【正文】 能移動機(jī)器人 [1][2]是機(jī)器人 學(xué)中的一個重要分支。為了獲得更 大的獨立性 ,人們也對機(jī)器人的靈活性及智能提出更高的要求 ,要求機(jī)器人能夠在一定范圍內(nèi)安全運動 ,完成特定的任務(wù) ,增強(qiáng)機(jī)器人對環(huán)境的適應(yīng)能力。每種傳感器各有利弊 ,于是人們自然想到了 取長補(bǔ)短 ,也即多傳感器集成和融合 ,其優(yōu)點在于提供了信息冗余、互補(bǔ)和適時(Timeliness),從而提高了信息的可靠性。該模型雖然描述的是非線性系統(tǒng) ,但具有良好的線性結(jié)構(gòu) ,基于此可開環(huán)類解耦控制、閉環(huán)反饋穩(wěn)定控制 ,特別適用于帶有拖車的智能移動機(jī)器人。但不存在光滑的時不變穩(wěn)定狀態(tài)反饋。路徑規(guī)劃根據(jù)規(guī)劃時所利用的信息不同可分為基于模型 (Modelbased)的規(guī)劃和基于情形 (Casebased)的規(guī)劃。 Miura 對定位誤差、控制誤差和傳感器誤差建立分布 ,運 用統(tǒng)計決策理論規(guī)劃。不少球坐標(biāo)通用機(jī)器手就是在這個基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。日本是工業(yè)機(jī)器手發(fā)展最快、應(yīng)用最多的國家。前者費時費工，效力低；后者因設(shè)計復(fù)雜，需要較多繼電器，接線復(fù)雜。但現(xiàn)在的變化時那些分布在工業(yè)密集的華南，華東沿海地區(qū)也開始對機(jī)器手表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣，因為他們要面對工人流失率高，以及交帶來的挑戰(zhàn)。仿照人體神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，仿生的機(jī)器人感知系統(tǒng)（如圖２４）也采用類似的分層網(wǎng)絡(luò)組織結(jié)構(gòu)，最上層是人直接操縱的決荒層．完成類似人體大腦 的決策功能；中間層負(fù)責(zé)底層節(jié)點信息收集融合與集成、上層決策信息執(zhí)行與下傳、節(jié)點附近信息收集以及本層節(jié)點信息向上層節(jié)點的高速實時傳輸，類似脊柱、器官與傳導(dǎo)神經(jīng)系統(tǒng)的功能，中間層節(jié)點根據(jù)需要可以是只有單一智能的模塊，也可以是功能強(qiáng)大的模塊；底層節(jié)點相當(dāng)于周圍神經(jīng)系統(tǒng)，直接與物理世界接觸，采用嵌入式處理器架構(gòu)實現(xiàn)對現(xiàn)場模擬信號的采集，類似人體體表皮膚以及其他感覺器官的功能．作為機(jī)器人的感官部分。目前采用的主要是前三種。 7)液壓系統(tǒng)的泄漏對機(jī)構(gòu)的工作穩(wěn)定性有一定的影響 。故壓縮空氣可以集中供應(yīng)，遠(yuǎn)距離輸送 。 氣動機(jī)械手與其他驅(qū)動方式的機(jī)械手相比，價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，功率體積比較高，動作速度快，遠(yuǎn)距離輸送，適合抓取質(zhì)量較小的工件而且有抗干擾無污染等優(yōu)點。 執(zhí)行系統(tǒng) 機(jī)器人主臂機(jī)構(gòu)設(shè)計主要包括機(jī)械本體、伺服電機(jī)、減速器等機(jī)構(gòu)的設(shè)計，為了實現(xiàn)機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)簡單、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊 ，減速比大（ 100:1）等要求，整個機(jī)器人的結(jié)構(gòu)大致分成腰部關(guān)節(jié)、肩部關(guān)節(jié)、肘部關(guān)節(jié)、大臂與小臂。 作為減速器使用，通常采用波發(fā)生器主動、剛輪固定、柔輪輸出形式。同樣道理，嚙出變?yōu)槊撻_，嚙合變?yōu)閲С觯@樣柔輪相對剛輪轉(zhuǎn)動（角位移）了1/4 齒；同理，波發(fā)生器再轉(zhuǎn)動 1/8 周時，重復(fù)上述過 程，這時柔輪位移一個齒距。 DSP 與 FPGA 之間的通信 本課題的方案中， FPGA 通過增量式編碼器的反饋可以 得到各個關(guān)節(jié)軸相對于初始時刻的位置，將反饋得到的實際位置發(fā)送給 DSP。 算法設(shè)計 傳統(tǒng)路徑規(guī)劃方法 （ 1）自由空間法 （ free space approach） 基于簡化問題的思想 , 采用“結(jié)構(gòu)空間” 來描述機(jī)器人及其周圍的環(huán)境。 （ 2）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ NN）的機(jī)器人路徑規(guī)劃 主要是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)造出來能量函數(shù)，根據(jù)路徑點與障礙物位置的關(guān)系，選取動態(tài)運動方程 ，規(guī)劃出最短路徑。 （ 1）所謂建模是指建立合理的數(shù)學(xué)模型來描述機(jī)器人的工作環(huán)境 .本次涉及的機(jī)器人工作環(huán)境都是障礙物已知的二維空間。 （ 4） 適應(yīng)度函數(shù) 規(guī)劃出路徑的優(yōu)劣程度要有一個評價的標(biāo)準(zhǔn)。其中 γ 為使直線段不與障礙物相交所要移動的? ?nOPOPOPT ???? 21 ,?? ???? ?? 112111)( Ni iNi iK aaTF ????? Mj iji 0????????????????0)2(1 2 soossij ddddd??最短距離， do 為直線段到障礙物的距離，稱 ds 為安全距離 ,當(dāng) do ≥ ds 后 ,算法將不再試圖使路徑進(jìn)一步遠(yuǎn)離障礙物 ,稱該線段和障礙物無排斥。這里給出一個線段的相交函數(shù)： （ 4） 0 表示第 i 段直線與所有的障礙物不相交， 1 表示第 i 段直線與障礙物相 交。 對于給定路徑， 該操作對路徑上的各路點 pi 以一定的概率改變其坐標(biāo)。 總結(jié) 本文提出一種基于 FPGA 的六自由度的智能移動機(jī)器人，其中采用基于遺傳算法的路徑規(guī)劃最優(yōu)算法。這種遺傳算法能使機(jī)器人在復(fù)雜的環(huán)境中優(yōu)化出一條合適的路徑。而改進(jìn)型變異算子優(yōu)先選取和障礙物相交的線段的端點進(jìn)行變異，同時限制變異所得的路點坐標(biāo)在障礙物之外， 并且使變異所得的路點新坐標(biāo)滿足： newiinewi OPOPl ?? ?1? 11 ?? ?? iinewi OPOPl new? （ 7） ? ? ? ? ? ? ? ?iin e win e wi lflflflf ???? ??? ?? 11 通過這樣的約束條件保證了每次變異對路徑優(yōu)化的非負(fù)效果。為 1 時第 i+1 點前段直線與障礙物不相交后一段相交， 1 的時候相反，為 0 的時候說明前后段的情況相同。 （ 5） 遺傳操作 交叉算子 交叉操作對兩個對象操作，對對象進(jìn)行隨即分割，然后重組得到兩個新的個體。在這個適應(yīng)度函數(shù)中以路徑長度和障礙物作為評價指標(biāo)，并使所求解向指標(biāo)漸小的方向進(jìn)化。 如圖所示 圖 （ 2）編碼在機(jī)器人的工作環(huán)境圖中可以看到，機(jī)器人的運動軌跡由若干直線段構(gòu)成，每段直線段是機(jī)器人運動的基本單位。為提高路徑規(guī)劃問題的求解質(zhì)量和求解效率，研究者在其基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。 （ 2）圖搜索法 采用預(yù)先定義的幾何形狀構(gòu)造自由空間，并將其表示為連通圖，然后通過搜索連通圖進(jìn)行路徑規(guī)劃。用 PID 調(diào)節(jié)控制 FPGA 模擬量的輸出大小，也就是控制各個關(guān)節(jié)軸電機(jī)的轉(zhuǎn)速，而 FPGA 繼續(xù)每隔 50ms 將各個關(guān)節(jié)軸的實際位置發(fā)送給 DSP，與下一個插值點的理論位置相比較，周而復(fù)始形成運動控制的反饋控制，也實現(xiàn)了末端執(zhí)行器連續(xù)的軌跡控制。 柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過程就如同兩個純滾動（無滑動）的圓環(huán)一樣，兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉(zhuǎn)過的弧長必須相等。波發(fā)生器通常成橢圓形的凸輪，將凸輪裝入薄壁軸承內(nèi)，再將它們裝入柔輪內(nèi)。為實現(xiàn)大傳動比，采用諧波減速器傳動，不僅實現(xiàn)大的傳動比，而且是結(jié)構(gòu)更緊湊。表 11 給出了各種驅(qū)動方式的各方面比較。 6)耐壓縮空氣的工作壓力較低，致使機(jī)械手結(jié)構(gòu)較大。 9)油液的溫度和粘度變化影響傳動性能。 液壓驅(qū)動 液壓驅(qū)動的特點有 : 1)驅(qū)動力和驅(qū)動力矩較大，臂力可達(dá) 100 公斤 。 統(tǒng)一的傳感器數(shù)據(jù)描述屏蔽了最底層傳感器的信息，為傳感 器的即插即用提供了基礎(chǔ)：另外統(tǒng)一的用戶接口給用戶帶來了極大的方便，促進(jìn)新產(chǎn)品及時上市。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 控制系統(tǒng) 基于上述分析 ,本課題的六自 由度工業(yè)機(jī)器人采用基于 DSP和 FPGA的架構(gòu)模式?？删幊炭刂破鲉纹瑱C(jī)控制的上下料機(jī)器手控制系統(tǒng)動作簡便，線路設(shè)計合理，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。 目前，隨著單片機(jī)等控制器的發(fā)展，工業(yè)機(jī)器手在自動控制和定位精度上