智能機器人原理與應(yīng)用 課件全套 陳雯柏 第1-15章 概論、智能機器人的運動系統(tǒng)-室內(nèi)環(huán)境自適應(yīng)智能商用服務(wù)機器人系統(tǒng)

北京信息科技大學自動化學院智能機器人原理與應(yīng)用“智能檢測技術(shù)與模式識別”研究所北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》第一章

概論“robot”一詞源于捷克語“robota”，意為“強迫勞動”。1920年，捷克作家恰佩克在《羅薩姆的萬能機器人》劇本中把在羅薩姆萬能機器人公司生產(chǎn)勞動的那些家伙取名“Robot”（捷克語意為“奴隸”）。機器人技術(shù)涉及機械、電子、計算機、材料、傳感器、控制技術(shù)、人工智能、仿生學等多門科學。機器人的發(fā)展是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一，發(fā)展應(yīng)用機器人的目的在于：(1)提高生產(chǎn)效率，降低人的勞動強度；(2)機器人做人不愿意做或做不好的事；(3)機器人做人做不了的事情。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》1.1機器人的定義1950年，美國科幻巨匠阿西莫夫提出的“機器人三定律”雖然只是科幻小說里的創(chuàng)造，但已成為學術(shù)界默認的研發(fā)原則，內(nèi)容如下：1.1.1

機器人三定律(1)機器人不得傷害人，也不得見人受到傷害而袖手旁觀；(2)機器人應(yīng)服從人的一切命令，但不得違反第一定律；(3)機器人應(yīng)保護自身的安全，但不得違反第一、第二定律。1.1機器人的定義1.1.2機器人各種定義北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》美國機器人工業(yè)協(xié)會曾把機器人定義為一種用于移動各種材料、零件、工具或?qū)Ｓ醚b置的，通過可編程序動作來執(zhí)行種種任務(wù)的，并具有編程能力的多功能機械手。日本工業(yè)機器人協(xié)會把工業(yè)機器人定義為一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行器(endeffector)的，能夠轉(zhuǎn)動并通過自動完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。美國國家標準局定義機器人是一種能夠進行編程，并在自動控制下執(zhí)行某些操作和移動作業(yè)任務(wù)的機械裝置。國際標準化組織把機器人定義為：機器人是一種自動的、位置可控的、具有編程能力的多功能機械手，這種機械手具有幾個軸，能夠借助于可編程序操作來處理各種材料、零件、工具和專用裝置，以執(zhí)行種種任務(wù)。蔣新松院士言簡意賅地把機器人定義為一種擬人功能的機械電子裝置。1.2機器人的生產(chǎn)與發(fā)展北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》1948年，羅伯特·維納出版《控制論》，闡述了機器中的通信和控制機能與人的神經(jīng)、感覺機能的共同規(guī)律，率先提出以計算機為核心的自動化工廠。1980年后，各種用途的機器人廣泛應(yīng)用到了工業(yè)生產(chǎn)當中。1990開始，機器人開始面向服務(wù)業(yè)，并走向家庭?，F(xiàn)代機器人技術(shù)發(fā)展大事年表總結(jié)。P2-P31.3智能機器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》機器人現(xiàn)在已被廣泛地用于生產(chǎn)和生活的許多領(lǐng)域，按其擁有智能的水平,可以分為以下三個層次：(1)示教再現(xiàn)型：示教再現(xiàn)型機器人只能死板地按照人給它規(guī)定的程序工作，不管外界條件有何變化，它都不能對程序進行相應(yīng)的調(diào)整。如果要改變機器人所做的工作，必須由人對程序作相應(yīng)的改變，因此它是毫無智能的。(2)感覺型：感覺型機器人可以根據(jù)外界條件的變化，在一定范圍內(nèi)自行修改程序，也就是它能適應(yīng)外界條件變化，對自己怎樣作相應(yīng)調(diào)整。不過，修改程序的原則由人預先給以規(guī)定。感覺型機器人擁有初級智能水平，但沒有自動規(guī)劃能力，目前已走向成熟，達到實用水平。(3)智能型：智能型機器人已擁有一定的自動規(guī)劃能力，能夠自己安排自己的工作。這種機器人可以不要人的照料，完全獨立的工作，故稱為高級自律機器人。1.3智能機器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》程控架構(gòu)，又稱規(guī)劃式架構(gòu)。它根據(jù)給定初始狀態(tài)和目標狀態(tài)給出一個行為動作的序列，按部就班地執(zhí)行。程序序列中可采用“條件判斷+跳轉(zhuǎn)”的方法，根據(jù)傳感器的反饋情況調(diào)整控制策略。

集中式程控架構(gòu)的優(yōu)缺點：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單明了，所有邏輯決策和計算均在集中式的控制器中完成。這種架構(gòu)清晰，顯然控制器是大腦，其他的部分不需要有處理能力。設(shè)計者在機器人工作前預先設(shè)計好最優(yōu)策略，讓機器人開始工作，工作過程中只需要處理一些可以預料到的異常事件。1.3.1程控架構(gòu)對于設(shè)計一個在房間里漫游的移動機器人來說，若房間的大小未知，無法準確地得到機器人在房間中的相對位置的情況時，程控式控制架構(gòu)就很難適應(yīng)了。1.3智能機器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》分層遞階架構(gòu)，又稱為慎思式架構(gòu)。它是隨著分布式控制理論和技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的。分布式控制通常由一個或多個主控制器和很多個節(jié)點組成，主控制器和節(jié)點均具有處理能力。主控制器可以比較弱，大部分的非符號化信息在其各自的節(jié)點被處理、符號化后，再傳遞給主控制器來進行決策判斷。1.3.2分層遞階架構(gòu)1.

分層遞階結(jié)構(gòu)的信息流程信息流程是從低層傳感器開始，經(jīng)過內(nèi)外狀態(tài)的形勢評估、歸納，逐層向上，且在高層進行總體決策；高層接受總體任務(wù)，根據(jù)信息系統(tǒng)提供的信息進行規(guī)劃，確定總體策略，形成宏觀命令，再經(jīng)協(xié)調(diào)級的規(guī)劃設(shè)計形成若干子命令和工作序列，分配給各個執(zhí)行器執(zhí)行，如圖所示。1.3智能機器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》1.

分層遞階結(jié)構(gòu)的信息流程傳感器感知建模任務(wù)執(zhí)行運動控制執(zhí)行器2.

分層遞階架構(gòu)的特點遵循“感知—思維—行動”的基本規(guī)律，較好地解決了智能和控制精度的問題。層次向上智能增加，精度降低，層次向下，智能降低，精度增加。輸入環(huán)境的信息通過信息流程的所有模塊，往往是將簡單問題復雜化，影響了機器人對環(huán)境變化的響應(yīng)速度。各模塊串行連接，其中任何一個模塊的故障直接影響整個系統(tǒng)的功能。1.3智能機器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》1.3.3包容式架構(gòu)包容式架構(gòu)，又稱為基于行為、基于情境的結(jié)構(gòu)，是一種典型的反應(yīng)式結(jié)構(gòu)。1986年，美國麻省理工學院的布魯克斯以智能機器人為背景提出了這種依據(jù)行為來劃分層次和構(gòu)造模塊的反應(yīng)式架構(gòu)。Brooks認為機器人行為的復雜性反映了其所處環(huán)境的復雜性，而非因為機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)的復雜性。1.

包容架構(gòu)的信息流程包容式體系結(jié)構(gòu)是一種完全的反應(yīng)式體系結(jié)構(gòu)，是基于感知與行為（SA）之間映射關(guān)系的并行結(jié)構(gòu)。包容結(jié)構(gòu)中每個控制層直接基于傳感器的輸人進行決策，在其內(nèi)部不維護外界環(huán)境模型，可以在完全陌生的環(huán)境中進行操作，結(jié)構(gòu)如下圖所示。1.3智能機器人的體系結(jié)構(gòu)傳感器基于行為推理基于環(huán)境規(guī)劃目標任務(wù)識別環(huán)境動態(tài)變化地圖建立規(guī)劃搜

索

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執(zhí)行器北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》2.包容結(jié)構(gòu)的特點包容結(jié)構(gòu)中沒有環(huán)境模型，模塊之間信息流的表示也很簡單，反應(yīng)性非常好，其靈活的反應(yīng)行為體現(xiàn)了一定的智能特征。包容結(jié)構(gòu)不存在中心控制，各層間的通信量極小，可擴充性好。多傳感信息各層獨自處理，增加了系統(tǒng)的魯棒性，同時起到了穩(wěn)定可靠的作用。包容結(jié)構(gòu)過分強調(diào)單元的獨立、平行工作，缺少全局的指導和協(xié)調(diào)，雖然在局部行動上可顯示出很靈活的反應(yīng)能力和魯棒性，但是對于長遠的全局性的目標跟蹤顯得缺少主動性，目的性較差，而且人的經(jīng)驗、啟發(fā)性知識難于加入，限制了人的知識和應(yīng)用。1.3智能機器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》1.3.4混合式架構(gòu)蓋特提出的混合式三層體系結(jié)構(gòu)，分別是：反應(yīng)式的反饋控制層（controller），反應(yīng)式的規(guī)劃―執(zhí)行層(sequencer)和規(guī)劃層(deliberator)?；旌鲜郊軜?gòu)在較高級的決策層面采用程控架構(gòu)，以獲得較好的目的性和效率；在較低級的反應(yīng)層面采用包容式架構(gòu)，以獲得較好的環(huán)境適應(yīng)能力、魯棒性和實時性。包容式架構(gòu)機器人提供了一個高魯棒性、高適應(yīng)能力和對外界信息依賴更少的控制方法。但它的致命問題是效率低。因此對于一些復雜的情況,需要融合應(yīng)用程控架構(gòu)、分層遞階架構(gòu)和包容式架構(gòu)。1.3.5分布式結(jié)構(gòu)1998年，比亞喬提出一種HEIR（hybridexpertsinintelligentrobots）的非層次的分布式結(jié)構(gòu)。1.3智能機器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》分布式結(jié)構(gòu)由符號組件(S)、圖解組件(D)和反應(yīng)組件(R)三部分組成，如圖所示。每個組件處理不同類型的知識,是一個由多個具有特定認知功能、可以并發(fā)執(zhí)行的Agent構(gòu)成的專家組。各組件相互間通過信息交換進行協(xié)調(diào),沒有層次高低之分,自主地、并發(fā)地工作。1.分布式架構(gòu)的信息流程2.分布式架構(gòu)的特點突破了以往智能機器人體系架構(gòu)中層次框架的分布模式，各個Agent具有極大的自主性和良好的交互性，使得智能，行為，信息和控制的分布表現(xiàn)出極大的靈活性和并行性。對于系統(tǒng)任務(wù)，每個Agent擁有不全面的信息或能力，應(yīng)保證Agent成員之間以及系統(tǒng)的目標，意愿和行為的一致性，建立必要的集中機制，解決分散資源的有效共性，沖突的檢測和協(xié)調(diào)等問題。更多地適用于多機器人群體。1.3智能機器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》1.3.6進化控制結(jié)構(gòu)將進化計算理論與反饋控制理論相結(jié)合，形成了一個新的智能控制方法—進化控制。它能很好地解決移動機器人的學習與適應(yīng)能力方面的問題。2000年，蔡自興提出了基于功能/行為集成的自主式移動機器人進化控制體系結(jié)構(gòu)。既具有基于行為的系統(tǒng)的實時性，又保持了基于功能的系統(tǒng)的目標可控性同時該體系結(jié)構(gòu)具有自學習功能，能夠根據(jù)先驗知識、歷史經(jīng)驗、對當前環(huán)境情況的判斷和自身的狀況，調(diào)整自己的目標、行為，以及相應(yīng)的協(xié)調(diào)機制，以達到適應(yīng)環(huán)境、完成任務(wù)的目的。整個體系結(jié)構(gòu)包括進化規(guī)劃與基于行為的控制兩大模塊。這種綜合體系架構(gòu)的優(yōu)點是：1.3智能機器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》1.3.6進化控制結(jié)構(gòu)1.3智能機器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》1.3.7社會機器人結(jié)構(gòu)

1999年，Rooney等根據(jù)社會智能假說提出了一種由物理層、反應(yīng)層、慎思層和社會層構(gòu)成的社會機器人體系結(jié)構(gòu),如下圖所示。1.3智能機器人的體系結(jié)構(gòu)北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》1.社會機器人體系結(jié)構(gòu)的信息流程社會機器人體系結(jié)構(gòu)總體上看是一個混合式體系結(jié)構(gòu)。反應(yīng)層為基于行為、基于情境的的反應(yīng)式結(jié)構(gòu)；慎思層基于BDI模型，賦予了機器人心智狀態(tài)；社會層應(yīng)用基于Agent通信語言Teanga，賦予了機器人社會交互能力。2.社會機器人體系結(jié)構(gòu)的特點社會機器人結(jié)構(gòu)采用Agent對機器人建模，體現(xiàn)了Agent的自主性、反應(yīng)性、社會性、自發(fā)性、自適應(yīng)性和規(guī)劃、推理、學習能力等一系列良好的智能特性，能夠?qū)C器人的智能本質(zhì)(心智)進行更細致地刻畫。社會機器人架構(gòu)對機器人的社會特性進行了很好的封裝，對機器人內(nèi)在的感性、理性和外在的交互性、協(xié)作性實現(xiàn)了物理上和邏輯上的統(tǒng)一，能夠最大限度地模擬人類的社會智能。社會機器人結(jié)構(gòu)理論體現(xiàn)了從智能體到多智能體、從單機器人到多機器人、從人工生命到人工社會的從個體智能到群體智能的發(fā)展過程。北京信息科技大學自動化學院“智能檢測技術(shù)與模式識別”研究所問答互動環(huán)節(jié)北京信息科技大學自動化學院智能機器人原理與應(yīng)用“智能檢測技術(shù)與模式識別”研究所北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》第二章

智能機器人的運動系統(tǒng)機器人的移動取決于其運動系統(tǒng)。高性能的運動系統(tǒng)是實現(xiàn)機器人各種復雜行為的重要保障，機器人動作的穩(wěn)定性、靈活性、準確性、可操作性將直接影響智能機器人的整體性能。通常，運動系統(tǒng)由移動機構(gòu)和驅(qū)動系統(tǒng)組成，它們在控制系統(tǒng)的控制下完成各種運動。因此，合理選擇和設(shè)計運動系統(tǒng)是移動機器人設(shè)計中一項基本而重要的工作。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》2.1機器人的移動機構(gòu)機器人移動機構(gòu)的形式層出不窮，行走、跳躍、跑動、滾動、滑動、游泳等不少復雜奇特的三維移動機構(gòu)已經(jīng)進入了實用化和商業(yè)化階段。如表所示，機器人移動機構(gòu)的設(shè)計往往來自自然界生物運動的啟示。移動機構(gòu)的形式表2.1常見自然界生物運動形式與智能機器人移動機構(gòu)的運動學基本模型對比北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》2.1機器人的移動機構(gòu)移動機構(gòu)的選擇通?；谝韵略瓌t：2.

移動機構(gòu)的選擇(1)輪式移動機構(gòu)的效率最高，但其適應(yīng)能力、通行能力相對較差。(2)履帶機器人對于崎嶇地形的適應(yīng)能力較好，越障能力較強。(3)腿式機器人的適應(yīng)能力最強，但效率一般不高。為了適應(yīng)野外環(huán)境，室外移動機器人需要采用履帶式行動機構(gòu)。(4)一些仿生機器人則是通過模仿某種生物的運動方式而采用相應(yīng)的移動機構(gòu)，如機器蛇采用蛇行式移動機構(gòu)，機器魚則采用尾鰭推進式移動機構(gòu)。(5)在軟硬路面相間、平坦與崎嶇地形特征并存的復雜環(huán)境下，采用幾何形狀可變的履帶式和復合式(包括輪-履式、輪-腿式、輪-履-腿式等)。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》2.1機器人的移動機構(gòu)在相對平坦的地面上，車輪式移動方式十分優(yōu)越。車輪的形狀或結(jié)構(gòu)取決于地面的性質(zhì)和車輛的承載能力。在軌道上運行時多采用實心鋼輪，在室內(nèi)路面行駛時多采用充氣輪胎。輪式移動機構(gòu)根據(jù)車輪的多少分為1輪、2輪、3輪、4輪和多輪機構(gòu)。1輪及2輪移動機構(gòu)存在穩(wěn)定性問題，所以實際應(yīng)用的輪式移動機構(gòu)多采用3輪和4輪。3輪移動機構(gòu)一般是一個前輪、兩個后輪。4輪移動機構(gòu)應(yīng)用最為廣泛，4輪機構(gòu)可采用不同的方式實現(xiàn)驅(qū)動和轉(zhuǎn)向。2.1.1輪式移動機構(gòu)北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》2.1機器人的移動機構(gòu)驅(qū)動輪的選擇通?；谝韵乱蛩乜紤]。(1)驅(qū)動輪直徑：在不降低機器人的加速特性的前提下，盡量選取大輪徑，以獲得更高的運行速度。(2)輪子材料：橡膠或人造橡膠最佳，因為橡膠輪有更好的抓地摩擦力和減震特性，在絕大多數(shù)場合都可以使用。(3)輪子寬度：寬度較大，可以取得較好的驅(qū)動摩擦力，防止打滑。(4)空心/實心：輪徑大時，盡量選取空心輪，以減小輪子重量。根據(jù)移動特性可將輪式機器人分為非全向和全向兩種。(1)若所具有的自由度少于三個，則為非全向移動機器人。汽車便是非全向移動的典型應(yīng)用。(2)若具有完全的三個自由度，則稱為全向移動機器人。全向移動機器人非常適合工作在空問狹窄有限、對機器人的機動性要求高的場合，具體有1輪、2輪、3輪、4輪等形式。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》2.1機器人的移動機構(gòu)圖2.1所示的掃地機器人就是一個典型的2輪差速移動機構(gòu)?；谌缦录僭O(shè)建立機器人的運動學模型：路面為光滑平面；機器人縱向做純滾動，沒有側(cè)向滑移；機器人的左右輪半徑R、兩個驅(qū)動輪輪心間的距離2L等其他有關(guān)參數(shù)在機器人負載與空載情況下是相同的。1.兩輪差動移動機構(gòu)圖2.1掃地機器人2.1機器人的移動機構(gòu)

圖2.32輪差動式移動機器人運動學模型

2.1機器人的移動機構(gòu)因此式(2.2)不可積，說明機器人系統(tǒng)運動約束條件是一個非完整約束。因此可建立機器人的質(zhì)心運動方程為：,,(2.5)即：(2.6)2.1機器人的移動機構(gòu)2.1機器人的移動機構(gòu)根據(jù)剛體運動規(guī)律，可得下列運動方程：

(2.7)(2.8)由式(2.8)分析可知：若

，質(zhì)心的角速度為0，機器人將沿直線運動；若

，質(zhì)心的線速度為0，則機器人將原地轉(zhuǎn)身，即機器人以零半徑轉(zhuǎn)彎。在其他情況下，機器人將圍繞圓心以零到無窮大的轉(zhuǎn)彎半徑做圓周運動。將(2.7)、(2.8)代入式(2.6)得：（2.9）2.1機器人的移動機構(gòu)2.三輪移動機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖2.43輪移動機構(gòu)圖2.4（a），前輪由操舵結(jié)構(gòu)和驅(qū)動結(jié)構(gòu)合并而成，由于操舵和驅(qū)動的驅(qū)動器都集中在前輪，所以該結(jié)構(gòu)比較復雜。該結(jié)構(gòu)旋轉(zhuǎn)半徑可以從0到無限大連續(xù)變化，但是由于輪子和地面之間存在滑動，絕對的0轉(zhuǎn)彎半徑很難實現(xiàn)。圖2.4（b），前輪為操舵輪，后兩輪由差動齒輪裝置驅(qū)動，但是該方法在移動機器人機構(gòu)中也不多。圖2.4（c），前輪為萬向輪，僅起支撐作用，后兩輪分別由兩個電機獨立驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，而且旋轉(zhuǎn)半徑可以從零到無限大任意設(shè)定。其旋轉(zhuǎn)中心是在連接兩驅(qū)動軸的直線上，所以旋轉(zhuǎn)半徑即使是0，旋轉(zhuǎn)中心也與車體的中心一致。2.1機器人的移動機構(gòu)3.全向移動機構(gòu)結(jié)構(gòu)全向移動機構(gòu)，是指不改變機器人姿態(tài)的同時可以向任意方向移動，且可以原地旋轉(zhuǎn)任意角度，運動非常靈活。全向運動機構(gòu)包括全向輪、電動機、驅(qū)動軸系以及運動控制器幾個部分。圖2.5(a)給出了幾種不同的全向輪的結(jié)構(gòu)形式，圖2.5(b)闡明了全向輪的轉(zhuǎn)動特點。圖2.5（b）全向輪的轉(zhuǎn)動特點圖2.5（a）幾種不同的全向輪的結(jié)構(gòu)形式2.1機器人的移動機構(gòu)由于全向輪機構(gòu)特點的限制，驅(qū)動輪數(shù)大于或等于3，才能實現(xiàn)水平面內(nèi)的全向移動，并且行駛的平穩(wěn)性、效率和全向輪的結(jié)構(gòu)形式有很大關(guān)系。圖2.6所示為3輪全向移動底盤。圖2.63輪全向移動底盤1）三輪全向移動機構(gòu)三輪全向底盤的驅(qū)動輪一般由三個完全相同的全向輪組成，并由性能相同的電機驅(qū)動。各輪徑向?qū)ΨQ安裝，夾角為120°。建立如圖2.7所示的世界坐標系

和機器人坐標系。2.7三輪全向底盤運動學分析2.1機器人的移動機構(gòu)

三輪全向移動機器人坐標系的原點與其中心重合，L為機器人中心與輪子中心的距離，

為

與

的夾角，

為第

個輪子轉(zhuǎn)動的線速度，

為輪子與

的夾角。

系統(tǒng)的運動學方程如下：

（2.11）考慮到機器人的實際結(jié)構(gòu)以及所設(shè)立的坐標系的客觀情況可知：

，將其代入（2.11）并寫成矩陣形式可以得到三輪全向底盤運動學模型：

(2.12)

式（2.12）描述了三輪全向移動機器人在地面坐標系中的運動的速度與驅(qū)動輪線速度之間的關(guān)系。2.1機器人的移動機構(gòu)2）4輪Mecanum輪全向移動機構(gòu)2.1機器人的移動機構(gòu)4輪Mecanum輪全向移動底盤的一種布置方式如下圖所示。圖2.84輪Mecanum輪全向移動底盤（1）比3輪全向移動底盤更大的驅(qū)動力、負載能力以及更好的通過性；與3輪全向移動機構(gòu)相比，四輪Mecanum輪全向移動機構(gòu)具有以下優(yōu)點：（2）在4個輪子分別安裝有電機的情況下，4輪Mecanum輪全向移動底盤能擁有冗余，在一個輪子故障的情況下依然能夠運行。但4輪Mecanum輪全向移動底盤的成本更高，更不易于維護。由于增加了一個輪子，其在不平整的地面上行進時極有可能出現(xiàn)一個輪子懸空的情況，這將導致機器人在計算輪速時產(chǎn)生較大的誤差。2.1機器人的移動機構(gòu)2.1.2履帶式移動機構(gòu)履帶式移動機構(gòu)的特征是將圓環(huán)狀的無限軌道履帶卷繞在多個車輪上，使車輪不直接同地面接觸，利用履帶可以緩和地面的凹凸不平狀況。它具有穩(wěn)定性好、越野能力和地面適應(yīng)能力強、牽引力大等優(yōu)點。但其結(jié)構(gòu)復雜，重量大，能量消耗大，減振性能差，零件易損壞。圖2.9履帶式移動機器人2.1機器人的移動機構(gòu)常用履帶通常為方形或倒梯形（如圖2.10所示），履帶機構(gòu)主要由履帶板、主動輪、從動輪、支撐輪、托帶輪和伺服驅(qū)動電機組成。圖2.10履帶移動機構(gòu)

為進一步改善對地面環(huán)境的適應(yīng)能力和越障能力，履帶結(jié)構(gòu)衍生出很多派生機構(gòu)。圖2.11給出了一種典型的帶前擺臂的關(guān)節(jié)式履帶移動機構(gòu)。2.11關(guān)節(jié)式履帶移動機構(gòu)2.1機器人的移動機構(gòu)（1）同步帶/齒形帶同步帶/齒形帶傳動具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。同步帶傳動由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運動和動力，故帶與帶輪間無相對滑動，能保證準確的傳動比。幾種常見的同步帶和帶輪如圖2.12所示。圖2.12常見的同步帶和帶輪2.1機器人的移動機構(gòu)同步帶/齒形帶傳動具有帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動的優(yōu)點。在同步帶傳動中，由于帶與帶輪是靠嚙合傳遞運動和動力，故帶與帶輪間無相對滑動，能保證準確的傳動比。同步帶作為履帶的優(yōu)點：(1)效率高，最高效率能達到90%以上。(2)設(shè)計簡單，只需根據(jù)標準同步帶規(guī)格選擇節(jié)距、齒數(shù)、長度、寬度。同步帶作為履帶的缺點：同步帶一旦選定，長度、寬度就是固定的，因此基本上屬于定制。設(shè)計不同的履帶式平臺就需要不同的同步帶，這限制了同步帶作為履帶應(yīng)用的靈活性。（2）活節(jié)履帶活節(jié)履帶是將履帶分解為單獨的履塊，通過軸對各節(jié)履塊進行連接，類似金屬表帶或自行車鏈條的連接方式。一種典型的活節(jié)履帶如圖2.13所示。圖2.13活節(jié)履帶2.1機器人的移動機構(gòu)活節(jié)履帶的優(yōu)點：單獨的履塊簡單，可以用注塑成型的方法制造，可以以單節(jié)履塊為單位任意增減，因此具有較好的靈活性。單節(jié)履塊上可以裝配各種類型的履帶齒，適應(yīng)不同地形。而且活節(jié)履帶的履塊中部可以設(shè)計側(cè)向限位塊，帶輪無須擋邊就可以防止履帶從帶輪側(cè)面脫出。活節(jié)履帶的缺點：由于各履塊之間靠連桿連接，因此連桿處受力較大，整個履帶的承載能力弱于同步帶式履帶，并且由于活節(jié)履塊為剛性結(jié)構(gòu)，理論效率較同步帶式履帶低，運行噪音也會較大。2.1機器人的移動機構(gòu)3.

一體式履帶一體式專用履帶的基本結(jié)構(gòu)采用同步帶的形式，具備側(cè)向定位，因此能很好地避免履帶脫出且效率高承載力大。但是履帶設(shè)計較復雜，成本較高，多用于大型機器人。一種典型的一體式履帶如圖2.14所示。圖2.14一體式履帶同步帶履帶的最大缺點是缺乏側(cè)向定位，帶輪上需要附加擋邊來防止履帶脫出；活節(jié)履帶的最大缺點是效率較低，且承載能力有限。2.1.3腿式移動機構(gòu)2.1機器人的移動機構(gòu)腿式機器人顧名思義就是使用腿系統(tǒng)作為主要進行方式的機器人，如圖2.15所示。圖2.15各種足式機器人1.腿式移動機構(gòu)的優(yōu)勢(1)腿式移動機構(gòu)對崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，可自主選擇離散的立足點，在可能到達的地面上選擇最優(yōu)的支撐點，而輪式和履帶式移動機構(gòu)必須面臨最壞地形上的幾乎所有的點。(2)腿式運動方式還具有主動隔振能力，盡管地面高低不平，機身的運動仍然可以相當平穩(wěn)。(3)多自由度系統(tǒng)有利于保持穩(wěn)定，并在失去穩(wěn)定的條件下進行自恢復。(4)腿式行走機構(gòu)在不平地面和松軟地面上的動速度較高，能耗較少。已有的類人機器人步行研究顯示，被動式機構(gòu)可以在沒有主動能量輸入的情況下，完全采用重力作為驅(qū)動力完成下坡等動作。2.1機器人的移動機構(gòu)2.腿式移動機構(gòu)的設(shè)計腿式機器人的構(gòu)思來源于對腿式生物的模仿，在研究足式機器人的特征時，我們主要考慮以下幾個方面：

(1)腿的數(shù)目；(2)腿的自由度；(3)穩(wěn)定性。

2.1機器人的移動機構(gòu)3.典型腿式移動機構(gòu)

（1）四足移動機構(gòu)圖2.16BigDog圖

四足機器人的常見控制方法可分為以下三類：(1)基于模型的控制方法。(2)基于行為的控制方法。(3)生物控制方法是一種融合生物科學和工程技術(shù)的新型控制方法。2.1機器人的移動機構(gòu)(2)兩腿步行移動機構(gòu)人類的關(guān)節(jié)運動是靠肌肉收縮實現(xiàn)的。人類的上肢有52對肌肉，下肢有62對肌肉，背部有112對肌肉，胸部有52對肌肉，腰部有8對肌肉，頸部有16對肌肉，頭部有25對肌肉。要控制好這個有正400個具有雙作用促動器的多變量系統(tǒng)，目前看幾乎是不可能的。設(shè)計步行機構(gòu)必須簡化，只考慮其基本的運動功能。圖2.18是一個具有16個關(guān)節(jié)點(三維特征點)的三維人體骨架模型。圖2.18人體三維骨架模型2.1機器人的移動機構(gòu)（1）類人機器人穩(wěn)定性判斷依據(jù)通常來說，穩(wěn)定性可以分為靜態(tài)穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定。1)靜態(tài)穩(wěn)定是指機器人的全身質(zhì)心COM(centerofmass)在運動的整個過程中始終落在雙腳支撐域內(nèi)，如果機器人在運動過程中的任何時刻停止，必將保持穩(wěn)定，不會摔倒。2)動態(tài)穩(wěn)定是指在運動的過程中，質(zhì)心可以偏離雙腳支撐域外，但是ZMP點必須落在支撐域內(nèi)。（2）類人機器人行走方式從行走方式來講，兩足走行的行走方式主要有以下三種。1)靜態(tài)步行；2)準動態(tài)步行；3)動態(tài)步行。2.1機器人的移動機構(gòu)（3）類人機器人運動規(guī)劃運動規(guī)劃包括動作規(guī)劃、復雜運動規(guī)劃、路徑規(guī)劃和任務(wù)規(guī)劃。1)動作規(guī)劃的結(jié)果是指類人機器人實現(xiàn)某個動作需要的各個關(guān)節(jié)自由度的運動軌跡，以及實現(xiàn)該軌跡所需要輸入的力矩的變化。2)復雜運動規(guī)劃則在基本動作規(guī)劃之上，主要考慮規(guī)劃那些使機器人能夠適合人類環(huán)境的復雜運動，規(guī)劃的結(jié)果除了考慮運動的穩(wěn)定性之外，還可以結(jié)合運動所消耗的能量、時間等性能指標和運動的可行性方面進行研究。3)路徑規(guī)劃是指動態(tài)環(huán)境中的避障問題，任務(wù)規(guī)劃是指上升到任務(wù)級的終端決策規(guī)劃。2.1機器人的移動機構(gòu)4.運動規(guī)劃關(guān)鍵技術(shù)（1）基于仿生學的步態(tài)規(guī)劃基于仿生學的步態(tài)規(guī)劃就是用傳感器記錄下人類步行時的各個數(shù)據(jù)軌跡(humanmotioncapturedata，HMCD)，經(jīng)過修正處理之后直接用于類人機器人上。基于HMCD的仿人機器人的運動規(guī)劃流程如圖2.19所示。圖2.17基于HMCD的仿人機器人的復雜動作設(shè)計流程2.1機器人的移動機構(gòu)（2）基于動力學模型的步態(tài)規(guī)劃

基于動力學模型規(guī)劃方法是根據(jù)機器人的簡化動力學模型直接計算出重心的運動軌跡，然后利用逆運動學方程得到關(guān)節(jié)角的軌跡。其動力學模型有：倒立擺模型、連桿模型。圖2.217連桿的類人機器人模型圖2.20（a）

二維倒立擺模型2.1機器人的移動機構(gòu)（3）基于智能算法的步態(tài)規(guī)劃在類人機器人上使用最多的智能算法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、遺傳算法、強化學習以及它們的結(jié)合構(gòu)成的混合進化算法。（4）被動動力學步態(tài)規(guī)劃被動動態(tài)行走被認為是一種有效并且簡單的行走方法。20世紀初，一種完全被動步行的裝置就已經(jīng)被制造出來。用這種方法設(shè)計的機器人，行走的效率要比當時使用參考軌跡控制方法的機器人的效率高上10倍。2.2機器人的運動控制2.2.1運動控制任務(wù)在二維平面上運動的移動機器人主要有以下3種控制任務(wù)：(1)姿態(tài)穩(wěn)定控制；(2)路徑跟蹤控制；(3)軌跡跟蹤控制。圖2.23智能機器人姿態(tài)穩(wěn)定控制示意圖圖2.24智能機器人路徑跟蹤控制示意圖圖2.25智能機器人軌跡跟蹤控制示意圖2.2.2速度控制為簡化問題的復雜性，通常不對機器人直接進行轉(zhuǎn)矩控制，而將機器人近似看成恒轉(zhuǎn)矩負載，則機器人的速度可以轉(zhuǎn)化為帶負載的直流電機轉(zhuǎn)速控制。機器人速度控制結(jié)構(gòu)如圖2.26所示。圖2.26機器人速度控制結(jié)構(gòu)2.2機器人的運動控制2.2機器人的運動控制2.2.3位置控制機器人位置控制模式框圖如圖2.27所示。期望位置和感知位置之間的位置偏差通過位置控制器和一個位置前饋環(huán)節(jié)轉(zhuǎn)化成速度給定信號，借助于如圖2.27所示結(jié)構(gòu)的速度內(nèi)環(huán)將位置控制問題轉(zhuǎn)化成了電機的轉(zhuǎn)速控制問題，進而實現(xiàn)移動機器人的位置控制。圖2.27機器人位置控制結(jié)構(gòu)2.2機器人的運動控制2.2.4航向角控制航向控制是路徑跟蹤的基礎(chǔ)，其控制結(jié)構(gòu)如圖2.28所示。移動機器人的位置偏差和航向偏差最終都將轉(zhuǎn)化成轉(zhuǎn)速偏差的控制。這就需要根據(jù)機器人的當前狀態(tài)來規(guī)劃航向控制，航向控制借助于兩輪之間的位移差來實現(xiàn)。圖2.28機器人航向控制結(jié)構(gòu)2.3機器人的控制策略2.3.1PID控制器PID控制結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)，并具有較強的魯棒性，被廣泛應(yīng)用于機器人控制及其他各種工業(yè)過程控制中。當被控對象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)不能完全掌握，或得不到精確的數(shù)學模型時，應(yīng)用PID控制技術(shù)最方便，系統(tǒng)控制器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)可以依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定。PID控制的參數(shù)整定是否合適，是其能否在實用中得到好的控制效果的前提。圖2.29PID控制結(jié)構(gòu)2.3機器人的控制策略2.3.2自適應(yīng)控制自從應(yīng)用角度，自適應(yīng)控制大體可以歸納為兩類：模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制。如圖2.30所示，模型參考自適應(yīng)控制的基本思想是在控制器—控制對象組成的閉環(huán)回路外再建立一個由參考模型和自適應(yīng)機構(gòu)組成的附加調(diào)節(jié)回路。參考模型的輸出(狀態(tài))就是系統(tǒng)的理想輸出(狀態(tài))。圖2.30模型參考自適應(yīng)控制結(jié)構(gòu)2.3機器人的控制策略2.3.3變結(jié)構(gòu)控制

變結(jié)構(gòu)控制本質(zhì)上是一類特殊的非線性控制，其非線性表現(xiàn)為控制的不連續(xù)性。如圖2.31所示。這種控制策略與其他控制的不同之處在于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并不固定，而是可以在動態(tài)過程中，根據(jù)系統(tǒng)當時的狀態(tài)(如偏差及各階導數(shù)等)，以躍變的方式、有目的地不斷變化，迫使系統(tǒng)按預定的滑動模態(tài)狀態(tài)軌跡運動。它在非線性控制和數(shù)控機床、機器人等伺服系統(tǒng)以及電動機轉(zhuǎn)速控制等領(lǐng)域中獲得了許多成功的應(yīng)用。圖2.31系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2.3機器人的控制策略2.3.4神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制由于固有的任意非線性函數(shù)逼近優(yōu)勢，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于各種非線性工程領(lǐng)域。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制即是其中一個重要方面，這是由于其非線性映射能力、實時處理能力和容錯能力使然。在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制應(yīng)用領(lǐng)域，目前應(yīng)用得較多的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為多層前向網(wǎng)絡(luò)和徑向基函數(shù)網(wǎng)絡(luò)。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2.32所示。圖2.32BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)2.3機器人的控制策略神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制常用的基本策略如下：1.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對其他控制器進行學習，然后逐漸取代原有控制器的方法，稱為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學習一組含系統(tǒng)操作策略的訓練樣本，即可掌握從傳感器輸入到執(zhí)行器控制行為間的映射關(guān)系。圖2.33神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督控制2.3機器人的控制策略2.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制就是將被控對象的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)逆模型直接與被控對象串聯(lián)起來，以便使期望輸出(即網(wǎng)絡(luò)輸入)與對象實際輸出之間的傳遞函數(shù)等于1，從而在將此網(wǎng)絡(luò)作為前饋控制器后，使被控對象的輸出為期望輸出。圖2.34神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接逆控制3.神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)控制主要是利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為自適應(yīng)控制中的參考模型。從應(yīng)用角度看，自適應(yīng)控制大體上可以歸納成兩類：模型參考自適應(yīng)控制和自校正控制。2.3機器人的控制策略2.3機器人的控制策略1.基本模糊控制圖2.35模糊控制器的基本結(jié)構(gòu)模糊控制的核心部分是模糊控制器，其基本結(jié)構(gòu)如圖2.35所示，主要包括輸入量的模糊化、模糊推理和逆模糊化(或稱模糊判決)三部分。模糊控制器的實現(xiàn)可由模糊控制通用芯片實現(xiàn)，或由計算機(或微處理機)的程序來實現(xiàn)，用計算機實現(xiàn)的具體過程如下。求系統(tǒng)給定值與反饋值的誤差。

計算誤差變化率。輸入量的模糊化。控制規(guī)則。模糊推理。反模糊化。計算機執(zhí)行完1~6步驟后，即完成了對被控對象的一步控制，然后等到下一次A/D采樣，再進行第二步控制。

2.模糊PID控制圖2.36模糊PID的結(jié)構(gòu)原理圖2.3機器人的控制策略

2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)移動機器人的驅(qū)動系統(tǒng)包括執(zhí)行器的驅(qū)動系統(tǒng)和機器人本體的驅(qū)動系統(tǒng)。執(zhí)行器的驅(qū)動系統(tǒng)相當于人的肌肉，它通過移動或轉(zhuǎn)動連桿來控制機器人執(zhí)行機構(gòu)的動作狀態(tài)，以完成不同的任務(wù)。驅(qū)動系統(tǒng)主要采用以下幾種驅(qū)動器：電動機驅(qū)動器（包括伺服電動機、步進電動機、直接驅(qū)動電動機），液壓驅(qū)動器，氣動驅(qū)動器，形狀記憶金屬驅(qū)動器，磁性伸縮驅(qū)動器。其中，電動機驅(qū)動器尤其是伺服電機是最常用的機器人驅(qū)動器。

機器人驅(qū)動系統(tǒng)中的電機不同于一般的電動機，它具有以下特點及要求：(1)可控性。(2)高精度。(3)可靠性。(4)快速性。(5)環(huán)境適應(yīng)性。2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)2.4.1直流伺服電動機從結(jié)構(gòu)上講，目前的直流伺服電動機就是小功率的直流電動機。盡管近年來直流電動機不斷受到交流電動機及其他電動機的挑戰(zhàn)，但是直流有刷電動機的功率密度大，尺寸小，控制相對簡單，不需要交流電，因此目前仍被大量使用于移動機器人等場合。1.特點(1)具有較大的轉(zhuǎn)矩，以克服傳動裝置的摩擦轉(zhuǎn)矩和負載轉(zhuǎn)矩。(2)調(diào)速范圍寬，且運行速度平穩(wěn)。(3)具有快速響應(yīng)能力，可以適應(yīng)復雜的速度變化。(4)電機的負載特性硬，有較大的過載能力，確保運行速度不受負載沖擊的影響。

2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)2.轉(zhuǎn)速控制方法直流有刷電動機的轉(zhuǎn)速與電壓成正比,轉(zhuǎn)矩與電流成正比。對于同一臺直流有刷電動機，電壓、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩這三者之間的關(guān)系如圖2.37所示。可以看到，在相同的電壓下，轉(zhuǎn)速越低，轉(zhuǎn)矩越大；在相同的轉(zhuǎn)矩下，電壓越高，轉(zhuǎn)速越大；在相同的轉(zhuǎn)速下，電壓越高，轉(zhuǎn)矩越大。圖2.37電壓、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩三者關(guān)系2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)3.參數(shù)與選用選用直流電動機時，可根據(jù)上述參數(shù)考慮，需要注意的問題有以下幾個方面。(1)一般考慮工作轉(zhuǎn)矩的大小，良好的轉(zhuǎn)矩意味著加速性能好。(2)盡量確保每個電動機的停轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩>機器人的重量X輪子半徑。(3)工作電流，該值乘以額定電壓就得到電動機運行的平均功率。電動機長時間運轉(zhuǎn)，或在高出額定電壓時運行，應(yīng)給電動機加上散熱槽，避免線圈熔化。(4)電機失效電壓。2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)2.4.2交流伺服電動機交流伺服電動機本質(zhì)上是一種兩相異步電動機。其控制方法主要有3種：幅值控制、相位控制和幅相控制。這種電動機的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、無電刷和換向器；缺點是易產(chǎn)生自轉(zhuǎn)現(xiàn)象，特性非線性且較軟，效率較低。交流電動機，特別是鼠籠式感應(yīng)電動機，轉(zhuǎn)子慣量較直流電動機小，使得動態(tài)響應(yīng)更好。在同樣的體積下，交流電動機的輸出功率可比直流電動機提高10%~70%。此外，交流電動機的容量可比直流電動機造得大，達到更高的電壓和轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)代數(shù)控機床都傾向采用交流伺服驅(qū)動。在工業(yè)領(lǐng)域，交流伺服驅(qū)動已有取代直流伺服驅(qū)動之勢。2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)2.4.3無刷直流電動機無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎(chǔ)上發(fā)展來的，其驅(qū)動電流是不折不扣的交流。無刷直流電動機又可以分為無刷速率電動機和無刷力矩電動機。一般地，無刷電動機的驅(qū)動電流有兩種，一種是梯形波(一般是方波)，另一種是正弦波。有時將前一種電動機叫作直流無刷電動機，后一種叫作交流伺服電動機，確切地講是交流伺服電動機的一種。圖2.39給出了市場上容易買到的、常用于制作機器人的無刷直流電動機。(a)航模用無刷電動機(b)馬克森電機2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)2.4.4直線電動機普通的電動機產(chǎn)生的運動都是旋轉(zhuǎn)。如果需要得到直線運動，就必須通過絲杠螺母機構(gòu)或者齒輪齒條機構(gòu)把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動。這樣顯然增加了復雜性，增加了成本，降低了運動的精度。直線電動機是一種特殊的無刷電動機，可以理解為將無刷電動機沿軸線展開，鋪平；定子上的繞組被平鋪在一條直線上，而永久磁鋼制成的轉(zhuǎn)子放在這些繞組的上方。2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)2.4.5空心杯直流電動機空心杯直流電動機屬于直流永磁電動機，與普通有刷、無刷直流電動機的主要區(qū)別是采用無鐵芯轉(zhuǎn)子，也叫空心杯型轉(zhuǎn)子。該轉(zhuǎn)子是直接采用導線繞制成的，沒有任何其他的結(jié)構(gòu)支撐這些繞線，繞線本身做成杯狀，就構(gòu)成了轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)。空心杯電動機具有以下優(yōu)勢。(1)由于沒有鐵芯，極大地降低了鐵損。(2)激活、制動迅速，響應(yīng)極快。(3)可靠的運行穩(wěn)定性。(4)電磁干擾少。(5)能量密度大。2.4.6步進電機驅(qū)動系統(tǒng)步進電動機是將電脈沖信號變換為相應(yīng)的角位移或直線位移的元件，其角位移和線位移量與脈沖數(shù)成正比。轉(zhuǎn)速或線速度與脈沖頻率成正比。1.特點步進電動機的最大特點就是可以直接接受計算機的方向和速度的控制，控制信號簡單，便于數(shù)字化，而且具有調(diào)速方便、定位準確、抗干擾能力強、誤差不長期累積等優(yōu)點。2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)2.4.7舵機舵機，顧名思義是控制舵面的電動機。舵機最早是作為遙控模型控制舵面、油門等機構(gòu)的動力來源，但是由于舵機具有很多優(yōu)秀的特性，制作機器人時也時常能看到它的應(yīng)用。2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)1.舵機的結(jié)構(gòu)一般來講，舵機主要由以下幾個部分組成，舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計、直流電機、控制電路板等。圖2.40舵機結(jié)構(gòu)圖2.4機器人的驅(qū)動技術(shù)2.舵機的原理舵機的原理跟伺服電機很相似，控制電路板根據(jù)控制信號解釋出目標位置信息，再根據(jù)電位器輸出的電壓值解釋出電機當前的位置，如果兩個位置不一致，則控制電機轉(zhuǎn)動，電機帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤，而舵盤和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計輸出的電壓信號也隨之改變，這樣控制板就知道現(xiàn)在的轉(zhuǎn)角，然后根據(jù)目標位置決定電機的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而達到目標停止。3.舵機的控制給控制引腳提供一定的脈寬（TTL電平，0V/5V），它的輸出軸就會保持在一個相對應(yīng)的角度上。無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應(yīng)位置上。2.5機器人的電源技術(shù)當前任何電池和電動機系統(tǒng)都很難達到內(nèi)燃機的能量密度及續(xù)航時間。通常，一臺長、寬、高尺寸在0.5m左右、重30~50kg的移動機器人，總功耗約為50~200W(用于室外復雜地形的機器人可達到200~400W)，而200Wh(瓦特小時)的電池重量可達3~5kg。因此，在沒有任何電源管理技術(shù)的情況下，要維持機器人連續(xù)3~5h運行，就需要600~1000Wh的電池，重達10~25kg。2.5機器人的電源技術(shù)2.5.1機器人常見電源類型(1)免維護蓄電。(2)鎳鎘/鎳氫動力電池。(3)鋰電子電池。(3)石墨烯電池。(3)刀片電池。2.5機器人的電源技術(shù)2.5.2常見電池特性比較對機器人電源的選用通常有如下考慮：(1)除一些管道機器人、水下機器人外，移動機器人通常不能采取線纜供電的方式，必須采用電池或內(nèi)燃機供電。(2)相對于汽車等應(yīng)用，移動機器人要求電池體積小、重量輕、能量密度大。電池容量決定了機器人的工作時間和續(xù)航能力，電池尺寸和重量一定程度上決定了機器人本體的尺寸和重量。(3)在各種震動、沖擊條件下，移動機器人要求電池應(yīng)接近或者達到汽車電池的安全性、可靠性。2.5機器人的電源技術(shù)表2.4電池參數(shù)內(nèi)容鉛酸蓄電池鎳鎘電池鎳氫電池鋰離子電池鋰聚合物電池石墨烯電池刀片電池能量30-50Wh/kg35-40Wh/kg60-80Wh/kg90-110Wh/kg~130Wh/kg~600Wh/kg60~70kWh/kg密度差差一般較好非常好非常好非常好大電流放電能力非常好非常好較好較好較好較好較好可維護性非常好較好好一般較好較好較好放電曲線性能好好一般非常好較好較好較好循環(huán)壽命400-600次300-500次800-1000次500-600次500-600次1000~1200次超3000次安全性非常好較好較好一般較好較好非常好價格低低較低高高高高記憶效應(yīng)輕微嚴重較輕輕微輕微輕微較輕北京信息科技大學自動化學院“智能檢測技術(shù)與模式識別”研究所問答互動環(huán)節(jié)北京信息科技大學自動化學院智能機器人原理與應(yīng)用“智能檢測技術(shù)與模式識別”研究所北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》第三章

智能機器人的感知系統(tǒng)

智能機器人的感知系統(tǒng)相當于人的五官和神經(jīng)系統(tǒng)，是機器人獲取外部環(huán)境信息及進行內(nèi)部反饋控制的工具。

感知系統(tǒng)將機器人各種內(nèi)部狀態(tài)信息和環(huán)境信息從信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C器人自身或者機器人之間能夠理解和應(yīng)用的數(shù)據(jù)、信息甚至知識，它與機器人控制系統(tǒng)和決策系統(tǒng)組成機器人的核心。環(huán)境感知是智能機器人最基本的一種能力,感知能力的高低決定了一個智能機器人的智能性。機器人感知系統(tǒng)本質(zhì)是一個傳感器系統(tǒng)。機器人感知系統(tǒng)的構(gòu)建包括：系統(tǒng)需求分析、環(huán)境建模、傳感器的選擇等。人、機器人在環(huán)境中的感知行為都可以按照復雜度分為以下幾個等級：(1)

反射式感知；(2)

信息融合感知；(3)

可學習感知；(4)自主認知。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)人類具有5種感覺，即視覺、嗅覺、味覺、聽覺和觸覺。機器人有類似人一樣的感覺系統(tǒng)，Asimo機器人的傳感器分布。機器人則是通過傳感器得到這些信息的，這些信息通過傳感器采集，通過不同的處理方式，可以分成視覺、力覺、觸覺、接近覺等幾個大類。3.1.1

感知系統(tǒng)的組成(1)視覺：獲取信息最直觀的方式，人類75%以上的信息都來自于視覺。視覺一般包括三個過程：圖像獲取、圖像處理和圖像理解。(2)觸覺：觸覺傳感系統(tǒng)不可能實現(xiàn)人體全部的觸覺功能。機器人觸覺的研究集中在擴展機器人能力所必需的觸覺功能上。一般地，把檢測感知和外部直接接觸而產(chǎn)生的接觸、壓力、滑覺的傳感器，稱為機器人觸覺傳感器。(3)聽覺：機器人擁有聽覺，使得機器人能夠與人進行自然的人機對話，使得機器人能夠聽從人的指揮。達到這一目標的決定性技術(shù)是語音技術(shù)，它包括語音識別和合成技術(shù)兩個方面。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3.1.1

感知系統(tǒng)的組成(4)嗅覺：機器人嗅覺系統(tǒng)通常由交叉敏感的化學傳感器陣列和適當?shù)哪Ｊ阶R別算法組成，可用于檢測、分析和鑒別各種氣味。(5)味覺：海洋資源勘探機器人、食品分析機器人、烹調(diào)機器人等需要用味覺傳感器進行液體成分的分析。(6)接近覺：接近覺傳感器介于觸覺傳感器和視覺傳感器之間,不僅可以測量距離和方位,而且可以融合視覺和觸覺傳感器的信息。接近覺傳感器可以輔助視覺系統(tǒng)的功能,判斷對象物體的方位和外形,同時識別其表面形狀。因此,準確抓取部件,對機器人接近覺傳感器的精度要求較高。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)1)內(nèi)傳感器

內(nèi)傳感器通常用來確定機器人在其自身坐標系內(nèi)的姿態(tài)位置,是完成智能機器人運動所必需的傳感器。下表為內(nèi)傳感器按照檢測內(nèi)容的分類。3.1.2

感知系統(tǒng)的分布1．內(nèi)傳感器與外傳感器北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)2)外傳感器

外傳感器用于機器人本身相對其周圍環(huán)境的定位，負責檢測距離、接近程度和接觸程度之類的變量，便于機器人的引導及物體的識別和處理。按照機器人作業(yè)的內(nèi)容，外傳感器通常安裝在機器人的頭部、肩部、腕部、臀部、腿部、足部等。3.1.2

感知系統(tǒng)的分布1．內(nèi)傳感器與外傳感器2．多傳感器信息融合

多傳感器信息融合技術(shù),是通過對這些傳感器及其觀測信息的合理支配和使用,把多個傳感器在時間和空間上的冗余或互補信息依據(jù)某種準則進行組合,以獲取被觀測對象的一致性解釋或描述。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)為獲取較好的感知效果，移動機器人的多傳感器有著不同的分布形式：(1)水平靜態(tài)連接：傳感器分布在同一水平面的裝配方式。一般用于多個同一類型傳感器互相配合使用的場合，傳感器具有零自由度。(2)非水平靜態(tài)連接：傳感器不在同一水平面上分布。多種不同類型、不同特點的傳感器常常采用這種方式，傳感器具有零自由度。3.1.2

感知系統(tǒng)的分布2．多傳感器信息融合(3)水平動態(tài)連接：傳感器分布在同一個水平面,且至少具有一個自由度。一般用于多個同一類型傳感器互相配合的場合。(4)非水平動態(tài)連接：傳感器不在同一水平面分布,且至少具有一個自由度。多種不同類型、不同特點的傳感器常常采用這種方式。(5)動態(tài)與靜態(tài)混合連接：多個傳感器既有靜態(tài)連接又存在動態(tài)連接，是動靜結(jié)合的連接方式。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.1感知系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)3．無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WirelessSensorNetwork，WSN)是由部屬在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳的、自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)顯著地擴展了智能機器人的感知空間,提高了智能機器人的感知能力,為智能機器人的智能開發(fā)、機器人間的合作與協(xié)調(diào),以及機器人應(yīng)用范圍的拓展提供了可能性。另外,由于智能機器人具有機動靈活和自治能力強等優(yōu)點,將其作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點,可以方便地改變無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu),改善網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)性能。因此,無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和機器人技術(shù)相結(jié)合可以有效地改善和提高系統(tǒng)的整體性能,是智能機器人與傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢。3.1.2

感知系統(tǒng)的分布北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量機器人測距系統(tǒng)主要完成如下功能：(1)

實時地檢測自身所處空間的位置，進行自定位；(2)

實時地檢測障礙物的距離和方向，為行動決策提供依據(jù)；(3)

檢測目標姿態(tài)以及進行簡單形體的識別，用于導航及目標跟蹤。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量非接觸測定空間距離的方法大體可以按以下幾種角度進行分類。(1)根據(jù)測量的介質(zhì),可以分為超聲波傳感器和激光或紅外線等光學距離傳感器。(2)根據(jù)測量方式,可以分為主動型(向被測對象物體主動照射超聲波或光線)和被動型(不向?qū)ο笪矬w照射光線,僅依據(jù)發(fā)自對象物體的光線)。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量超聲波是頻率高于20KHz的聲波，它方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能。脈沖回波法通過測量超聲波經(jīng)反射到達接收傳感器的時間和發(fā)射時間之差來實現(xiàn)機器人與障礙物之間的測距，也叫渡越時間法。該方法簡單實用，應(yīng)用廣泛，其原理如下所示：3.2.1

聲吶測距北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量發(fā)射傳感器向空氣中發(fā)射超聲波脈沖，聲波脈沖遇到被測物體反射回來，由接收傳感器檢測回波信號。若測出第一個回波達到的時間與發(fā)射脈沖間的時間差為t，即可算得傳感器與反射點間的距離s，即：脈沖回波方法僅需要一個超聲波換能器來完成發(fā)射和接收功能，但同時收發(fā)的測量方式又導致了“死區(qū)”的存在。因為距離太近，傳感器無法分辨發(fā)射波束與反射波束。通常，脈沖回波模式超聲波測距系統(tǒng)不能測量小于幾個厘米的范圍。3.2.1

聲吶測距北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量

紅外輻射俗稱紅外線，是一種不可見光，其波長范圍大致在0.76~1000μm。工程上把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分，即近紅外、中紅外、遠紅外和極遠紅外。

紅外傳感系統(tǒng)按照功能能夠分成五類：3.2.2紅外測距(1)

輻射計，用于輻射和光譜測量；(2)

搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤；(3)

熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標紅外輻射的分布圖像；(4)

紅外測距和通信系統(tǒng)；(5)

混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量基本原理

紅外傳感器一般采用反射光強法進行測量，即目標物對發(fā)光二極管散射光的反射光強度進行測量。

紅外傳感器包括一個可以發(fā)射紅外光的固態(tài)二極管和一個用作接收器的固態(tài)光敏二極管或三極管。當光強超過一定程度時光敏三極管就會導通，否則截止。發(fā)光二極管和光敏三極管需匯聚在同一面上，這樣反射光才能被接收器看到。3.2.2紅外測距北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量

掃描運動位于由物體到檢測器和由檢測器到激光發(fā)射器兩直線所確定的平面內(nèi)，檢測器聚焦在表面很小的一個區(qū)域內(nèi)。因為光源與基線之間的角度

β

和光源與檢測器之間的基線距離B已知，可根據(jù)幾何關(guān)系求得3.2.3激光掃描測距1）三角法北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量

如圖所示，波長為

λ

的激光束被一分為二。一束（稱為參考光束）經(jīng)過距離

L

到達相位測量裝置，另一束經(jīng)過距離d到達反射表面。反射光束經(jīng)過的總距離為2）相位法3.2.3激光掃描測距北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量

若d=0，此時，d'=L，參考光束和反射光束同時到達相位測量裝置。若d增大，反射光束與參考光束間將產(chǎn)生相位移

若θ=2kπ，k=0,1,···,n,兩個波形將再次對準。因此只根據(jù)測得的相位移無法區(qū)別反射光束與發(fā)射參考光束，因此只有要求θ＜360°，才有唯一解，把d'=L+2d代入上式，可得北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量絕對型編碼器能提供運轉(zhuǎn)角度范圍內(nèi)的絕對位置信息，工作原理如圖所示。3.2.4旋轉(zhuǎn)編碼器

圖中示意了從發(fā)光管經(jīng)過分光濾鏡等光學組件，通過編碼盤的透射光被光學敏感器件檢測到的原理。1．絕對式編碼器北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量

典型的增量式編碼器由一個紅外對射式光電傳感器和一個由遮光線和空隔構(gòu)成的碼盤組成。當碼盤旋轉(zhuǎn)時，遮光線和空隔能阻攔紅外光束或讓其通過。為計算絕對位置，增量型編碼器通常需要集成一個獨立的通道——索引通道，它可以在每次旋轉(zhuǎn)到定義的零點或原點位置時提供一個脈沖。通過計算來自這個原點的脈沖可以計算出絕對位置。3.2.4旋轉(zhuǎn)編碼器2．增量式編碼器北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.2距離/位置測量3.2.5旋轉(zhuǎn)電位計

電位計就是帶中心抽頭的可變電阻。旋轉(zhuǎn)電位計通常具有一個軸，軸旋轉(zhuǎn)的時候電位計的抽頭會在電阻絲上移動。電位計帶有3個端子,兩個是電阻的兩端,電阻值固定;另外一個是抽頭輸出端,其與兩端的電阻值隨著旋轉(zhuǎn)角度的變化而變化。因此可以利用旋轉(zhuǎn)電位計測量轉(zhuǎn)動角度等信息。使用它們作為角位移傳感器的時候要注意兩點：(1)旋轉(zhuǎn)電位計都是采用電阻絲作為傳感元件。屬于接觸式測量，會有磨損，壽命有限，因此不宜用在高速頻繁旋轉(zhuǎn)的場合；(2)由于制造工藝原因，同一型號的多個旋轉(zhuǎn)電位計會有一定誤差。通常這個誤差在5%~10%。因此無法用于高精度的角位移測量。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.3觸覺測量一般認為觸覺包括接觸覺、壓覺、滑覺、力覺四種，狹義的觸覺是指前3種感知接觸的感覺。觸覺傳感器可以具體分為集中式和分布式（或陣列式）。(1)集中式傳感器：集中式傳感器的特點是功能單一，結(jié)構(gòu)簡單。(2)分布式（陣列式）傳感器：分布式傳感器可以檢測分布在面狀物體上的力或位移。由于輸出的是傳感器面上各個點的信息,因此其結(jié)構(gòu)比集中式傳感器更復雜。隨著新型敏感壓阻材料CSA(碳氈)等的出現(xiàn),更高分辨率的觸覺傳感器成為可能。CSA靈敏度高,具有較強的耐過載能力。缺點是有遲滯,線性差。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺測量通常我們將機器人的力傳感器分為三類：(1)裝在關(guān)節(jié)驅(qū)動器上的力傳感器，稱為關(guān)節(jié)力傳感器。用于控制中的力反饋。(2)裝在末端執(zhí)行器和機器人最后一個關(guān)節(jié)之間的力傳感器，稱為腕力傳感器。(3)裝在機器人手爪指關(guān)節(jié)（或手指上）的力傳感器，稱為指力傳感器。力覺傳感器是從應(yīng)變來測量力和力矩的，所以如何設(shè)計和制作應(yīng)變部分的形狀，恰如其分地反映力和力矩的真實情況至關(guān)重要。力傳感器的種類繁多,如電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器等。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺測量1）環(huán)式傳感器圖中所示為美國Draper研究所提出的Waston腕力傳感器環(huán)式豎梁式結(jié)構(gòu)，環(huán)的外側(cè)粘貼測量剪切變形的應(yīng)變片，內(nèi)側(cè)粘貼測量拉伸一壓縮變形的應(yīng)變片。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺測量2）垂直水平梁式傳感器圖中為Dr.R.Seiner公司設(shè)計的垂直水平梁式力覺傳感器。在上下法蘭之間設(shè)計了垂直梁和水平梁，在各個梁上粘貼應(yīng)變片，構(gòu)成力覺傳感器。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺測量3）圓筒式傳感器圖為SRI（StanfordResearchInstitute）研制的六維腕力傳感器，它由一只直徑為75mm的鋁管銑削而成，具有八個窄長的彈性梁，每個梁的頸部只傳遞力，扭矩作用很小。梁的另一頭貼有應(yīng)變片。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.4壓覺測量4）四根梁式傳感器圖為日本大和制衡株式會社林純一研制的腕力傳感器。它是一種整體輪輻式結(jié)構(gòu)，傳感器在十字梁與輪緣聯(lián)結(jié)處有一個柔性環(huán)節(jié)，在四根交叉梁上共貼有32個應(yīng)變片（圖中以小方塊），組成8路全橋輸出。顯然，六維力（力矩）的獲得需要進行解耦運算。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量移動機器人在行進的時候可能會遇到各種地形或者各種障礙。這時即使機器人的驅(qū)動裝置采用閉環(huán)控制，也會由于輪子打滑等原因造成機器人偏離設(shè)定的運動軌跡，并且這種偏移是旋轉(zhuǎn)編碼器無法測量到的。這時就必須依靠電子羅盤或角速率陀螺儀來測量這些偏移，并進行必要的修正，以保證機器人行走的方向不會偏離。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量指南針就是一種機械式磁羅盤。早期的磁羅盤將磁針懸浮于水面或者懸置于空中來獲取航向?，F(xiàn)在的機械式磁羅盤系統(tǒng)將環(huán)形磁鐵或者一對磁棒安裝于云母刻度盤上，并將其懸浮于裝有水與酒精或者甘油混合液的密閉容器中。3.5.1

磁羅盤磁通門羅盤是在磁通門場強計的原理上研制出來的。它除了可應(yīng)用在陸地的各種載體上之外，還廣泛地應(yīng)用在飛行體、艦船和潛水設(shè)備的導航與控制上。其主要優(yōu)點是靈敏度高、可靠性好、體積小和啟動快。1．機械式磁羅盤2．磁通門羅盤磁羅盤是一種基于磁場理論的絕對方位感知傳感器。借助于磁羅盤,機器人可以確定自己相應(yīng)于地磁場方向的偏轉(zhuǎn)角度。常用的磁羅盤包括機械式磁羅盤、磁通門羅盤、霍爾效應(yīng)羅盤、磁阻式羅盤。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量當在矩形霍爾元件中通以如圖中所示的電流

I，并外加磁場

B，磁場方向垂直于霍爾元件所在平面時，霍爾元件中的載流子在洛侖茲力的作用下運動將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，在霍爾元件上下邊緣出現(xiàn)電荷積聚，產(chǎn)生一電場，該電場稱為霍爾電場。達到穩(wěn)態(tài)時霍爾電場和磁場對載流子的作用互相抵消，載流子恢復初始的運動方向，從而使霍爾元件上下邊緣產(chǎn)生電壓差，稱為霍爾電壓。3.5.1

磁羅盤3．霍爾效應(yīng)羅盤北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量霍爾電壓可根據(jù)如公式近似計算

μH——比例常數(shù)，稱為霍爾系數(shù)B——磁場強度；I——電流強度。北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量磁阻式羅盤是利用磁阻元件制作而成的羅盤。磁阻元件可以分為各向異性磁阻元件和巨磁阻元件。這類傳感器利用的是一種鎳鐵合金材料的磁阻效應(yīng)工作的，給鎳鐵合金制成的薄片通上電流，磁場垂直于該薄片的分量將改變薄片的磁極化方向，從而改變薄片的電阻。這種合金電阻的變化就叫做磁阻效應(yīng)，并且這種效應(yīng)直接與電流方向和磁化矢量之間的夾角有關(guān)。這種電阻變化可由惠斯通電橋測得。3.5.1

磁羅盤4．磁阻式羅盤北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量電子羅盤(數(shù)字羅盤、電子指南針、數(shù)字指南針)是測量方位角(航向角)比較經(jīng)濟的一種電子儀器。

(1)雙軸磁傳感器系統(tǒng)：由兩個磁傳感器垂直安裝于同一平面組成，測量時必需持平，適用于手持、低精度設(shè)備。

(2)三軸磁傳感器雙軸傾角傳感器系統(tǒng)：由三個磁傳感器構(gòu)成X、Y、Z軸磁系統(tǒng)，加上雙軸傾角傳感器進行傾斜補償，同時除了測量航向還可以測量系統(tǒng)的俯仰角和橫滾角。(3)

三軸磁傳感器三軸傾角傳感器系統(tǒng)：由三個磁傳感器構(gòu)成X、Y、Z軸磁系統(tǒng)，加上三軸傾角傳感器（加速度傳感器）進行傾斜補償，同時除了測量航向，還可以測量系統(tǒng)的俯仰角和橫滾角。3.5.1

磁羅盤4．電子羅盤系統(tǒng)實例

電子羅盤有以下幾種傳感器組合：北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量

商用的電子羅盤傳感器精度通常為0.5°或者更差。如果機器人的運動距離較長,0.5°的航向偏差可能導致機器人運動的線位移偏離值不可接受。而陀螺儀可以提供極高精度(16位精度,甚至更高)的角速率信息,通過積分運算可以在一定程度上彌補電子羅盤的誤差。角速度陀螺儀就是能夠檢測重力方向或姿態(tài)角變化(角速度)的傳感器,根據(jù)檢測原理可以將其分為陀螺式和垂直振子式等。3.5.2角速度陀螺儀北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量

繞一個支點高速轉(zhuǎn)動的剛體稱為陀螺。在一定的初始條件和一定的外力矩在作用下，陀螺會在不停自轉(zhuǎn)的同時，還繞著另一個固定的轉(zhuǎn)軸不停地旋轉(zhuǎn)，這就是陀螺的旋進，又稱為回轉(zhuǎn)效應(yīng)。陀螺傳感器檢測隨物體轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的角速度它可以用于移動機器人的姿態(tài)，以及轉(zhuǎn)軸不固定的轉(zhuǎn)動物體的角速度檢測。陀螺式傳感器大體上有速率陀螺儀、位移陀螺儀、方向陀螺儀等幾種，在機器人領(lǐng)域中大都使用速率陀螺儀(rategyroscope)。3.5.2角速度陀螺儀1.陀螺式北京信息科技大學自動化學院課程《智能機器人原理與應(yīng)用》3.5姿態(tài)測量

(1)振動陀螺儀：振動陀螺儀是指給振動中的物體施加恒定的轉(zhuǎn)速，利用哥氏力作用于物體的現(xiàn)象來檢測轉(zhuǎn)速的傳感器。

3.5.2角速度陀螺儀1.陀螺式根據(jù)具體的檢測方法，又可以將其分為振動型、光纖型、機械轉(zhuǎn)動型等。

(2)光纖陀螺儀：光纖陀螺儀的工作原理是基于Sagnac效應(yīng)，能夠?qū)崿F(xiàn)高精度姿態(tài)測量。在圖3.24所示的環(huán)狀光通路中，來自光源的光經(jīng)過光束分離器被分成兩束，在同一個環(huán)狀光路中，一