移動機器人原理與技術(shù) 課件 第一章 緒論

移動機器人技術(shù)原理與應(yīng)用第一章

緒論移動機器人的發(fā)展移動機器人的基本結(jié)構(gòu)移動機器人的研究內(nèi)容1.1機器人與移動機器人概念1.21.31.41.1機器人與移動機器人概念滿足以下三個條件的機器稱為機器人：(1)具有腦、手、腳、等三要素的個體；(2)具有非接觸傳感器和接觸傳感器；

(3)具有平衡覺和固有覺的傳感器。其中，非接觸傳感器和接觸傳感器相當(dāng)于人的五官，使機器人能夠識別外界環(huán)境，而平衡覺和固有覺則是機器人感知本身狀態(tài)所不可缺少的傳感器。1.1機器人與移動機器人概念我國對機器人的定義是：“機器人是一種自動化的機器，所不同的是這種機器具備一些與人或生物相似的智能能力，如感知能力、規(guī)劃能力、動作能力和協(xié)同能力，是一種具有高度靈活性的自動化機器?！睓C器人技術(shù)主要分兩大類，即工業(yè)機器人和移動機器人。移動機器人是一種在復(fù)雜環(huán)境下工作的，具有自行組織、自主運行、自主規(guī)劃的智能機器人。智能移動機器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。1.2移動機器人的發(fā)展從移動機構(gòu)角度看，移動機器人通常包括輪式移動機器人、履帶式移動機器人兩種基本的移動機器人。在此基礎(chǔ)上，移動機器人的移動機構(gòu)逐漸發(fā)展出現(xiàn)步進式移動機構(gòu)、蠕動式移動機構(gòu)、蛇行式移動機構(gòu)和混合式移動機構(gòu)，以適應(yīng)不同的工作環(huán)境和場合。一般室內(nèi)移動機器人通常采用輪式移動機構(gòu)，輪式移動機器人有著自重輕、承載大、機構(gòu)簡單、驅(qū)動和控制相對方便、行走速度快、機動靈活、工作效率高等優(yōu)點，但其運動穩(wěn)定性受路況影響較大。1.2移動機器人的發(fā)展履帶式移動機器人具有接地壓力小，在松軟的地面附著性能和通用性能好，爬樓梯、越障平穩(wěn)性高，自復(fù)位能力良好。但是履帶式移動機器人的速度慢、功耗大、轉(zhuǎn)向時對地面的破壞程度大。以腿足式移動機器人為代表的步進式移動機構(gòu)，自由度較多，能夠滿足某些特殊的性能要求，能適應(yīng)復(fù)雜的地形，但因其機構(gòu)復(fù)雜，存在難以控制、功耗大的缺點。蠕動式移動機構(gòu)和蛇行式移動機構(gòu)通常作為模仿某種生物運動方式的仿生機器人采用的相應(yīng)的移動機構(gòu)。1.2.1輪式移動機器人的發(fā)展1.國外輪式移動機器人發(fā)展1969年美國SRI研制成功“Shakey”系統(tǒng)，它只能解決簡單的感知、運動規(guī)劃和控制問題，采用的是兩個主動輪再加上兩個從動輪的驅(qū)動方式。同時，安裝了包括視覺傳感器、超聲傳感器在內(nèi)的許多傳感器。1.2.1輪式移動機器人的發(fā)展1.國外輪式移動機器人發(fā)展

1970年，前蘇聯(lián)將Lunokhod月球車送上月球，主要任務(wù)是收集月球表面照片，全車擁有3個攝像頭、激光測距、X射線探測儀、磁場探測儀等裝置，它的八個相互獨立的電動車輪均為驅(qū)動輪。1.2.1輪式移動機器人的發(fā)展1.國外輪式移動機器人發(fā)展

1971年，美國將“四輪電動漫游者”月球車送到月球進行探測，該月球車上裝配了儀表盤，可顯示速度、方向、坡度、電力和溫度，具有導(dǎo)航功能。1.2.1輪式移動機器人的發(fā)展1.國外輪式移動機器人發(fā)展

1997年美國宇航局推出的“旅居者”號火星車裝有一部自主式導(dǎo)航系統(tǒng)和使車體可以就地轉(zhuǎn)彎的獨立操縱的前后輪。其本身攜帶太陽能板，利用無線電遙控與地面保持聯(lián)系，在支桿上裝有一架相機和天氣探測器。1.2.1輪式移動機器人的發(fā)展1.國外輪式移動機器人發(fā)展

美國在2004年也相繼將機遇號與勇氣號送上火星，除了六個輪子的移動機機構(gòu)，還具有與人肩、肘和腕關(guān)節(jié)類似的結(jié)構(gòu)，能夠靈活地伸展、彎曲和轉(zhuǎn)動。另外，裝有一對全景照相機、顯微鏡成像儀、穆斯鮑爾分光計和阿爾法粒子X射線分光計等多種工具。1.2.1輪式移動機器人的發(fā)展1.國外輪式移動機器人發(fā)展

2011年，美國將好奇號火星車送上了火星，好奇號安裝有桅桿相機、火星手持透鏡成像儀、火星降落成像儀、火星樣本分析儀、化學(xué)與礦物學(xué)分析儀、化學(xué)與攝像機儀器、輻射評估探測器、火星車環(huán)境監(jiān)測站、火星科學(xué)實驗室進入、降落與著陸儀等設(shè)備，同時安裝有導(dǎo)航相機、化學(xué)相機、避險相機以及機械手臂。1.2.1輪式移動機器人的發(fā)展2.國內(nèi)輪式移動機器人發(fā)展

玉兔號月球車于2019年在月球開始工作，采取自主導(dǎo)航和地面遙控的組合模式，不僅可以自主前進、轉(zhuǎn)彎、后退，還可以原地打轉(zhuǎn)、橫向側(cè)擺，在危機四伏的月面上暢行無阻。1.2.1輪式移動機器人的發(fā)展2.國內(nèi)輪式移動機器人發(fā)展

祝融號火星車于2021年登陸火星。祝融號火星車在火星表面完成自動避障、自動行駛、自動探測，同時與環(huán)繞器保持通訊，接受從地球發(fā)來的指令等任務(wù)。1.2.2腿足式移動機器人1.國外腿足式移動機器人發(fā)展

第一代雙足機器人

Atlas三代機器人1.2.2腿足式移動機器人1.國外腿足式移動機器人發(fā)展1968年由美國GE公司設(shè)計的在崎嶇地形下幫助步兵攜帶的設(shè)備WalkingTruck，該設(shè)備是由四條相同的機械腿與機體相連接，機械腿是由三個轉(zhuǎn)動副組成有三個自由度，能夠?qū)崿F(xiàn)足端兩個方向的轉(zhuǎn)動和一個方向的移動。1.2.2腿足式移動機器人1.國外腿足式移動機器人發(fā)展日本于1976年研究出KUMO—I、PV—II以及TITIN系列四足機器人，最具有代表性的是TITIN—VII，腿部采用三個轉(zhuǎn)動副為驅(qū)動來實現(xiàn)機器人的移動，擁有三個自由度，具有多種步行步態(tài)，有較高的自適應(yīng)能力。1.2.2腿足式移動機器人1.國外腿足式移動機器人發(fā)展德國研制了一款猿猴類型的機器人iStructDemonstrator，它具有機械手臂、腿部和脊椎，能夠模擬靈長目動物的行為，它將取代當(dāng)前月球勘測任務(wù)中的滾輪式探測器。1.2.2腿足式移動機器人1.國外腿足式移動機器人發(fā)展意大利開發(fā)的具有代表性的液壓動力四足機器人Hyq，該機器人有十二個自由度，其中八個為液壓驅(qū)動，四個為電動，每個腿都設(shè)計了踝關(guān)節(jié)和足端，能夠?qū)崿F(xiàn)靜態(tài)步行和單腿豎直平面跳躍。1.2.2腿足式移動機器人1.國外腿足式移動機器人發(fā)展美國波士頓動力公司于2005年研發(fā)了四腿機器人BigDog。它的單腿運動主要是靠三個轉(zhuǎn)動副和一個移動副來完成，整體結(jié)構(gòu)擁有十二或十六個主動自由度，驅(qū)動方式主要以內(nèi)燃機為動力源驅(qū)動液壓系統(tǒng)。1.2.2腿足式移動機器人1.國外腿足式移動機器人發(fā)展波士頓動力2015年推出了Spot，它具有十二個自由度，采用電池能源提供動力，從而驅(qū)動液壓系統(tǒng)，以液壓系統(tǒng)作為驅(qū)動輸出動力，進而控制每段肢體的動作。1.2.2腿足式移動機器人1.國外腿足式移動機器人發(fā)展2020年，波士頓動力推出了Spotmini四足機器人，它擁有頭戴式機械臂，能夠操縱其周圍的環(huán)境以及收集數(shù)據(jù)，使用手臂打開門、轉(zhuǎn)動閥門和打開開關(guān)等等。1.2.2腿足式移動機器人2.國內(nèi)腿足式移動機器人發(fā)展我國首個四足機器人“萊卡狗”，重量僅22kg，已經(jīng)完全擺脫了外部供電，自帶電池一次充電可以支持2~3小時的行走。1.2.2腿足式移動機器人2.國內(nèi)腿足式移動機器人發(fā)展浙江大學(xué)四足仿生機器人“絕影”的出現(xiàn)表示著中國的四足機器人技術(shù)已經(jīng)能夠?qū)?biāo)國際一流水平?！敖^影”的主要優(yōu)勢在于動作自然柔順，反應(yīng)快速準(zhǔn)確，面對復(fù)雜環(huán)境能表現(xiàn)出很強的適應(yīng)力。1.2.2腿足式移動機器人2.國內(nèi)腿足式移動機器人發(fā)展在2018世界機器人大會上，上海交通大學(xué)攜新型六足機器人“青騅”參加了比賽。它采用自主開發(fā)的電機傳感復(fù)合驅(qū)動器，實現(xiàn)了力覺動態(tài)控制行走，輕量化設(shè)計讓該機器人具備更高的功率自重比，六足3-3步態(tài)行走具有更高的穩(wěn)定性。1.2.2腿足式移動機器人2.國內(nèi)腿足式移動機器人發(fā)展在2018世界機器人大會上，一款六足并聯(lián)機器人又被稱作“章魚俠”，它具有視覺、力覺、識別地形、主動避障、自主開門、感知外載、自主平衡等各項功能，這款機器人最突出的優(yōu)勢是它的負載能力與全向運動性能。1.2.3輪腿式移動機器人輪腿式移動機器人兼具輪式優(yōu)勢和腿部能力，平地移動快、效率高、噪音低，借助腿部能力則能完成適應(yīng)不平地面、跳躍通過臺階等動作，越障能力強。德國研究了輪腿式移動機器人“ALDURO”，具有兩個足和兩個輪子，并且兩個輪子在必要的時候可以成為足，變換為四足步行機器人。日本研究的輪腿式機器人“Roller-Walk”，輪子豎立起來就成為輪式探測車，輪子放平，就可以以爬行的方式前進。1.2.3輪腿式移動機器人美國波士頓動力的最新機器人產(chǎn)品“Handle”是輪腿式移動機器人，能在多種惡劣環(huán)境下順利行動，如山地、雪地和崎嶇的地形。1.2.3輪腿式移動機器人北京理工大學(xué)運動驅(qū)動與控制研究團隊研發(fā)了“北理哪吒”，是一款輪足復(fù)合式運動的機器人平臺，可用于無人作戰(zhàn)、搶險救援、物資運輸、資源勘探等領(lǐng)域。1.2.3輪腿式移動機器人騰訊RoboticsX實驗室推出了最低身高只有35厘米的輪腿式移動機器人Ollie，它可以跳上40厘米的臺階，豎直起跳高度最高可達60厘米，甚至能輕松完成360度空翻挑戰(zhàn)；在平地上時，Ollie更像是一個“不倒翁”，能抗住各種“突發(fā)”狀況。1.3移動機器人的基本結(jié)構(gòu)1.3.1移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)1.常見的車輪

(a)標(biāo)準(zhǔn)輪(b)小腳輪

(c)瑞典輪

(d)球形輪移動機器人常用的車輪1.3.1移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)1.常見的車輪標(biāo)準(zhǔn)輪有兩個自由度，分別是圍繞輪軸和接觸點的轉(zhuǎn)動；小腳輪有三個自由度，分別是圍繞垂直軸的轉(zhuǎn)動、圍繞偏移的輪軸和接觸點的轉(zhuǎn)動。在操縱時繞偏心軸旋轉(zhuǎn)，會引起加到底盤上的力。瑞典輪也稱為麥克納姆輪，車輪外緣布置的輥子軸線與車輪軸線具有一定夾角，也有三個自由度，分別圍繞輪軸、輥子和接觸點的轉(zhuǎn)動。輪子摩擦小，可以沿可能的軌跡按照運動學(xué)原理移動；球形輪可以沿任何方向受動力而旋轉(zhuǎn)。1.3.1移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)2.

輪式移動機器人輪子配置方式

3輪移動機構(gòu)1.3.1移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)2.

輪式移動機器人輪子配置方式圖(a)所示的驅(qū)動方式為后兩輪差速驅(qū)動，舵輪轉(zhuǎn)向，調(diào)整舵輪角度使移動機器人在不轉(zhuǎn)動車頭的情況下實現(xiàn)變道、轉(zhuǎn)向等動作，甚至可以實現(xiàn)沿任意點為半徑的轉(zhuǎn)彎運動，有很強的靈活性。圖(b)所示的驅(qū)動方式為前輪驅(qū)動加轉(zhuǎn)向、后兩輪隨動。此種方式不需要考慮電機配合的問題。圖(c)所示的驅(qū)動方式為通過兩驅(qū)動輪的差動來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，轉(zhuǎn)向時的半徑、速度、角速度，都由兩個驅(qū)動輪確定?？梢詫崿F(xiàn)原地打轉(zhuǎn)等動作，有比較強的靈活性。1.3.1移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)2.

輪式移動機器人輪子配置方式采用三輪機構(gòu)的機器人轉(zhuǎn)彎過程中形成的速度瞬心位于后兩輪軸心連線上，所以即使機器人旋轉(zhuǎn)半徑為零，旋轉(zhuǎn)中心也與車體的中心不一致。但三輪機構(gòu)中具有一個明顯的優(yōu)點是不需要專門的懸掛系統(tǒng)去保持各輪與地面的可靠接觸，設(shè)計中只需要注意車體中心位置合理即可。1.3.1移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)2.

輪式移動機器人輪子配置方式4輪移動機構(gòu)1.3.1移動機器人的執(zhí)行機構(gòu)2.

輪式移動機器人輪子配置方式圖(a)中，四個車輪布置在矩形平面的四角，后兩輪差速驅(qū)動，前兩舵輪同步轉(zhuǎn)向。圖(b)中前兩舵輪驅(qū)動兼轉(zhuǎn)向。圖(c)所示結(jié)構(gòu)為四輪轉(zhuǎn)向加兩輪驅(qū)動方式，這種方式使得四輪移動機器人具有了橫向移動的能力。采用四輪機構(gòu)的移動機器人有兩個缺點：一是部分四輪機構(gòu)的機器人移動能力受到限制，轉(zhuǎn)向運動的實現(xiàn)需要一定的前行行程；二是這種布局需要一個緩沖懸掛系統(tǒng)以保持穩(wěn)定、可靠的驅(qū)動能力，另外部分結(jié)構(gòu)的橫滑運動必須考慮。1.3.2移動機器人的驅(qū)動系統(tǒng)移動機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的功能是將能源動力傳送到執(zhí)行機構(gòu)。移動機器人主要使用三種驅(qū)動方法，即液壓驅(qū)動，氣動驅(qū)動和電動機驅(qū)動。液壓驅(qū)動就是利用液壓泵對液體加壓，使其具有高壓勢能，然后通過分流閥推動執(zhí)行機構(gòu)進行動作，從而達到將液體的壓力使能轉(zhuǎn)換成做功的機械能。1.3.2移動機器人的驅(qū)動系統(tǒng)液壓驅(qū)動的最大特點就是動力比較大、力和力矩慣性比大、反應(yīng)快，比較容易實現(xiàn)直接驅(qū)動，適用于要求承載能力和慣性大的場合。其缺點是多了一套液壓系統(tǒng)，對液壓元件要求高，否則容易造成液體滲漏，噪聲較大，對環(huán)境有一定的污染。氣壓驅(qū)動的基本原理與液壓驅(qū)動相似。其優(yōu)點是空氣來源方便、動作迅捷、結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、維修方便，其缺點是不宜進行速度控制、氣壓不易過高、負載能力較低等。1.3.2移動機器人的驅(qū)動系統(tǒng)電動機驅(qū)動是利用各種電動機產(chǎn)生的力或轉(zhuǎn)矩直接驅(qū)動移動機器人，常見的輪式移動機器人應(yīng)用的電機有四種類型：步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機和線性電機。直流伺服電機在移動機器人中使用較多，其可以通過調(diào)節(jié)電樞電壓的方式控制轉(zhuǎn)速，具有電源方便，響應(yīng)快，信息傳遞、檢測、處理都很方便，驅(qū)動能力較大的優(yōu)點；其缺點是轉(zhuǎn)速較高，必須采用減速機構(gòu)將其轉(zhuǎn)速降低，結(jié)構(gòu)有些復(fù)雜。1.3.3移動機器人的控制系統(tǒng)移動機器人的控制系統(tǒng)是由控制計算機及相應(yīng)的控制軟件和伺服控制器組成，它相當(dāng)于人的神經(jīng)系統(tǒng)，是移動機器人的指揮系統(tǒng)，對其執(zhí)行機構(gòu)發(fā)出如何動作的命令。移動機器人的控制系統(tǒng)主要有集中控制、主從控制、分散控制和分布式控制等幾種形式。1.3.3移動機器人的控制系統(tǒng)1．集中控制系統(tǒng)集中式控制系統(tǒng)用一臺計算機實現(xiàn)全部控制功能。其優(yōu)點是：硬件成本較低，便于信息的采集和分析，易與實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)控制，整體性與協(xié)調(diào)性較好。缺點是：系統(tǒng)控制缺乏靈活性，控制危險容易集中，一旦出現(xiàn)故障，其影響面廣，后果嚴(yán)重；由于機器人的實時性要求很高，當(dāng)系統(tǒng)進行大量數(shù)據(jù)計算會降低系統(tǒng)實時性，系統(tǒng)對多任務(wù)的響應(yīng)能力也會與系統(tǒng)的實時性相沖突；此外，系統(tǒng)連線復(fù)雜，會降低系統(tǒng)的可靠性。1.3.3移動機器人的控制系統(tǒng)2．主從控制系統(tǒng)采用主、從兩級處理器實現(xiàn)系統(tǒng)的全部控制功能。主CPU實現(xiàn)管理、環(huán)境檢測、路徑規(guī)劃和系統(tǒng)自診斷等；從CPU實現(xiàn)動作控制。主從控制系統(tǒng)實時性較好，適于高精度，但其系統(tǒng)擴展性較差，維修困難。1.3.3移動機器人的控制系統(tǒng)3．分散控制系統(tǒng)按移動機器人的功能將系統(tǒng)控制分成幾個模塊，每一個模塊各有不同的控制任務(wù)和控制策略，各模式之間可以是主從關(guān)系，也可以是平等關(guān)系。這種方式實時性好，易于實現(xiàn)高速、高精度控制，易于擴展，可實現(xiàn)智能控制。其主要思想是“分散控制，集中管理”，即系統(tǒng)對其總體目標(biāo)和任務(wù)可以進行綜合協(xié)調(diào)和分配，并通過子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作來完成控制任務(wù)，整個系統(tǒng)在功能、邏輯和物理等方面都是分散的，所以又稱為集散控制系統(tǒng)或分散控制系統(tǒng)。1.3.3移動機器人的控制系統(tǒng)4．分布式控制系統(tǒng)分布式控制系統(tǒng)常采用兩級控制方式，通常由上位機、下位機和網(wǎng)絡(luò)組成。上位機類似于人的大腦，實現(xiàn)高級控制功能，下位機類似于人的低級神經(jīng)系統(tǒng)，實現(xiàn)運動控制等底層功能。上位機和下位機通過通訊總線相互協(xié)調(diào)工作。分布式控制系統(tǒng)的優(yōu)點在于：系統(tǒng)靈活性好，控制系統(tǒng)的危險性降低，采用多處理器的分散控制，有利于系統(tǒng)功能的并行執(zhí)行，提高系統(tǒng)的處理效率，縮短響應(yīng)時間。1.3.4

移動機器人的感知決策系統(tǒng)移動機器人的感知決策系統(tǒng)由兩部分組成：感知系統(tǒng)和分析-決策智能系統(tǒng)。感知系統(tǒng)主要由具有感知不同信息的傳感器構(gòu)成，屬于硬件部分，包括視覺、觸覺、嗅覺等等傳感器分析-決策智能系統(tǒng)主要是靠計算機專用或通用軟件來完成，例如專家咨詢系統(tǒng)、智能算法、優(yōu)化算法等。1.4

移動機器人的研究內(nèi)容1．移動機器人機構(gòu)設(shè)計移動機器人機械結(jié)構(gòu)的選擇和設(shè)計，是根據(jù)移動機器人在各個領(lǐng)域以及各種場合的實際應(yīng)用需要進行的。移動機器人是一個機構(gòu)、電氣和軟件的綜合系統(tǒng)，它的任何一個部分都不是孤立的，結(jié)構(gòu)的問題影響到控制和算法。1.4

移動機器人的研究內(nèi)容2．移動機器人傳感器技術(shù)移動機器人傳感器技術(shù)主要是對移動機器人自身內(nèi)部的位置和方向信息以及外部環(huán)境信息的檢測和處理。采用的傳感器分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器。其中內(nèi)部傳感器有:編碼器、線加速度計、陀螺儀、GPS、磁羅盤、激光傳感器、激光雷達等。外部傳感器有視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、接觸和接近傳感器。1.4

移動機器人的研究內(nèi)容3．移動機器人導(dǎo)航目前的移動機器人導(dǎo)航方式主要可分為慣性導(dǎo)航、路標(biāo)導(dǎo)航及基于環(huán)境信息的地圖模型匹配導(dǎo)航等方式。環(huán)境地圖模型匹配導(dǎo)航是機器人通過自身的各種傳感器，探測周圍環(huán)境，利用感知的局部環(huán)境信息進行局部地圖構(gòu)造，并與其內(nèi)部事先存儲的完整地圖進行匹配，進而確定自身位置。根據(jù)規(guī)劃的全局路徑，采用路徑跟蹤和避障技術(shù)，實現(xiàn)導(dǎo)航，涉及到環(huán)境地圖構(gòu)建和模型匹配兩個問題。1.4

移動機器人的研究內(nèi)容3．移動機器人導(dǎo)航路標(biāo)導(dǎo)航是將環(huán)境中的特殊景物作為路標(biāo)，機器人在知道這些路標(biāo)在環(huán)境中的坐標(biāo)、形狀等特征的前提下，通過對路標(biāo)的探測確定自身位置。根據(jù)路標(biāo)的不同，可分為人工路標(biāo)導(dǎo)航和自然路標(biāo)導(dǎo)航，前者通過對人為放置的特殊標(biāo)志的識別實現(xiàn)導(dǎo)航，后者是機器人通過對環(huán)境中自然特征的識別完成導(dǎo)航。路標(biāo)探測的穩(wěn)定性和魯棒性是研究的主要問題。1.4

移動機器人的研究內(nèi)容3．移動機器人導(dǎo)航慣性導(dǎo)航通過描述移動機器人的方位角和根據(jù)從某一參考點出發(fā)測定的行駛距離來確定移動機器人當(dāng)前位置的一種方法。這種導(dǎo)航方式通過與已知的地圖路線