【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(dòng)機(jī)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(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制，與此同時(shí)，最早的操作式步行機(jī)器人也研制成功，從而開(kāi)始了機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)方面的研究，以解決機(jī)器人在不平整地域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)研制了多足步行機(jī)器人。其中最著名是名為 General Electric Quadruped 的步行機(jī)器人。 20世紀(jì) 70年代末隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人研究又出 現(xiàn)了新的高潮，特別是 80 年代中期，設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人的浪潮席卷全世界。一大批世界著名的公司開(kāi)始研制移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，這些移動(dòng)機(jī)器人主要 作為大學(xué)實(shí)驗(yàn)室及研究機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而促進(jìn)機(jī)器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)。 20世紀(jì) 90年代以來(lái)，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(dòng)機(jī)器人技術(shù)、真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開(kāi)展了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究。例如 19%年，美國(guó)航空航天局 NASA 研制的火星探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人 Sojourner 首次登上火星執(zhí)行科學(xué)考察任務(wù)，利用移動(dòng)機(jī)器人技術(shù) 進(jìn)行空間探測(cè)和開(kāi)發(fā)成為 21 世紀(jì)全球各主要國(guó)家開(kāi)展科技和空間資源競(jìng)爭(zhēng)的主要目標(biāo)。為了在火星上進(jìn)行長(zhǎng)距離探險(xiǎn)，又開(kāi)始了新一代的樣機(jī)的研制，命名為 Rocky 并在 Lavic 湖的巖溶流上和干枯的湖床上進(jìn)行了成功的試驗(yàn)。 2020年 7月 7日美國(guó)的 “機(jī)遇 ”號(hào)火星探測(cè)機(jī)器人成功升空，開(kāi)始踏上去火星找尋水和生命存在蹤跡的漫漫旅途。我國(guó)也針對(duì)這一趨勢(shì)制定了以月球?yàn)榻谀繕?biāo)的空間探測(cè)計(jì)劃。研究和發(fā)展我國(guó)的月球探測(cè)移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)，不但對(duì)于我國(guó)在激烈的空間技術(shù)和資源競(jìng)爭(zhēng)中取得有利地位具有關(guān)鍵意義，同時(shí)也包括移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航控制在內(nèi)的相關(guān) 技術(shù)有巨大的促進(jìn)作用意大利陸軍針對(duì) “機(jī)器人警察 ”進(jìn)行了研究，目前己經(jīng)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)的制造階段。這種未來(lái)的警用機(jī)器人雖不具備電影《機(jī)械戰(zhàn)警》中描述的智能和強(qiáng)大功能，但是對(duì)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(chǎng)警用和軍用器械革命。這種新型警用機(jī)器人不但能像其他普通機(jī)器人那樣，處理那些對(duì)于人類(lèi)來(lái)說(shuō)危險(xiǎn)過(guò)大或無(wú)法處理的緊急情況，如拆除爆炸物等。同時(shí)，由于其研制目標(biāo)是 “高科技戰(zhàn)斗機(jī)器 ”，裝備強(qiáng)大的火力使其未來(lái)的軍事用途前景也十分廣闊。研制這種機(jī)器人的目的是為了面對(duì)嶄新的挑戰(zhàn)，在未來(lái)國(guó)際反恐怖主義的戰(zhàn)斗中可能隨時(shí) 會(huì)出現(xiàn)這種 “機(jī)器警察 ”或是 “機(jī)器士兵 ”的身影。該機(jī)器人制造和測(cè)試成功以后，對(duì)于警察在未來(lái)作戰(zhàn)時(shí)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(jī)器人試驗(yàn)平臺(tái)還有 Martin 公司推出的 Alvin,Fmc 公司的ARV,RWI公司的 RobulabIII等等。國(guó)內(nèi)對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人的起步比較晚，從 “七五 ”開(kāi)始，我國(guó)的移動(dòng)機(jī)器人研究開(kāi)始起步，經(jīng)過(guò)多年來(lái)的發(fā)展，已經(jīng)取得了一定的成績(jī)，其中以清華大學(xué)研制的 THMR 系列為杰出代表。另外中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化所、國(guó)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(kāi)展了移動(dòng)機(jī)器人的研究 [2] 3 2 履帶式移動(dòng)機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 履帶式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 履帶機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)和五自由度機(jī)械臂兩部分組成。履帶式移動(dòng)機(jī)構(gòu)由兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩條履帶，以相同脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)，實(shí)現(xiàn)直線(xiàn)前進(jìn)或后退，以不同脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)可實(shí)現(xiàn)曲線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)以相反脈沖驅(qū)動(dòng)時(shí)，可以看成是繞固定軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。該軸過(guò)主從動(dòng)軸所確定平面的幾何中心。五自由度機(jī)械臂由大臂、小臂及手腕構(gòu)成，所有關(guān)節(jié)都由步進(jìn)電機(jī)經(jīng)諧波減速器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。整個(gè)機(jī)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(duì)于空間預(yù)設(shè)的位置 和姿態(tài)，先驅(qū)動(dòng)履帶車(chē)到達(dá)可作業(yè)空間，再通過(guò)五自由度機(jī)械臂和履帶車(chē)的一個(gè)旋轉(zhuǎn)自由度共六個(gè)自由度來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此五自由度機(jī)械臂安裝在二自由度履帶車(chē)上，機(jī)械臂共有七個(gè)自由度，可完成任何類(lèi)型的手臂作業(yè)。兩自由度云臺(tái)安裝在機(jī)械臂上，云臺(tái)上的攝像機(jī)可完成全方位圖像采集作業(yè)。圖 21為履帶式移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖。 圖 21履帶式移機(jī)人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖 Fig21 The simple chart of motorial framework of Track Robot 履帶式移動(dòng)機(jī)器人的控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 該機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)，各個(gè)模塊都是相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)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(dòng)機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)總體框圖 Fig22 The frame of Track Robot hardware 其中機(jī)器人微控制器系統(tǒng)主要是由多個(gè)單片機(jī)控制器組成，它們負(fù)責(zé)完成傳感器的信息采集、電機(jī)控制以及與遙控計(jì)算機(jī)的通訊 三大任務(wù)。機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制及執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)是機(jī)器人的動(dòng)作執(zhí)行部分，具體完成機(jī)器人的各個(gè)動(dòng)作，如前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎等。驅(qū)動(dòng)輪是由兩個(gè)能夠異步運(yùn)行的步進(jìn)電機(jī)組成，通過(guò)對(duì)兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)的控制，就能夠控制機(jī)器人的速度與轉(zhuǎn)向。同時(shí)可以使機(jī)械臂完成各種任務(wù)。移動(dòng)機(jī)器人的通訊系統(tǒng)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起著至關(guān)重要的作用。因?yàn)橐苿?dòng)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是遠(yuǎn)離中心控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的，為了便于移動(dòng)機(jī)器人的行動(dòng)，遙控計(jì)算機(jī)與履帶式移動(dòng)機(jī)器人之間的通訊系統(tǒng)則是采用的無(wú)線(xiàn)通訊方式。此外，機(jī)器人還配備了多個(gè)超聲波傳感器和其他傳感器用于機(jī)器人感知障礙物， 完成緊急壁障。 5 3 履帶式移動(dòng)機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì) 為了使履帶式移動(dòng)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)無(wú)線(xiàn)控制，希望它能夠滿(mǎn)足以下要求 : ，而且易于升級(jí)，能夠方便的配置不同類(lèi)型的傳感器如超聲波傳感器和 CCD攝像機(jī)等。 ，能夠運(yùn)行在各種惡劣環(huán)境之下。根據(jù)以上要求我們?cè)O(shè)計(jì)了這臺(tái)履帶式移動(dòng)機(jī)器人，下面介紹它的體系結(jié)構(gòu)及其組成模塊。 移動(dòng)機(jī)器人的微控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 目前，移動(dòng)機(jī)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(tái)功能比較強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)其全部控制功能，在早期的機(jī)器人控制系統(tǒng)中較多的采用此種控制方式。隨著計(jì)算 圖 31移動(dòng)機(jī)器人的微控器系統(tǒng)框圖 Fig31 The frame of the controlling system of mobile robot 機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和機(jī)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(jí)計(jì)算機(jī)，其中上位機(jī)利用它的運(yùn)算能力和龐大的系統(tǒng)資源，如 :內(nèi)存容量，磁盤(pán)容量等等，完成坐標(biāo)變換、軌跡插補(bǔ) ，圖形仿真等功能，并把數(shù)據(jù)傳遞給下位機(jī) 。下位機(jī)完成各個(gè)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(jī)。當(dāng)前投入使用的移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)廣泛采用分布式控制結(jié)構(gòu)?？紤]到該履帶式移動(dòng)機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)的情況和目前移動(dòng)機(jī)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(shí)為了使設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)符合當(dāng)前移動(dòng)機(jī)器人控制的發(fā)展趨勢(shì)，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中盡可能地體現(xiàn)分布式控制結(jié)構(gòu)的思路。 由于機(jī)器人的為一個(gè) 5自由度的關(guān)節(jié)式機(jī)械手和一個(gè) 2自由度的履帶組成，采用兩級(jí)單片機(jī)控 制， 5 個(gè)從單片機(jī)分別控制 5 個(gè)步進(jìn)電機(jī)，作為關(guān)節(jié)控制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，接受主單片機(jī)的指令并執(zhí)行指令，實(shí)現(xiàn)對(duì)各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)控制等功能。同時(shí)兩履帶還有兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)需要兩個(gè)從單片機(jī)控制，接受主單片機(jī)的指令，實(shí)現(xiàn)履帶車(chē)轉(zhuǎn)彎前進(jìn)或后退等功能。各從單片機(jī)分別通過(guò)環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。此外，從單片機(jī)還接收極限位置傳感器的信號(hào)，保證各驅(qū)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)在規(guī)定范圍。移動(dòng)機(jī)器人的微控器系統(tǒng)圖如圖 31所示。 主單片機(jī)的選擇及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 當(dāng)前微控制器主要有 MCS51系列單片機(jī)， AVR系 列單片機(jī)， PIC系列單片機(jī)，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(yáng)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(chǔ)器資源方面考慮到用戶(hù)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(shí)鐘信號(hào)； 32768Hz實(shí)時(shí)時(shí)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(jī)的作用是根據(jù)遙控計(jì)算機(jī)的命令，控制各從單片機(jī)進(jìn)而實(shí)現(xiàn)各從單 片機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)的控制。同時(shí)主單片機(jī)還處理傳感器采集到的各種信息并把 遙控計(jì)算機(jī)所需要的相關(guān)信息傳輸?shù)竭b控計(jì)算機(jī)。所以，主單片機(jī)選擇了凌陽(yáng)公 司的 SPCE061A。 圖 32 SPCE061A管腳圖 Fig32 The pin of SPCE061A 1 ）時(shí)鐘電路 SPCE061A時(shí)鐘電路采用晶體振蕩電路。由于阻容振蕩的電路時(shí)鐘不如外接 晶振準(zhǔn)確，時(shí)鐘電路采用外接