智能機(jī)器人原理與應(yīng)用 課件全套 陳雯柏 第1-15章 概論、智能機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)-室內(nèi)環(huán)境自適應(yīng)智能商用服務(wù)機(jī)器人系統(tǒng)

北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院智能機(jī)器人原理與應(yīng)用“智能檢測(cè)技術(shù)與模式識(shí)別”研究所北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》第一章

概論“robot”一詞源于捷克語(yǔ)“robota”，意為“強(qiáng)迫勞動(dòng)”。1920年，捷克作家恰佩克在《羅薩姆的萬(wàn)能機(jī)器人》劇本中把在羅薩姆萬(wàn)能機(jī)器人公司生產(chǎn)勞動(dòng)的那些家伙取名“Robot”（捷克語(yǔ)意為“奴隸”）。機(jī)器人技術(shù)涉及機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、材料、傳感器、控制技術(shù)、人工智能、仿生學(xué)等多門(mén)科學(xué)。機(jī)器人的發(fā)展是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，發(fā)展應(yīng)用機(jī)器人的目的在于：(1)提高生產(chǎn)效率，降低人的勞動(dòng)強(qiáng)度；(2)機(jī)器人做人不愿意做或做不好的事；(3)機(jī)器人做人做不了的事情。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》1.1機(jī)器人的定義1950年，美國(guó)科幻巨匠阿西莫夫提出的“機(jī)器人三定律”雖然只是科幻小說(shuō)里的創(chuàng)造，但已成為學(xué)術(shù)界默認(rèn)的研發(fā)原則，內(nèi)容如下：1.1.1

機(jī)器人三定律(1)機(jī)器人不得傷害人，也不得見(jiàn)人受到傷害而袖手旁觀；(2)機(jī)器人應(yīng)服從人的一切命令，但不得違反第一定律；(3)機(jī)器人應(yīng)保護(hù)自身的安全，但不得違反第一、第二定律。1.1機(jī)器人的定義1.1.2機(jī)器人各種定義北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》美國(guó)機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)曾把機(jī)器人定義為一種用于移動(dòng)各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過(guò)可編程序動(dòng)作來(lái)執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機(jī)械手。日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(huì)把工業(yè)機(jī)器人定義為一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器(endeffector)的，能夠轉(zhuǎn)動(dòng)并通過(guò)自動(dòng)完成各種移動(dòng)來(lái)代替人類(lèi)勞動(dòng)的通用機(jī)器。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局定義機(jī)器人是一種能夠進(jìn)行編程，并在自動(dòng)控制下執(zhí)行某些操作和移動(dòng)作業(yè)任務(wù)的機(jī)械裝置。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織把機(jī)器人定義為：機(jī)器人是一種自動(dòng)的、位置可控的、具有編程能力的多功能機(jī)械手，這種機(jī)械手具有幾個(gè)軸，能夠借助于可編程序操作來(lái)處理各種材料、零件、工具和專(zhuān)用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)。蔣新松院士言簡(jiǎn)意賅地把機(jī)器人定義為一種擬人功能的機(jī)械電子裝置。1.2機(jī)器人的生產(chǎn)與發(fā)展北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》1948年，羅伯特·維納出版《控制論》，闡述了機(jī)器中的通信和控制機(jī)能與人的神經(jīng)、感覺(jué)機(jī)能的共同規(guī)律，率先提出以計(jì)算機(jī)為核心的自動(dòng)化工廠。1980年后，各種用途的機(jī)器人廣泛應(yīng)用到了工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。1990開(kāi)始，機(jī)器人開(kāi)始面向服務(wù)業(yè)，并走向家庭?，F(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)發(fā)展大事年表總結(jié)。P2-P31.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》機(jī)器人現(xiàn)在已被廣泛地用于生產(chǎn)和生活的許多領(lǐng)域，按其擁有智能的水平,可以分為以下三個(gè)層次：(1)示教再現(xiàn)型：示教再現(xiàn)型機(jī)器人只能死板地按照人給它規(guī)定的程序工作，不管外界條件有何變化，它都不能對(duì)程序進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。如果要改變機(jī)器人所做的工作，必須由人對(duì)程序作相應(yīng)的改變，因此它是毫無(wú)智能的。(2)感覺(jué)型：感覺(jué)型機(jī)器人可以根據(jù)外界條件的變化，在一定范圍內(nèi)自行修改程序，也就是它能適應(yīng)外界條件變化，對(duì)自己怎樣作相應(yīng)調(diào)整。不過(guò)，修改程序的原則由人預(yù)先給以規(guī)定。感覺(jué)型機(jī)器人擁有初級(jí)智能水平，但沒(méi)有自動(dòng)規(guī)劃能力，目前已走向成熟，達(dá)到實(shí)用水平。(3)智能型：智能型機(jī)器人已擁有一定的自動(dòng)規(guī)劃能力，能夠自己安排自己的工作。這種機(jī)器人可以不要人的照料，完全獨(dú)立的工作，故稱(chēng)為高級(jí)自律機(jī)器人。1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》程控架構(gòu)，又稱(chēng)規(guī)劃式架構(gòu)。它根據(jù)給定初始狀態(tài)和目標(biāo)狀態(tài)給出一個(gè)行為動(dòng)作的序列，按部就班地執(zhí)行。程序序列中可采用“條件判斷+跳轉(zhuǎn)”的方法，根據(jù)傳感器的反饋情況調(diào)整控制策略。

集中式程控架構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，所有邏輯決策和計(jì)算均在集中式的控制器中完成。這種架構(gòu)清晰，顯然控制器是大腦，其他的部分不需要有處理能力。設(shè)計(jì)者在機(jī)器人工作前預(yù)先設(shè)計(jì)好最優(yōu)策略，讓機(jī)器人開(kāi)始工作，工作過(guò)程中只需要處理一些可以預(yù)料到的異常事件。1.3.1程控架構(gòu)對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)在房間里漫游的移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō)，若房間的大小未知，無(wú)法準(zhǔn)確地得到機(jī)器人在房間中的相對(duì)位置的情況時(shí)，程控式控制架構(gòu)就很難適應(yīng)了。1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》分層遞階架構(gòu)，又稱(chēng)為慎思式架構(gòu)。它是隨著分布式控制理論和技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的。分布式控制通常由一個(gè)或多個(gè)主控制器和很多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，主控制器和節(jié)點(diǎn)均具有處理能力。主控制器可以比較弱，大部分的非符號(hào)化信息在其各自的節(jié)點(diǎn)被處理、符號(hào)化后，再傳遞給主控制器來(lái)進(jìn)行決策判斷。1.3.2分層遞階架構(gòu)1.

分層遞階結(jié)構(gòu)的信息流程信息流程是從低層傳感器開(kāi)始，經(jīng)過(guò)內(nèi)外狀態(tài)的形勢(shì)評(píng)估、歸納，逐層向上，且在高層進(jìn)行總體決策；高層接受總體任務(wù)，根據(jù)信息系統(tǒng)提供的信息進(jìn)行規(guī)劃，確定總體策略，形成宏觀命令，再經(jīng)協(xié)調(diào)級(jí)的規(guī)劃設(shè)計(jì)形成若干子命令和工作序列，分配給各個(gè)執(zhí)行器執(zhí)行，如圖所示。1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》1.

分層遞階結(jié)構(gòu)的信息流程傳感器感知建模任務(wù)執(zhí)行運(yùn)動(dòng)控制執(zhí)行器2.

分層遞階架構(gòu)的特點(diǎn)遵循“感知—思維—行動(dòng)”的基本規(guī)律，較好地解決了智能和控制精度的問(wèn)題。層次向上智能增加，精度降低，層次向下，智能降低，精度增加。輸入環(huán)境的信息通過(guò)信息流程的所有模塊，往往是將簡(jiǎn)單問(wèn)題復(fù)雜化，影響了機(jī)器人對(duì)環(huán)境變化的響應(yīng)速度。各模塊串行連接，其中任何一個(gè)模塊的故障直接影響整個(gè)系統(tǒng)的功能。1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》1.3.3包容式架構(gòu)包容式架構(gòu)，又稱(chēng)為基于行為、基于情境的結(jié)構(gòu)，是一種典型的反應(yīng)式結(jié)構(gòu)。1986年，美國(guó)麻省理工學(xué)院的布魯克斯以智能機(jī)器人為背景提出了這種依據(jù)行為來(lái)劃分層次和構(gòu)造模塊的反應(yīng)式架構(gòu)。Brooks認(rèn)為機(jī)器人行為的復(fù)雜性反映了其所處環(huán)境的復(fù)雜性，而非因?yàn)闄C(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。1.

包容架構(gòu)的信息流程包容式體系結(jié)構(gòu)是一種完全的反應(yīng)式體系結(jié)構(gòu)，是基于感知與行為（SA）之間映射關(guān)系的并行結(jié)構(gòu)。包容結(jié)構(gòu)中每個(gè)控制層直接基于傳感器的輸人進(jìn)行決策，在其內(nèi)部不維護(hù)外界環(huán)境模型，可以在完全陌生的環(huán)境中進(jìn)行操作，結(jié)構(gòu)如下圖所示。1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)傳感器基于行為推理基于環(huán)境規(guī)劃目標(biāo)任務(wù)識(shí)別環(huán)境動(dòng)態(tài)變化地圖建立規(guī)劃搜

索

漫

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避

障

執(zhí)行器北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》2.包容結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)包容結(jié)構(gòu)中沒(méi)有環(huán)境模型，模塊之間信息流的表示也很簡(jiǎn)單，反應(yīng)性非常好，其靈活的反應(yīng)行為體現(xiàn)了一定的智能特征。包容結(jié)構(gòu)不存在中心控制，各層間的通信量極小，可擴(kuò)充性好。多傳感信息各層獨(dú)自處理，增加了系統(tǒng)的魯棒性，同時(shí)起到了穩(wěn)定可靠的作用。包容結(jié)構(gòu)過(guò)分強(qiáng)調(diào)單元的獨(dú)立、平行工作，缺少全局的指導(dǎo)和協(xié)調(diào)，雖然在局部行動(dòng)上可顯示出很靈活的反應(yīng)能力和魯棒性，但是對(duì)于長(zhǎng)遠(yuǎn)的全局性的目標(biāo)跟蹤顯得缺少主動(dòng)性，目的性較差，而且人的經(jīng)驗(yàn)、啟發(fā)性知識(shí)難于加入，限制了人的知識(shí)和應(yīng)用。1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》1.3.4混合式架構(gòu)蓋特提出的混合式三層體系結(jié)構(gòu)，分別是：反應(yīng)式的反饋控制層（controller），反應(yīng)式的規(guī)劃―執(zhí)行層(sequencer)和規(guī)劃層(deliberator)?；旌鲜郊軜?gòu)在較高級(jí)的決策層面采用程控架構(gòu)，以獲得較好的目的性和效率；在較低級(jí)的反應(yīng)層面采用包容式架構(gòu)，以獲得較好的環(huán)境適應(yīng)能力、魯棒性和實(shí)時(shí)性。包容式架構(gòu)機(jī)器人提供了一個(gè)高魯棒性、高適應(yīng)能力和對(duì)外界信息依賴(lài)更少的控制方法。但它的致命問(wèn)題是效率低。因此對(duì)于一些復(fù)雜的情況,需要融合應(yīng)用程控架構(gòu)、分層遞階架構(gòu)和包容式架構(gòu)。1.3.5分布式結(jié)構(gòu)1998年，比亞喬提出一種HEIR（hybridexpertsinintelligentrobots）的非層次的分布式結(jié)構(gòu)。1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》分布式結(jié)構(gòu)由符號(hào)組件(S)、圖解組件(D)和反應(yīng)組件(R)三部分組成，如圖所示。每個(gè)組件處理不同類(lèi)型的知識(shí),是一個(gè)由多個(gè)具有特定認(rèn)知功能、可以并發(fā)執(zhí)行的Agent構(gòu)成的專(zhuān)家組。各組件相互間通過(guò)信息交換進(jìn)行協(xié)調(diào),沒(méi)有層次高低之分,自主地、并發(fā)地工作。1.分布式架構(gòu)的信息流程2.分布式架構(gòu)的特點(diǎn)突破了以往智能機(jī)器人體系架構(gòu)中層次框架的分布模式，各個(gè)Agent具有極大的自主性和良好的交互性，使得智能，行為，信息和控制的分布表現(xiàn)出極大的靈活性和并行性。對(duì)于系統(tǒng)任務(wù)，每個(gè)Agent擁有不全面的信息或能力，應(yīng)保證Agent成員之間以及系統(tǒng)的目標(biāo)，意愿和行為的一致性，建立必要的集中機(jī)制，解決分散資源的有效共性，沖突的檢測(cè)和協(xié)調(diào)等問(wèn)題。更多地適用于多機(jī)器人群體。1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》1.3.6進(jìn)化控制結(jié)構(gòu)將進(jìn)化計(jì)算理論與反饋控制理論相結(jié)合，形成了一個(gè)新的智能控制方法—進(jìn)化控制。它能很好地解決移動(dòng)機(jī)器人的學(xué)習(xí)與適應(yīng)能力方面的問(wèn)題。2000年，蔡自興提出了基于功能/行為集成的自主式移動(dòng)機(jī)器人進(jìn)化控制體系結(jié)構(gòu)。既具有基于行為的系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，又保持了基于功能的系統(tǒng)的目標(biāo)可控性同時(shí)該體系結(jié)構(gòu)具有自學(xué)習(xí)功能，能夠根據(jù)先驗(yàn)知識(shí)、歷史經(jīng)驗(yàn)、對(duì)當(dāng)前環(huán)境情況的判斷和自身的狀況，調(diào)整自己的目標(biāo)、行為，以及相應(yīng)的協(xié)調(diào)機(jī)制，以達(dá)到適應(yīng)環(huán)境、完成任務(wù)的目的。整個(gè)體系結(jié)構(gòu)包括進(jìn)化規(guī)劃與基于行為的控制兩大模塊。這種綜合體系架構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》1.3.6進(jìn)化控制結(jié)構(gòu)1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》1.3.7社會(huì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)

1999年，Rooney等根據(jù)社會(huì)智能假說(shuō)提出了一種由物理層、反應(yīng)層、慎思層和社會(huì)層構(gòu)成的社會(huì)機(jī)器人體系結(jié)構(gòu),如下圖所示。1.3智能機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》1.社會(huì)機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)的信息流程社會(huì)機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)總體上看是一個(gè)混合式體系結(jié)構(gòu)。反應(yīng)層為基于行為、基于情境的的反應(yīng)式結(jié)構(gòu)；慎思層基于BDI模型，賦予了機(jī)器人心智狀態(tài)；社會(huì)層應(yīng)用基于Agent通信語(yǔ)言Teanga，賦予了機(jī)器人社會(huì)交互能力。2.社會(huì)機(jī)器人體系結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)社會(huì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)采用Agent對(duì)機(jī)器人建模，體現(xiàn)了Agent的自主性、反應(yīng)性、社會(huì)性、自發(fā)性、自適應(yīng)性和規(guī)劃、推理、學(xué)習(xí)能力等一系列良好的智能特性，能夠?qū)C(jī)器人的智能本質(zhì)(心智)進(jìn)行更細(xì)致地刻畫(huà)。社會(huì)機(jī)器人架構(gòu)對(duì)機(jī)器人的社會(huì)特性進(jìn)行了很好的封裝，對(duì)機(jī)器人內(nèi)在的感性、理性和外在的交互性、協(xié)作性實(shí)現(xiàn)了物理上和邏輯上的統(tǒng)一，能夠最大限度地模擬人類(lèi)的社會(huì)智能。社會(huì)機(jī)器人結(jié)構(gòu)理論體現(xiàn)了從智能體到多智能體、從單機(jī)器人到多機(jī)器人、從人工生命到人工社會(huì)的從個(gè)體智能到群體智能的發(fā)展過(guò)程。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院“智能檢測(cè)技術(shù)與模式識(shí)別”研究所問(wèn)答互動(dòng)環(huán)節(jié)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院智能機(jī)器人原理與應(yīng)用“智能檢測(cè)技術(shù)與模式識(shí)別”研究所北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》第二章

智能機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)機(jī)器人的移動(dòng)取決于其運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。高性能的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各種復(fù)雜行為的重要保障，機(jī)器人動(dòng)作的穩(wěn)定性、靈活性、準(zhǔn)確性、可操作性將直接影響智能機(jī)器人的整體性能。通常，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由移動(dòng)機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成，它們?cè)诳刂葡到y(tǒng)的控制下完成各種運(yùn)動(dòng)。因此，合理選擇和設(shè)計(jì)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)是移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)中一項(xiàng)基本而重要的工作。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式層出不窮，行走、跳躍、跑動(dòng)、滾動(dòng)、滑動(dòng)、游泳等不少?gòu)?fù)雜奇特的三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)入了實(shí)用化和商業(yè)化階段。如表所示，機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)往往來(lái)自自然界生物運(yùn)動(dòng)的啟示。移動(dòng)機(jī)構(gòu)的形式表2.1常見(jiàn)自然界生物運(yùn)動(dòng)形式與智能機(jī)器人移動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)基本模型對(duì)比北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)移動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇通?；谝韵略瓌t：2.

移動(dòng)機(jī)構(gòu)的選擇(1)輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的效率最高，但其適應(yīng)能力、通行能力相對(duì)較差。(2)履帶機(jī)器人對(duì)于崎嶇地形的適應(yīng)能力較好，越障能力較強(qiáng)。(3)腿式機(jī)器人的適應(yīng)能力最強(qiáng)，但效率一般不高。為了適應(yīng)野外環(huán)境，室外移動(dòng)機(jī)器人需要采用履帶式行動(dòng)機(jī)構(gòu)。(4)一些仿生機(jī)器人則是通過(guò)模仿某種生物的運(yùn)動(dòng)方式而采用相應(yīng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)，如機(jī)器蛇采用蛇行式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，機(jī)器魚(yú)則采用尾鰭推進(jìn)式移動(dòng)機(jī)構(gòu)。(5)在軟硬路面相間、平坦與崎嶇地形特征并存的復(fù)雜環(huán)境下，采用幾何形狀可變的履帶式和復(fù)合式(包括輪-履式、輪-腿式、輪-履-腿式等)。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)在相對(duì)平坦的地面上，車(chē)輪式移動(dòng)方式十分優(yōu)越。車(chē)輪的形狀或結(jié)構(gòu)取決于地面的性質(zhì)和車(chē)輛的承載能力。在軌道上運(yùn)行時(shí)多采用實(shí)心鋼輪，在室內(nèi)路面行駛時(shí)多采用充氣輪胎。輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)車(chē)輪的多少分為1輪、2輪、3輪、4輪和多輪機(jī)構(gòu)。1輪及2輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)存在穩(wěn)定性問(wèn)題，所以實(shí)際應(yīng)用的輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)多采用3輪和4輪。3輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)一般是一個(gè)前輪、兩個(gè)后輪。4輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)應(yīng)用最為廣泛，4輪機(jī)構(gòu)可采用不同的方式實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向。2.1.1輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)輪的選擇通?；谝韵乱蛩乜紤]。(1)驅(qū)動(dòng)輪直徑：在不降低機(jī)器人的加速特性的前提下，盡量選取大輪徑，以獲得更高的運(yùn)行速度。(2)輪子材料：橡膠或人造橡膠最佳，因?yàn)橄鹉z輪有更好的抓地摩擦力和減震特性，在絕大多數(shù)場(chǎng)合都可以使用。(3)輪子寬度：寬度較大，可以取得較好的驅(qū)動(dòng)摩擦力，防止打滑。(4)空心/實(shí)心：輪徑大時(shí)，盡量選取空心輪，以減小輪子重量。根據(jù)移動(dòng)特性可將輪式機(jī)器人分為非全向和全向兩種。(1)若所具有的自由度少于三個(gè)，則為非全向移動(dòng)機(jī)器人。汽車(chē)便是非全向移動(dòng)的典型應(yīng)用。(2)若具有完全的三個(gè)自由度，則稱(chēng)為全向移動(dòng)機(jī)器人。全向移動(dòng)機(jī)器人非常適合工作在空問(wèn)狹窄有限、對(duì)機(jī)器人的機(jī)動(dòng)性要求高的場(chǎng)合，具體有1輪、2輪、3輪、4輪等形式。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)圖2.1所示的掃地機(jī)器人就是一個(gè)典型的2輪差速移動(dòng)機(jī)構(gòu)?；谌缦录僭O(shè)建立機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：路面為光滑平面；機(jī)器人縱向做純滾動(dòng)，沒(méi)有側(cè)向滑移；機(jī)器人的左右輪半徑R、兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪輪心間的距離2L等其他有關(guān)參數(shù)在機(jī)器人負(fù)載與空載情況下是相同的。1.兩輪差動(dòng)移動(dòng)機(jī)構(gòu)圖2.1掃地機(jī)器人2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)

圖2.32輪差動(dòng)式移動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)因此式(2.2)不可積，說(shuō)明機(jī)器人系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)約束條件是一個(gè)非完整約束。因此可建立機(jī)器人的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)方程為：,,(2.5)即：(2.6)2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)剛體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可得下列運(yùn)動(dòng)方程：

(2.7)(2.8)由式(2.8)分析可知：若

，質(zhì)心的角速度為0，機(jī)器人將沿直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；若

，質(zhì)心的線(xiàn)速度為0，則機(jī)器人將原地轉(zhuǎn)身，即機(jī)器人以零半徑轉(zhuǎn)彎。在其他情況下，機(jī)器人將圍繞圓心以零到無(wú)窮大的轉(zhuǎn)彎半徑做圓周運(yùn)動(dòng)。將(2.7)、(2.8)代入式(2.6)得：（2.9）2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)2.三輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖2.43輪移動(dòng)機(jī)構(gòu)圖2.4（a），前輪由操舵結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)合并而成，由于操舵和驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)器都集中在前輪，所以該結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。該結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)半徑可以從0到無(wú)限大連續(xù)變化，但是由于輪子和地面之間存在滑動(dòng)，絕對(duì)的0轉(zhuǎn)彎半徑很難實(shí)現(xiàn)。圖2.4（b），前輪為操舵輪，后兩輪由差動(dòng)齒輪裝置驅(qū)動(dòng)，但是該方法在移動(dòng)機(jī)器人機(jī)構(gòu)中也不多。圖2.4（c），前輪為萬(wàn)向輪，僅起支撐作用，后兩輪分別由兩個(gè)電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且旋轉(zhuǎn)半徑可以從零到無(wú)限大任意設(shè)定。其旋轉(zhuǎn)中心是在連接兩驅(qū)動(dòng)軸的直線(xiàn)上，所以旋轉(zhuǎn)半徑即使是0，旋轉(zhuǎn)中心也與車(chē)體的中心一致。2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)3.全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)，是指不改變機(jī)器人姿態(tài)的同時(shí)可以向任意方向移動(dòng)，且可以原地旋轉(zhuǎn)任意角度，運(yùn)動(dòng)非常靈活。全向運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括全向輪、電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)軸系以及運(yùn)動(dòng)控制器幾個(gè)部分。圖2.5(a)給出了幾種不同的全向輪的結(jié)構(gòu)形式，圖2.5(b)闡明了全向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)特點(diǎn)。圖2.5（b）全向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)特點(diǎn)圖2.5（a）幾種不同的全向輪的結(jié)構(gòu)形式2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)由于全向輪機(jī)構(gòu)特點(diǎn)的限制，驅(qū)動(dòng)輪數(shù)大于或等于3，才能實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的全向移動(dòng)，并且行駛的平穩(wěn)性、效率和全向輪的結(jié)構(gòu)形式有很大關(guān)系。圖2.6所示為3輪全向移動(dòng)底盤(pán)。圖2.63輪全向移動(dòng)底盤(pán)1）三輪全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)三輪全向底盤(pán)的驅(qū)動(dòng)輪一般由三個(gè)完全相同的全向輪組成，并由性能相同的電機(jī)驅(qū)動(dòng)。各輪徑向?qū)ΨQ(chēng)安裝，夾角為120°。建立如圖2.7所示的世界坐標(biāo)系

和機(jī)器人坐標(biāo)系。2.7三輪全向底盤(pán)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)

三輪全向移動(dòng)機(jī)器人坐標(biāo)系的原點(diǎn)與其中心重合，L為機(jī)器人中心與輪子中心的距離，

為

與

的夾角，

為第

個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的線(xiàn)速度，

為輪子與

的夾角。

系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下：

（2.11）考慮到機(jī)器人的實(shí)際結(jié)構(gòu)以及所設(shè)立的坐標(biāo)系的客觀情況可知：

，將其代入（2.11）并寫(xiě)成矩陣形式可以得到三輪全向底盤(pán)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型：

(2.12)

式（2.12）描述了三輪全向移動(dòng)機(jī)器人在地面坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)的速度與驅(qū)動(dòng)輪線(xiàn)速度之間的關(guān)系。2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)2）4輪Mecanum輪全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)4輪Mecanum輪全向移動(dòng)底盤(pán)的一種布置方式如下圖所示。圖2.84輪Mecanum輪全向移動(dòng)底盤(pán)（1）比3輪全向移動(dòng)底盤(pán)更大的驅(qū)動(dòng)力、負(fù)載能力以及更好的通過(guò)性；與3輪全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)相比，四輪Mecanum輪全向移動(dòng)機(jī)構(gòu)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（2）在4個(gè)輪子分別安裝有電機(jī)的情況下，4輪Mecanum輪全向移動(dòng)底盤(pán)能擁有冗余，在一個(gè)輪子故障的情況下依然能夠運(yùn)行。但4輪Mecanum輪全向移動(dòng)底盤(pán)的成本更高，更不易于維護(hù)。由于增加了一個(gè)輪子，其在不平整的地面上行進(jìn)時(shí)極有可能出現(xiàn)一個(gè)輪子懸空的情況，這將導(dǎo)致機(jī)器人在計(jì)算輪速時(shí)產(chǎn)生較大的誤差。2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)2.1.2履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的特征是將圓環(huán)狀的無(wú)限軌道履帶卷繞在多個(gè)車(chē)輪上，使車(chē)輪不直接同地面接觸，利用履帶可以緩和地面的凹凸不平狀況。它具有穩(wěn)定性好、越野能力和地面適應(yīng)能力強(qiáng)、牽引力大等優(yōu)點(diǎn)。但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量大，能量消耗大，減振性能差，零件易損壞。圖2.9履帶式移動(dòng)機(jī)器人2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)常用履帶通常為方形或倒梯形（如圖2.10所示），履帶機(jī)構(gòu)主要由履帶板、主動(dòng)輪、從動(dòng)輪、支撐輪、托帶輪和伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)組成。圖2.10履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)

為進(jìn)一步改善對(duì)地面環(huán)境的適應(yīng)能力和越障能力，履帶結(jié)構(gòu)衍生出很多派生機(jī)構(gòu)。圖2.11給出了一種典型的帶前擺臂的關(guān)節(jié)式履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)。2.11關(guān)節(jié)式履帶移動(dòng)機(jī)構(gòu)2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)（1）同步帶/齒形帶同步帶/齒形帶傳動(dòng)具有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。同步帶傳動(dòng)由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，故帶與帶輪間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。幾種常見(jiàn)的同步帶和帶輪如圖2.12所示。圖2.12常見(jiàn)的同步帶和帶輪2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)同步帶/齒形帶傳動(dòng)具有帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。在同步帶傳動(dòng)中，由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力，故帶與帶輪間無(wú)相對(duì)滑動(dòng)，能保證準(zhǔn)確的傳動(dòng)比。同步帶作為履帶的優(yōu)點(diǎn)：(1)效率高，最高效率能達(dá)到90%以上。(2)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，只需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)同步帶規(guī)格選擇節(jié)距、齒數(shù)、長(zhǎng)度、寬度。同步帶作為履帶的缺點(diǎn)：同步帶一旦選定，長(zhǎng)度、寬度就是固定的，因此基本上屬于定制。設(shè)計(jì)不同的履帶式平臺(tái)就需要不同的同步帶，這限制了同步帶作為履帶應(yīng)用的靈活性。（2）活節(jié)履帶活節(jié)履帶是將履帶分解為單獨(dú)的履塊，通過(guò)軸對(duì)各節(jié)履塊進(jìn)行連接，類(lèi)似金屬表帶或自行車(chē)鏈條的連接方式。一種典型的活節(jié)履帶如圖2.13所示。圖2.13活節(jié)履帶2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)活節(jié)履帶的優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)为?dú)的履塊簡(jiǎn)單，可以用注塑成型的方法制造，可以以單節(jié)履塊為單位任意增減，因此具有較好的靈活性。單節(jié)履塊上可以裝配各種類(lèi)型的履帶齒，適應(yīng)不同地形。而且活節(jié)履帶的履塊中部可以設(shè)計(jì)側(cè)向限位塊，帶輪無(wú)須擋邊就可以防止履帶從帶輪側(cè)面脫出?；罟?jié)履帶的缺點(diǎn)：由于各履塊之間靠連桿連接，因此連桿處受力較大，整個(gè)履帶的承載能力弱于同步帶式履帶，并且由于活節(jié)履塊為剛性結(jié)構(gòu)，理論效率較同步帶式履帶低，運(yùn)行噪音也會(huì)較大。2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)3.

一體式履帶一體式專(zhuān)用履帶的基本結(jié)構(gòu)采用同步帶的形式，具備側(cè)向定位，因此能很好地避免履帶脫出且效率高承載力大。但是履帶設(shè)計(jì)較復(fù)雜，成本較高，多用于大型機(jī)器人。一種典型的一體式履帶如圖2.14所示。圖2.14一體式履帶同步帶履帶的最大缺點(diǎn)是缺乏側(cè)向定位，帶輪上需要附加擋邊來(lái)防止履帶脫出；活節(jié)履帶的最大缺點(diǎn)是效率較低，且承載能力有限。2.1.3腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)腿式機(jī)器人顧名思義就是使用腿系統(tǒng)作為主要進(jìn)行方式的機(jī)器人，如圖2.15所示。圖2.15各種足式機(jī)器人1.腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)(1)腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，可自主選擇離散的立足點(diǎn)，在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，而輪式和履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)必須面臨最壞地形上的幾乎所有的點(diǎn)。(2)腿式運(yùn)動(dòng)方式還具有主動(dòng)隔振能力，盡管地面高低不平，機(jī)身的運(yùn)動(dòng)仍然可以相當(dāng)平穩(wěn)。(3)多自由度系統(tǒng)有利于保持穩(wěn)定，并在失去穩(wěn)定的條件下進(jìn)行自恢復(fù)。(4)腿式行走機(jī)構(gòu)在不平地面和松軟地面上的動(dòng)速度較高，能耗較少。已有的類(lèi)人機(jī)器人步行研究顯示，被動(dòng)式機(jī)構(gòu)可以在沒(méi)有主動(dòng)能量輸入的情況下，完全采用重力作為驅(qū)動(dòng)力完成下坡等動(dòng)作。2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)2.腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)腿式機(jī)器人的構(gòu)思來(lái)源于對(duì)腿式生物的模仿，在研究足式機(jī)器人的特征時(shí)，我們主要考慮以下幾個(gè)方面：

(1)腿的數(shù)目；(2)腿的自由度；(3)穩(wěn)定性。

2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)3.典型腿式移動(dòng)機(jī)構(gòu)

（1）四足移動(dòng)機(jī)構(gòu)圖2.16BigDog圖

四足機(jī)器人的常見(jiàn)控制方法可分為以下三類(lèi)：(1)基于模型的控制方法。(2)基于行為的控制方法。(3)生物控制方法是一種融合生物科學(xué)和工程技術(shù)的新型控制方法。2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)(2)兩腿步行移動(dòng)機(jī)構(gòu)人類(lèi)的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)是靠肌肉收縮實(shí)現(xiàn)的。人類(lèi)的上肢有52對(duì)肌肉，下肢有62對(duì)肌肉，背部有112對(duì)肌肉，胸部有52對(duì)肌肉，腰部有8對(duì)肌肉，頸部有16對(duì)肌肉，頭部有25對(duì)肌肉。要控制好這個(gè)有正400個(gè)具有雙作用促動(dòng)器的多變量系統(tǒng)，目前看幾乎是不可能的。設(shè)計(jì)步行機(jī)構(gòu)必須簡(jiǎn)化，只考慮其基本的運(yùn)動(dòng)功能。圖2.18是一個(gè)具有16個(gè)關(guān)節(jié)點(diǎn)(三維特征點(diǎn))的三維人體骨架模型。圖2.18人體三維骨架模型2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)（1）類(lèi)人機(jī)器人穩(wěn)定性判斷依據(jù)通常來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定性可以分為靜態(tài)穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。1)靜態(tài)穩(wěn)定是指機(jī)器人的全身質(zhì)心COM(centerofmass)在運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過(guò)程中始終落在雙腳支撐域內(nèi)，如果機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的任何時(shí)刻停止，必將保持穩(wěn)定，不會(huì)摔倒。2)動(dòng)態(tài)穩(wěn)定是指在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中，質(zhì)心可以偏離雙腳支撐域外，但是ZMP點(diǎn)必須落在支撐域內(nèi)。（2）類(lèi)人機(jī)器人行走方式從行走方式來(lái)講，兩足走行的行走方式主要有以下三種。1)靜態(tài)步行；2)準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行；3)動(dòng)態(tài)步行。2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)（3）類(lèi)人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃運(yùn)動(dòng)規(guī)劃包括動(dòng)作規(guī)劃、復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、路徑規(guī)劃和任務(wù)規(guī)劃。1)動(dòng)作規(guī)劃的結(jié)果是指類(lèi)人機(jī)器人實(shí)現(xiàn)某個(gè)動(dòng)作需要的各個(gè)關(guān)節(jié)自由度的運(yùn)動(dòng)軌跡，以及實(shí)現(xiàn)該軌跡所需要輸入的力矩的變化。2)復(fù)雜運(yùn)動(dòng)規(guī)劃則在基本動(dòng)作規(guī)劃之上，主要考慮規(guī)劃那些使機(jī)器人能夠適合人類(lèi)環(huán)境的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)，規(guī)劃的結(jié)果除了考慮運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性之外，還可以結(jié)合運(yùn)動(dòng)所消耗的能量、時(shí)間等性能指標(biāo)和運(yùn)動(dòng)的可行性方面進(jìn)行研究。3)路徑規(guī)劃是指動(dòng)態(tài)環(huán)境中的避障問(wèn)題，任務(wù)規(guī)劃是指上升到任務(wù)級(jí)的終端決策規(guī)劃。2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)4.運(yùn)動(dòng)規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)（1）基于仿生學(xué)的步態(tài)規(guī)劃基于仿生學(xué)的步態(tài)規(guī)劃就是用傳感器記錄下人類(lèi)步行時(shí)的各個(gè)數(shù)據(jù)軌跡(humanmotioncapturedata，HMCD)，經(jīng)過(guò)修正處理之后直接用于類(lèi)人機(jī)器人上?；贖MCD的仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃流程如圖2.19所示。圖2.17基于HMCD的仿人機(jī)器人的復(fù)雜動(dòng)作設(shè)計(jì)流程2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)（2）基于動(dòng)力學(xué)模型的步態(tài)規(guī)劃

基于動(dòng)力學(xué)模型規(guī)劃方法是根據(jù)機(jī)器人的簡(jiǎn)化動(dòng)力學(xué)模型直接計(jì)算出重心的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后利用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程得到關(guān)節(jié)角的軌跡。其動(dòng)力學(xué)模型有：倒立擺模型、連桿模型。圖2.217連桿的類(lèi)人機(jī)器人模型圖2.20（a）

二維倒立擺模型2.1機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)（3）基于智能算法的步態(tài)規(guī)劃在類(lèi)人機(jī)器人上使用最多的智能算法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法、強(qiáng)化學(xué)習(xí)以及它們的結(jié)合構(gòu)成的混合進(jìn)化算法。（4）被動(dòng)動(dòng)力學(xué)步態(tài)規(guī)劃被動(dòng)動(dòng)態(tài)行走被認(rèn)為是一種有效并且簡(jiǎn)單的行走方法。20世紀(jì)初，一種完全被動(dòng)步行的裝置就已經(jīng)被制造出來(lái)。用這種方法設(shè)計(jì)的機(jī)器人，行走的效率要比當(dāng)時(shí)使用參考軌跡控制方法的機(jī)器人的效率高上10倍。2.2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制2.2.1運(yùn)動(dòng)控制任務(wù)在二維平面上運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)機(jī)器人主要有以下3種控制任務(wù)：(1)姿態(tài)穩(wěn)定控制；(2)路徑跟蹤控制；(3)軌跡跟蹤控制。圖2.23智能機(jī)器人姿態(tài)穩(wěn)定控制示意圖圖2.24智能機(jī)器人路徑跟蹤控制示意圖圖2.25智能機(jī)器人軌跡跟蹤控制示意圖2.2.2速度控制為簡(jiǎn)化問(wèn)題的復(fù)雜性，通常不對(duì)機(jī)器人直接進(jìn)行轉(zhuǎn)矩控制，而將機(jī)器人近似看成恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，則機(jī)器人的速度可以轉(zhuǎn)化為帶負(fù)載的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。機(jī)器人速度控制結(jié)構(gòu)如圖2.26所示。圖2.26機(jī)器人速度控制結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制2.2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制2.2.3位置控制機(jī)器人位置控制模式框圖如圖2.27所示。期望位置和感知位置之間的位置偏差通過(guò)位置控制器和一個(gè)位置前饋環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化成速度給定信號(hào)，借助于如圖2.27所示結(jié)構(gòu)的速度內(nèi)環(huán)將位置控制問(wèn)題轉(zhuǎn)化成了電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制問(wèn)題，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人的位置控制。圖2.27機(jī)器人位置控制結(jié)構(gòu)2.2機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制2.2.4航向角控制航向控制是路徑跟蹤的基礎(chǔ)，其控制結(jié)構(gòu)如圖2.28所示。移動(dòng)機(jī)器人的位置偏差和航向偏差最終都將轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速偏差的控制。這就需要根據(jù)機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)來(lái)規(guī)劃航向控制，航向控制借助于兩輪之間的位移差來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖2.28機(jī)器人航向控制結(jié)構(gòu)2.3機(jī)器人的控制策略2.3.1PID控制器PID控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，并具有較強(qiáng)的魯棒性，被廣泛應(yīng)用于機(jī)器人控制及其他各種工業(yè)過(guò)程控制中。當(dāng)被控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學(xué)模型時(shí)，應(yīng)用PID控制技術(shù)最方便，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定。PID控制的參數(shù)整定是否合適，是其能否在實(shí)用中得到好的控制效果的前提。圖2.29PID控制結(jié)構(gòu)2.3機(jī)器人的控制策略2.3.2自適應(yīng)控制自從應(yīng)用角度，自適應(yīng)控制大體可以歸納為兩類(lèi)：模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制。如圖2.30所示，模型參考自適應(yīng)控制的基本思想是在控制器—控制對(duì)象組成的閉環(huán)回路外再建立一個(gè)由參考模型和自適應(yīng)機(jī)構(gòu)組成的附加調(diào)節(jié)回路。參考模型的輸出(狀態(tài))就是系統(tǒng)的理想輸出(狀態(tài))。圖2.30模型參考自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)2.3機(jī)器人的控制策略2.3.3變結(jié)構(gòu)控制

變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一類(lèi)特殊的非線(xiàn)性控制，其非線(xiàn)性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。如圖2.31所示。這種控制策略與其他控制的不同之處在于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并不固定，而是可以在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，根據(jù)系統(tǒng)當(dāng)時(shí)的狀態(tài)(如偏差及各階導(dǎo)數(shù)等)，以躍變的方式、有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按預(yù)定的滑動(dòng)模態(tài)狀態(tài)軌跡運(yùn)動(dòng)。它在非線(xiàn)性控制和數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等伺服系統(tǒng)以及電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速控制等領(lǐng)域中獲得了許多成功的應(yīng)用。圖2.31系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3機(jī)器人的控制策略2.3.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制由于固有的任意非線(xiàn)性函數(shù)逼近優(yōu)勢(shì)，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于各種非線(xiàn)性工程領(lǐng)域。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制即是其中一個(gè)重要方面，這是由于其非線(xiàn)性映射能力、實(shí)時(shí)處理能力和容錯(cuò)能力使然。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用領(lǐng)域，目前應(yīng)用得較多的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為多層前向網(wǎng)絡(luò)和徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2.32所示。圖2.32BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)2.3機(jī)器人的控制策略神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制常用的基本策略如下：1.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)其他控制器進(jìn)行學(xué)習(xí)，然后逐漸取代原有控制器的方法，稱(chēng)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)一組含系統(tǒng)操作策略的訓(xùn)練樣本，即可掌握從傳感器輸入到執(zhí)行器控制行為間的映射關(guān)系。圖2.33神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制2.3機(jī)器人的控制策略2.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制就是將被控對(duì)象的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型直接與被控對(duì)象串聯(lián)起來(lái)，以便使期望輸出(即網(wǎng)絡(luò)輸入)與對(duì)象實(shí)際輸出之間的傳遞函數(shù)等于1，從而在將此網(wǎng)絡(luò)作為前饋控制器后，使被控對(duì)象的輸出為期望輸出。圖2.34神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制3.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制主要是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為自適應(yīng)控制中的參考模型。從應(yīng)用角度看，自適應(yīng)控制大體上可以歸納成兩類(lèi)：模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制。2.3機(jī)器人的控制策略2.3機(jī)器人的控制策略1.基本模糊控制圖2.35模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)模糊控制的核心部分是模糊控制器，其基本結(jié)構(gòu)如圖2.35所示，主要包括輸入量的模糊化、模糊推理和逆模糊化(或稱(chēng)模糊判決)三部分。模糊控制器的實(shí)現(xiàn)可由模糊控制通用芯片實(shí)現(xiàn)，或由計(jì)算機(jī)(或微處理機(jī))的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)的具體過(guò)程如下。求系統(tǒng)給定值與反饋值的誤差。

計(jì)算誤差變化率。輸入量的模糊化?？刂埔?guī)則。模糊推理。反模糊化。計(jì)算機(jī)執(zhí)行完1~6步驟后，即完成了對(duì)被控對(duì)象的一步控制，然后等到下一次A/D采樣，再進(jìn)行第二步控制。

2.模糊PID控制圖2.36模糊PID的結(jié)構(gòu)原理圖2.3機(jī)器人的控制策略

2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)移動(dòng)機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和機(jī)器人本體的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。執(zhí)行器的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)相當(dāng)于人的肌肉，它通過(guò)移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)連桿來(lái)控制機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作狀態(tài)，以完成不同的任務(wù)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要采用以下幾種驅(qū)動(dòng)器：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器（包括伺服電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、直接驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)），液壓驅(qū)動(dòng)器，氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器，形狀記憶金屬驅(qū)動(dòng)器，磁性伸縮驅(qū)動(dòng)器。其中，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器尤其是伺服電機(jī)是最常用的機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器。

機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的電機(jī)不同于一般的電動(dòng)機(jī)，它具有以下特點(diǎn)及要求：(1)可控性。(2)高精度。(3)可靠性。(4)快速性。(5)環(huán)境適應(yīng)性。2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)2.4.1直流伺服電動(dòng)機(jī)從結(jié)構(gòu)上講，目前的直流伺服電動(dòng)機(jī)就是小功率的直流電動(dòng)機(jī)。盡管近年來(lái)直流電動(dòng)機(jī)不斷受到交流電動(dòng)機(jī)及其他電動(dòng)機(jī)的挑戰(zhàn)，但是直流有刷電動(dòng)機(jī)的功率密度大，尺寸小，控制相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要交流電，因此目前仍被大量使用于移動(dòng)機(jī)器人等場(chǎng)合。1.特點(diǎn)(1)具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服傳動(dòng)裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩。(2)調(diào)速范圍寬，且運(yùn)行速度平穩(wěn)。(3)具有快速響應(yīng)能力，可以適應(yīng)復(fù)雜的速度變化。(4)電機(jī)的負(fù)載特性硬，有較大的過(guò)載能力，確保運(yùn)行速度不受負(fù)載沖擊的影響。

2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)2.轉(zhuǎn)速控制方法直流有刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電壓成正比,轉(zhuǎn)矩與電流成正比。對(duì)于同一臺(tái)直流有刷電動(dòng)機(jī)，電壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩這三者之間的關(guān)系如圖2.37所示。可以看到，在相同的電壓下，轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)矩越大；在相同的轉(zhuǎn)矩下，電壓越高，轉(zhuǎn)速越大；在相同的轉(zhuǎn)速下，電壓越高，轉(zhuǎn)矩越大。圖2.37電壓、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩三者關(guān)系2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)3.參數(shù)與選用選用直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，可根據(jù)上述參數(shù)考慮，需要注意的問(wèn)題有以下幾個(gè)方面。(1)一般考慮工作轉(zhuǎn)矩的大小，良好的轉(zhuǎn)矩意味著加速性能好。(2)盡量確保每個(gè)電動(dòng)機(jī)的停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩>機(jī)器人的重量X輪子半徑。(3)工作電流，該值乘以額定電壓就得到電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的平均功率。電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，或在高出額定電壓時(shí)運(yùn)行，應(yīng)給電動(dòng)機(jī)加上散熱槽，避免線(xiàn)圈熔化。(4)電機(jī)失效電壓。2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)2.4.2交流伺服電動(dòng)機(jī)交流伺服電動(dòng)機(jī)本質(zhì)上是一種兩相異步電動(dòng)機(jī)。其控制方法主要有3種：幅值控制、相位控制和幅相控制。這種電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、無(wú)電刷和換向器；缺點(diǎn)是易產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，特性非線(xiàn)性且較軟，效率較低。交流電動(dòng)機(jī)，特別是鼠籠式感應(yīng)電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子慣量較直流電動(dòng)機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)更好。在同樣的體積下，交流電動(dòng)機(jī)的輸出功率可比直流電動(dòng)機(jī)提高10%~70%。此外，交流電動(dòng)機(jī)的容量可比直流電動(dòng)機(jī)造得大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床都傾向采用交流伺服驅(qū)動(dòng)。在工業(yè)領(lǐng)域，交流伺服驅(qū)動(dòng)已有取代直流伺服驅(qū)動(dòng)之勢(shì)。2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)2.4.3無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展來(lái)的，其驅(qū)動(dòng)電流是不折不扣的交流。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)又可以分為無(wú)刷速率電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷力矩電動(dòng)機(jī)。一般地，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流有兩種，一種是梯形波(一般是方波)，另一種是正弦波。有時(shí)將前一種電動(dòng)機(jī)叫作直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，后一種叫作交流伺服電動(dòng)機(jī)，確切地講是交流伺服電動(dòng)機(jī)的一種。圖2.39給出了市場(chǎng)上容易買(mǎi)到的、常用于制作機(jī)器人的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。(a)航模用無(wú)刷電動(dòng)機(jī)(b)馬克森電機(jī)2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)2.4.4直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)普通的電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)都是旋轉(zhuǎn)。如果需要得到直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，就必須通過(guò)絲杠螺母機(jī)構(gòu)或者齒輪齒條機(jī)構(gòu)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)。這樣顯然增加了復(fù)雜性，增加了成本，降低了運(yùn)動(dòng)的精度。直線(xiàn)電動(dòng)機(jī)是一種特殊的無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，可以理解為將無(wú)刷電動(dòng)機(jī)沿軸線(xiàn)展開(kāi)，鋪平；定子上的繞組被平鋪在一條直線(xiàn)上，而永久磁鋼制成的轉(zhuǎn)子放在這些繞組的上方。2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)2.4.5空心杯直流電動(dòng)機(jī)空心杯直流電動(dòng)機(jī)屬于直流永磁電動(dòng)機(jī)，與普通有刷、無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的主要區(qū)別是采用無(wú)鐵芯轉(zhuǎn)子，也叫空心杯型轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子是直接采用導(dǎo)線(xiàn)繞制成的，沒(méi)有任何其他的結(jié)構(gòu)支撐這些繞線(xiàn)，繞線(xiàn)本身做成杯狀，就構(gòu)成了轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)?？招谋妱?dòng)機(jī)具有以下優(yōu)勢(shì)。(1)由于沒(méi)有鐵芯，極大地降低了鐵損。(2)激活、制動(dòng)迅速，響應(yīng)極快。(3)可靠的運(yùn)行穩(wěn)定性。(4)電磁干擾少。(5)能量密度大。2.4.6步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是將電脈沖信號(hào)變換為相應(yīng)的角位移或直線(xiàn)位移的元件，其角位移和線(xiàn)位移量與脈沖數(shù)成正比。轉(zhuǎn)速或線(xiàn)速度與脈沖頻率成正比。1.特點(diǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大特點(diǎn)就是可以直接接受計(jì)算機(jī)的方向和速度的控制，控制信號(hào)簡(jiǎn)單，便于數(shù)字化，而且具有調(diào)速方便、定位準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)、誤差不長(zhǎng)期累積等優(yōu)點(diǎn)。2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)2.4.7舵機(jī)舵機(jī)，顧名思義是控制舵面的電動(dòng)機(jī)。舵機(jī)最早是作為遙控模型控制舵面、油門(mén)等機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來(lái)源，但是由于舵機(jī)具有很多優(yōu)秀的特性，制作機(jī)器人時(shí)也時(shí)常能看到它的應(yīng)用。2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)1.舵機(jī)的結(jié)構(gòu)一般來(lái)講，舵機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成，舵盤(pán)、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)、直流電機(jī)、控制電路板等。圖2.40舵機(jī)結(jié)構(gòu)圖2.4機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)技術(shù)2.舵機(jī)的原理舵機(jī)的原理跟伺服電機(jī)很相似，控制電路板根據(jù)控制信號(hào)解釋出目標(biāo)位置信息，再根據(jù)電位器輸出的電壓值解釋出電機(jī)當(dāng)前的位置，如果兩個(gè)位置不一致，則控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤(pán)，而舵盤(pán)和位置反饋電位計(jì)是相連的，舵盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)輸出的電壓信號(hào)也隨之改變，這樣控制板就知道現(xiàn)在的轉(zhuǎn)角，然后根據(jù)目標(biāo)位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。3.舵機(jī)的控制給控制引腳提供一定的脈寬（TTL電平，0V/5V），它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)應(yīng)的角度上。無(wú)論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)位置上。2.5機(jī)器人的電源技術(shù)當(dāng)前任何電池和電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)都很難達(dá)到內(nèi)燃機(jī)的能量密度及續(xù)航時(shí)間。通常，一臺(tái)長(zhǎng)、寬、高尺寸在0.5m左右、重30~50kg的移動(dòng)機(jī)器人，總功耗約為50~200W(用于室外復(fù)雜地形的機(jī)器人可達(dá)到200~400W)，而200Wh(瓦特小時(shí))的電池重量可達(dá)3~5kg。因此，在沒(méi)有任何電源管理技術(shù)的情況下，要維持機(jī)器人連續(xù)3~5h運(yùn)行，就需要600~1000Wh的電池，重達(dá)10~25kg。2.5機(jī)器人的電源技術(shù)2.5.1機(jī)器人常見(jiàn)電源類(lèi)型(1)免維護(hù)蓄電。(2)鎳鎘/鎳氫動(dòng)力電池。(3)鋰電子電池。(3)石墨烯電池。(3)刀片電池。2.5機(jī)器人的電源技術(shù)2.5.2常見(jiàn)電池特性比較對(duì)機(jī)器人電源的選用通常有如下考慮：(1)除一些管道機(jī)器人、水下機(jī)器人外，移動(dòng)機(jī)器人通常不能采取線(xiàn)纜供電的方式，必須采用電池或內(nèi)燃機(jī)供電。(2)相對(duì)于汽車(chē)等應(yīng)用，移動(dòng)機(jī)器人要求電池體積小、重量輕、能量密度大。電池容量決定了機(jī)器人的工作時(shí)間和續(xù)航能力，電池尺寸和重量一定程度上決定了機(jī)器人本體的尺寸和重量。(3)在各種震動(dòng)、沖擊條件下，移動(dòng)機(jī)器人要求電池應(yīng)接近或者達(dá)到汽車(chē)電池的安全性、可靠性。2.5機(jī)器人的電源技術(shù)表2.4電池參數(shù)內(nèi)容鉛酸蓄電池鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池鋰聚合物電池石墨烯電池刀片電池能量30-50Wh/kg35-40Wh/kg60-80Wh/kg90-110Wh/kg~130Wh/kg~600Wh/kg60~70kWh/kg密度差差一般較好非常好非常好非常好大電流放電能力非常好非常好較好較好較好較好較好可維護(hù)性非常好較好好一般較好較好較好放電曲線(xiàn)性能好好一般非常好較好較好較好循環(huán)壽命400-600次300-500次800-1000次500-600次500-600次1000~1200次超3000次安全性非常好較好較好一般較好較好非常好價(jià)格低低較低高高高高記憶效應(yīng)輕微嚴(yán)重較輕輕微輕微輕微較輕北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院“智能檢測(cè)技術(shù)與模式識(shí)別”研究所問(wèn)答互動(dòng)環(huán)節(jié)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院智能機(jī)器人原理與應(yīng)用“智能檢測(cè)技術(shù)與模式識(shí)別”研究所北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》第三章

智能機(jī)器人的感知系統(tǒng)

智能機(jī)器人的感知系統(tǒng)相當(dāng)于人的五官和神經(jīng)系統(tǒng)，是機(jī)器人獲取外部環(huán)境信息及進(jìn)行內(nèi)部反饋控制的工具。

感知系統(tǒng)將機(jī)器人各種內(nèi)部狀態(tài)信息和環(huán)境信息從信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)器人自身或者機(jī)器人之間能夠理解和應(yīng)用的數(shù)據(jù)、信息甚至知識(shí)，它與機(jī)器人控制系統(tǒng)和決策系統(tǒng)組成機(jī)器人的核心。環(huán)境感知是智能機(jī)器人最基本的一種能力,感知能力的高低決定了一個(gè)智能機(jī)器人的智能性。機(jī)器人感知系統(tǒng)本質(zhì)是一個(gè)傳感器系統(tǒng)。機(jī)器人感知系統(tǒng)的構(gòu)建包括：系統(tǒng)需求分析、環(huán)境建模、傳感器的選擇等。人、機(jī)器人在環(huán)境中的感知行為都可以按照復(fù)雜度分為以下幾個(gè)等級(jí)：(1)

反射式感知；(2)

信息融合感知；(3)

可學(xué)習(xí)感知；(4)自主認(rèn)知。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)人類(lèi)具有5種感覺(jué)，即視覺(jué)、嗅覺(jué)、味覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)。機(jī)器人有類(lèi)似人一樣的感覺(jué)系統(tǒng)，Asimo機(jī)器人的傳感器分布。機(jī)器人則是通過(guò)傳感器得到這些信息的，這些信息通過(guò)傳感器采集，通過(guò)不同的處理方式，可以分成視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、接近覺(jué)等幾個(gè)大類(lèi)。3.1.1

感知系統(tǒng)的組成(1)視覺(jué)：獲取信息最直觀的方式，人類(lèi)75%以上的信息都來(lái)自于視覺(jué)。視覺(jué)一般包括三個(gè)過(guò)程：圖像獲取、圖像處理和圖像理解。(2)觸覺(jué)：觸覺(jué)傳感系統(tǒng)不可能實(shí)現(xiàn)人體全部的觸覺(jué)功能。機(jī)器人觸覺(jué)的研究集中在擴(kuò)展機(jī)器人能力所必需的觸覺(jué)功能上。一般地，把檢測(cè)感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸、壓力、滑覺(jué)的傳感器，稱(chēng)為機(jī)器人觸覺(jué)傳感器。(3)聽(tīng)覺(jué)：機(jī)器人擁有聽(tīng)覺(jué)，使得機(jī)器人能夠與人進(jìn)行自然的人機(jī)對(duì)話(huà)，使得機(jī)器人能夠聽(tīng)從人的指揮。達(dá)到這一目標(biāo)的決定性技術(shù)是語(yǔ)音技術(shù)，它包括語(yǔ)音識(shí)別和合成技術(shù)兩個(gè)方面。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3.1.1

感知系統(tǒng)的組成(4)嗅覺(jué)：機(jī)器人嗅覺(jué)系統(tǒng)通常由交叉敏感的化學(xué)傳感器陣列和適當(dāng)?shù)哪Ｊ阶R(shí)別算法組成，可用于檢測(cè)、分析和鑒別各種氣味。(5)味覺(jué)：海洋資源勘探機(jī)器人、食品分析機(jī)器人、烹調(diào)機(jī)器人等需要用味覺(jué)傳感器進(jìn)行液體成分的分析。(6)接近覺(jué)：接近覺(jué)傳感器介于觸覺(jué)傳感器和視覺(jué)傳感器之間,不僅可以測(cè)量距離和方位,而且可以融合視覺(jué)和觸覺(jué)傳感器的信息。接近覺(jué)傳感器可以輔助視覺(jué)系統(tǒng)的功能,判斷對(duì)象物體的方位和外形,同時(shí)識(shí)別其表面形狀。因此,準(zhǔn)確抓取部件,對(duì)機(jī)器人接近覺(jué)傳感器的精度要求較高。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)1)內(nèi)傳感器

內(nèi)傳感器通常用來(lái)確定機(jī)器人在其自身坐標(biāo)系內(nèi)的姿態(tài)位置,是完成智能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)所必需的傳感器。下表為內(nèi)傳感器按照檢測(cè)內(nèi)容的分類(lèi)。3.1.2

感知系統(tǒng)的分布1．內(nèi)傳感器與外傳感器北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)2)外傳感器

外傳感器用于機(jī)器人本身相對(duì)其周?chē)h(huán)境的定位，負(fù)責(zé)檢測(cè)距離、接近程度和接觸程度之類(lèi)的變量，便于機(jī)器人的引導(dǎo)及物體的識(shí)別和處理。按照機(jī)器人作業(yè)的內(nèi)容，外傳感器通常安裝在機(jī)器人的頭部、肩部、腕部、臀部、腿部、足部等。3.1.2

感知系統(tǒng)的分布1．內(nèi)傳感器與外傳感器2．多傳感器信息融合

多傳感器信息融合技術(shù),是通過(guò)對(duì)這些傳感器及其觀測(cè)信息的合理支配和使用,把多個(gè)傳感器在時(shí)間和空間上的冗余或互補(bǔ)信息依據(jù)某種準(zhǔn)則進(jìn)行組合,以獲取被觀測(cè)對(duì)象的一致性解釋或描述。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)為獲取較好的感知效果，移動(dòng)機(jī)器人的多傳感器有著不同的分布形式：(1)水平靜態(tài)連接：傳感器分布在同一水平面的裝配方式。一般用于多個(gè)同一類(lèi)型傳感器互相配合使用的場(chǎng)合，傳感器具有零自由度。(2)非水平靜態(tài)連接：傳感器不在同一水平面上分布。多種不同類(lèi)型、不同特點(diǎn)的傳感器常常采用這種方式，傳感器具有零自由度。3.1.2

感知系統(tǒng)的分布2．多傳感器信息融合(3)水平動(dòng)態(tài)連接：傳感器分布在同一個(gè)水平面,且至少具有一個(gè)自由度。一般用于多個(gè)同一類(lèi)型傳感器互相配合的場(chǎng)合。(4)非水平動(dòng)態(tài)連接：傳感器不在同一水平面分布,且至少具有一個(gè)自由度。多種不同類(lèi)型、不同特點(diǎn)的傳感器常常采用這種方式。(5)動(dòng)態(tài)與靜態(tài)混合連接：多個(gè)傳感器既有靜態(tài)連接又存在動(dòng)態(tài)連接，是動(dòng)靜結(jié)合的連接方式。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3．無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)是由部屬在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳的、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)顯著地?cái)U(kuò)展了智能機(jī)器人的感知空間,提高了智能機(jī)器人的感知能力,為智能機(jī)器人的智能開(kāi)發(fā)、機(jī)器人間的合作與協(xié)調(diào),以及機(jī)器人應(yīng)用范圍的拓展提供了可能性。另外,由于智能機(jī)器人具有機(jī)動(dòng)靈活和自治能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),將其作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn),可以方便地改變無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),改善網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)性能。因此,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合可以有效地改善和提高系統(tǒng)的整體性能,是智能機(jī)器人與傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)。3.1.2

感知系統(tǒng)的分布北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測(cè)量機(jī)器人測(cè)距系統(tǒng)主要完成如下功能：(1)

實(shí)時(shí)地檢測(cè)自身所處空間的位置，進(jìn)行自定位；(2)

實(shí)時(shí)地檢測(cè)障礙物的距離和方向，為行動(dòng)決策提供依據(jù)；(3)

檢測(cè)目標(biāo)姿態(tài)以及進(jìn)行簡(jiǎn)單形體的識(shí)別，用于導(dǎo)航及目標(biāo)跟蹤。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測(cè)量非接觸測(cè)定空間距離的方法大體可以按以下幾種角度進(jìn)行分類(lèi)。(1)根據(jù)測(cè)量的介質(zhì),可以分為超聲波傳感器和激光或紅外線(xiàn)等光學(xué)距離傳感器。(2)根據(jù)測(cè)量方式,可以分為主動(dòng)型(向被測(cè)對(duì)象物體主動(dòng)照射超聲波或光線(xiàn))和被動(dòng)型(不向?qū)ο笪矬w照射光線(xiàn),僅依據(jù)發(fā)自對(duì)象物體的光線(xiàn))。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測(cè)量超聲波是頻率高于20KHz的聲波，它方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能。脈沖回波法通過(guò)測(cè)量超聲波經(jīng)反射到達(dá)接收傳感器的時(shí)間和發(fā)射時(shí)間之差來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與障礙物之間的測(cè)距，也叫渡越時(shí)間法。該方法簡(jiǎn)單實(shí)用，應(yīng)用廣泛，其原理如下所示：3.2.1

聲吶測(cè)距北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測(cè)量發(fā)射傳感器向空氣中發(fā)射超聲波脈沖，聲波脈沖遇到被測(cè)物體反射回來(lái)，由接收傳感器檢測(cè)回波信號(hào)。若測(cè)出第一個(gè)回波達(dá)到的時(shí)間與發(fā)射脈沖間的時(shí)間差為t，即可算得傳感器與反射點(diǎn)間的距離s，即：脈沖回波方法僅需要一個(gè)超聲波換能器來(lái)完成發(fā)射和接收功能，但同時(shí)收發(fā)的測(cè)量方式又導(dǎo)致了“死區(qū)”的存在。因?yàn)榫嚯x太近，傳感器無(wú)法分辨發(fā)射波束與反射波束。通常，脈沖回波模式超聲波測(cè)距系統(tǒng)不能測(cè)量小于幾個(gè)厘米的范圍。3.2.1

聲吶測(cè)距北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測(cè)量

紅外輻射俗稱(chēng)紅外線(xiàn)，是一種不可見(jiàn)光，其波長(zhǎng)范圍大致在0.76~1000μm。工程上把紅外線(xiàn)所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。

紅外傳感系統(tǒng)按照功能能夠分成五類(lèi)：3.2.2紅外測(cè)距(1)

輻射計(jì)，用于輻射和光譜測(cè)量；(2)

搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤；(3)

熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；(4)

紅外測(cè)距和通信系統(tǒng)；(5)

混合系統(tǒng)，是指以上各類(lèi)系統(tǒng)中的兩個(gè)或者多個(gè)的組合。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測(cè)量基本原理

紅外傳感器一般采用反射光強(qiáng)法進(jìn)行測(cè)量，即目標(biāo)物對(duì)發(fā)光二極管散射光的反射光強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)量。

紅外傳感器包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管或三極管。當(dāng)光強(qiáng)超過(guò)一定程度時(shí)光敏三極管就會(huì)導(dǎo)通，否則截止。發(fā)光二極管和光敏三極管需匯聚在同一面上，這樣反射光才能被接收器看到。3.2.2紅外測(cè)距北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測(cè)量

掃描運(yùn)動(dòng)位于由物體到檢測(cè)器和由檢測(cè)器到激光發(fā)射器兩直線(xiàn)所確定的平面內(nèi)，檢測(cè)器聚焦在表面很小的一個(gè)區(qū)域內(nèi)。因?yàn)楣庠磁c基線(xiàn)之間的角度

β

和光源與檢測(cè)器之間的基線(xiàn)距離B已知，可根據(jù)幾何關(guān)系求得3.2.3激光掃描測(cè)距1）三角法北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測(cè)量

如圖所示，波長(zhǎng)為

λ

的激光束被一分為二。一束（稱(chēng)為參考光束）經(jīng)過(guò)距離

L

到達(dá)相位測(cè)量裝置，另一束經(jīng)過(guò)距離d到達(dá)反射表面。反射光束經(jīng)過(guò)的總距離為2）相位法3.2.3激光掃描測(cè)距北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測(cè)量

若d=0，此時(shí)，d'=L，參考光束和反射光束同時(shí)到達(dá)相位測(cè)量裝置。若d增大，反射光束與參考光束間將產(chǎn)生相位移

若θ=2kπ，k=0,1,···,n,兩個(gè)波形將再次對(duì)準(zhǔn)。因此只根據(jù)測(cè)得的相位移無(wú)法區(qū)別反射光束與發(fā)射參考光束，因此只有要求θ＜360°，才有唯一解，把d'=L+2d代入上式，可得北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測(cè)量絕對(duì)型編碼器能提供運(yùn)轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)的絕對(duì)位置信息，工作原理如圖所示。3.2.4旋轉(zhuǎn)編碼器

圖中示意了從發(fā)光管經(jīng)過(guò)分光濾鏡等光學(xué)組件，通過(guò)編碼盤(pán)的透射光被光學(xué)敏感器件檢測(cè)到的原理。1．絕對(duì)式編碼器北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測(cè)量

典型的增量式編碼器由一個(gè)紅外對(duì)射式光電傳感器和一個(gè)由遮光線(xiàn)和空隔構(gòu)成的碼盤(pán)組成。當(dāng)碼盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，遮光線(xiàn)和空隔能阻攔紅外光束或讓其通過(guò)。為計(jì)算絕對(duì)位置，增量型編碼器通常需要集成一個(gè)獨(dú)立的通道——索引通道，它可以在每次旋轉(zhuǎn)到定義的零點(diǎn)或原點(diǎn)位置時(shí)提供一個(gè)脈沖。通過(guò)計(jì)算來(lái)自這個(gè)原點(diǎn)的脈沖可以計(jì)算出絕對(duì)位置。3.2.4旋轉(zhuǎn)編碼器2．增量式編碼器北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測(cè)量3.2.5旋轉(zhuǎn)電位計(jì)

電位計(jì)就是帶中心抽頭的可變電阻。旋轉(zhuǎn)電位計(jì)通常具有一個(gè)軸，軸旋轉(zhuǎn)的時(shí)候電位計(jì)的抽頭會(huì)在電阻絲上移動(dòng)。電位計(jì)帶有3個(gè)端子,兩個(gè)是電阻的兩端,電阻值固定;另外一個(gè)是抽頭輸出端,其與兩端的電阻值隨著旋轉(zhuǎn)角度的變化而變化。因此可以利用旋轉(zhuǎn)電位計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)動(dòng)角度等信息。使用它們作為角位移傳感器的時(shí)候要注意兩點(diǎn)：(1)旋轉(zhuǎn)電位計(jì)都是采用電阻絲作為傳感元件。屬于接觸式測(cè)量，會(huì)有磨損，壽命有限，因此不宜用在高速頻繁旋轉(zhuǎn)的場(chǎng)合；(2)由于制造工藝原因，同一型號(hào)的多個(gè)旋轉(zhuǎn)電位計(jì)會(huì)有一定誤差。通常這個(gè)誤差在5%~10%。因此無(wú)法用于高精度的角位移測(cè)量。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.3觸覺(jué)測(cè)量一般認(rèn)為觸覺(jué)包括接觸覺(jué)、壓覺(jué)、滑覺(jué)、力覺(jué)四種，狹義的觸覺(jué)是指前3種感知接觸的感覺(jué)。觸覺(jué)傳感器可以具體分為集中式和分布式（或陣列式）。(1)集中式傳感器：集中式傳感器的特點(diǎn)是功能單一，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。(2)分布式（陣列式）傳感器：分布式傳感器可以檢測(cè)分布在面狀物體上的力或位移。由于輸出的是傳感器面上各個(gè)點(diǎn)的信息,因此其結(jié)構(gòu)比集中式傳感器更復(fù)雜。隨著新型敏感壓阻材料CSA(碳?xì)?等的出現(xiàn),更高分辨率的觸覺(jué)傳感器成為可能。CSA靈敏度高,具有較強(qiáng)的耐過(guò)載能力。缺點(diǎn)是有遲滯,線(xiàn)性差。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺(jué)測(cè)量通常我們將機(jī)器人的力傳感器分為三類(lèi)：(1)裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器上的力傳感器，稱(chēng)為關(guān)節(jié)力傳感器。用于控制中的力反饋。(2)裝在末端執(zhí)行器和機(jī)器人最后一個(gè)關(guān)節(jié)之間的力傳感器，稱(chēng)為腕力傳感器。(3)裝在機(jī)器人手爪指關(guān)節(jié)（或手指上）的力傳感器，稱(chēng)為指力傳感器。力覺(jué)傳感器是從應(yīng)變來(lái)測(cè)量力和力矩的，所以如何設(shè)計(jì)和制作應(yīng)變部分的形狀，恰如其分地反映力和力矩的真實(shí)情況至關(guān)重要。力傳感器的種類(lèi)繁多,如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺(jué)測(cè)量1）環(huán)式傳感器圖中所示為美國(guó)Draper研究所提出的Waston腕力傳感器環(huán)式豎梁式結(jié)構(gòu)，環(huán)的外側(cè)粘貼測(cè)量剪切變形的應(yīng)變片，內(nèi)側(cè)粘貼測(cè)量拉伸一壓縮變形的應(yīng)變片。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺(jué)測(cè)量2）垂直水平梁式傳感器圖中為Dr.R.Seiner公司設(shè)計(jì)的垂直水平梁式力覺(jué)傳感器。在上下法蘭之間設(shè)計(jì)了垂直梁和水平梁，在各個(gè)梁上粘貼應(yīng)變片，構(gòu)成力覺(jué)傳感器。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺(jué)測(cè)量3）圓筒式傳感器圖為SRI（StanfordResearchInstitute）研制的六維腕力傳感器，它由一只直徑為75mm的鋁管銑削而成，具有八個(gè)窄長(zhǎng)的彈性梁，每個(gè)梁的頸部只傳遞力，扭矩作用很小。梁的另一頭貼有應(yīng)變片。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺(jué)測(cè)量4）四根梁式傳感器圖為日本大和制衡株式會(huì)社林純一研制的腕力傳感器。它是一種整體輪輻式結(jié)構(gòu)，傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)結(jié)處有一個(gè)柔性環(huán)節(jié)，在四根交叉梁上共貼有32個(gè)應(yīng)變片（圖中以小方塊），組成8路全橋輸出。顯然，六維力（力矩）的獲得需要進(jìn)行解耦運(yùn)算。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)量移動(dòng)機(jī)器人在行進(jìn)的時(shí)候可能會(huì)遇到各種地形或者各種障礙。這時(shí)即使機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置采用閉環(huán)控制，也會(huì)由于輪子打滑等原因造成機(jī)器人偏離設(shè)定的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且這種偏移是旋轉(zhuǎn)編碼器無(wú)法測(cè)量到的。這時(shí)就必須依靠電子羅盤(pán)或角速率陀螺儀來(lái)測(cè)量這些偏移，并進(jìn)行必要的修正，以保證機(jī)器人行走的方向不會(huì)偏離。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)量指南針就是一種機(jī)械式磁羅盤(pán)。早期的磁羅盤(pán)將磁針懸浮于水面或者懸置于空中來(lái)獲取航向。現(xiàn)在的機(jī)械式磁羅盤(pán)系統(tǒng)將環(huán)形磁鐵或者一對(duì)磁棒安裝于云母刻度盤(pán)上，并將其懸浮于裝有水與酒精或者甘油混合液的密閉容器中。3.5.1

磁羅盤(pán)磁通門(mén)羅盤(pán)是在磁通門(mén)場(chǎng)強(qiáng)計(jì)的原理上研制出來(lái)的。它除了可應(yīng)用在陸地的各種載體上之外，還廣泛地應(yīng)用在飛行體、艦船和潛水設(shè)備的導(dǎo)航與控制上。其主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、可靠性好、體積小和啟動(dòng)快。1．機(jī)械式磁羅盤(pán)2．磁通門(mén)羅盤(pán)磁羅盤(pán)是一種基于磁場(chǎng)理論的絕對(duì)方位感知傳感器。借助于磁羅盤(pán),機(jī)器人可以確定自己相應(yīng)于地磁場(chǎng)方向的偏轉(zhuǎn)角度。常用的磁羅盤(pán)包括機(jī)械式磁羅盤(pán)、磁通門(mén)羅盤(pán)、霍爾效應(yīng)羅盤(pán)、磁阻式羅盤(pán)。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)量當(dāng)在矩形霍爾元件中通以如圖中所示的電流

I，并外加磁場(chǎng)

B，磁場(chǎng)方向垂直于霍爾元件所在平面時(shí)，霍爾元件中的載流子在洛侖茲力的作用下運(yùn)動(dòng)將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在霍爾元件上下邊緣出現(xiàn)電荷積聚，產(chǎn)生一電場(chǎng)，該電場(chǎng)稱(chēng)為霍爾電場(chǎng)。達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)霍爾電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)載流子的作用互相抵消，載流子恢復(fù)初始的運(yùn)動(dòng)方向，從而使霍爾元件上下邊緣產(chǎn)生電壓差，稱(chēng)為霍爾電壓。3.5.1

磁羅盤(pán)3．霍爾效應(yīng)羅盤(pán)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)量霍爾電壓可根據(jù)如公式近似計(jì)算

μH——比例常數(shù)，稱(chēng)為霍爾系數(shù)B——磁場(chǎng)強(qiáng)度；I——電流強(qiáng)度。北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)量磁阻式羅盤(pán)是利用磁阻元件制作而成的羅盤(pán)。磁阻元件可以分為各向異性磁阻元件和巨磁阻元件。這類(lèi)傳感器利用的是一種鎳鐵合金材料的磁阻效應(yīng)工作的，給鎳鐵合金制成的薄片通上電流，磁場(chǎng)垂直于該薄片的分量將改變薄片的磁極化方向，從而改變薄片的電阻。這種合金電阻的變化就叫做磁阻效應(yīng)，并且這種效應(yīng)直接與電流方向和磁化矢量之間的夾角有關(guān)。這種電阻變化可由惠斯通電橋測(cè)得。3.5.1

磁羅盤(pán)4．磁阻式羅盤(pán)北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)量電子羅盤(pán)(數(shù)字羅盤(pán)、電子指南針、數(shù)字指南針)是測(cè)量方位角(航向角)比較經(jīng)濟(jì)的一種電子儀器。

(1)雙軸磁傳感器系統(tǒng)：由兩個(gè)磁傳感器垂直安裝于同一平面組成，測(cè)量時(shí)必需持平，適用于手持、低精度設(shè)備。

(2)三軸磁傳感器雙軸傾角傳感器系統(tǒng)：由三個(gè)磁傳感器構(gòu)成X、Y、Z軸磁系統(tǒng)，加上雙軸傾角傳感器進(jìn)行傾斜補(bǔ)償，同時(shí)除了測(cè)量航向還可以測(cè)量系統(tǒng)的俯仰角和橫滾角。(3)

三軸磁傳感器三軸傾角傳感器系統(tǒng)：由三個(gè)磁傳感器構(gòu)成X、Y、Z軸磁系統(tǒng)，加上三軸傾角傳感器（加速度傳感器）進(jìn)行傾斜補(bǔ)償，同時(shí)除了測(cè)量航向，還可以測(cè)量系統(tǒng)的俯仰角和橫滾角。3.5.1

磁羅盤(pán)4．電子羅盤(pán)系統(tǒng)實(shí)例

電子羅盤(pán)有以下幾種傳感器組合：北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)量

商用的電子羅盤(pán)傳感器精度通常為0.5°或者更差。如果機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)距離較長(zhǎng),0.5°的航向偏差可能導(dǎo)致機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的線(xiàn)位移偏離值不可接受。而陀螺儀可以提供極高精度(16位精度,甚至更高)的角速率信息,通過(guò)積分運(yùn)算可以在一定程度上彌補(bǔ)電子羅盤(pán)的誤差。角速度陀螺儀就是能夠檢測(cè)重力方向或姿態(tài)角變化(角速度)的傳感器,根據(jù)檢測(cè)原理可以將其分為陀螺式和垂直振子式等。3.5.2角速度陀螺儀北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)量

繞一個(gè)支點(diǎn)高速轉(zhuǎn)動(dòng)的剛體稱(chēng)為陀螺。在一定的初始條件和一定的外力矩在作用下，陀螺會(huì)在不停自轉(zhuǎn)的同時(shí)，還繞著另一個(gè)固定的轉(zhuǎn)軸不停地旋轉(zhuǎn)，這就是陀螺的旋進(jìn)，又稱(chēng)為回轉(zhuǎn)效應(yīng)。陀螺傳感器檢測(cè)隨物體轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的角速度它可以用于移動(dòng)機(jī)器人的姿態(tài)，以及轉(zhuǎn)軸不固定的轉(zhuǎn)動(dòng)物體的角速度檢測(cè)。陀螺式傳感器大體上有速率陀螺儀、位移陀螺儀、方向陀螺儀等幾種，在機(jī)器人領(lǐng)域中大都使用速率陀螺儀(rategyroscope)。3.5.2角速度陀螺儀1.陀螺式北京信息科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院課程《智能機(jī)器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測(cè)量

(1)振動(dòng)陀螺儀：振動(dòng)陀螺儀是指給振動(dòng)中的物體施加恒定的轉(zhuǎn)速，利用哥氏力作用于物體的現(xiàn)象來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)速的傳感器。

3.5.2角速度陀螺儀1.陀螺式根據(jù)具體的檢測(cè)方法，又可以將其分為振動(dòng)型、光纖型、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)型等。

(2)光纖陀螺儀：光纖陀螺儀的工作原理是基于Sagnac效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度姿態(tài)測(cè)量。在圖3.24所示的環(huán)狀光通路中，來(lái)自光源的光經(jīng)過(guò)光束分離器被分成兩束，在同一個(gè)環(huán)狀光路中，一