搜救機(jī)器人人機(jī)協(xié)作行為控制研究.pdf

1、本文研究了一種關(guān)節(jié)履帶式搜救探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)。中國(guó)是一個(gè)自然災(zāi)害和社會(huì)事故多發(fā)的國(guó)家，煤礦事故、泥石流、臺(tái)風(fēng)等時(shí)有發(fā)生。這些災(zāi)難發(fā)生后現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境具有復(fù)雜性、未知性及潛在的二次傷害（比如煤礦的二次爆炸、建筑物的二次坍塌等）等特點(diǎn)，給救援隊(duì)員的生命安全帶來(lái)了很大隱患。因此有必要研制一種能在第一時(shí)間代替搜救隊(duì)員深入到這種危險(xiǎn)災(zāi)難環(huán)境并探測(cè)現(xiàn)場(chǎng)有用信息的移動(dòng)機(jī)器人，為下一步營(yíng)救行動(dòng)的計(jì)劃、決策提供可靠依據(jù)。 本文首先研究了搜救機(jī)器人的基

2、本控制技術(shù)，這是搜救機(jī)器人穩(wěn)定、可靠、有效運(yùn)行的關(guān)鍵。結(jié)合我們研制的搜救機(jī)器人平臺(tái)LUKER—Ⅰ到LUKER—Ⅱ的改進(jìn)，設(shè)計(jì)了基于CAN總線的本體分布式控制網(wǎng)絡(luò)，并描述了具體的實(shí)現(xiàn)方法。對(duì)于機(jī)器人起關(guān)鍵作用的運(yùn)動(dòng)控制節(jié)點(diǎn)，主控節(jié)點(diǎn)以及姿態(tài)測(cè)量節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)思路和設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，從而為其后對(duì)機(jī)器人控制體系結(jié)構(gòu)及智能行為的研究打下基礎(chǔ)。 本文還建立了一種遙操作方式的人—機(jī)器人協(xié)作控制框架。在該框架里人與機(jī)器人分工明確，密切協(xié)作，

3、充分利用各自的優(yōu)勢(shì)，提高整體的任務(wù)執(zhí)行效率。在此框架下操作員可作為直接操控者直接控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，稱為直接控制模式；操作員亦可通過(guò)人機(jī)交互接口分配一定的任務(wù)，機(jī)器人通過(guò)任務(wù)規(guī)劃器對(duì)任務(wù)進(jìn)行行為解析，自主執(zhí)行行為控制，在此過(guò)程中操作員可通過(guò)監(jiān)督管理層實(shí)時(shí)監(jiān)督機(jī)器人的任務(wù)執(zhí)行過(guò)程，若發(fā)現(xiàn)意外情況可隨時(shí)強(qiáng)行介入機(jī)器人的任務(wù)執(zhí)行過(guò)程。本文還對(duì)該模型下的機(jī)器人的基于行為的智能控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。針對(duì)搜救機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的姿態(tài)失穩(wěn)保護(hù)，設(shè)計(jì)了一

4、種反射式的行為控制方式，構(gòu)成機(jī)器人諸多并行保護(hù)行為之一，提高了機(jī)器人在復(fù)雜地形條件下的安全性。機(jī)器人的姿態(tài)自主復(fù)位任務(wù)，在人機(jī)協(xié)作控制框架下利用有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能控制，融合了姿態(tài)失穩(wěn)保護(hù)等多種行為控制。 本文在人機(jī)協(xié)作控制構(gòu)架下給出了一個(gè)較為詳細(xì)的搜救機(jī)器人凸臺(tái)越障的任務(wù)案例。針對(duì)凸臺(tái)越障任務(wù)給出了兩種動(dòng)作規(guī)劃，并通過(guò)質(zhì)心分析得出了兩種方式的越障高度和控制規(guī)律。規(guī)劃層將機(jī)器人規(guī)劃為兩個(gè)越障階段：姿態(tài)預(yù)調(diào)整和推進(jìn)過(guò)程。姿態(tài)預(yù)調(diào)整

5、利用有限狀態(tài)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)；推進(jìn)過(guò)程通過(guò)模糊Q學(xué)習(xí)保持推進(jìn)過(guò)程的平穩(wěn)性。將訓(xùn)練好的結(jié)果放到行為層去執(zhí)行提高了實(shí)時(shí)性。此外該任務(wù)還有機(jī)器人姿態(tài)失穩(wěn)保護(hù)應(yīng)激行為并行執(zhí)行。操作員也通過(guò)監(jiān)督層監(jiān)督整個(gè)規(guī)劃層和行為層的執(zhí)行結(jié)果，進(jìn)行必要的干預(yù)，把握整個(gè)任務(wù)執(zhí)行的過(guò)程。 本文最后一部分對(duì)遙操作模式下的搜救機(jī)器人的人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行了研究。利用OPENGL編程技術(shù)和3D Studio強(qiáng)大的三維建模能力，實(shí)現(xiàn)了搜救機(jī)器人的遠(yuǎn)程姿態(tài)模型再現(xiàn)功能，大大改進(jìn)