【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 像奴隸那樣進(jìn)行勞動(dòng)的機(jī)器。后來(lái)作為一種虛構(gòu)的機(jī)械出現(xiàn)在許多作品中，代替人們?nèi)ネ瓿赡承┕ぷ鳌?20 世紀(jì) 60 年代出現(xiàn)了作為可實(shí)用機(jī)械的機(jī)器人。為了把這種機(jī)器人同虛構(gòu)的機(jī)器人及玩具機(jī)器人加以區(qū)別，稱其為 工業(yè)機(jī)器人 [2]。 目前所說(shuō)的機(jī)器人大多指工業(yè)機(jī)器人。 1962 年，第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人 Unimate 在美國(guó)通用汽車公司投入使用，標(biāo)志著第一代機(jī)器人的誕生。第一代機(jī)器人，主要指只能以 “ 示教－再現(xiàn) ” 方式工作的機(jī)器人。示教內(nèi)容為機(jī)器人操作機(jī)構(gòu)的空間軌跡、作業(yè)條件、作業(yè)順序等。第二代機(jī)器人具有一定的感覺(jué)裝置，能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對(duì)象的簡(jiǎn)單信息，通過(guò)計(jì)算機(jī)處理、分析，機(jī)器人作出一定的推理，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級(jí)的智能。第三代機(jī)器人是指具有高度適應(yīng)性的自治機(jī)器人，它具有多種感知功能，可進(jìn)行 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁(yè) 復(fù)雜的邏輯思維，判斷決策， 在作業(yè)環(huán)境中獨(dú)立行動(dòng)。 工業(yè)機(jī)器人自誕生以來(lái)已走過(guò)了 50 年歷程， 20 世紀(jì) 60 年代初期到 20 世紀(jì) 70 年代初期機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展較為緩慢， 20 世紀(jì) 70 年代中期逐漸投入實(shí)用，到 20 世紀(jì) 80 年代中期機(jī)器人制造業(yè)已成為發(fā)展最快和最好的經(jīng)濟(jì)部門之一， 20 世紀(jì) 90 年代機(jī)器人已活躍在世界工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。我國(guó)對(duì)機(jī)器人技術(shù)的研究從 70 年代末期起步以來(lái)，經(jīng)過(guò)“ 六五 ” 、 “ 七五 ” 、 “ 八五 ” 期間的發(fā)展，在機(jī)器人理論、樣機(jī)設(shè)計(jì)、研制及機(jī)器人應(yīng)用工程等方面取得了一大批成果。許多研制項(xiàng)目被列入 “ 863 計(jì)劃 ” 和 “ 火炬計(jì)劃 ” 。國(guó)家“ 七五 ” 重點(diǎn)工程 的 “ 機(jī)器人示范工程 ” 已由中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所完成，并逐步成為我國(guó)機(jī)器人研究、開(kāi)發(fā)、人才培訓(xùn)、機(jī)器人性能測(cè)試和國(guó)內(nèi)外機(jī)器人交流的基地，他們已經(jīng)研制出各種型號(hào)的水下機(jī)器人、工業(yè)機(jī)器人通用控制器、移動(dòng)式機(jī)器人等。 80 年代在國(guó)家高技術(shù)計(jì)劃中安排了智能機(jī)器人的研究開(kāi)發(fā)，包括水下無(wú)纜機(jī)器人、高功能裝配機(jī)器人和各類特種機(jī)器人的應(yīng)用研究。 90 年代中期，國(guó)家已選擇以焊接機(jī)器人的工程應(yīng)用為重點(diǎn)進(jìn)行開(kāi)發(fā)研究。另外我國(guó)的高等院校也在機(jī)器人領(lǐng)域開(kāi)展了廣泛的研究，如長(zhǎng)沙的國(guó)防科技大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、燕山大學(xué)等在步行機(jī)器 人、精密裝配機(jī)器人、自由度機(jī)器人及并聯(lián)機(jī)器人等前沿領(lǐng)域取得了可喜的成績(jī)，正在逐步縮短在機(jī)器人技術(shù)方面與世界先進(jìn)水平的差距。但從總體水平上看，我國(guó)機(jī)器人技術(shù)比起發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距 [35]。 研究意義與目的 機(jī)器人涉及到機(jī)械、電子、控制、計(jì)算機(jī)、人工智能、傳感器、通訊與網(wǎng)等多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域，是多種高新技術(shù)發(fā)展成果的綜合集成。因此上述學(xué)科的發(fā)展都不斷的帶動(dòng)機(jī)器人學(xué)的發(fā)展或者被機(jī)器人的研究所帶動(dòng)。這些學(xué)科涉及世界每一角落，在經(jīng)濟(jì)和科學(xué)發(fā)展中都占有舉足輕重的地位，越來(lái)越多的國(guó)家參與到機(jī)器人的研究中。 避 障智能小車，即輪式 避障 機(jī)器人，是移動(dòng)機(jī)器人的一種。避障智能小車同遙控小車不同，后者需要操作員來(lái)控制其轉(zhuǎn)向、啟停和進(jìn)退，比較先進(jìn)的遙控車還能控制其速度。常見(jiàn)的模型小車，都屬于這類遙控車；避障智能小車，則可以通過(guò)計(jì)算機(jī)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)其對(duì)行駛方向、啟停以及速度的控制，無(wú)需人工于預(yù)，操作員可以通過(guò)修改避障智能小車的計(jì)算機(jī)程序來(lái)改變它的行駛方式。避障智能小車是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) 人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。關(guān)于避障智 能小車的研究，始于上個(gè)世紀(jì) 60 年代末期，它們己在許多工業(yè)部門獲得廣泛應(yīng)用，它們可以比人類工作得更好并目成本低廉。 移動(dòng)機(jī)器人的避障運(yùn)動(dòng)一直是一個(gè)重要課題，而且隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛，由于機(jī)器人所處環(huán)境往往是不可預(yù)測(cè)的，機(jī)器人所要完成的任務(wù)也越來(lái)越復(fù)雜，機(jī)器人感知環(huán)境的手段是不完備的，傳感器給出的數(shù)據(jù)是不完全的、不連續(xù)的、不可靠的，如何確保機(jī)器人正確識(shí)別和躲避周圍環(huán)境存在的障礙物，提高其實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，就成為一個(gè)焦點(diǎn)問(wèn)題和難點(diǎn)問(wèn)題。安全避障具體的實(shí)現(xiàn)方法有很多種，主要有超聲避障、視覺(jué) 避障、紅外傳感器、激光避障、接近覺(jué)傳感器、微波雷達(dá)等避障方法。 另外，避障智能小車自動(dòng)行駛功能的研究將有助于智能車輛的研究。智能車輛駕駛?cè)蝿?wù)的自動(dòng)完成將給人類社會(huì)的進(jìn)步帶來(lái)巨大的影響，例如能切實(shí)提高道路網(wǎng)絡(luò)的利用率、降低車輛的燃油消耗量，尤其是在改進(jìn)道路交通安全等方面提供了新的解決途徑。 避障小車研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)避障小車研究現(xiàn)狀 （ 1）清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于 1994 年通過(guò)鑒定。 （ 2）中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所的 AGV 和防暴機(jī)器人。 （ 3）哈工大機(jī)器人技術(shù)有限公司開(kāi)發(fā)研制成功了我國(guó)第 一臺(tái)智能型服務(wù)機(jī)器人 。采用了先進(jìn)的傳感系統(tǒng)（ CCD 攝像機(jī)、超聲波、紅外等），智能水平很高，機(jī)器人帶有的視覺(jué)系統(tǒng)、語(yǔ)音系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)使其言行舉止更像人。 （ 4） 2021 年 1 月，中科院自動(dòng)化所成功研制開(kāi)發(fā)了集多種傳感器、視覺(jué)、語(yǔ)音識(shí)別與會(huì)話功能于一體的智能移動(dòng)機(jī)器人。基本結(jié)構(gòu)由傳感器、控制器和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)構(gòu)成 [10]。 國(guó)外避障小車研究現(xiàn)狀 （ 1）室外幾種典型應(yīng)用的移動(dòng)機(jī)器人：由美國(guó) NASA 資助研制的 “ 丹蒂 II” 八足行走機(jī)器人，是一個(gè)能提供對(duì)高移動(dòng)性機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的了解和遠(yuǎn)程機(jī)器人探險(xiǎn)的行走機(jī)器人。美國(guó) NASA 研制的火星探測(cè)機(jī)器人索杰那于 1997 年登上火星，這一事件向全世界進(jìn)行了報(bào)道。德國(guó)研制了一種輪椅機(jī)器人，并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境和 1998 年漢諾威工業(yè)商品博覽會(huì)的展覽大廳環(huán)境中進(jìn)行了實(shí)地現(xiàn)場(chǎng)表演。 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 4 頁(yè) （ 2）高完整性機(jī)器人。意指機(jī)器人在工作時(shí)一定是正確的，并不一定要連續(xù)工作。 （ 3）遙控移動(dòng)機(jī)器人。 （ 4）環(huán)境與機(jī)器人集成。像人需要道路、交通信號(hào)燈等一樣，機(jī)器人為了在一個(gè)動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中行動(dòng)，也同樣需要基礎(chǔ)設(shè)施。 （ 5）生態(tài)機(jī)器人學(xué)（生物機(jī)器人學(xué)）。 （ 6）多機(jī)器人系統(tǒng)。主要是獲取機(jī)器人團(tuán)隊(duì)協(xié) 調(diào)和控制技術(shù)，并將其應(yīng)用于戰(zhàn)略重要情況 [68]。 論文 研究的預(yù)期目標(biāo)、主要內(nèi)容 論文 研究預(yù)期目標(biāo) 研究開(kāi)發(fā)出一套基于 超聲波傳感器的輪式移動(dòng)機(jī)器人避障模塊，要實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)有： （ 1）多傳感器組成的傳感器網(wǎng)絡(luò)的調(diào)理電路。 （ 2）傳感器信息的單片機(jī)采集，信息來(lái)源有超聲波傳感器及測(cè)試電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)速度的編碼器。 （ 3）避障算法的研究，主要是選用合理算法，對(duì)多傳感器給出的信息進(jìn)行融合，以作出決策，控制機(jī)器人的行為。 （ 4）實(shí)現(xiàn)對(duì)小功率直流電動(dòng)機(jī)的閉環(huán)控制。 論文 的主要內(nèi)容 （ 1）傳 感器網(wǎng)絡(luò)。將使用 多個(gè)超聲波傳感器 ，使之形成一個(gè)多傳感器系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)，技術(shù)關(guān)鍵在于 如何確定各個(gè)傳感器的安放位置才能準(zhǔn)確地探測(cè)周圍環(huán)境，因?yàn)?超聲波傳感器之間也存在相互干擾，而且有探測(cè)盲區(qū)存在。另外，還要設(shè)計(jì)一套調(diào)理電路，實(shí)現(xiàn)多個(gè)傳感器與微處理器的接口，因?yàn)槲⑻幚砥鞯?IO 口資源有限。 （ 2）傳感器信息處理。關(guān)鍵技術(shù)在于如何使用傳感器的輸出信息來(lái)表示周圍環(huán)境情況，亦即讓機(jī)器人知道周圍的環(huán)境情況。在了解了周圍環(huán)境后，基于事先預(yù)定的策略控制電機(jī)運(yùn)行，完成相應(yīng)的行為。這里，事先預(yù)定的策略也是非常重要的。 （ 3）電機(jī)控制。如 何有效地、安全地控制主驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使之完成給定避障行為，這其中包括電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路選型、運(yùn)動(dòng)情況檢測(cè)、安全運(yùn)行保護(hù)。 （ 4）抗干擾研究。這主要包括硬件和軟件兩個(gè)方面，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，要兼 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁(yè) 顧硬件抗干擾和軟件抗干擾的難易、性價(jià)比，合理分配。 （ 5）實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建。需要一輪式小車，且需要與單片機(jī)相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具，例如仿真器、編程環(huán)境等。另外，需要開(kāi)發(fā)一套單片機(jī)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)板，需要配備基本 IO 接口芯片，外接計(jì)數(shù)器芯片，顯示組件，以完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。 避障小車的關(guān)鍵技術(shù) 避障技術(shù) 小車避 障從可移動(dòng)機(jī)器人的出現(xiàn)就開(kāi)始研究，但一開(kāi)始他并不作為一門單列的技術(shù)進(jìn)行研究，人們通常在路徑規(guī)劃中實(shí)現(xiàn)。路徑規(guī)劃用于指導(dǎo)機(jī)器人的行為以達(dá)到它的長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)。路徑規(guī)劃就是根據(jù)某些最優(yōu)化的準(zhǔn)則，在機(jī)器人的工作空間內(nèi)找到一條從起始位姿到目標(biāo)位姿的能避開(kāi)障礙的最優(yōu)路徑，該路徑具有最短的距離或最少的行走時(shí)間等低成本的特點(diǎn)。近年來(lái)，機(jī)器人工作在未知環(huán)境下的情況越來(lái)越多，傳統(tǒng)的基于感知 ——建模 ——規(guī)劃 ——?jiǎng)幼鞯姆椒ú灰捉?zhǔn)確的環(huán)境地圖模型，而且很難適應(yīng)動(dòng)態(tài)的未知環(huán)境的路徑規(guī)劃。因此人們提出了基于行為的移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃方法， 又叫做反應(yīng)式的控制方法。反映結(jié)構(gòu)是一種從感知到動(dòng)作的直接映射，機(jī)器人能夠?qū)ν饨绛h(huán)境變化作出快速響應(yīng)。基于動(dòng)作將動(dòng)作分為若干基本行為，復(fù)雜的行為刻有幾個(gè)簡(jiǎn)單行為按次序構(gòu)成。簡(jiǎn)單說(shuō)，就是把以前的導(dǎo)航問(wèn)題分解成相對(duì)獨(dú)立的導(dǎo)航單元，如避障、跟蹤、目標(biāo)制導(dǎo)等。于是避障技術(shù)從此越來(lái)越多的被單獨(dú)研究。因?yàn)榉绞降牟煌?，避障技術(shù)通常從兩個(gè)方面來(lái)實(shí)現(xiàn)。一種就是障礙物已知，環(huán)境也已知，我們采取傳統(tǒng)的全局路徑規(guī)劃，又稱靜態(tài)或離線路經(jīng)規(guī)劃。全局路徑規(guī)劃的方法主要有：拓?fù)浞ā⒖梢晥D法和柵格法。拓?fù)浞ǖ幕舅枷胧墙稻S法，即將高維幾何空間 中求路徑的問(wèn)題轉(zhuǎn)化為低維拓?fù)淇臻g中辨別連通性問(wèn)題。優(yōu)點(diǎn)是大大縮小搜索空間，缺點(diǎn)是建立拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的過(guò)程相當(dāng)復(fù)雜?？梢晥D法將小車視為一點(diǎn)，將小車、目標(biāo)點(diǎn)和多變形障礙物的各頂點(diǎn)進(jìn)行組合連接。優(yōu)點(diǎn)是能夠求得最短路徑，但因?yàn)闄C(jī)器人尺寸大小忽略，過(guò)障礙時(shí)離障礙太近甚至接觸，并且搜索時(shí)間長(zhǎng)。柵格法將機(jī)器人的工作環(huán)境分解成一系列的具有二值信息的網(wǎng)格單元，工作空間中障礙物的位置和大小一致，并且在小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，障礙物的位置和大小不發(fā)生變化。該方法精確度、容量、速度都取決于柵格粒度的大小。 避障技術(shù)在應(yīng)用是通常會(huì)面對(duì)以下四種類型 ： 1．已知環(huán)境下的靜態(tài)障礙物，其環(huán)境中障礙物的形狀、大小和位置對(duì)規(guī)劃系統(tǒng)都 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 是精確已知的，其障礙物是靜止不動(dòng)的。 2．已知環(huán)境下的動(dòng)態(tài)障礙物，其環(huán)境中障礙物的形狀、大小對(duì)規(guī)劃系統(tǒng)都是精確已知的，但其位置是動(dòng)態(tài)的。 3．未知環(huán)境下的靜態(tài)障礙物，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)而言，環(huán)境事先是未知的或部分未知的，其障礙物的形狀和大小是未知的，但其障礙物是靜止不動(dòng)的。 4．未知環(huán)境下的動(dòng)態(tài)障礙物，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)而言，環(huán)境事先是未知的或部分未知的，其障礙物的形狀和大小是未知的，同時(shí)其位置是動(dòng)態(tài)的。 識(shí)別技術(shù) 識(shí)別技術(shù)是從智 能機(jī)器人研究開(kāi)始出現(xiàn)的，自 1961 年美國(guó) Unimation 公司研制出世界上第一臺(tái)往復(fù)式工業(yè)機(jī)器人以來(lái)，機(jī)器人的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段：第一代示教 /再現(xiàn)(Teaching/Playback)機(jī)器人，主要是指按事先示教的位置和姿態(tài)進(jìn)行重復(fù)動(dòng)作的機(jī)械。第二代傳感控制 (Sensory controlled)機(jī)器人，指具有如視覺(jué)和觸覺(jué)等外部感覺(jué)功能的機(jī)器人。這種機(jī)器人由于具有外部的感覺(jué)功能，因此可以根據(jù)外界的情況來(lái)修改自身的動(dòng)作，從而完成較為復(fù)雜的作業(yè)。第三代智能 (Inteligent)機(jī)器人。除了具有外部感覺(jué)的功能外，還具有規(guī)劃和決策的功能，從而可以適應(yīng)周圍環(huán)境的變化而自主地進(jìn)行工作。自主式移動(dòng)機(jī)器人的智能體現(xiàn)為具有感知 (Sensing)、決策 (Decisionmaking)和行為 (Acting)等基本功能。而這一系列基本功能的組合我通常稱之為識(shí)別，它是一切智能化表現(xiàn)的基礎(chǔ)。感知就是獲取關(guān)于其環(huán)境的知識(shí)，這是通過(guò)各類傳感器來(lái)測(cè)量實(shí)現(xiàn)的。機(jī)器人中的傳感器除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，還應(yīng)用了視覺(jué)、聲覺(jué)、光學(xué)、力覺(jué)、觸覺(jué)等傳感器。然后在收集各種傳感器的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，做出判斷、決策并做出相應(yīng)的行為。其中精確 度最高，效果最好的是基于視覺(jué)傳感器數(shù)據(jù)的識(shí)別，但其設(shè)計(jì)算法復(fù)雜，反應(yīng)時(shí)間不快，在競(jìng)賽機(jī)器人這個(gè)高速、多變、靈活的環(huán)境下效果并不明顯，所以我們通常采用聲覺(jué)、光覺(jué)配合其他傳感器共同實(shí)現(xiàn)。 驅(qū)動(dòng)和結(jié)構(gòu)技術(shù) 避障小車的 驅(qū)動(dòng)及結(jié)構(gòu)技術(shù)是機(jī)動(dòng)性和靈活性的最基本保障， 在良好的驅(qū)動(dòng)和結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，控制、算法的改進(jìn)才有意義。目前小車 的驅(qū)動(dòng)控制多采用液壓驅(qū)動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)兩種動(dòng)力源。液壓驅(qū)動(dòng)功率大重量輕，力和力矩的輸出都很好，運(yùn)行平穩(wěn)，響應(yīng)快，對(duì)無(wú)級(jí)調(diào)速過(guò)載保護(hù)都有非常出色的表現(xiàn)。但其體積大，配套設(shè)施多且容易出現(xiàn)污染 并不適合比賽的環(huán)境。電機(jī)由于其控制方便，易于實(shí)現(xiàn)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，噪音小等優(yōu)點(diǎn)已日益在 東北大學(xué)秦皇島分校畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁(yè) 競(jìng)賽機(jī)器人中成為主流。從能源供給角度移動(dòng)機(jī)器人驅(qū)動(dòng)形式主要分為拖纜運(yùn)行和電池供電驅(qū)動(dòng)兩種，電池驅(qū)動(dòng)控制具有更大的能動(dòng)空間，但受到電池、驅(qū)動(dòng)器質(zhì)量的限制，所以目前大多數(shù)研究人員在研制移動(dòng)機(jī)器人的過(guò)程中多采用拖纜運(yùn)行形式。因考慮到需要附帶執(zhí)行機(jī)構(gòu)，移動(dòng)機(jī)器人一般設(shè)計(jì)功率較大，然而目前市場(chǎng)上，高功率伺服電機(jī)的控制與驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品體積 質(zhì)量均較大，且價(jià)格昂貴，這大大限制了移動(dòng)機(jī)器人的負(fù)載空間。小車 運(yùn)動(dòng)方法的選擇是移動(dòng)機(jī)