链式可变形模块化机器人控制系统研究

随着机器人技术的不断发展，机器人的能力不断提高，其应用的领域和范围正在不断扩展。各式各样的机器人正逐步走入各行各业和社会的各个领域，并在其中发挥着越来越重要的作用，特别是在科学考察、军事侦察、灾难救援等对人类来讲极度危险的领域。它所具有的优势越来越受到世界各国普遍关注和重视，日益成为各国的战略必争装备和竞争核心技术。 应用于危险环境的机器人在作业时往往面对极为复杂的非结构环境。传统的机器人受其自身的机械结构限制，一般不能够适应这种多变的地形。具有改变自身构形能力的机器人的出现，解决了这一问题。国外自80年代开始研究可重构机器人。可重构机器人一般是由多个模块组成，通过模块的数量以及相对位置的变化，使机器人形成新的构形。由于这种机器人在变形时要消耗大量的时间，同时需要计算能力较强的控制单元，因此很难应用于实际作业。 本文叙述了灾难救援机器人的研究和发展现状，并提出了一种新颖的用于灾难救援和军事侦察的可变形机器人。该机器人由三模块组成，通过模块间的关节运动改变自身构形。三模块可变形机器人采用了基于CAN总线的集中式控制系统。本文在论述了机器人控制系统的硬件平台构建后，给出了基于此硬件平台的软件实现。 本文在对三模块可变形机器人的变形机理进行分析和计算的基础上，提出了“协同变形法”改善了机器人的变形过程，使其更为合理。通过协同变形实验验证了改进后变形方法的合理性和优越性；通过转弯实验验证了可变形机器人的机动性能；通过整体变形实验和通过性实验验证了控制系统的可行性以及机器人极强的通过能力。变形机器人基于该控制系统能够完成前进、后退、转向以及变形等运动，运动平滑，系统响应迅速。最后，本文对可变形机器人的发展和后继研究工作进行了展望。

基于网络的家庭服务机器人控制系统的研究

随着社会的进步和发展，人们不断追求舒适和安逸的生活，不愿意从事一些枯燥甚至不安全的工作，因此，能够代替人类完成简单工作并可以与人进行沟通的家庭服务机器人越来越受到人们的青睐，有着非常好的应用前景。 家庭服务机器人服务的对象是普通人群，不仅需要为用户提供一种友好、自然的人机交互手段，更为重要的是需要为不同位置、不同环境的人们提供所需求的服务。因此，本文研究的重点在于通过网络和机器人技术开发能够满足人们目前生活要求的基于网络的机器人控制系统。 本文以新松机器人股份有限公司的“家庭服务机器人项目”为背景，在对传统的机器人网络控制技术分析的基础上，主要从控制和视频两大部分展开研究。在控制部分，如何既能实现机器人的网络控制又能实现本地控制是本部分的主要研究内容。为此，本文采用模块化设计思想，分别对客户端模块、服务器端模块、机器人控制端模块进行了详细分析与设计，并且采用JNI（Java Native Interface）技术解决了不同语言的接口问题。针对如何实现代码的复用性以及扩展性问题上，本文提出了一种Applet-Servlet-Win32DLL-MFCDLL（Dynamic Link Library）模式的新型控制架构，实现了机器人的网络控制和本地控制。在视频部分，如何实现视频图像的实时传输是视频方面研究的重点。本文采用JMF（Java Media Frame）技术及RTP（Real Transport Protocol）/RTCP（Real Transport Control Protocol）协议，分别从视频发送模块、视频接收与播放模块进行了设计，达到了很好的实时效果。并且采用双缓冲、多线程技术解决了视频传输过程存在的闪烁、抖动等问题，通过实验验证了该方法的有效性。 最后，本文对机器人网络控制系统进行了实验验证，运行效果良好，并且在对本课题研究的基础上，对网络时延进行了分析及实验测试，简要分析了解决方案。

危险作业机器人控制系统的研究

随着科学技术的发展，移动机器人被寄予越来越高的期望，要求其具有更高的机动性、更强的环境适应及感知能力和快速反应能力。因此，研究高效的移动机构和高性能控制系统成为排爆、消防等各种地面遥操作危险作业移动机器人的共同课题。 本论文以中国科学院沈阳自动化研究所自行研发的“灵豹”反恐防暴机器人和子母消防搜救机器人(在研)为平台，对危险作业机器人的控制系统进行了较为系统的研究。 “灵豹”机器人采用轮-腿-履带复合移动机构。其轮式移动采用三轮机构，两前主动轮单独驱动，差速完成转向，后轮为万向从动脚轮，配合前轮转向，车体转向半径可实现从零到无限大。其控制系统以嵌入式控制器为核心，采用模块化方法设计构建，保证了系统体积紧凑、实时性好和可靠性高等的应用要求。 作为智能控制技术的一种，模糊控制可以对那些数学模型难以求取或无法求取的对象进行有效控制。用基于PC的可编程控制器实现模糊控制，关键在于前期处理和软件编程，因为必须充分考虑执行速度。针对实际的非完整约束三轮式移动机器人运动方向可控性差，PID控制器参数难以实现全局整定的问题，利用模糊控制器实现运动轨迹控制。 单纯用电子罗盘测量航向角作为模糊控制器输入，环境适应性较差，本文提出一种结合脚轮偏转角和罗盘航向角计算机器人角速度和航向角的算法。试验结果表明，设计的控制器能对机器人进行有效航向跟踪，能迅速缩小航向偏差，机器人转向灵活可控，且没有大的航向偏转角速度，提高了系统适应性和运动稳定性。 子母消防搜救机器人主要用于火场侦查搜救，分为子机器人和母机器人，既可单独执行任务，又可协作搜救。机器人体积小，内部空间极其有限，要求控制系统有较高的集成度，还要能耐高温、通讯可靠。火场环境一般比较复杂，尤其是在地下建筑，通讯不畅将严重影响消防搜救机器人深入到火场深处侦查。为充分保障通讯链路畅通，设计了子母机控制系统，母机和子机可互为通讯中继，有效减少通讯死角，扩大搜索范围。系统采用基于多载波调制技术的影音传输系统作为图像及语音信号的主要通信链路，采用数字电台传输指令数据。设计的通讯系统实时性好，抗干扰能力和绕射能力强。

多轮腿复合移动机器人控制系统的设计与实现

轮腿复合移动机器人是具有高机动高通过能力、感知能力和自主行为能力的地面移动系统，它能搭载多种载荷，进行快速机动部署，可遥控、半自主、甚至全自主地完成使命。研究轮腿复合移动机器人的根本意义在于其可以在超出人类承受极限的复杂和危险环境中代替人类完成目标作业任务。 本文针对移动机器人的运动控制进行了详细的论述，主要内容包括(1)机器人机构尺寸综合；(2)轮腿复合移动机器人的运动特性分析；(3)远程监控系统的设计；(4)机器人控制系统的设计。 通过分析轮腿复合移动机构运动机理，给出了移动机器人的机构尺寸综合。在移动机器人的运动特性方面，提出了构型在线优化、轮腿运动协调控制算法，并在实验样机对上述优化算法和控制算法进行了实验验证，实验结果表明，构型优化算法和轮腿协调算法在机器人通过典型地形障碍物时是有效的。在远程监控系统分析设计中，对控制系统的远程遥控端硬件搭建及软件设计过程进行了详细的阐述。在机器人控制系统的研究方面，首先介绍了系统的硬件组成；其次依据机器人系统的功能要求，提出选用QNX实时多任务操作系统作为控制系统的操作系统，并对其特性进行了详细的论述；最后在实时多任务操作系统下完成了控制系统的软件设计。 本论文的研究为多轮腿移动机器人的系统设计和研发提供了理论依据和技术支持。

虚拟监控遥操作水下机器人控制系统的研究

随着海洋科学考察和水下工程的日益增多，人类的研究趋势不断地向海洋深处发展。然而，水下环境与陆地和空间环境相比更加恶劣，对人类的威胁更大，因此水下机器人作为人的替代者，正在越来越多地在实际水下操作中应用。传统的水下机器人是采用主从遥操作控制，陆地上或母船上的操作员借助水下摄像机观察机器人的工作情况，通过主手或操纵杆操纵机器人，这种工作方式已不能满足当前水下作业的需要，所以研制具有高效率、高操作精度的水下机器人系统成为当今机器人领域的研究热点。本论文的研究内容是国家“863”高技术计划研究项目“虚拟监控遥操作水下机器人系统”的重要组成部分，以水下机器人检查海底石油钻井平台导管架焊缝的实际工作为背景，建立了一个完整的水下机器人实验系统，详细研究了虚拟遥操作控制、机器人监控控制及ROV(Remotely Operated Vehicles)模糊控制导航方法，并将这些控制方法应用到所建立的机器人系统中，完成实际操作实验。为了解决运动学逆解无解析解一类机械手的实时控制问题，本文提出一种适合于实时求解的算法--“跟踪搜索算法"，并使用该算法实现了5DOF水下机械手的运动学解算和实时控制。水下机器人载体ROV的导航问题一直被研究者们关注，在水下机器人控制中占重要地位。本文提出一种模糊控制导航方法，使用统一控制模式实现ROV在3D空间的导航，避免了ROV水下导航中多模控制切换点难以确定和切换过程造成ROV波动的问题。根据对ROV和机械手运劫特征的分析，以及水下环境的先验知识，建立了机器人和水下环境的虚拟模型。为了适应机器人在非结构化环境中工作的要求，提出“交互虚攒建模”方法，在环境发生变化时，重新建立虚拟环境模型，使虚拟环境反映真实环境的变化。在此基础上，建立了一个多功能虚拟仿真平台。监控控制是目前水下机器人最好的控制方法，本论文将虚拟现实技术应用在机器人监控系统中，提出虚拟监控系统的双层结构，发展了监控思想。研究并实现了四种虚拟监控控制方法：(1)基于虚拟显示的控制方法，(2)基于虚拟视觉的控制方法，(3)虚拟层任务规划，(4)虚拟投射控制。将上述各部分集成，设计并实现了虚拟监控遥操作控制系统，以该控制系统为核心，连接真实水下机器人和视觉系统，建立了虚拟监控遥操作水下机器人实验系统。本论文提出的系统结构、虚拟建模方法、模糊导航方法，虚拟监控控制方法均应用到机器人实验系统中。实际操作结果和仿真实验结果验证了所提出的虚拟监控系统结构的合理性，方法的正确性，体现了这些结构和方法的先进性。该实验系统和上述实验结果作为“863”项目“虚拟监控遥操作水下机器人系统”的重要组成部分，通过了专家组的验收，得到专家们的肯定。此外，为了适应开展网络遥操作研究的需要，本论文基于Internet网络技术，建立了机器人的网络通讯框架，使本论文中建立的机器人系统具有网络扩展性。论文的研究工作为研制可实用的高性能水下机器人系统奠定了基础，研究成果对水下机器人遥操作具有理论指导意义，为其实际应用提供了技术实现的途径。