智能搶險救災履帶式機器人 - 下載本文

能達到的性能指標如表2-2所示。

表2-2便攜式履帶機器人性能指標

機器人重量 最大負載能力 外形尺寸 平均速度 最大速度 基本控制方式 可供選擇的控制方式 特點

40Kg左右 25Kg左右

800mmx700mmx300mm 1m/s 1.5m/s

遠距離無線操作控制 自動或半自動方式 地形適應能力強

Packbot機器人性能指標如表2-3所示。

表2-3 Packbot機器人性能參數指標

機器人重量 最大負重 行進方式 潛水深度 承受沖擊能力 平均速度 最大速度 外形尺寸 車體主件材料 電源

基本控制方式 可供選擇的控制方式 通訊模式 通訊范圍 特點

18.9Kg 11Kg

采用履帶行進,差速轉向 3m

3m高度左右的掉落沖擊 2.2m/s 3.6m/s

685mmX406mmX 178mm 鋁合金

自帶可快速拆裝的鋰電池組,可以連續供電3h 遠距離無線操作控制 自動或半自動方式: 無線電通訊 1200fl(350m左右)

適用于各種戰場環境,具有全天候作戰能力

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arflon機器人性能指標如2-4所示。

表2-4 Talon機器人性能參數指標

外形尺寸 機器人重量 有效載荷 行進方式 最大速度 最大爬坡斜度 潛水能力 遙控方式 電源 加載設備 特點

863mmX 571mmX 280mm 39 Kg 136Kg

采用履帶行進,差速轉向 2.1 m/s 能爬45度的斜坡 潛水深達30.5m 無線遙控

自帶可快速拆裝的鋰電池組,可以連續供電1—4h 多傳感器和多攝像頭

適應各種地形,具有全天侯作戰能力

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3.機器人行走控制系統設計

3.1總體設計方案

3.1.1 行走結構控制設計

機器人的控制方式有多種不同的分類方法。下面主要從控制系統結構和控制過程有無人參與這兩個角度介紹機器人的控制技術。

根據控制系統的總體結構,機器人的控制方式可分為三種類型:集中式控制、集中式控制主從式控制和分布式控制。

(1) 集中式控制

集中式控制是用一臺功能較強的計算機實現全部控制功能。這種控制方式結構簡單,易于實現,且比較經濟;但控制過程中需要許多計算(如坐標變換),因此控制速度較慢。集中式控制只適用于功能比較單一,作業方式不太復雜的機器人。 (2) 主從式控制

主從式控制由兩級計算機組成,如圖3-1所示。一級計算機為主機,主要負責系統管理、機器人語言編譯和人機接口功能,同時也利用它的運算能力完成坐標變換、軌跡插補,并定時地把計算結果作為關節運動的增量值送到公共內存,共二級計算機讀取;二級計算機為叢集,主要負責完成全部關節位置數字控制,并把各關節實際位置送回到公共內存中,供主機使用。公共內存是有雙口RAM或普通靜態RAM加上總線控制邏輯電路組成。

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終端 示教盒 一級 計算機 鍵盤 公 共 內 存 二級 計算機 驅動單元 機器人 反饋單元 外存

圖3-1 主從式控制系統結構

主從式控制功能分散,控制速度明顯要比集中式控制的速度快。但是,這種控制結構的主從機總線之間基本沒有聯系,僅通過公共內存交換數據,因此采用更多的計算機進一步分散功能是很困難大的。

(3) 分布式控制

分布式控制是為了進一步實現功能分散而采用的一種控制結構。上一級主控計算機負責整個系統的管理、坐標變換和軌跡插補運算等;下一級由多個微處理器組成,每個微處理器承擔固定的職責,他們并行地完成控制任務,因而提高了計算速度和處理能力。

分布式結構式開放型的,可以根據需要添加更多的處理器,以滿足傳感器處理、通信等功能需要。這種結構功能較強、速度快、但結構比較復雜、成本較高,比較適用于功能較多、自主能力較強、作業方式復雜的救援機器人。

根據控制過程有無人參與,機器人的控制方式可以分為人工控制、監督控制和自主控制三種類型。

(1) 人工控制

人工控制,也稱為直接控制,是指操作者向機器人直接發送基本動作指令完成遠程任務,而機器人反饋信息則作為操作者下一步控制的依據。

在人工控制下,機器人不具有任何自主能力,系統結構簡單,易于實現;但是,人工控制中的機器人的任何動作都需要操作者的直接監控才能完成,因此遠程交互的信息量非常大,對操作人員的技術、經驗和遠程通信(有線或無線)設備的性能

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都有較高的要求,機器人完成復雜的任務的效率很低。人工控制只適用于比較低端的,功能單一且操作簡單的救援機器人。

(2) 監督控制

監督控制最早由Ferrell和Sheridan于1967年在美國月球車計劃中明確提出。監督控制的定義(由Sheridan給出):一個或多個操作者間斷編程且連續不斷地從計算機接收消息,計算機利用傳感器和驅動器控制進程或任務環境,復雜閉環回路。監督控制包含兩種執行方式:交互式控制和共享控制。交互式控制是指操作者先執行一部分工作,然后讓機器人自主地執行另一部分的工作;共享控制是指操作者處于遠程遙控狀態,機器人處于自主狀態,二者同時執行任務。

實際上,監督控制又可稱為半自主控制。它要求機器人本身具有一定的規劃、組織和適應能力,同時能接受遠程操作人員的指令及輔助信息,并將機器人的狀態和環境信息反饋給操作者。監督控制中的操作者只是發送一個活一組目標指令、指令參數和相關環境或模型數據給機器人,具體任務由遠程機器人自主完成,當遇到無法處理的情況是才由遠端操作者介入,因此實時性、穩定性更高。監督控制是目前智能機器比較普遍使用的一種控制方式。

(3) 自主控制

自主控制是一個集環境感知、動態決策與規劃、行為控制等多功能為一體的智能控制系統。其環境感知是通過多種傳感器對環境進行探測并對信息進行數據融合,從而獲得更加準確的外部信息,系統的核心控制器根據傳感器信息融合的數據對機器人的運動進行自主規劃和導航。

在自主控制下,操作者不參與機器人作業任務過程的任何控制。人的智能被忽略,機器人的意識和行為完全實現自主。圖3-2所示為采用模塊化、分布式結構設計的自主移動機器人平臺硬件系統。目前,該平臺尚處于實驗室階段,其自主能力還十分有限。

本設計采用的是如圖3-2所示的自主控制加局部人工遙控干預的控制模式。機器人通過自身攜帶的傳感器和救援儀器設備進行搜救工作,并把聲音和視頻信息發送到后方操作人員的控制端,實時接收和顯示。

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