关键词：
跟随机器人
非结构化环境
动力学
图像特征
避障
摘要：
随着科学技术的进步,机器人在发展中扮演着重要的角色,机器人正在朝着智能化、自主化方向发展。服务机器人作为机器人中广泛应用的一类,运动能力和控制技术是其主要的关键性技术。现有的机器人一般移动方式比较单一,造成移动能力较差,面对非结构化环境自主导航和自主移动能力往往受到限制,研究运动能力和控制技术具有重要意义和实用价值。本文研究开发的平面行驶和爬楼梯（Planar Driving and Climbing Stair,简称PDCS）跟随机器人实现了轮腿变换的移动功能,使得两种移动方式有效地结合,可以适应平面行驶和爬楼梯的运动环境,具有自主导航和自主移动能力。从运动性能和功能上看,可以用来服务特殊群体和仓库搬运,PDCS跟随机器人的运动能力和跟随技术是该款机器人的研究重点,对服务机器人的发展具有推动作用。为了提高PDCS跟随机器人的移动能力和工作效率,本文针对非结构化环境和助老助残等服务群体,设计了PDCS跟随机器人。主要从机器人行走结构设计和跟随方案实现进行了理论分析和实验研究等工作,其具体研究工作如下:首先,根据非结构化环境的要求,进行PDCS跟随机器人结构设计和运动分析,包括机械结构整体设计、轮腿伸缩结构设计和分析,以及轮腿系数和参数的确定,基于此设计完成了PDCS跟随机器人机械结构部分。并对PDCS跟随机器人进行了爬楼受力分析,建立了PDCS跟随机器人全局坐标系和局部坐标系姿态模型,对其进行平面运动学分析。该款机器人同时具有腿式和轮式两种移动方式的优点,机器人轮腿伸缩结构是由曲柄滑块和移动凸轮组成,可以实现腿和轮的自由变换,既可以使用越障性能强的腿式,也可使用运动性能好且稳定性高的轮式,两种模式根据环境转换,机动灵活。其次,建立PDCS跟随机器人运动模型,对机器人在爬楼过程中的动力学进行理论分析。建立稳定锥模型,对机器人的稳定性进行理论分析。并将三维模型导入仿真软件Adams中,设置基本参数,对虚拟样机进行仿真实验研究。通过仿真分析机器人爬越楼梯（非结构化环境）时的速度、位置、力矩等参数,并分析机器人在爬楼过程中的稳定性和机器人平面转弯性能。以上仿真实验研究结果和文中前述的机器人运动学、动力学和稳定性理论分析一致,有效的验证了PDCS跟随机器人机械结构设计的合理性。然后,在PDCS跟随机器人机械结构设计的基础上,分析机器人的系统需求,结合现有的传感器技术和微控制器技术进行控制系统硬件选型和设计,确定硬件设计所需要的模块。进行PDCS跟随机器人的跟随和避障策略研究,采用了图像特征识别跟随方法和人工势场避障算法。图像特征识别跟随方法主要是采用图像阈值和特征点识别算法,通过机器人本体搭建视觉传感器模块捕捉识别图像特征,调整相应阈值,减小环境信息的干扰,以适应不同的图像特征,对移动目标进行捕捉、识别和跟随。避障算法采用人工势场算法,引入目标点和机器人之间的距离因子,改进其斥力函数,减小局部最小值,提高避障能力。机器人运动方式采用双轮驱动方式,差速转向。控制体系分为上位机控制体系和下位机控制体系,上位机用于移动目标捕捉和相应的坐标信息,下位机用于跟随机器人的驱动跟随。最后,依据文章的主要设计参数,制作物理样机,结合真实环境实验平台,针对机器人的轮腿伸缩、爬楼越障和跟随方案设计进行验证实验,根据实验现场分析机器人在爬楼和跟随过程中的性能,物理样机实验直观地显示机器人能够顺利爬楼和跟随,设计的产品满足要求,验证了其结构设计和硬件设计的合理性和可行性,为最终机器人的最优结构设计和硬件选型提供理论参考和支撑。
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