仿人服务型机器人系统集成与实现研究

机器人学是电子、机械、控制等学科相结合的产物，代表着机电一体化的最高成就。随着社会经济与科技水平的发展，各个领域对仿人机器人的需求不断增加，使得仿人机器人成为了当今机器人研究中的热点。 按照移动方式，仿人机器人可以分为双足步行和轮式移动仿人机器人。轮式移动仿人机器人尤其适用于具有部分不变场景的结构化环境，在医院、餐厅等服务场合有着广泛的应用前景。 目前对于仿人机器人的研究主要还停留在样机阶段，在系统集成与实现方面所做的研究工作还不是很多。为此，本文以863课题《宜人化双臂操作型服务机器人》为依托，在分析了仿人机器人的特点以及国内外的研究现状的基础上，系统地研究了轮式移动仿人服务型机器人的系统集成与实现的相关问题，如：各个子系统的实现，体系结构的设计与实现，操作臂的冗余度控制，各种传感器信息的融合与切换等问题，最后通过具体的操作实验验证了设计的有效性和系统的可靠性。 首先，介绍了仿人机器人的子系统的划分与各个子系统的实现。在机械子系统中，介绍了仿人机器人各个部分的构成与实现，并总结了该仿人机器人机械结构具有的特点。在控制子系统中，根据该仿人机器人的要求，提出了基于微控制器的关节控制器的设计方法，叙述了控制器的硬件结构与实现；利用CAN总线的特性，构建了基于CAN总线的分布式控制系统；编写了伺服控制程序，开发了适于本系统的CAN总线的应用层协议。另外介绍了传感、通讯、电源等子系统的实现方式和特点。 其次，在分析现有的几类体系结构的特点的基础上，针对本系统中仿人机器人的功能要求，提出了层次化与模块化相结合的体系结构。该结构以时间为标准在纵向分为3层，以功能为标准在横向分为3列。描述了各个层次的结构和功能。在任务层，操作者通过无线局域网对机器人的运行状态进行监控，并可对机器人下达语音指令；在行为层，各个计算机通过局域网相连，通过对动作层的操作，实现行为的生成与组织；在动作层，构建以CAN总线为基础的分布式控制系统。本系统的体系结构具有如下的特点：自主与监控相结合，动作与感知相结合的行为，参数化的行为描述，在动作层构成分布式系统并且具有一定程度的开放性。 再次，分析了当前两类主要的冗余度控制方法的特点，并且提出了基于轨迹特征的运动权重设定准则。利用这个准则可以定量的确定操作臂各个关节的运动权重，进而用构形控制的方法实现了操作臂的冗余度控制。仿真结果证明了这种基于轨迹特征的控制方法对于冗余度操作臂的控制是合理有效的。 最后，探讨基于多传感器的任务规划与行为控制。在描述视觉系统的结构与功能的基础上，以一个具体操作任务为例，阐述了如何把位置、视觉、力觉等多种传感器集成在一起，在任务的不同阶段调度进行任务规划与行为控制。通过仿人机器人的操作实验验证了仿人机器人实时性好、定位精度高、运行稳定可靠。