人与外部环境中的设备相互联系和协调的系统。（5）人机交互系统人机交互系统是人与机器人进行联系和参与机器人控制的装置。（6）控制系统控制系统的任务是根据机器人的作业指令程序以及从传感器反馈回来的信号，支配机器人的执行机构去完成规定的运动和功能。3.1.2 移动机器人技术参数技术参数是机器人制造商在产品供货时所提供的技术数据。不同的机器人其技术参数不一样，而且各厂商所提供的技术参数项目和用户的要求也不完全一样。但是，工业移动机器人的主要技术参数一般

46、都应有：自由度、定位精度和重复定位精度、工作范围、最大工作速度、承载能力等。（1）自由度自由度是指机器人所具有的独立坐标轴运动的数目，不包括手爪（末端操作器）的开合自由度。在三维空间中描述一个物体的位置和姿态（简称位姿）需要六个自由度。但是，机器人的自由度是根据其用途而设计的，可能少于六个自由度，也可能多于六个自由度。大多数机器人从总体上看是个开链机构，但其中可能包含有局部闭环结构。闭环结构可提高刚性，但限制了关节的活动范围，因而会使工作空间减小。闭环机构的自由度不如开链机构明显。机构的自由度可按照下述Grubler公式计算： F=6（l-n-1）+ 式中，l为连杆数，包括基座；n为关节总数；fi为第i个关节的自由度。（2）定位精度和重复定位精度 定位精度是指机器人手部实际到达位置与目标之间的差异。重复定位精度是指机器人重复定位其手部于同一目标位置的能力，可以用标准差这个统计量来表示。（3）工作范围 工作范围是指机器人手臂末端或手腕中心所能达到的所以点的集合，也叫做工作区域。因为末端操作器的形状和尺寸是多种多样的，为了真实反映机器人的特征参数，所以是指不安装末端操作器时的工作区域。工作范围的形状和大小是十分重要的。（4）最大工作速度通常指机器人手臂末端的最大速度。提高速度可提高工作效率，因此提高机器人的加速减速能力，保证机器人加速减速过程的平稳性是非常