【正文】 arles Rosen等人，在 1966年至 1972年中研制出了取名為 Shakey的自主移動機器人。其目的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù)，在復(fù)雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制，與此同時，最早的操作式步行機器人也研制成功，從而開始了機器人步行機構(gòu)方面的研究，以解決機器人在不平整地域內(nèi)的運動問題，設(shè)計研制了多足步行機器人。其中最著名是名為 General Electric Quadruped 的步行機器人。 20世紀(jì) 70年代末隨著計算機的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，移動機器人研究又出 現(xiàn)了新的高潮，特別是 80 年代中期，設(shè)計和制造機器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司開始研制移動機器人平臺，這些移動機器人主要 作為大學(xué)實驗室及研究機構(gòu)的移動機器人實驗平臺，從而促進機器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)。 20世紀(jì) 90年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息 2 處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動機器人技術(shù)、真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動機器人更高層次的研究。例如 19%年，美國航空航天局 NASA 研制的火星探測移動機器人 Sojourner 首次登上火星執(zhí)行科學(xué)考察任務(wù)，利用移動機器人技術(shù) 進行空間探測和開發(fā)成為 21 世紀(jì)全球各主要國家開展科技和空間資源競爭的主要目標(biāo)。為了在火星上進行長距離探險，又開始了新一代的樣機的研制，命名為 Rocky 并在 Lavic 湖的巖溶流上和干枯的湖床上進行了成功的試驗。 2020年 7月 7日美國的 “機遇 ”號火星探測機器人成功升空，開始踏上去火星找尋水和生命存在蹤跡的漫漫旅途。我國也針對這一趨勢制定了以月球為近期目標(biāo)的空間探測計劃。研究和發(fā)展我國的月球探測移動機器人技術(shù)，不但對于我國在激烈的空間技術(shù)和資源競爭中取得有利地位具有關(guān)鍵意義，同時也包括移動機器人導(dǎo)航控制在內(nèi)的相關(guān) 技術(shù)有巨大的促進作用意大利陸軍針對 “機器人警察 ”進行了研究，目前己經(jīng)進入實驗的制造階段。這種未來的警用機器人雖不具備電影《機械戰(zhàn)警》中描述的智能和強大功能，但是對于執(zhí)行一些特殊任務(wù)卻具有非常重要作用，并將掀起一場警用和軍用器械革命。這種新型警用機器人不但能像其他普通機器人那樣，處理那些對于人類來說危險過大或無法處理的緊急情況，如拆除爆炸物等。同時，由于其研制目標(biāo)是 “高科技戰(zhàn)斗機器 ”，裝備強大的火力使其未來的軍事用途前景也十分廣闊。研制這種機器人的目的是為了面對嶄新的挑戰(zhàn)，在未來國際反恐怖主義的戰(zhàn)斗中可能隨時 會出現(xiàn)這種 “機器警察 ”或是 “機器士兵 ”的身影。該機器人制造和測試成功以后，對于警察在未來作戰(zhàn)時大幅度減少人員傷亡具有非常重要意義。 此外比較著名的機器人試驗平臺還有 Martin 公司推出的 Alvin,Fmc 公司的ARV,RWI公司的 RobulabIII等等。國內(nèi)對于移動機器人的起步比較晚，從 “七五 ”開始，我國的移動機器人研究開始起步，經(jīng)過多年來的發(fā)展，已經(jīng)取得了一定的成績，其中以清華大學(xué)研制的 THMR 系列為杰出代表。另外中國科學(xué)院沈陽自動化所、國防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等科研院校也都開展了移動機器人的研究 [2] 3 2 履帶式移動機器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 履帶式移動機器人的運動機構(gòu)設(shè)計 履帶機器人的運動機構(gòu)由履帶式移動機構(gòu)和五自由度機械臂兩部分組成。履帶式移動機構(gòu)由兩臺步進電機分別驅(qū)動兩條履帶，以相同脈沖驅(qū)動時，實現(xiàn)直線前進或后退，以不同脈沖驅(qū)動時可實現(xiàn)曲線運動。當(dāng)以相反脈沖驅(qū)動時，可以看成是繞固定軸的旋轉(zhuǎn)運動。該軸過主從動軸所確定平面的幾何中心。五自由度機械臂由大臂、小臂及手腕構(gòu)成，所有關(guān)節(jié)都由步進電機經(jīng)諧波減速器進行驅(qū)動。整個機械臂可繞垂直軸 Z軸旋轉(zhuǎn) 360。肩關(guān)節(jié)可繞 Y軸旋轉(zhuǎn) 肘關(guān)節(jié)可繞 Y軸旋轉(zhuǎn) 腕關(guān)節(jié)可繞 Y 軸旋轉(zhuǎn) ，繞 X 軸旋轉(zhuǎn) 。對于空間預(yù)設(shè)的位置 和姿態(tài)，先驅(qū)動履帶車到達可作業(yè)空間，再通過五自由度機械臂和履帶車的一個旋轉(zhuǎn)自由度共六個自由度來實現(xiàn)。因此五自由度機械臂安裝在二自由度履帶車上，機械臂共有七個自由度，可完成任何類型的手臂作業(yè)。兩自由度云臺安裝在機械臂上，云臺上的攝像機可完成全方位圖像采集作業(yè)。圖 21為履帶式移動機器人的運動機構(gòu)簡圖。 圖 21履帶式移機人的運動機構(gòu)簡圖 Fig21 The simple chart of motorial framework of Track Robot 履帶式移動機器人的控制系統(tǒng)總體設(shè)計 該機器人的體系結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)，各個模塊都是相對獨立的運行，協(xié)調(diào) 4 工作，其硬件總體框圖如圖 22所示。 圖 22履帶式移動機器人的硬件結(jié)構(gòu)總體框圖 Fig22 The frame of Track Robot hardware 其中機器人微控制器系統(tǒng)主要是由多個單片機控制器組成，它們負責(zé)完成傳感器的信息采集、電機控制以及與遙控計算機的通訊 三大任務(wù)。機器人的運動控制及執(zhí)行機構(gòu)系統(tǒng)是機器人的動作執(zhí)行部分，具體完成機器人的各個動作，如前進、后退、轉(zhuǎn)彎等。驅(qū)動輪是由兩個能夠異步運行的步進電機組成，通過對兩個步進電機的控制，就能夠控制機器人的速度與轉(zhuǎn)向。同時可以使機械臂完成各種任務(wù)。移動機器人的通訊系統(tǒng)對于整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行起著至關(guān)重要的作用。因為移動機器人的運動是遠離中心控制計算機系統(tǒng)的，為了便于移動機器人的行動，遙控計算機與履帶式移動機器人之間的通訊系統(tǒng)則是采用的無線通訊方式。此外，機器人還配備了多個超聲波傳感器和其他傳感器用于機器人感知障礙物， 完成緊急壁障。 5 3 履帶式移動機器人的硬件設(shè)計 為了使履帶式移動機器人實現(xiàn)無線控制，希望它能夠滿足以下要求 : ，而且易于升級，能夠方便的配置不同類型的傳感器如超聲波傳感器和 CCD攝像機等。 ，能夠運行在各種惡劣環(huán)境之下。根據(jù)以上要求我們設(shè)計了這臺履帶式移動機器人，下面介紹它的體系結(jié)構(gòu)及其組成模塊。 移動機器人的微控制系統(tǒng)設(shè)計 目前，移動機器人控制系統(tǒng)主要有三種結(jié)構(gòu)方式 :集中控制方式、主從控制方式和分布式 控制方式。集中控制方式是指用一臺功能比較強大的計算機實現(xiàn)其全部控制功能，在早期的機器人控制系統(tǒng)中較多的采用此種控制方式。隨著計算 圖 31移動機器人的微控器系統(tǒng)框圖 Fig31 The frame of the controlling system of mobile robot 機技術(shù)的飛速發(fā)展和機器人控制要求的不斷提高，逐漸出現(xiàn)了主從控制方式和分布式控制方式。在主從式控制結(jié)構(gòu)中，有上下兩級計算機，其中上位機利用它的運算能力和龐大的系統(tǒng)資源，如 :內(nèi)存容量，磁盤容量等等，完成坐標(biāo)變換、軌跡插補 ，圖形仿真等功能，并把數(shù)據(jù)傳遞給下位機 。下位機完成各個關(guān)節(jié)的位置 6 控制，并把相關(guān)的數(shù)據(jù)傳送給上位機。當(dāng)前投入使用的移動機器人控制系統(tǒng)廣泛采用分布式控制結(jié)構(gòu)。考慮到該履帶式移動機器人的本體結(jié)構(gòu)的情況和目前移動機器人控制技術(shù)的發(fā)展，決定采用主從式結(jié)構(gòu)的控制方法。同時為了使設(shè)計的控制系統(tǒng)符合當(dāng)前移動機器人控制的發(fā)展趨勢，在控制系統(tǒng)的設(shè)計中盡可能地體現(xiàn)分布式控制結(jié)構(gòu)的思路。 由于機器人的為一個 5自由度的關(guān)節(jié)式機械手和一個 2自由度的履帶組成，采用兩級單片機控 制， 5 個從單片機分別控制 5 個步進電機，作為關(guān)節(jié)控制驅(qū)動系統(tǒng)，接受主單片機的指令并執(zhí)行指令，實現(xiàn)對各關(guān)節(jié)的運動控制等功能。同時兩履帶還有兩個步進電機需要兩個從單片機控制，接受主單片機的指令，實現(xiàn)履帶車轉(zhuǎn)彎前進或后退等功能。各從單片機分別通過環(huán)形分配器和功率驅(qū)動控制電動機的轉(zhuǎn)動，進而控制機器人的運動。此外，從單片機還接收極限位置傳感器的信號，保證各驅(qū)動部件的運動在規(guī)定范圍。移動機器人的微控器系統(tǒng)圖如圖 31所示。 主單片機的選擇及控制系統(tǒng)設(shè)計 當(dāng)前微控制器主要有 MCS51系列單片機， AVR系 列單片機， PIC系列單片機，DSP控制器，以及 ARM處理器。 SPCE061A 是繼 μ’ nSP?（ Microcontroller and Signal Processor）系列產(chǎn)品 SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一款 16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與 SPCE500A 不同的是，在存儲器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能。 SPCE061A 里只 鎖相環(huán) PLL振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號； 32768Hz實時時鐘；晶體振蕩器 。 具備串行設(shè)備接口； SPCE061A的結(jié)構(gòu)如圖 32所示。 7 主單片機的作用是根據(jù)遙控計算機的命令，控制各從單片機進而實現(xiàn)各從單 片機對步進電機運動的控制。同時主單片機還處理傳感器采集到的各種信息并把 遙控計算機所需要的相關(guān)信息傳輸?shù)竭b控計算機。所以，主單片機選擇了凌陽公 司的 SPCE061A。 圖 32 SPCE061A管腳圖 Fig32 The pin of SPCE061A 1 ）時鐘電路 SPCE061A時鐘電路采用晶體振蕩電路。由于阻容振蕩的電路時鐘不如外接 晶振準(zhǔn)確，時鐘電路采用外接