機器人開題報告(含文獻綜述、外文翻譯)

1、<p><b>　　畢業(yè)設計開題報告</b></p><p>　　（含文獻綜述、外文翻譯）</p><p>　　題 目 全向移動機器人底盤設計 </p><p><b>　　開題報告</b></p><p>　　1. 選題的背景和意義</p><

2、p><b>　　1.1 選題的背景</b></p><p>　　機器人的應用越來越廣泛，幾乎滲透所有領域。進入九十年代以來，人們廣泛開展了對服務機器人的研制和開發(fā)。各國尤其是西方發(fā)達國家正致力于研究、開發(fā)和廣泛應用服務機器人。目前，在美國、日本等發(fā)達國家，機器人已應用于商場導購、物品移送、家居服務、展廳保安和大面積清掃等多個服務領域。隨著我國國民經濟的不斷發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，

3、將勢必會在各個領域廣泛、大量地應用服務機器人。 </p><p>　　與普通工業(yè)機器人相比，服務機器人具有更大更靈活的工作空間，因此其往往是移動機器人。 移動機器人狹義上指的是地面可移動機器人，是繼操作手和步行機之后機器人技術的一個新的研究目標，也是進一步擴展機器人應用領域的重要研究方向。移動機器人目前主要包括軍事和民用服務兩大應用領域。在民用服務領域，美國和日本處于遙遙領先的地位，機器人被廣泛應用于車站清掃、大

4、面積割草、商場導游導購、導盲和保安巡邏等各個方面。在我國的移動服務機器人的研究和應用還處于起步階段，上海大學、哈爾濱工業(yè)大學曾先后研制成功導購機器人、導游機器人和清掃機器人。隨著我國經濟建設的不斷開展和人民生活水平的提高，廣泛應用服務機器人必將成為趨勢。</p><p><b>　　1.2 選題意義</b></p><p>　　上述移動服務機器人的應用場合決定了要求具

5、有能在狹窄、擁擠的場合靈活快捷地自由運動的性能，這也成為了機器人研究和設計的難點問題。能在工作環(huán)境內移動和執(zhí)行功能是移動服務機器人的兩大特點。因此，移動機構是組成移動機器人的重要部分，它是保證機器人實現(xiàn)功能要求的關鍵，其設計的成功與否將直接影響機器人系統(tǒng)的性能。目前，移動機構開發(fā)的種類已相當繁多，僅就平面移動而言，移動機構就有車輪式、履帶式、腿足式等形式。各種移動機構可謂各有千秋，適應了各種工作環(huán)境的不同要求。但車輪式移動機構顯得尤其突

6、出，與步行式移動機構相比，它的優(yōu)點很多:能高速穩(wěn)定地移動、能源利用率高，機構簡單、控制方便、能借鑒至今已很成熟的汽車技術和經驗等等，它的缺點是移動場所限于平面。 但是，目前機器人工作的場所幾乎都是人工建造的平地，并且即使有臺階，只要以車輪式移動機構為基礎再附加幾個自由度便不難解決。因而，輪式移動機構在機器人技術中得到廣泛應用，目前已成為移動機器人運動機構的最主要形式。 本課題將對全向移動機器人底盤設計進行分析和研究。</p>

7、<p>　　2.設計內容和關鍵問題</p><p>　　2.1 主要設計內容</p><p>　　分析四個輪全方位輪組成的全向移動機構的運動協(xié)調原理，建立了該全方位移動機構的運動學、動力學模型，提出了四輪協(xié)調的控制策略。進行了輪廓參數(shù)設計和結構設計，設計制造裝配零部件，制作成可全方位移動的機器人底盤。</p><p>　　2.2 擬解決的關鍵問題<

8、;/p><p>　　移動服務機器人的應用場合決定了要求具有能在狹窄、擁擠的場合靈活快捷地自由運動的性能，這也成為了機器人研究和設計的難點問題。 </p><p>　　能在工作環(huán)境內移動和執(zhí)行功能是移動服務機器人的兩大特點。因此，移動機構是組成移動機器人的重要部分，它是保證機器人實現(xiàn)功能要求的關鍵，其設計的成功與否將直接影響機器人系統(tǒng)。 </p><p>　　3.設計的方

9、法及措施</p><p><b>　　3.1方法及措施</b></p><p><b>　　3.1.1三輪機構</b></p><p>　　三輪移動機構具有一定的穩(wěn)定性，是輪式機器人的基本移動機構之一，在機器人領域已經得到廣泛的應用，而且在實現(xiàn)方式上也呈現(xiàn)多樣化。</p><p>　　1）兩輪獨立驅

10、動機構</p><p>　　兩輪獨立驅動機構是最常用的一種驅動機構。如圖（1），該機構利用一個高精度驅動輪和兩個隨機輪構成。左右兩個驅動輪由兩個電動機經過減速器獨立驅動，隨機輪置于機器人底盤的前方位置。機器人的行進方向由兩輪驅動機構的速度差值決定，通過對兩個電機施加不同的速度可實現(xiàn)任意方向的驅動，因此屬于差分驅動方式。這種結構的特點是運動靈活，機構組成簡單；當兩輪轉速大小相等方向相反時，可以實現(xiàn)機器人本體的靈半徑

11、回轉。該機構的缺點是對伺服系統(tǒng)的要求較高，如進行嚴格的直線運動則需保證左右兩個輪子的旋轉速度完全一樣，且在加減速時的動態(tài)特性也應完全一致，這就要求伺服驅動系統(tǒng)要求有足夠的精度和優(yōu)異的動態(tài)特性，從而會導致機器人底盤的成本增加。</p><p>　　2）前輪驅動前輪導向機構</p><p>　　如圖（2），該機構中的前輪既是驅動輪又是導向輪（操舵輪），采用兩個電機分別控制：導向電機控制前輪的轉

12、向角度，驅動電機控制前輪的旋轉速度。因此，通過對前輪的這兩個自由度進行復合控制，可以同時實現(xiàn)對機器人本體的運行速度和運行方向的控制。兩個被動后輪沒有電機控制，完全是隨機輪。該種移動機構的特點是控制比較方便，能耗低，對于伺服系統(tǒng)和制造裝備精度要求不高，而且旋轉半徑可以從0到無窮大連續(xù)變化；缺點是由于導向和驅動的驅動器均集中在前輪部分，復合運動結構設計復雜，而且車體本身的運動并不十分靈活。</p><p>　　3）后

13、輪差動減速器驅動前輪導向機構</p><p>　　該種機構如圖（3），導向控制電機通過減速器控制導向前輪，決定了機器人本體的運動方向。驅動輪同驅動控制電機通過驅動齒輪箱體連接，在箱體內安裝有全部傳動系統(tǒng)的減速齒輪、差動器等傳動零件，通過箱體兩端的半軸帶動左、右驅動輪運動。差速器的作用是在進行轉彎操作是為左、右兩輪分配不同的旋轉速度。這種移動機構和驅動系統(tǒng)可以利用一些通用的傳動系統(tǒng)零部件，傳動效率較高，制造成本較低

14、；但在傳動模式上仍是機械傳動模式，結構比較復雜，體積較大，質量也比較大，同時運動不靈活，不能實現(xiàn)機器人本體的小半徑回轉運動。</p><p>　　4）兩后輪獨立驅動前輪導向機構</p><p>　　由圖（4）可以看出，該機構同后輪差速器驅動前輪導向機構在原理上具有相似之處，不同之處在于利用兩個獨立伺服驅動電機取代了差速器裝置，用以分別控制左、右驅動輪。該機構在控制上需要按照機器人運動學模型

15、把移動平臺的整體運動分解為對三個電機的控制命令，然后控制導向輪的轉動和兩個驅動輪的差動實現(xiàn)本體運動。同后輪差動器驅動前輪導向機構相比，該機構采用純粹的電氣傳動模式，結構比較簡單，體積和質量能夠得到很好的控制，且方向控制精度更高，運動更為靈活；缺點是需要對三輪進行協(xié)調控制，同步性要求較高，且自轉時的本體方向定位精度較低。</p><p>　　5）三輪全驅動全導向機構</p><p>　　三輪

16、全驅動全導向機構屬于同步驅動的裝置方式。如圖（5）所示，在該機構中，三個輪子成120°放置，用齒輪或者鏈條將輪子同分別用以進行方向控制和驅動的電機相連。每個輪子都可獨立地進行轉向控制和速度控制，因此在結構和原理上類似于前輪驅動前輪導向機構的前輪。當三個輪子保持初始位置以相同的速度轉動時，及其本體做原地零半徑旋轉運動；當三個輪子導向角度相同并以相同速度驅動時，本體按照該導向角方向做直線運動。施加適當?shù)目刂疲迷摍C構實現(xiàn)的機器人

17、本體能夠按照任意指定的軌跡運動，具有很高的運動靈活性。但是該機構的整體結構比較復雜，完成每個動作都需要對6個伺服電機進行合理控制，且對于方向和驅動控制精度有較高要求，因此控制難度較大。</p><p><b>　　3.1.2四輪機構</b></p><p>　　四輪機構在驅動方式上和結構上類似于三輪機構，其優(yōu)點是驅動輪和負載能力更強，具有較高的地面適應能力和穩(wěn)定性。同

18、三輪機構相比，四輪機構的缺點在于其回轉半徑較大，轉向不靈活。常見的幾種四輪移動機構如圖所示</p><p>　　1）兩輪獨立驅動機構</p><p>　　如圖（6）所示，四輪機器人中的兩輪獨立驅動機構和三輪機器人中的兩輪獨立驅動機構在工作原理上完全相同，兩者之間唯一的差別在于前者多用了一個隨機輪，以增加平臺的穩(wěn)定性和伏在承受能力。</p><p>　　2)四輪全驅動

19、全導向機構</p><p>　　如圖（7）所示，該種移動機構同三輪機器人中的三輪全驅動全導向機構在工作原理上完全相同。由于增加了一個驅動輪，使得平臺的地面適應能力、負載能力以及平穩(wěn)性都得到提高。然而，該種機構的控制自由度變得更高，并且由于在運動過程中要求各個獨立的導向機構相互協(xié)調，保持一定的相互關系，因此控制算法更為復雜。此外，更多的活動機構和過多的控制關節(jié)使系統(tǒng)復雜度升高、可靠性降低。</p>&

20、lt;p><b>　　3)四輪全驅機構</b></p><p>　　四輪全驅機構如圖（8）所示。同四輪全驅全導向機構相比，二者的四輪布局完全相同，差別之處在于：每個輪子均沒有轉向機構，只能進行前后方向上的旋轉運動。機器人平臺只能通過滑動轉向方式進行方向控制，即完全靠兩側驅動輪獨立驅動產生的速度差使車輪產生側向滑動來完成轉向操作。因此，這種機構的致命缺點是轉向損耗較大。該機構的優(yōu)點是可以

21、實現(xiàn)不同半徑甚至原地零半徑的轉向，可以滿足崎嶇地形移動機器人的的性能要求。此外，由于沒有活動連接，結構簡單可靠，以最簡單的機構達到了很高的機動性。</p><p>　　4)兩輪獨立驅動汽車轉向機構</p><p>　　如圖（9）所示，該移動機構的兩個驅動后輪分別利用獨立地伺服電機進行驅動，實現(xiàn)機器人本體的運動速度控制。其優(yōu)點在于：前端兩個導向輪采用類似于汽車那樣的艾克曼轉向機構相連接，利用

22、一個轉向伺服電機實現(xiàn)機器人本體的方向控制。艾克曼轉向時目前地面車輛最通用的轉向機構，兩個轉向輪之間通過四連桿機構連接并確定轉向角之間的相互關系，可以使轉向輪得到基本滿意的朝向。艾克曼通過機械結構確定轉向輪之間的角度約束關系，整個機構只有一個自由度，因而控制簡單、可靠。艾克曼轉向機構技術成熟，在性能和可靠性之間得到較好的均衡。但是采用艾克曼轉向機構的車輛轉彎半徑較大，給機器人的控制和路線規(guī)劃帶來較大難度。</p><p

23、>　　5）兩輪差速器驅動汽車轉向機構</p><p>　　如圖（10）所示，該種機構也采用艾克曼轉向機構實現(xiàn)機器人的運動方向控制，而后面兩個驅動則采用單伺服電機驅動差速器的方式實現(xiàn)。同圖（d）所示機構相比，這種機構只利用兩個電機就能實現(xiàn)四輪機器人的的速度和方向控制，控制更為簡單，可靠性更高；但是由于轉向輪角度約束與驅動輪速度差分制均采用機械方式實現(xiàn)，因此機械結構也變得更為復雜，據(jù)此實現(xiàn)的機器人平臺往往體積更

24、大，質量也更大。</p><p>　　綜上所述，從體積質量，伺服驅動系統(tǒng)精確度，成本，運動靈活性，能否實現(xiàn)小半徑回轉，穩(wěn)定度，控制簡單，設計簡單角度總觀：</p><p>　　三輪機構中選用兩輪獨立驅動機構，四輪機構中選用兩輪獨立驅動機構。</p><p>　　但是四輪機構比三輪機構多用了一個隨機輪，增加了平臺的穩(wěn)定性和伏在承受能力。所以最終選用四輪機構中的兩輪獨立

25、驅動機構</p><p><b>　　3.2 可行性分析</b></p><p>　　四輪機構其優(yōu)點是驅動輪和負載能力更強，具有較高的地面適應能力和穩(wěn)定性。</p><p>　　兩輪獨立驅動機構是最常用的一種驅動機構。該機構利用一個高精度驅動輪和兩個隨機輪構成。左右兩個驅動輪由兩個電動機經過減速器獨立驅動，隨機輪置于機器人底盤的前方位置。機器人

26、的行進方向由兩輪驅動機構的速度差值決定，通過對兩個電機施加不同的速度可實現(xiàn)任意方向的驅動，因此可以實現(xiàn)全向移動。這種結構的特點是運動靈活，機構組成簡單；當兩輪轉速大小相等方向相反時，可以實現(xiàn)機器人本體的靈半徑回轉。</p><p><b>　　4．預期設計成果</b></p><p>　　依照設計任務書要求，設計完成時將產生如下成果：</p><p

27、>　　1.設計底盤全向移動驅動輪傳動機構，并繪制零件圖與裝配圖；</p><p>　　2.設計底盤輔助輪機構，并繪制零件圖與裝配圖；</p><p>　　3.設計底盤全向運動整體機構，并繪制零件圖與裝配圖；</p><p>　　4.對底盤做運動仿真分析，并對主要受力部件進行有限元分析；</p><p>　　5.撰寫畢業(yè)設計說明書；<

28、;/p><p><b>　　基本要求：</b></p><p>　　結構布局合理、可行，傳動順暢、高效。能承載200Kg重量，能實現(xiàn)全向運動。</p><p>　　5．設計工作進度計劃</p><p>　　本畢業(yè)設計的階段劃分與進度安排如下：</p><p><b>　　第7學期 </

29、b></p><p>　　第 7 周—第 12 周 收集資料，撰寫開題報告、文獻綜述、外文翻譯。</p><p>　　第 13 周—第 13 周 修改、打印、上交開題報告、文獻綜述、外文翻 譯。</p><p>　　第 14 周—第 15 周 設計全向移動機器人底盤驅動輪傳動機構。</p><p>　　第 16 周—第 16 周 前期

30、檢查。</p><p>　　第 17 周—第 18 周 設計全向移動底盤驅動輪傳動機構，并繪制與裝配圖。</p><p><b>　　第8學期 </b></p><p>　　第 1 周—第 1 周 設計底盤輔助輪機構，并繪制零件圖與裝配圖。</p><p>　　第 2 周—第 3 周 設計全向移動底盤整體機構，并

31、繪制零件圖與裝配圖。</p><p>　　第 4 周—第5 周 對底盤做運動仿真，并對主要受力部件進行有限元分析。</p><p>　　第 6 周—第6 周 撰寫畢業(yè)設計說明書。中期檢查。</p><p>　　第 7 周—第 7 周 撰寫畢業(yè)設計說明書。</p><p>　　第 8 周—第 8 周 審查。 </p&g

32、t;<p>　　第 9 周—第 9 周 準備答辯材料，答辯。</p><p><b>　　移動機器人設計 </b></p><p><b>　　1.國內外研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　1.1國外研究現(xiàn)狀 </p><p>　　(1)室外幾種典型應用移動機器人</p&

33、gt;<p>　　美國國家科學委員會曾預言:“20 世紀的核心武器是坦克,21 世紀的核心武器是無人作戰(zhàn)系統(tǒng),其中2000 年以后遙控地面無人作戰(zhàn)系統(tǒng)將連續(xù)裝備部隊,并走向戰(zhàn)場”。為此,從80 年代開始,美國國防高級研究計劃局(DARPA) 專門立項,制定了地面天人作戰(zhàn)平臺的戰(zhàn)略計劃。從此,在全世界掀開了全面研究室外移動機器人的序幕,如DARPA的“戰(zhàn)略計算機”計劃中的自主地面車輛(ALV) 計劃(1983 —1990)

34、,能源部制訂的為期10 年的機器人和智能系統(tǒng)計劃(RIPS) (1986 —1995) ,以及后來的空間機器人計劃;日本通產省組織的極限環(huán)境下作業(yè)的機器人計劃;歐洲尤里卡中的機器人計劃等。</p><p>　　初期的研究,主要從學術角度研究室外機器人的體系結構和信息處理,并建立實驗系統(tǒng)進行驗證。雖然由于80 年代對機器人的智能行為期望過高,導致室外機器人的研究未達到預期的效果,但卻帶動了相關技術的發(fā)展,為探討人類

35、研制智能機器人的途徑積累了經驗,同時,也推動了其它國家對移動機器人的研究與開發(fā)。進入90 年代,隨著技術的進步,移動機器人開始在更現(xiàn)實的基礎上,開拓各個應用領域,向實用化進軍。</p><p>　　由美國NASA資助研制的“丹蒂II”八足行走機器人,是一個能提供對高移動性機器人運動的了解和遠程機器人探險的行走機器人。它與其他機器人,NavLab ,不同之處是它于1994 年在斯珀火山的火山口中進行了成功的演示,雖

36、然在返回時,在一陡峭的、泥濘的路上,失去了穩(wěn)定性,倒向了一邊,但作為指定的探險任務早己完成。其它機器人在整個運動過程中,都需要人參與或支持。丹蒂計劃的主要目標是為實現(xiàn)在充滿碎片的月球或其它星球的表面進行探索而提供一種機器人解決方案。</p><p>　　美國NASA研制的火星探測機器人索杰那于1997年登上火星,這一事件向全世界進行了報道。為了在火星上進行長距離探險,又開始了新一代樣機的研制,命名為Rocky7

37、, 并在Lavic 湖的巖溶流上和干枯的湖床上進行了成功的實驗。</p><p>　　德國研制了一種輪椅機器人, 并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境和1998 年漢諾威工業(yè)商品博覽會的展覽大廳環(huán)境中進行了實地現(xiàn)場表演。該輪椅機器人在公共場所擁擠的、有大量乘客的環(huán)境中,進行了超過36 個小時的考驗,所表現(xiàn)出的性能是其它現(xiàn)存的輪椅機器人或移動機器人所不可比的。這種輪椅機器人是在一個商業(yè)輪椅的基礎上實現(xiàn)的。<

38、/p><p>　　國外還研制了一種獨輪機器人,它與具有靜態(tài)穩(wěn)定性的多輪移動機器人相比,具有很好的動態(tài)穩(wěn)定性,對姿態(tài)干擾的不敏感性,高可操作性,低的滾動阻力,跌倒的恢復能力和水陸兩用性。這是運動性的一種新概念。</p><p>　　(2)高完整性機器人</p><p>　　沒有一個系統(tǒng)可以做到100%可靠。一個可靠機器人是指它一直正常地工作。一個高完整性機器人則時刻監(jiān)視自

39、己的行為,一旦發(fā)現(xiàn)異常,立即停止運轉。因此,一個高完整性機器人并不一定要連續(xù)工作,但工作時,一定是正確的。</p><p>　　(3)遙控移動機器人</p><p>　　對機器自主性的挑戰(zhàn)來自要求完成的任務和高度非結構化和變化的環(huán)境。在大多數(shù)室外環(huán)境中,要求機器完全自主地完成任務,目前還有一定的困難。遠程操作的半自主機器人,毫無疑問,是一個發(fā)展方向。因此先進的遠程操作技術是將來必需的。完全

40、遙現(xiàn)是實現(xiàn)遠程操作一個或幾個移動機器人的最佳可能方案,但太貴。研制一套適于遠程操作的、使用起來既自然又容易的人機交互方案是必需的。在未知和變化的環(huán)境中,頭部跟蹤系統(tǒng)有幫助,且是可行的。。</p><p>　　(4)環(huán)境與移動機器人集成</p><p>　　H.Ishiguro 通過對以前機器人研究工作的回顧,發(fā)現(xiàn)過去智能機器人的工作主要集中在自主性上。因此,他提出了一個新概念:感知信息基礎

41、設施。就象人需要道路、交通信號燈等一樣,機器人為了在一個動態(tài)變化的環(huán)境中行動,也同樣需要基礎設施。作者將一個用于導航移動機器人的分布式視覺系統(tǒng)作為例子,進行了解釋和說明。實驗在一個縮小了1/ 12 的城鎮(zhèn)模型中進行,內有陰影,樹的結構,草地和房屋,足夠代表室外環(huán)境的真實情況,并安裝了用于機器人導航用的16 個攝像機智能體,實現(xiàn)了移動機器人與環(huán)境的融合。</p><p>　　(5)生態(tài)機器人學(生物機器人學)<

42、;/p><p>　　生態(tài)機器入學就是把生態(tài)學的原理應用到移動機器人設計中去的實踐。目前所用到的原理,現(xiàn)簡述如下:</p><p>　　◆由于機器人和環(huán)境的不可分離性,因此應將其作為一個整體來看待。</p><p>　　◆機器人的行為是由這個系統(tǒng)的動力學創(chuàng)現(xiàn)出來的。</p><p>　　◆基于感知和行為的直接關系,為了達到系統(tǒng)的一個期望狀態(tài),機器人

43、的任務就是將已有的信息映射到受其管理的控制參數(shù)上。</p><p>　　◆環(huán)境提供足夠的信息以使產生自適應行為成為可能。</p><p>　　◆因為機器人在環(huán)境中,因此環(huán)境不必在機器人之中。也就是說,無需一個中心模型,但要留出空間用于具體任務記憶和學習。</p><p><b>　　(6)多機器人系統(tǒng)</b></p><p&

44、gt;　　美國DARPA的戰(zhàn)術移動機器人計劃,是一個4 年研究計劃,于1998 年開始。分兩階段進行:技術開發(fā)和系統(tǒng)設計。技術開發(fā)包括三個方面:機器感知、半自主操作和機器人運動。目的是研究和開發(fā)由許多小的、低價的、半自主的移動機器人組成的機器人團隊的協(xié)調與控制技術并將其應用于戰(zhàn)略重要情況。如正在發(fā)生軍事沖突的市區(qū)的偵察任務,在這種情況下,市區(qū)中人口稠密,建筑物多,涉及的人員分布在其里里外外、上上下下,從而使作戰(zhàn)部隊處于危險和不可預測的境

45、地。因此,本項目的一個長期目標,就是在發(fā)生戰(zhàn)斗的條件下,使用機器人團隊,在現(xiàn)場的內外,為部隊提供支持。附帶的另一個長期目標是建立和發(fā)展一個自制的工業(yè)標準基礎,以迎接將來國防對軍用機器人的需求。</p><p>　　美國的MDARS 項目是在著名的保安機器人RO2BART的基礎上建立的一個多移動機器人平臺,用來在指定地點執(zhí)行隨機巡邏任務。第一期任務是用于國防部倉庫和儲蓄場自動化闖入探測和庫存量的查定。關于第一期任務

46、,在經歷了實驗室到模擬實驗場地之后,已經在一個作戰(zhàn)用的真實倉庫環(huán)境內,進行了成功的演示。第二期任務主要強調在國防部的室外倉儲地的應用。美國的FETCH計劃是在BUGS 計劃的基礎上,研究使用一群小的、堅固的自主移動機器人去清除地表上的未爆炸的M42 炮彈。首先建立一個實驗床,由四個機器人和一個陪同的操作員控制單元組成,研究如何確定任務要求和一個有效的機器人解決方案的參數(shù)。在這些參數(shù)中,要考慮自主與半自主機器人控制的比較,用于定彈藥位置的

47、隨機與直接搜索策略的比較,整個場地與有限移動驅動系統(tǒng)的比較。決定性的因子來自于任務的進一步細化和實際的性能。整個計劃的最終目標是用一到兩個得到基本訓練的爆炸物處理專家,監(jiān)控多達50 個機器人,在一個足球場大小的現(xiàn)場上,并行地工作,清除軍用品。任務完成的標志是,在有限的時間內,搜集盡可能多的手榴彈。對機器人的要求:一是小且輕,以便搬運到現(xiàn)場,能在鋪滿自然障礙</p><p>　　機器人正在從工廠的結構化環(huán)境進入人們

48、每天的生活環(huán)境———醫(yī)院、辦公室、家庭、建筑工地和其它雜亂及不可控環(huán)境。要求機器人不僅能自主完成工作,</p><p>　　而且能與人共同協(xié)作完成任務或在人的指導下完成任務。這就需要機器人具有下述能力:移動和操作集成于一體的能力,在多機器人之間的協(xié)作能力,與人的交互能力和無碰路徑的實時修改能力。Khatib 等討論了這個問題,并給出了有關的模型、策略和算法的開發(fā),并在斯坦福大學的兩個完整性移動平臺上進行了演示。&

49、lt;/p><p>　　自從1996 年成功地舉行了第一次世界機器人足球賽以來,現(xiàn)在,一年一度的世界機器人足球賽已經吸引了越來越多的團體參加,極大地推進了多移動機器人技術的研究,成為研究和驗證人工智能成果的實驗床。</p><p>　　關于多移動機器人的一些新的提法,如認知機器人學、生態(tài)機器人學、協(xié)作機器人學、社會機器人學以及廣義社會學等。</p><p><b&

50、gt;　　1.2國內研究現(xiàn)狀</b></p><p>　　國內在移動機器人的研究起步較晚,大多數(shù)研究尚處于某個單項研究階段,主要的研究工作：</p><p>　　清華大學智能移動機器人于1994 年通過鑒定。涉及到五個方面的關鍵技術:基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術研究(準結構道路網(wǎng)環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、具有障礙物越野環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃、自然地形環(huán)境下的全局路徑規(guī)劃) ;基于傳感器

51、信息的局部路徑規(guī)劃技術研究(基于多種傳感器信息的“感知一動作”行為、基于環(huán)境勢場法的“感知一動作”行為、基于模糊控制的局部路徑規(guī)劃與導航控制) ;路徑規(guī)劃的仿真技術研究(基于地圖的全局路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室外移動機器人規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬、室內移動機器人局部路徑規(guī)劃系統(tǒng)的仿真模擬) ;傳感技術、信息融合技術研究(差分全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)、磁羅盤和光碼盤定位系統(tǒng)、超聲測距系統(tǒng)、視覺處理技術、信息融合技術) ;智能移動機器人的設計和實現(xiàn)( 智

52、能移動機器人THMR —III 的體系結構、高效快速的數(shù)據(jù)傳輸技術、自動駕駛系統(tǒng)) 。</p><p>　　香港城市大學智能設計、自動化及制造研究中心的自動導航車和服務機器人。</p><p>　　中國科學院沈陽自動化研究所的AGV 和防爆機器人。</p><p>　　中國科學院自動化所自行設計、制造的全方位移動式機器人視覺導航系統(tǒng)。</p><

53、p>　　哈爾濱工業(yè)大學于1996 年研制成功的導游機器人等。 </p><p>　　2.移動機器人發(fā)展史</p><p>　　1920年 捷克斯洛伐克作家卡雷爾·恰佩克在他的科幻小說《羅薩姆的機器人萬能公司》中，根據(jù)Robota(捷克文，原意為“勞役、苦工”)和Robotnik(波蘭文，原意為“工人”)，創(chuàng)造出“機器人”這個詞。</p><p>

54、　　1939年 美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro。它由電纜控制，可以行走，會說77個字，甚至可以抽煙，不過離真正干家務活還差得遠。但它讓人們對家用機器人的憧憬變得更加具體。</p><p>　　1942年 美國科幻巨匠阿西莫夫提出“機器人三定律”。雖然這只是科幻小說里的創(chuàng)造，但后來成為學術界默認的研發(fā)原則。</p><p>　　1948年 諾伯特·

55、維納出版《控制論》，闡述了機器中的通信和控制機能與人的神經、感覺機能的共同規(guī)律，率先提出以計算機為核心的自動化工廠。</p><p>　　1954年 美國人喬治·德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機器人，并注冊了專利。這種機械手能按照不同的程序從事不同的工作，因此具有通用性和靈活性。</p><p>　　1956年 在達特茅斯會議上，馬文·明斯基提出了他對智能機器的看法：

56、智能機器“能夠創(chuàng)建周圍環(huán)境的抽象模型，如果遇到問題，能夠從抽象模型中尋找解決方法”。這個定義影響到以后30年智能機器人的研究方向。</p><p>　　1959年 德沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫·英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。隨后，成立了世界上第一家機器人制造工廠——Unimation公司。由于英格伯格對工業(yè)機器人的研發(fā)和宣傳，他也被稱為“工業(yè)機器人之父”。</p><p>　　

57、1962年 美國AMF公司生產出“VERSTRAN”(意思是萬能搬運),與Unimation公司生產的Unimate一樣成為真正商業(yè)化的工業(yè)機器人，并出口到世界各國，掀起了全世界對機器人和機器人研究的熱潮。</p><p>　　1962年-1963年傳感器的應用提高了機器人的可操作性。人們試著在機器人上安裝各種各樣的傳感器，包括1961年恩斯特采用的觸覺傳感器，托莫維奇和博尼1962年在世界上最早的“靈巧手”上用

58、到了壓力傳感器，而麥卡錫1963年則開始在機器人中加入視覺傳感系統(tǒng)，并在1965年，幫助MIT推出了世界上第一個帶有視覺傳感器，能識別并定位積木的機器人系統(tǒng)。</p><p>　　1965年約翰·霍普金斯大學應用物理實驗室研制出Beast機器人。Beast已經能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。20世紀60年代中期開始，美國麻省理工學院、斯坦福大學、英國愛丁堡大學等陸續(xù)成立了機器人實驗

59、室。美國興起研究第二代帶傳感器、“有感覺”的機器人，并向人工智能進發(fā)。</p><p>　　1968年 美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器人Shakey。它帶有視覺傳感器，能根據(jù)人的指令發(fā)現(xiàn)并抓取積木,不過控制它的計算機有一個房間那么大。Shakey可以算是世界第一臺智能機器人，拉開了第三代機器人研發(fā)的序幕。</p><p>　　1969年 日本早稻田大學加藤一郎實驗室研發(fā)出第一臺以雙

60、腳走路的機器人。加藤一郎長期致力于研究仿人機器人，被譽為“仿人機器人之父”。日本專家一向以研發(fā)仿人機器人和娛樂機器人的技術見長，后來更進一步，催生出本田公司的ASIMO和索尼公司的QRIO。</p><p>　　1973年 世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作，就誕生了美國Cincinnati Milacron公司的機器人T3。</p><p>　　1978年 美國Unimation公司

61、推出通用工業(yè)機器人PUMA，這標志著工業(yè)機器人技術已經完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。</p><p>　　1984年 英格伯格再推機器人Helpmate，這種機器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預言：“我要讓機器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全”。</p><p>　　1998年 丹麥樂高公司推出機器人(Mind-storms)套件，讓機器人制造變得跟搭

62、積木一樣，相對簡單又能任意拼裝，使機器人開始走入個人世界。</p><p>　　1999年 日本索尼公司推出犬型機器人愛寶(AIBO)，當即銷售一空，從此娛樂機器人成為目前機器人邁進普通家庭的途徑之一。</p><p>　　2002年 丹麥iRobot公司推出了吸塵器機器人Roomba，它能避開障礙，自動設計行進路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商

63、業(yè)化的家用機器人。</p><p>　　2006年 6月，微軟公司推出Microsoft Robotics Studio，機器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯，比爾·蓋茨預言，家用機器人很快將席卷全球。</p><p>　　3.工業(yè)智能機器人技術</p><p>　　工業(yè)機器人可用于承擔常規(guī)的、冗長乏味的裝配線工作，或執(zhí)行那些對工人也許有危害的工作。例

64、如，在第一代工業(yè)機器人中，曾有一臺被用于更換核電廠的核燃料棒,從事這項工作的工人可能會暴露在有害量的放射線下。工業(yè)機器人也能夠在裝配線上操作——安裝小型元件，例如將電子元件安裝在線路板上。為此，工人可以從這種冗長乏味任務的常規(guī)操作中解放出來。通過編程的機器人還能去掉炸彈的雷管、為殘疾者服務以及在我們社會的眾多應用中發(fā)揮作用。</p><p>　　目前國際機器人界都在加大科研力度，進行機器人共性技術的研究，并朝著智

65、能化和多樣化方向發(fā)展。主要研究內容集中在以下9個方面：</p><p>　　1．工業(yè)機器人操作機結構的優(yōu)化設計技術：探索新的高強度輕質材料，進一步提高負載/自重比，同時機構向著模塊化、可重構方向發(fā)展。</p><p>　　2．機器人控制技術：重點研究開放式，模塊化控制系統(tǒng)，人機界面更加友好，語言、圖形編程界面正在研制之中。機器人控制器的標準化和網(wǎng)絡化，以及基于PC機網(wǎng)絡式控制器已成為研究熱

66、點。編程技術除進一步提高在線編程的可操作性之外，離線編程的實用化將成為研究重點。</p><p>　　3．多傳感系統(tǒng)：為進一步提高機器人的智能和適應性，多種傳感器的使用是其問題解決的關鍵。其研究熱點在于有效可行的多傳感器融合算法，特別是在非線性及非平穩(wěn)、非正態(tài)分布的情形下的多傳感器融合算法。另一問題就是傳感系統(tǒng)的實用化。</p><p>　　4．機器人的結構靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，二者正朝

67、著一體化方向發(fā)展。</p><p>　　5．機器人遙控及監(jiān)控技術，機器人半自主和自主技術，多機器人和操作者之間的協(xié)調控制，通過網(wǎng)絡建立大范圍內的機器人遙控系統(tǒng)，在有時延的情況下，建立預先顯示進行遙控等。</p><p>　　6．虛擬機器人技術：基于多傳感器、多媒體和虛擬現(xiàn)實以及臨場感技術，實現(xiàn)機器人的虛擬遙操作和人機交互。</p><p>　　7．多智能體（mult

68、i-agent）調控制技術：這是目前機器人研究的一個嶄新領域。主要對多智能體的群體體系結構、相互間的通信與磋商機理，感知與學習方法，建模和規(guī)劃、群體行為控制等方面進行研究。</p><p>　　8．微型和微小機器人技術（micro/miniature robotics）:這是機器人研究的一個新的領域和重點發(fā)展方向。過去的研究在該領域幾乎是空白，因此該領域研究的進展將會引起機器人技術的一場革命，并且對社會進步和人類

69、活動的各個方面產生不可估量的影響，微小型機器人技術的研究主要集中在系統(tǒng)結構、運動方式、控制方法、傳感技術、通信技術以及行走技術等方面。</p><p>　　9．軟機器人技術（soft robotics）:主要用于醫(yī)療、護理、休閑和娛樂場合。傳統(tǒng)機器人設計未考慮與人緊密共處，因此其結構材料多為金屬或硬性材料，軟機器人技術要求其結構、控制方式和所用傳感系統(tǒng)在機器人意外地與環(huán)境或人碰撞時是安全的，機器人對人是友好的。&

70、lt;/p><p><b>　　4.總結與展望</b></p><p><b>　　4.1總結</b></p><p>　　機器人在我國未來20年必得到跨越式發(fā)展。理由有三：1.隨著中國經濟快速的發(fā)展，近幾年的國民生產總值年平均增長率更是保持在9%左右，人民消費水平大大提高，作為制造業(yè)主力的農民工也從早期的解決溫飽問題到現(xiàn)在對

71、薪資和工作條件提出了更高要求。這些情況使得許多企業(yè)從勞動密集型向技術密集型轉變，對產品質量提出了更高的要求。利用機器人技術無疑是發(fā)展的大方向！2.機器人技術在日美等國得到了很好的應用，給社會帶來了長足發(fā)展。而隨著我國機器人知識的普及，利用機器人技術提升我國工業(yè)發(fā)展水平，從制造大國向強國轉變，提高人民生活質量成為了全社會的共識。3.從863計劃以來，國家政府對工業(yè)機器人的研發(fā)和應用及給予了大力的支持，機器人進口量連年成倍增長。</p

72、><p><b>　　4.2展望</b></p><p>　　1 機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降。</p><p>　　2 機械結構向模塊化可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；有關節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人。</p><p>　　3

73、 機器人控制系統(tǒng)向基于 PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化，網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日漸小巧，采用模塊化結構，大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。</p><p>　　4 機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，視覺、力覺、聲覺、觸覺等多傳感器的融合技術在產品化系統(tǒng)中已有成熟應用。</p><p>　　5 機器人化機械開始興起。從94年美

74、國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 白井良明.機器人工程[M].北京:科學出版社，2001. </p><p>　　[2] 遲建男，徐新和.移動機器人即時定位與地圖創(chuàng)建問題研究[J].機器人， 2004,26（1

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86、/p><p><b>　　外文翻譯</b></p><p>　　譯文題目 移動機器人車輛 </p><p>　　原稿題目 Mobile Robot Vehicles </p><p>　　原稿出

87、處 Peter Corke.Robotics,vision and control[M].Australia: Springer Tracts in Advanced Robotics,2011 </p><p><b>　　移動機器人車輛</b></p><p>　　這一章討論如何移動機器人平臺,它帶來一個隨時間變化的函數(shù)來控制。有許多不同的類型，如61頁到63頁所

88、示的機器人平臺。但我們在本章將考慮只有兩種機器人平臺具有重要意義。第一種平臺是一個輪子，像一輛汽車,在二維世界運行。它可以改變輪子的角度使汽車向前或向后移動并控制方向的變化。第二個平臺是一個直升機,在三維運動中，這是一種典型的機器人直升機正變得越來越流行。平臺就像一個機器人，因為他們可以很容易地被模仿和控制。 </p><p><b>　　4.1靈活性</b></p>&

89、lt;p>　　我們已經談到的多樣性和移動機器人的運動方式，在這個部分中我們將討論有關機器人平臺的靈活性與及它如何在空間移動。</p><p>　　我們先來考慮一下這個簡單的例子：一列火車。從一些資料上顯示，火車在軌道運行，可以通過它的距離來描述它的位置。通過一個標量參數(shù)q，火車可以被完全的描述，叫做廣義。集合所有可能的配置就是配置空間，用q∈C來表示。在這種情況下C?R。我們也說火車上有一個自由度，因為q是

90、一個標量。這趟列車也有一個驅動器(電機),驅使它沿軌道向前或向后。火車通過電機和自由度充分的驅動,可以到達任意配置空間，就是說可以沿軌道的任何位置。</p><p>　　另一個重要的概念,移動裝置ξ∈T是一套任務空間所有可能的姿勢。這項任務空間取決于應用程序或任務。如果我們的任務是沿軌道運動，那么T?R。如果我們只關心這個火車的位置，那么在一個平面上T?R2。如果我們認為是一個三維世界，那么T ?SE(3)，它的

91、上下移動可以改變高度的變化。不清楚這這種情況下，如果這項任務超出尺寸的空間配置空間，火車就不能達到一個任意的位置，因為火車是不得不沿著固定軌道前進的。既然這樣，我們說火車沿著一個移動空間有一個映射q?ξ。</p><p>　　有趣的是,許多汽車有共同的特性。它們擅長于向前移動,但不擅長于其他方向的移動。汽車、汽墊船、船舶和飛機，它們所有的特點和復雜的操縱都是為了可以向各個方向移動而設計的。這個設計方法是一個非常明

92、智的選擇，因為它針對我們最常見的運動車輛。不常見的運動如停車、兩艘船的對接或更復雜的飛機著陸,這也不是不可能的,人類可以學習這個技巧。這種類型的設計優(yōu)點簡化非常,特別是執(zhí)行機構的要求數(shù)量越少越好。</p><p>　　下一個考慮是氣墊船，它的下面有兩個螺旋槳，但軸平行但不在同一直線上。提供的總向前力產生的扭矩會使氣墊船轉向偏移。氣墊船在平面移動及其配置上完全是由三個廣義坐標表示q =(x, y, θ) ∈ C。配

93、置空間有三維空間，因此它有三個自由度。</p><p>　　氣墊船只有兩個執(zhí)行機構，比汽車少一個自由度，因此它是欠驅動系統(tǒng)。利用這個限制方式可以自由移動。在任何時候我們可以控制前進（平行于推力矢量）、加速和旋轉。加速度為零的氣墊船沒有橫向加速度,因為它不產生任何側向推力。然而一些熟練的操縱，就像汽車能在遵循的路線上把它帶到開始地方的另一側。欠驅動系統(tǒng)的優(yōu)點就是可以減少執(zhí)行機構的數(shù)量，缺點就是是汽車無法直接移動到任

94、何一個地方及其配置的空間，因為它必須遵循一定的路徑。如果我們增加了第三個螺旋槳，那么氣墊船就可以實現(xiàn)全向移動。氣墊船的任務空間就是T ? SE(2)，對于配置空間是等效的。</p><p>　　一架直升飛機有四個執(zhí)行機構。其大小主要是由轉軸產生推力矢量控制的橫向、縱向循環(huán)。第四個驅動器后面的轉子提供了一個橫擺力矩。直升機的配置可以描述為六個廣義坐標q =(x, y, z, θr, θp, θy) ∈ C，那是其位

95、置與方向在三維空間的取向角。配置空間C?R3×S3有六個維度,因此車輛有六個自由度。直升機是欠驅動系統(tǒng),它沒有旋轉加速，因為直升機保持自由是不需要操作的，機尾的朝向保持穩(wěn)定的均衡力，因此可以做俯仰運動。重力就像一個額外的驅動器,它提供一個向下的力，這使得直升機加速側推力矢量水平分量的垂直分量推力由重力抵消，如果沒有重力直升飛機是飛不起來的。直升機的工作空間就是T?SE(3)。</p><p>　　一個固

96、定翼飛機前進,也有4個極其有效地執(zhí)行機構：前進、副翼、升降、方向。對飛機來說飛機的推力加速度在不同時刻都會對方向和控制產生不同的影響：方向舵（偏航力矩）、副翼（軋輥扭矩）、升降（旋轉扭矩）。飛機的配置空間是相同的,有6個尺寸。欠驅動系統(tǒng)的飛機沒有側向方向的加速。直升機的工作空間就是T?SE(3)。</p><p>　　在62頁的深井熱量探測器顯示的水下機器人也有一個配置空間C ?R3× S3 ，是六個維

97、度的，但是相比之下是完全啟動的。車輛的執(zhí)行機構可以運用六個方面對任意一個力及力矩平衡，它可以使任意方向軸的加速。它的工作空間是T?SE(3)</p><p>　　最后,我們來到了輪子———人類偉大的成就。輪子是在公元前3000年左右發(fā)明的,兩個輪子的車是在公元前2000年左右發(fā)明的。今天四個輪子的交通工具是無處不在的,擁有的人數(shù)接近十億。汽車的有效性和我們對它的熟悉讓它們可以在平臺上自由移動。</p>

98、<p>　　一輛滾滑駕駛的車輛,比如一輛坦克，可以在危險中移向一邊并立即停下來。這是一個機動時變控制策略的特點,是一種不完整的系統(tǒng)。坦克有兩個執(zhí)行機構，就像在每條賽道上,一輛車就是一個欠驅動系統(tǒng)。</p><p>　　機動車輛參數(shù)表,我們討論的是在表4.1。第二欄是大量的自由度的車輛或其設置的空間維度，第三欄是大量的執(zhí)行機構，第四欄的是是否完全驅動的車輛。</p><p>　

99、　Mobile Robot Vehicles</p><p>　　This chapter discusses how a robot platform moves, that is, how its pose changes with time as a function of its control inputs. There are many different types of robot platfor

100、m as shown on pages 61–63 but in this chapter we will consider only two which are important exemplars. The first is a wheeled vehicle like a car which operates in a 2-dimensional world. It can be propelled forwards or ba

101、ckwards and its heading direction controlled by changing the angle of its steered wheels. The second plat</p><p>　　However before we start to discuss these two robot platforms it will be helpful to consider

102、some general, but important, concepts regarding mobility.</p><p>　　4.1 lMobility</p><p>　　We have already touched on the diversity of mobile robots and their modes of locomotion.In this section

103、we will discuss mobility which is concerned with how a vehicle moves in space.</p><p>　　We first consider the simple example of a train. The train moves along rails and its position</p><p>　　is

104、described by its distance along the rail from some datum. The configuration of the train can be completely described by a scalar parameter q which is called its generalized coordinate. The set of all possible configurati

105、ons is the configuration space, or C-space, denoted by C and q∈C. In this case C?R. We also say that the train has one degree of freedom since q is a scalar. The train also has one actuator (motor) that propels it forwar

106、ds or backwards along the rail. With one motor and one de</p><p>　　Another important concept is task space which is the set of all possible poses ξ of the vehicle and ξ ∈ T. The task space depends on the app

107、lication or task. If our task was motion along the rail then T ?R. If we cared only about the position of the train in a plane then T ?R2. If we considered a 3-dimensional world then T ? SE(3), and its height changes as