基于分布式的開放式移動機器人平臺的設(shè)計

1、基于分布式的開放式移動機器人平臺的設(shè)計關(guān)鍵詞:機器人;控制 1 研究背景 自因特網(wǎng)技術(shù)在全球推廣以后,國內(nèi)外科學(xué)家一直致力于使用因特網(wǎng)對遠程機器人進行開放式訪問并實現(xiàn)人機互動操縱。這種遠程自動化技術(shù)方法把人類的智能傳遞到遠處,把機器人的自主性和人的智能結(jié)合起來,使人類活動跨越了地域和環(huán)境的障礙。機器人從它誕生的那天起,對于危險環(huán)境下作業(yè)設(shè)備的研制就是一項有吸引力的技術(shù)1。 針對這些新的應(yīng)用領(lǐng)域,全世界的科學(xué)家進行了大量的研究。1994年加州大學(xué)的Ken Goldberg通過著名的Mercury項目將一臺SCARA型機器人連接到Internet,使它成為最早連接到Web上的物理機器人設(shè)備。199

2、8年美國Wilkes大學(xué)的Matthew R. Stein等通過Java接口將Pumapaint系統(tǒng)連接到Internet上,任何使用者都可以通過網(wǎng)絡(luò)控制一臺PUMA760機器人的4支畫刷在畫架上進行藝術(shù)創(chuàng)作2。 正如前面所述,目前針對網(wǎng)絡(luò)控制的機器人結(jié)構(gòu)缺乏相關(guān)的研究。但是,通過網(wǎng)絡(luò)控制的機器人與自主機器人在控制體系、數(shù)據(jù)處理、設(shè)備接口等方面有眾多不同,所以,其硬件體系結(jié)構(gòu)需要根據(jù)不同的要求做相應(yīng)的處理才能夠使網(wǎng)絡(luò)控制的機器人取得更好的控制效果3。本文擬針對該類移動機器人的特點,設(shè)計一個通用、開放的移動機器人體系。這一體系首先提出了一種高度可擴展的硬件結(jié)構(gòu),使移動機器人更好地適應(yīng)外部復(fù)雜的環(huán)

3、境;同時,本文提出將移動機器人模塊化,從而保證了系統(tǒng)具有足夠的通用性和靈活性;在此基礎(chǔ)上,此結(jié)構(gòu)下的移動機器人系統(tǒng)提供一個開放的開發(fā)環(huán)境和控制平臺,可以適用于各種不同的場合和需求。 2 設(shè)計思路 2.1 高度可擴展的硬件結(jié)構(gòu) 傳統(tǒng)機器人的控制都是受制于特定本體(包括主控制器接口、電機、傳感器等)參數(shù)的。封閉式的機器人結(jié)構(gòu)總是按照特定的機器人需求設(shè)計,當外部環(huán)境變化時,必然造成機器人操作性能的降低,乃至功能的失效。而開放可擴展結(jié)構(gòu)的機器人,就可根據(jù)不同情況適當?shù)卣{(diào)整相應(yīng)外圍設(shè)備,更好地適應(yīng)多變的環(huán)境4。 從機器人系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)構(gòu)來看,初期機器人結(jié)構(gòu)的設(shè)計將直接影響機器人將來的功能和適應(yīng)性,所以設(shè)計

4、一種高度靈活,可擴展的硬件結(jié)構(gòu)非常有實用價值。這就要求機器人在硬件外部接口以及控制方式上能夠提供足夠的擴展空間,而不是僅僅局限于當前對硬件資源的需求。 2.2 模塊化的移動機器人控制體系 就目前的發(fā)展趨勢來講,智能機器人和高級工業(yè)機器人的結(jié)構(gòu)都力求簡單緊湊,其高性能部件甚至全部結(jié)構(gòu)的設(shè)計已向模塊化方向發(fā)展;機器人外部傳感器的模塊化可以有效提高機器人的靈活性和適應(yīng)能力。因此機器人采用模塊化設(shè)計技術(shù)成了當今機器人發(fā)展的一種潮流和趨勢。 同樣,適合網(wǎng)絡(luò)控制的移動機器人也需要從結(jié)構(gòu)上來保證一種模塊化的設(shè)計,適應(yīng)網(wǎng)路控制的特殊性。對硬件來說,根據(jù)系統(tǒng)要求和電氣特性,按照模塊化設(shè)計,這不僅方便安裝和維護,

5、而且提高了系統(tǒng)的可靠性,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更為緊湊。 2.3 開放式的開發(fā)環(huán)境與控制平臺 采用開放式軟件、硬件結(jié)構(gòu),可以根據(jù)需要方便地擴充功能,使其適用不同類型機器人或機器人化自動生產(chǎn)線.開放式控制系統(tǒng)是隨著計算機控制技術(shù)的發(fā)展而產(chǎn)生的,其具有可移植性、可互操作性、可擴展性、可互換性、可派生性等特征。 開放的控制系統(tǒng)能使系統(tǒng)中的硬件和軟件結(jié)構(gòu)很容易集成。更易實現(xiàn)平臺、操作系統(tǒng)和用戶接口的標準化。開放式機器人系統(tǒng)的應(yīng)用范圍更廣。打破機器人結(jié)構(gòu)的封閉式結(jié)構(gòu),設(shè)計具有開放性的機器人系統(tǒng),目標是:為網(wǎng)絡(luò)控制提供開放的接口;方便地利用計算機平臺的軟、硬件資源對機器人進行擴展;實現(xiàn)友好的人機界面。為滿足上述功能要

6、求,機器人需要在系統(tǒng)設(shè)計階段就把各方面因素考慮在內(nèi)5。 作為計算機技術(shù)應(yīng)用產(chǎn)物的機器人,由于封閉性,限制了機器人應(yīng)用的普及。打破這種現(xiàn)狀,徹底的方法是建立機器人結(jié)構(gòu)的開放式標準,規(guī)定控制器的基本功能,接口標準,并最終使機器人結(jié)構(gòu)與具體算法分離,即獨立出來6。這樣,根據(jù)實際需要,一個控制算法或研究成果可以選擇多種型號的機器人本體,而機器人本體也可同不同功能的機器人連接,構(gòu)成機器人網(wǎng)絡(luò)。這有益于新的機器人控制理論的應(yīng)用,控制技術(shù)的進步和機器人應(yīng)用的普及。 3 總結(jié) 本章在分析了適合網(wǎng)絡(luò)控制的移動機器人特點的基礎(chǔ)上,提出設(shè)計一個通用、開放的移動機器人體系。提出移動機器人硬件結(jié)構(gòu)的高度可擴展性、模塊化

7、的控制體系以及開放式的開發(fā)環(huán)境與控制平臺,探討了此結(jié)構(gòu)在控制性能及控制性能方面的特點。該系統(tǒng)打破現(xiàn)有機器人結(jié)構(gòu)封閉的局面,開發(fā)采用的硬件結(jié)構(gòu)具有開放、功能模塊化和標準化的特點。 參考文獻 1莊嚴,王偉,惲為民,基于網(wǎng)絡(luò)的機器人控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展,機器人,24(3): 276-282,20022李小海,王旭永,基于WWW的機器人遠程控制的關(guān)鍵技術(shù)及典型實現(xiàn),工業(yè)控制計算機,13(2): 51-53,2000 3Kenneth Taylor, Barney Dalton. Internet Robots: A New Robotics Niche. IEEE Robotics Automati

8、on Magazine, 2000, 7(1):27-34. 4Stothert. Alec, MacLeod Lan M, Distributed intelligent control system for a continuous-state plant, IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics, Part B: Cybernetics, v 27, n 3, Jun, 1997, p 395-405 5Cingiser DiPippo, L.;Fay-Wolfe, V.;A real-time multi-agent system architecture for e-commerce applications, Autonomous Decentralized Systems, 2001. Proceedings. 5th International Symposium on,26-28 March 2001 Pages:357-364 6Stothert, A., MacLeod, I. M.,Distributed intelligent control sys