机器人路径规划

冯赟：机器人路径规划方法研究-1-1绪论1.1机器人简介1.1.1什么是机器人机器人一词不仅会在科幻小说、动画片等上看到和听到，有时也会在电视上看到在工厂进行作业的机器人，在实际中也有机会看到机器人的展示。今天，说不定机器人就在我们的身过，但这里我们要讨论的是什么是机器人学研究的机器人。机器人（robot）一词来源下1920年捷克作家卡雷尔.查培克（KapelCapek）所编写的戏剧中的人造劳动者，在那里机器人被描写成像奴隶那样进行劳动的机器。后来作为一种虚构的机械出现在许多作品中，代替人们去完成某些工作。20世纪60年代出现了作为可实用机械的机器人。为了反这种机器人同虚构的机器人及玩具机器人加以区别，称其为工业机器人。工业机器人的兴起促进了大学及研究所开展机器人的研究。随着计算机的普及，又积极地开展了带有智能的机器人的研究。到70年代，机器人作为工程对象已经被确认，机器人一词也受到公认。目前，机器人学的研究对象已不仅仅是工业机器人了。即便是实际存在的机器人，也很难把它定义为机器人，而且其定义也随着时代在变化。这里简单地反具有下述性质的机械看作是机器人：1.代替人进行工作：机器人能像人那样使用工具和机械，因此，数控机床和汽车不是机器人。2.有通有性：既可简单地变换所进行的作为，又能按照工作状况的变化相应地进行工作。一般的玩具机器人不能说有通用性。3.直接对个界作工作：不仅是像计算机那样进行计算，而且能依据计算结果对外界结果对外界产生作用。机器人学把这样定义的机器人作为研究对象。郑州大学电气工程学院毕业设计（论文）-2-1.1.2机器人的分类机器人的分类方法很多，这里我们依据三个有代表性的分类方法列举机器人的种类。首先，由天机器人要代替人进行作业，因此可根据代替人的哪一个器官来分类：操作机器人（手）：利用相当于手臂的机械手、相当于手指的手爪来使物体协作。移动机器人（腿）：虽然已开发出了2足步行和4足步行机器人，但实用的却是用车轮进行移动的机器人。（本文以轮式移动机器人作为研究对象）视觉机器人（眼）：通过外观检查来除掉残次品，观看人的面孔认出是谁。虽然还有使用触觉的机器人，但由于它不是为了操作，所以不能说是触觉机器人。也还有不仅代替单一器官的机器人，例如进行移动操作，或进行视觉和操作的机器人。其次，按机器人的应用来分类：工业机器人：可分为搬送、焊接、装配、喷漆、检查等机器人，主要用于工厂内。极限作业器人：主要用在人们难以进入的核电站、海底、宇宙空间等进行作为的机器人。也包括建筑、农业机器人等。娱乐机器人：有弹奏乐器的机器人、舞蹈机器人、宠物机器人等，具有某种程度的通用性。也有适应环境面改变行动的宠物机器人。最后则是按照基于什么样的信息进行动作来分类：表1基于动作信息的机器人分类机器人的种类特征操纵机器人（operatingrobot）人在一定距离处直接操作机器人时行作业程序机器人（sequencecontrolrobot）机器人按预先给定的程序、条件、位置进行作业示教再现机器人（playbackrobot）由人操作机器人进行示教后，机器人就重复进行这个作业数值控制机器人（numericalcontrolrobot）通过数字和语言给定作为的顺序、条件、位置等信息，机器人依据这一信息进行作业智能机器人（intelligentrobot）机器人依据智能（感觉信息的识别、作业规划、学习等能力）确定作业冯赟：机器人路径规划方法研究-3-本文主要以室内轮式移动机器人作为研究对象，从安照的信处进进行动作上来分类属于程序机器人。1.2移动机器人1.2.1移动机器人的发展概述移动机器人技术自上世纪60年代以来，经历40年的发展已经取得了长足的进步。60年代末期，斯坦福研究院(SRI)的Ni1SNi1SSen和CharleSRosen等人以研究在复杂环境下，应用人工智能技术实现机器人系统的自主推理、规划和控制为目的，在1966年至1972年期间制造出了取名Shakey的自主移动机器人;70年代末，随着计算机的应用和传感技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮;80年代中期，设计和制造机器人的浪潮席卷了全世界;90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术、高适应性的移动机器人控制技术、真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。移动机器人控制技术、真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究。移动机器人按工作环境可分为:室内移动机器人、室外移动机器人和特殊环境下的机器人;按移动方式可分为:轮式移动机器人、步行移动机器人、蛇形机器人、履带式移动机器人、爬行机器人等;按控制体系结构可分为:功能式(水平式)结构机器人、行为式(垂直式)结构机器人和混合式机器人;按功能和用途可分为:医疗机器人、军用机器人、助残机器人、清洁机器人、地下管道检测移动机器人、行星探测机器人等;按作业空间可分为:陆地移动机器人、水下机器人、无人飞机和空间机器人。移动机器人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式、腿式的;对于水下机器人，则是推进器。其次，必需考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为。再次，必需考虑导航或路径规划，对于后者，有更多的方面要考虑，如传感器的融合、特征提取、避碰及环境映射。移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统。对移动机器人的研究，提出了许多新的或挑战性的理论与工程技术课题，引起越来越多的专家学者和工程技术人员的兴趣，更由于它在军事侦察、防核化污染、扫雷排险等危险与恶劣环境以及民用中的物料搬运上具有广阔的应用前景，使得对它的研究在世界各国受到普遍关注。目前，移动机器人特别是自主移动机器人的研究是一个十分活跃、具有广泛应用前景的前沿研究领域。郑州大学电气工程学院毕业设计（论文）-4-1.2.2移动机器人的国外发展概况上世纪80年代开始，美国国防高级研究计划局(DA即A)专门立项，制定了地面天人作战平台的战略计划。从此，室外移动机器人的研究在全世界拉开了序幕，如日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划;DARPA的“战略计算机”计划中的自主地面车辆(ALV)计划;欧洲尤里卡中的机器人计划等。初期的研究，主要从学术角度研究室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。随着技术的进步，移动机器人的研究开始转向实用化，机器人技术被应用到各个领域，如美国NASA研制的火星探测机器人索杰那于1997年登上火星;美国NASA资助研制的“丹蒂H”八足行走机器人;德国研制了一种轮椅机器人，并在乌尔姆市中心车站的客流高峰期的环境和1998年汉诺威工业商品博览会的展览大厅环境中进行了实地现场表演，获得了巨大的成功。机器人正在从工厂的结构化环境进入人们日常的生活环境—医院、办公室、家庭、建筑工地和其它杂乱及不可控环境。机器人不仅要能自主完成工作，而且要能与其他机器人或者与人共同协作完成任务或在人的指导下完成任务。美国DARPA的战术移动机器人计划是从1998年开始的一个为期4年研究计划。该计划研究的是一个多机器人系统，研究分为技术开发和系统设计两个阶段;美国的MDARS项目是在著名的保安机器人ROBART的基础上建立的一个多移动机器人平台，用来在指定地面执行随机巡逻任务;美国的FETCH计划是在BUGS计划的基础上，研究使用一群小的、坚固的自主的移动机器人去清除地表上的未爆炸的M42炮弹。自从1996年成功地举行了第一次世界机器人足球赛以来，一年一度的世界机器人足球赛己经吸引了越来越多的团体参加，极大地推进了多移动机器人技术的研究。1.2.3移动机器人国内研究概况我国己在“七五”计划中把机器人列入国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件的研究了。目前国内研究的几种机器人如下：1．全方位移动地面清扫机器人香港中文大学与清华大学合作，联合研制开发出一种全方位移动清扫机器人。该机器人具有如下特点:(1)采用全方位轮来实现任意方向的移动，使得机器人可执行对狭窄区域的清扫任务。(2)采用开放式机器人控制结构，实现硬件可扩展，软件可移植、可继承，使机器人作为服务载体具有更好的功能适应性。(3)机器人具冯赟：机器人路径规划方法研究-5-有在拥挤环境下的实时避障功能，能适应不断变化的清扫工作环境。(4)具有遥控操作和自主运动两种运行方式。(5)吸尘机构可实现吸尘路径的自动转换，提高了吸尘效率。(6)具有智能电源管理功能，延长了运行时间，提高了对有限的移动动力资源的利用率。2．壁面清洗爬壁机器人目前高层建筑的清洗，都采用吊凳、吊篮的手工清洗作业方式。哈尔滨工业大学机器人研究所研制成功的壁面清洗爬壁机器人，可以实现清洗作业的自动化，解决了人工操作的危险问题，将人从这种重复性的危险劳动中解放出来。壁面清洗爬壁机器人由爬壁机器人本体、清洗机构、控制柜、遥控盒、安全保护装置等部分组成。爬壁机器人采用负压吸附原理，利用吸盘吸附于壁面。采用双轮驱动，可垂直于壁面上下左右移动，带动清洗机构作业。该机器人工作有如下特点:(1)负压吸附，可以适应各种材料的平面或壁面。(2)速度可调，爬行灵活。(3)有线遥控，操作方便，可在地面上观察机器人运行情况下进行远距操作。(4)可安全跨越沟缝，爬壁机器人可安全跨越10一20Inm左右的沟缝。(5)清洗效率高，清洗效果好。3．导游服务机器人海尔一哈尔滨工业大学机器人技术公司推出了DY一型导游服务机器人，该机器人由伺服驱动系统、多传感器信息避障及路径规划系统、语音识别及语音合成系统组成。导游机器人由蓄电池供电，可连续运行4小时，在一定的环境下自主行走，并且能识别出障碍物是人还是路障，做出不同的反应。遇到人时机器人会说:“您好!欢迎您来到机器人世界。”游客通过语音识别系统可以和机器人进行简单的对话，该机器人可应用于科技馆、商店和旅游场所进行导游服务。4．智能移动机器人我国的中科院自动化所研制研发的CASIA-I是集多种传感器、视觉、语音识别与会话功能于一体的智能移动机器人。它的基本结构由传感器、控制器以及运动机构构成，其中传感器由以下几个部分组成:位于机器人底层的16个触觉红外传感器，位于机器人中间两层的16个超声波传感器和16个红外传感器，以及位于机器人顶部的摄像机(CCD)。这些传感器和CCD一起构成了CASIA-I的多传感器系统。CASIA-I身高80cm，直径45cm，运行最大速度为80cm/s。它可广泛应用于医院、办公室、图书馆、科技馆、展览馆等公共场合的服务、作业、展示与娱乐等，以及个人家庭服务。1.3移动机器人的主要研究方面移动机器人的智能指标为适应性、自主性和交互性。适应性是指机器人具有适应复杂工作环境的能力，不但能识别和测量周围的物体，还有理解周围环境和郑州大学电气工程学院毕业设计（论文）-6-所要执行任务的能力，并做出正确的判断及操作和移动等能力;自主性是指机器人能根据工作任务和周围环境情况，确定工作步骤和工作方式;交互性是智能产生的基础，交互包括机器人与环境、机器人与人以及机器人之间三种，主要涉及信息的获取、处理和理解。基于以上智能指标，移动机器人技术的主要研究内容包括如下几项。1.3.1导航与定位导航与定位是移动机器人研究的两个重要问题。根据环境信息的完整程度、导航指示信号类型、导航地域等因素的不同，移动机器人的导航方式可分为:基于环境信息的地图模型匹配导航;基于路标导航;基于视觉导航;基于传感器导航等。环境地图模型匹配导航是在机器人内部存储关于环境的完整信息，并在预先规划出的一条全局路线的基础上，采用路径跟踪和避障技术，实现机器人导航;当机器人对周围环境并不完全了解时，则可采用基于路标的导航策略，也就是将环境中具有明显特征的景物存储在机器人内部，机器人通过对路标的探测来确定自己的位置，并将全局路线分解成路标与路标之间的片断，再通过一连串的路标探测和路标制导来完成导航任务;在环境信息完全未知的情况下，可通过传感器对周围环境的探测来实现机器人导航。作为移动机器人