（机械设计及理论专业论文）投球机器人的计算机控制.pdf

北京邮电大学硕士研究生学位论文授球机器人的计算机控制 投球机器人的计算机控制 摘要 机器人技术一直是人们最关注的科学研究领域之一。机器人学集力学、机械 工程学、电子学、计算机科学和自动控制为一体，是一门综合性学科。一个完整 的机器人系统是由机器人本体、控制器和软件以及传感器系统三大部分构成。 论文的项目来源是2 0 0 3 年机器人大赛“太空征服者”投球机器人的设计和 制作。本文按照机器人系统的各组成部分分别介绍了基于比赛目的的机器人的总 体机构、控制系统和视觉模块。重点介绍了机器人的控制系统、视觉模块以及路 径识别算法的设计。 计算机控制系统是机器人的核心部分，它决定着控制性能的优劣。机器人的 控制系统由c p u 核心处理单元以及执行单元构成，控制系统的一个主要功能是 实现对步进电机的驱动以完成机器人的运行。控制系统的另一个主要功能是接受 视觉模块返回的数据并根据这些数据调整电机的转速、方向来实现机器人沿正确 方向行走。 机器人的视觉模块由c c d 图像传感器、光学系统、计算机数据采集和处理 系统构成。本文主要简要介绍c c d 的工作原理，详细介绍了c c d 的驱动方法和 c c d 输出信号的处理方法，提出了我们自己设计的一种时序脉冲，修正了原来 资料上的错误。 基于视觉的路径跟踪技术是一个新的研究领域，本文提出一种简单有效的路 径识别算法，重点描述了路径识别的算法流程。 最后，本文指出了一些不足之处，并提出了一些研究方向和改进意见c 关键词：机器人计算机控制视觉系统线阵c c d 路径识别 堕型! 鱼盔芏塑主堑塞圭堂堡垒叁垄! 丝墨垒丝芏塑垄型 c o m p u t e r c o n t r o lo f t h r o w i n g - b a l lr o b o t a b s t r a e t r o b o t i c si so n eo ft h em o s t b e i n gi n t e r e s t e ds c i e n c ea n dr e s e a r c hf i e l d s i ti s a l l a l l - a r o u n db r a n c ho f k n o w l e d g ea n dc o n n e c t sw i t hm e c h a n i c s ，e l e c t r o n i c s ，c o m p u t e r s c i e n c e sa n da u t o m a t i o nc o n t r 0 1 aw h o l er o b o ts y s t e mi sc o n s i s t e dw i t hr o b o t ， c o n t r o l l e r & s o f t w a r ea n ds e n s o r ss y s t e m t h ep a p e ri n t r o d u c e st h et h r e ep a r t so ft h er o b o ts y s t e ms u c ha st h er o b o t ， c o n t r o l l e r & s o f t w a r ea n ds e n s o r ss y s t e m i tf o c u s e so nt h el a s tt w o p a r t s t h ec o n t r o l s y s t e m i st h ec o r e p a r t o fr o b o t i tc a nd e c i d ew h e t h e rt h e p e r f o r m a n c e o fc o n t r o l l e ri sg o o da n de f f i c i e n t t h ec o n t r o ls y s t e mi sc o n s i s t e dw i t h c p u - - t h ec o r ec o n t r o lu n i t ，p e r f o r m a n c eu n i t w ec h o s ef i n a l l yt h ec 8 0 5 1 f 0 2 0 s i n g l ec h i pm i c r o c o p yp r o d u c e db yc y g n a l ，u sa st h ec o r ec o n t r o lu n i t o n eo f t h ef u n c t i o n so ft h ec o r ec o n t r o ls y s t e mi st od r i v er o b o t , a n dt h eo t h e ri st or e c e i v e t h ed a t ac o m eb a c kf r o mc c da n dt oa d j u s tt h ed i r e c t i o no f t h er o b o t t h ev i s i o nm o d u l ei sc o n s i s t e dw i t hc c d ，o p t i c ss y s t e m ，d a t ac o l l e c t i n gs y s t e m a n d p r o c e s s i n gs y s t e m t h ep a p e ri n t r o d u c e s t h ep r i n c i p i t n no f c c d ，d r i v i n gm e t h o d s a n do u t p u ts i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d a tl a s t ，t h ep a p e r p o i n to u ts o m e d e f i c i e n c i e sa n dg i v es o m ea d v i c e k e yw o r d ：r o b o t ，c o m p u t e rc o n t r o l ，v i s i o ns y s t e m ，c c d i i 独创性( 或创新性) 声明 誓s 8 9 5 6 6 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电 大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对 本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名；燮 日期：塑! 生兰：z 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定， 即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论 文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用 影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后 遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保 密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书e 本人签名： 导师签名 璺垒垂 筮丛堡 日期：! ! ! 兰：12 日期；竺竺：! ：! 北京邮电大学硕士研究生学位论文 投球祝器人的骨算杌控制 第一章绪言 本章首先介绍机器人技术的历史背景以及目前的发展情况。然后介绍了亚广 联机器人大赛的发展历程及意义。最后提出了课题研究的主要内容及技术难点。 1 1 课题的研究背景和意义 机器人是近年来迅速发展的一个重要的高技术领域。机器人技术涉及到精密 机械、机构运动学、动力学、控制工程、计算机科学、传感器技术、信息处理、 仿生学、人工智能等各个学科领域。机器人的出现及发展，已经使传统工业生产 的面貌发生了根本性的变化，使人类的生产方式从手工作业、机械化、自动化跨 入了智能化的新时代。 机器人并不是简单意义上的代替人的劳动，而是综合了人的特长和机器特长 的一种拟人的电子机械装置，既有入对环境状态的快速反应和分析判断能力，又 有机器可以长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它 也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设备，也 是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备。 移动机器是机器人学中的一个重要分支。它的研究始于六十年代，以斯坦福 研究所的自主移动机器人s h a k e y 为标志，其主要目标是在复杂环境下机器人 系统的实时控制问题，涉及任务规划、运动规划与导航、目标识别与定位、机器 视觉、多种传感器信息处理与融合以及系统集成等关键技术。不同于传统的机器 人手臂，移动机器人具有特殊的机构模型和应用性，是一个集环境感知、动态决 策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。 1 1 1 机器人的发展概况 第一代遥控机械手1 9 4 8 年诞生于美国的阿贡实验室，当时用来对放射性材 北京邮电大学硕士研究生学位论文 投球机器人的计算机控翻 料进行远距离操作，以保护原子能工作者免受放射线照射。第一台工业机器人诞 生于1 9 5 6 年，是英格尔伯格将数字控制技术与机械臂相结合的产物。当时，主 要是为了克服串联机构累积的系统误差，以便达到较高的空间定位精度，提出了 示教再现的编程方式，从而使重复定位精度差不多比绝对定位精度高了一个数量 级。至今绝大多数工业机器人仍采用这种编程方式。第一台工业机器人的商用产 品诞生于1 9 6 2 年。当时，其作业仅限于上料、下料。 1 9 6 8 年，日本川崎重工引进美国u n i m a t i o n 公司的u m m a t e 机器人制造技 术，开始了日本机器人的时代。经过近十年的努力，开发了点焊、弧焊及各种上 下料作业的简易经济型机器人，成功的把机器人应用到汽车工业、铸造工业、机 械制造业等。从而大大的提高了产品的一致性及质量，形成了一定规模的机器人 产业。 2 0 世纪7 0 年代，出现了更多的机器人商品，并在工业发达国家的工业生产 中逐步推广应用。1 9 7 9 年u n i m a f i o n 公司推出了p u m a 系列工业机器人，它的 关节由电动机驱动，可配置视觉、触觉、力觉传感器，是技术较为先进的机器人。 到1 9 8 0 年，全世界有2 万余台机器人在工业中应用。 2 0 世纪8 0 年代工业机器人产业得到了巨大的发展，但是所开发的四大类机 器人( 点焊、弧焊、喷涂、上下料) 主要用于汽车工业。工业国家的机器人产值， 以年均2 0 一4 0 的增长率上升。1 9 8 4 年全世界机器人使用总台数为8 万台，到 1 9 8 5 年底，己达到1 4 万台，到1 9 9 0 年已有3 0 万台左右，其中高性能机器人所 占比例不断增加，特别是各种装配机器人的产量增加较快，和机器人配套使用的 机器视觉技术和装备也得到迅速发展。1 9 8 5 年，f a n u c 和g m f 公司又先后推 出了交流伺服驱动的工业机器人产品。随着以提高质量为目的的装配机器人以及 柔性装配线的开发成功，1 9 8 9 年机器人产业首先在日本，之后在各主要工业国 呈发展趋势。进入2 0 世纪9 0 年代后，装配机器人以及柔性装配技术将进入大发 展时期。 日本一直拥有全世界机器人总数的6 0 左右。到1 9 9 8 年，美国拥有的机器 人8 万台，德国为7 万台，分别占世界机器人总数的1 5 矛n1 3 左右。到2 0 0 0 年，服役的机器人总数约为1 0 0 万台。 北京邮电大学硕士研究生学位论文授璩机器人的计算机控制 我国机器人技术起步于7 0 年代末，但机器人技术的发展已引起我国科技界 的高度重视。在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，目前己基本 掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和 轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、 搬运等机器人。但总的来看，我国的机器人技术及其应应用的水平和国外相比还 有一定的距离。主要表现在以下一些方面：可靠性相对较低；机器人应用工程起 步较晚，应用领域窄等。 我国的智能机器人和特种机器人在“8 6 3 ”计划的支持下，也取得了不少成 果。其中最为突出的是水下机器人技术居世界领先水平，还开发出直接遥控机器 人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等，在机器人视觉、力觉、 触觉、声觉等基础技术的开发应用上开展了不少工作，有了一定的发展基础。 机器人大都工作于结构环境中，即工作任务、完成工作的步骤、工件存放的 位置、工作对象等都是事先己知的，而且定位精度也是完全确定的，所以机器人 完全可以按事先示教编好的程序重复不断的工作。当自动化进一步向建筑、采掘、 运输等行业扩展时，其环境则是非结构化的，不能事先确定，或者至少不能完全 确定，总任务虽可事先确定，但是如何去完成，要根据当时的实际情况来确定于 制定。因此，研究具有感知、思维，能在非结构环境中自主式工作的机器人就成 了机器人学研究的长远目标。实践证明，要达到这一目标，还需经过长时期的努 力，等待一些重要技术有所突破，特别是机器视觉、环境建模、问题求解、规划 等智能问题上来，即把以多传感器为基础的计算机辅助遥控加上局部自治作为发 展非结构环境机器人的主要方向，而把智能自治机器人作为一个更长远的科学问 题去探索。 1 1 2 机器人的结构 机器人系统是由机器人和作业对象及环境构成。机器人由机器人本体、控制 器和软件三大部分构成。为了获取作业对象及环境信息还需要传感器系统。机器 人系统的结构如图1 1 所示。 北京邮电大学硕士研究生学位论文投臻机器人的计算机控翩 图1 - 1 机器人系统结构图 机器人本体由机械手( m a n i p u l a t o r ) 和移动机构( m o b i l em e c h a n i s m ) 两部 分组成，单独存在的机械手或移动机构也可成为机器人。机械手是由手臂( a r m ) 和末端执行器( e n de f f e c t o r ) 组成。手臂通过关节的运动是末端执行器进行预定 的运动或达到预定的位置。末端执行器直接作用于任务的对象，它是手部 ( h a n d ) 、抓持机构( g a s p i n g ) 、手爪( g r i p p e r ) 以及固定于手臂末端的工具的 总称。机器人的移动机构有轮式、足式以及特殊机构等各种类型。 现在，几乎所有的机器人都采用微型计算机进行控制。从机器人控制角度要 求微型计算机具有数据处理能力强、灵活可靠、易于配景、价格低廉、体积小等 特性。随着微电子技术的发展，微机性能不断提高，为实现机器人复杂的控制奠 定了物质基础。 为了实现对机器人的控制，除了具有强有力的计算机硬件系统支持外，还必 须有相应的系统软件。通过系统软件的支持，可以方便的给计算机编写控制程序， 让机器人完成某一个具体的任务。系统软件通过机器人语言把人与机器人联系起 来。机器人语言可以是编制控制程序的语言，也可以以声音的形式进行人机交互。 驱动器用于驱动机构本体各关节的运动功率。目前驱动方式主要有气动、液 动和电机驱动三种。气动驱动具有成本低、控制简单的特点，但是噪声大，输出 小，难以准确控制位置和速度。液压驱动具有输出功率大、低速平稳、防爆等特 点，但是需要液压动力源。漏油及油性变化将影响系统特性，各轴耦合较强，成 本较高。采用电机驱动具有使用方便、易于控制的特点。 机器人传感器按功能可以分为内部状态和外部状态传感器两大类。内部传感 罕_ 一软言 一 一 一统语 一 一 r 卜 一器及 一 一机件 北京邮电大学硕士研究生学位论文授臻机器人的计算机控觑 器用于检测各关节的位置、速度等变量，为闭环控制提供反馈信息。外部传感器 用于检测机器人与周围环境之间的一些状态变量，如距离、接近程度和接触情况 等，用于机器人引导和物体识别及处理。使用外部传感器可以使机器人以灵活的 方式对它所处的环境做出反应，赋予机器人以一定的智能。常用的外部传感器有 视觉、接近觉、触觉、力功矩传感器等。 1 1 3 机器人的路径跟踪技术 机器人在进行路径跟踪时，由装载在机器人上的传感器采集外部环境信息， 然后对其进行加工处理，输出控制信息，控制机器人的下一步动作。其过程如图 1 2 ： ( 5 )( 4 ) 图1 2 路径跟踪的控制信息 ( 1 1 外部环境信息 f 2 ) 预处理后的信息 f 3 1 控制机器人的动作 ( 4 ) 反馈信息 ( 5 ) 控制传感器的位姿信息 传感器的主要目的就是使机器人能够感知外部的环境信息，依次获得关于路 径的信息，信息处理单元对这些信息进行加工处理，对外部环境信息做出判断处 理，并输出控制信息对枫器人的动作和传感器的姿态进行控制，同时还反馈一部 分信息到信息处理单元。 机器人有多种路径跟踪技术，根据环境信息的完整程度、路径跟踪指示信号 类型、路径跟踪地域等因素不同，主要有基于地图路径跟踪、基于路标路径跟踪、 基于视觉路径跟踪、基于感知路径跟踪等。 北京邮电大学硕士研究生学位论文授珠祝毒 人彩才雾杠拦制 视觉路径跟踪通过视觉传感器获得环境信息，然后将其输入到计算机中进行 加工处理，输出控制信息，控制机器人下一步动作。视觉系统在路径跟踪过程中 主要起到环境探测和辨识的作用，环境的探测包括障碍探测和路标探测，而辨识 主要是路标的识别。 视觉路径跟踪的优点在于探测的范围广，能够得到完整的环境信息。缺点是 难以区分将要探测的目标和背景，为了将道路信息与背景分开，所需的图像计算 量很大，导致系统实时性差，可采用一些特殊的图像处理方法从图像中提取道路 信息，其中包括i 使用h o u g h 变换从图像中提取直线形式的道路边界，并将探 测到的道路信息和机器人内部存储的地图，修正偏差，实现路径跟踪；也可事先 把图像信息分解为不同的形式，如可将道路信息分为分叉和不分叉，针对不同的 道路有不同的处理方法，这样采集到的道路信息后，首先分辨出是分叉还是不分 叉，然后进行处理，从而避免无用信息的运算。在室内环境中，可采用h o u g h 变换从图像中提取墙壁等直线信息，然后通过多个墙壁的距离来定位、导航；对 于室外，由于很难用墙壁信息进行路径跟踪，这就有必要进行专用路标的设置， 或是选用树木之类变化不大的景物作为路标，结合c c d 摄像头来探测路标，以 确定机器人的位置，实现路径跟踪。 。 感知路径跟踪主要是利用红外线和超声波传感器探测路标位置，通过得到路 标相对机器人的位置，经计算机处理得到当前机器人的准确位置，规划出机器人 到达目标的路径，控制机器人的下一动作，从而实现路径跟踪。由于单一传感器 有效探测范围小、数据可靠性低等缺点，在实际应用中往往使用多传感器融合技 术对检测数据进行分析、综合和平衡，利用数据间的冗余性和互补性进行容错处 理，以求得到所需的环境特性。但采用传感器融合技术，如不作出一定的限制， 将会大大增加机器人的计算工作量，降低实时性。在具体问题中，往往不是对所 有的传感器信息加以融合，而是采用传感器分组方法，针对不同的行动或不同的 组，以减少融合过程中的计算量。 基于地图的路径跟踪是在机器人的内部存有关于环境的完整信息，并在预先 规划的一条全局路线的基础上，采用路径跟踪和避障技术，实现机器人路径跟踪； 当机器人对周围环境并不十分了解时，则可采用基于路标的路径跟踪策略，也就 北京邮电大学硕士研究生学位论文 投球辊器人的计算杌控翱 是将环境中具有明显特征的景物存在机器人内部，机器人通过对路标的探测来确 定自己的位置，并将全局路线加以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路径跟踪任务；在环境信息完全未知的情况下，可 通过摄像机或传感器对周围环境的探测来实现机器人的路径跟踪；在相对规整的 环境中，还可通过在路面或路边划出一条明显的路径标志线，当机器人在行走的 过程中不断地对标志线进行探测并调整行进路线与标志线的偏差，当遇到障碍或 是停下等待，或是绕走避开，避障后再根据标志线的指引回到原来的路线上去， 最终在标志线的指引下完成跟踪任务。 1 2课题的提出 论文的项目来源是2 0 0 3 年机器人大赛“太空征服者”投篮机器人的设计和 制作。这次机器人大赛是第二届“亚广联亚太地区机器人大赛”中国地区比赛。 “亚广联亚太地区机器人大赛”是由亚广联节目部发起倡导的，并于1 9 9 9 年 在亚广联年会上正式通过了该项目的提案。该项目规模较大，其宗旨是致力于培 养各国青少年对于开发、研制高科技的兴趣与爱好，提高各参与国的科技水平， 为机器人工业的发展发掘培养后备人才。各个亚广联成员机构都有权参加该项目 的比赛，但参赛对象只限于各国的大学或工科院校的学生。 此活动的前身是日本广播协会的机器人比赛，该项赛事从1 9 8 8 年开始，于 1 9 8 9 年成为日本n h k 每年的赛事，命名为“全日本机器人大赛”。1 9 9 0 年第一次 邀请除日本之外的国外代表队参赛，成为一项国际性比赛，历时十年。中国清华 大学、北京航空航天大学和上海交通大学都曾参加过该项赛事，其中清华大学曾 于1 9 9 8 年获得第三名的好成绩。 2 0 0 0 年3 月“亚广联亚太地区机器人大赛”第一次筹备会议在日本举行，在此 次会议上成立了“亚广联亚太地区机器人大赛”筹备委员会，并选举了六个常任理 事机构( 中国c c t v 、日本n h k 、韩国k b s 、新加坡t c s 、泰国、印尼) ，该筹 备委员会的秘书处设在日本n h k 的总部。 北京邮电大学硕士研究生学位论文投球机器人的计箕机控翱 同年9 月份，六个常任理事机构的代表在泰国举行了第一届“亚广联亚太地 区机器人大赛”董事会，在此之前成立的筹备委员会正式过渡为“亚广联亚太地区 机器人大赛”董事会。会议上确定了“亚广联亚太地区机器人大赛”的章程、规则 以及赞助方式等。 2 0 0 1 年2 月份，在马来西亚召开了第一届“亚广联亚太地区机器人大赛，的预 备会议。会议上与会代表详细讨论了第一届大赛的各项具体事宜以及资金等问 题。 2 0 0 1 年9 月，第一届“亚广联亚太地区机器人大赛”制片人会议在马来西亚举 行，主要讨论了各个参赛机构联合制作电视专题片等问题。 2 0 0 2 年6 月，由中央电视台主办的“首届全国大学生机器人电视大赛”在北京 隆重举行，来自全国各地2 7 所院校的3 2 支代表队参赛，经过激烈的争夺最后中 国科技大学代表队胜出，代表中国参加第一届亚太地区机器人大赛的总决赛。 2 0 0 2 年8 月3 1 日，由亚广联主办，日本n h k 承办的第一届亚太地区机器 人大赛的总决赛在日本东京成功落下了帷幕。参加此次比赛的有来自包括中国科 技大学和澳门大学在内的1 9 个国家和地区2 0 支代表队，各个参赛队均来自甄太 地区的著名大学，竞相参与题为“攀登富士山顶”的角逐。中国科技大学在比赛中 获得亚军，取得了我国参加同类比赛的最好成绩。澳门代表队也进入了前八强。 在这次比赛中，中国科技大学代表队设计的机器人在技术上引起广泛关注，六个 机器人均有视觉和触觉，速度快，抗干扰能力强，定位准确，反映了中国在机器 人技术方面已经具有国际先进水平，获得了本届大赛的“最佳技术奖”。 本届机器人大赛的主题是自行设计和制作机器人使之适合如下的比赛主题： 将球射入9 个篮筐内，每一个篮筐包含3 个排列成三角形的网袋，按照得分 情况判定比赛的输赢。如一个参赛队将球射入包括中心篮筐3 个网袋在内的所有 篮筐，或者它的得分比对手高时，该队将被视为获胜。每场比赛的时间为3 分钟。 1 3课题的研究内容 本课题研究的主要内容有以下几点 北京邮电大学硕士研究生学位论文投球机器人的计算机控翻 1 机器人的机构设计 根据上一届机器人大赛的经验以及本次机器人大赛的比赛规则，机器人的设 计要求机构简单巧妙，这样可以降低机器人控制系统的复杂度，同时也降低了机 器人在运行时出现故障的概率，从而提高可靠性。 2 ，机器人控制系统的设计 计算机控制系统是机器人的核心部分。它决定着控制性能的优劣，也决定着 机器入使用的灵活程度。控制系统的设计内容包括执行元件的驱动、c p u 硬件 电路的设计、以及对视觉模块反馈信息的处理。 3 路径识别算法 寻线机器人是一个基于视觉的智能机器人，当c p u 核心控制单元接收到 c c d 传递的数据并正确的判断机器人的位置后，还需要迅速调整两个行走电机 的转速，使机器人尽快回到正确的轨迹上来。c p u 核心控制单元进行调整的依 据就是路径识别算法。 4 线阵c c d 的运用 跟传统的光电管检测和红外收发检测系统相比，由c c d 图像传感器、光学 。 系统、计算机数据采集和处理系统构成的c c d 光电检测系统，识别范围大，分 辨率高，灵敏度高，像素位置信息强，结构紧凑，误差小。 在应用c c d 传感器时要解决的两个主要问题是c c d 驱动时序的产生和 c c d 输出信号的采集。 5 编制系统软件 为了实现对机器人的控制，除了具有强有力的计算机硬件系统支持外，还必 须有相应的系统软件。通过系统软件的支持，可以方便的给计算机编写控制程序， 让机器人完成莱一个具体的任务。 1 4小结 本文系统的描述了投球机器人的机构设计、控制系统设计和视觉模块设计 最后提出了一种简单有效的路径识别算法。内容安排如下： 北京邮电大学硕士研究生学位论文投球机器人的计箕机控艄 第一章绪言首先介绍了国内外机器人的发展状况，然后根据机器人系统的结 构组成分析了组成机器人系统的机器人本体( 机构) 、控制系统和反馈模块，同 时，介绍了常用的路径跟踪技术，并分析了它们的优缺点。最后介绍了课题的来 源和本文的主要研究内容。 第二章介绍了机器人比赛的规则要求。根据比赛要求设计了给予比赛目的的 机器人，描述了机器人的整体机构设计以及一些改进意见。 第三章主要介绍了作为机器人核心的控制系统。控制系统一般由核心控制单 元、执行单元及其驱动器、传感器反馈模块组成。详细介绍了步进电机及其驱动 器的控制设计方案以及核心控制单元的设计。 第四章主要式介绍机器人的视觉反馈模块c c d 的设计应用。首先简要介绍 了c c d 的基本工作原理，然后根据c c d 视觉反馈模块的各个子模块，分别介绍 了光学系统、c c d 器件的选择，详细介绍了c c d 的驱动方法和c c d 输出信号 的处理方法。 第五章首先简要介绍了机器人路径规划问题，然后建立了机器人的运动学模 型，介绍了常用的移动机器人的路径规划算法，最后提出了一种针对已知路径的 简单有效的路径识别算法。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 投球机器人的计算机控制 第二章总体结构设计 本章首先介绍了机器人大赛的详细的比赛规则。在吸取了上届机器人大赛 的经验教训的基础上，针对相应的比赛规则，分析了我们应该采取的策略。然后 简要介绍了机器人的机构设计并提出了些改进意见。 2 1 1 比赛规则及场地 2 1总体方案概述 本届机器人大赛的目的是自行设计和制作机器人使之适合如下的比赛主题： 将球射入9 个篮筐内，每一个篮筐包含3 个排列成三角形的网袋，按照得分情况 判定比赛的输赢。如一个参赛队将球射入包括中心篮筐3 个网袋在内的所有篮 筐，或者它的得分比对手高时，该队将被视为获胜。每场比赛的时间为3 分钟。 比赛场地由直径8 米的自动机器人区和直径1 4 米的外环手动机器人区组成。 两个参赛队队分别有一个1 2 m 1 2 m 自动机器人出发区和一个1 2 m 1 2 m 手动 机器入出发区，同时还各有一个球库，均提供1 6 个球，排列方式为4 x 4 矩阵。 比赛开始时双方的手动机器人需要到各自的球库捡球，并且只能在手动区完成投 球动作，在空间上手动机器人不得进入自动区。自动机器人可以在比赛开始前携 带赛球，允许携带球的总数不得超过2 0 个。所有机器人的总重不得超过5 0 k g 。 9 个篮筐的位置分布如下：中心篮筐位于场地的圆心，高3 米；内圈4 个篮 筐高2 米，均匀分布在直径3 米的圆上；外圈4 个篮筐高1 5 米，均匀分布在直 径6 米的圆上。在各篮筐正下方的场地上固定有直径1 0 0 m m 、高l o m m 的白色 圆盘，用以标示篮筐的位置。每个篮筐是由3 个排列成三角形的网袋( 每个网袋 直径4 5 0 m m ) 组成。 在自动区地板上，标有两条宽3 0 r a m 、直径分别为3 m 和6 m 的白色圆形导 北京邮电大学硕士研究生学位论文 荔翰机器人彩矽第托拦制 引线和8 条宽3 0 姗、成对角线分布的白色直线导引线。 场地的布局如下图。 场地布局 图2 1比赛场地投影罄 比赛时，球入袋计分，而且每个网袋只有一球计分。如果两队的球都入袋， 则两队都计分。每个网袋的分数如下：中心篮筐5 分；内圈篮筐2 分；外圈篮筐 1 分。当一个队投入了所有篮筐并且中心篮筐的三个网袋中时，该队将被视为“征 服了太空，而获胜。若比赛时间到，而两队都未能“征服了太空”，则按各队的 累积分数评出胜负。 2 1 2 策略与方案 根据上一届机器人大赛的经验，机器人的设计要求机构简单巧妙，这样可以 降低机器人控制系统的复杂度，同时也降低了机器人在运行时出现故障的概率， 从丽提高可靠性。 机器人的数量也是一个考虑的因素。在上一届的比赛中，各队在机器人的数 北京邮电大学硕士研究生学位论文 投球机器人的静雾瓤控制 量上差别也很大。一般来说，手动机器人均为一个，自动机器人由一个到多个不 等。如果采用一个自动机器人，那么该机器人必须具备投所有篮筐的功能，它的 机构相对来说比较复杂，最大的弱点是，一旦出现因为受到干扰而无法准确定位 或者是部分机构被阻挡的情况，机器人可能会一个任务也完成不了，造成全局失 败。但是采用一个自动机器人，其自身重量相对较大，如果发生机器人相撞的情 况，不易被撞倒或是被推离正确路径。如果采用多个机器人，每个机器人都有各 自的目标，其功能结构相对简单灵巧，可以快速启动，迅速到达目的地，特别有 利于抢占中心点。同时，采用多个机器人，顺利进球的概率加大，即使有部分机 器人出现故障或是被阻挡，仍有其他机器人可以继续工作。但是，机器人数量增 加，是以牺牲单个机器人重量为代价，在赛场上容易与对方机器人相撞而导致损 坏。 再考虑比赛规则，中心篮筐分值最高，且与内、外圈篮筐分值相差较大，若 要在分数上取得优势，必须快速抢占中心篮筐并阻碍对方进球。这个是得分的关 键。考虑到我们的对手也会出于同样的考虑，抢占中心的机器人很容易发生相撞， 这时内圈篮筐就成为得分的保障。而外圈篮筐高度仅1 5 米，与自动、手动机器 人区边界也只隔一米，完全可以由手动机器人来完成。同时，在场地中间的自动 机器人发生意外而不能继续工作的情况下，手动机器人可以远距离投射，争取得 分。 综合考虑各种因素，本次机器人大赛采用一个手动机器人和两个自动机器人 的方案。其中，手动机器人主要投射外圈四个篮筐，个自动机器人( 中心机器 人) 用于快速寻找中心篮筐并完成投篮任务，另个自动机器人( 寻线机器人) 用于寻线并完成内圈四个篮筐的投篮任务。 排 机器人的行走路线如下图两条带箭头的黑线所示。自动机器人位于出发区前 寻线机器人位于后排。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 授珠机器人的计算机控制 ： | i i f f | 图2 2 机器人行走路线图 中心机器人设计为按照程序快速沿直线抢占场地中心点，完成投篮动作并占 据中心点阻碍对方机器人投球。其主要特点是结构简单，行走速度快并且能及时 制动。 寻线机器人设计为基于视觉的智能机器人系统。除了机械部分外它还包括视 觉部分和控制板。具有速度控制，位置控制，自动投篮等功能。c p u 通过预定 程序和视觉系统返回的数据进行决策，然后发出命令给各执行电机，机器人根据 命令做出行动反应。 2 2机构设计 寻线机器人主要完成的任务是沿正确的路径行走到指定篮筐正下方，完成投 篮任务，所以机构部分主要包括行走部分和投球部分。机器人在行走过程中因为 要避免挂到篮筐并且调整自己的投球部分的姿态，还需要有一个旋转机构完成上 述的功能。 寻线机器人的设计有两套方案，其中第一套方案的整体机构图如图2 2 所示： ，1j y 声，： 一 ，f、 北京邮电大学硕士研究生学位论文 授珐祝器人的对算机控翻 图2 3 寻线机器人整体机构图( 方案一) 基本外形尺寸为5 0 0 5 0 0 2 0 0 0 。采用铝合金框架及三合板，使结构尽量 轻便，机器人运动灵活。 1 ) 行走部分： 采用四轮行行走方案，其中两个前轮1 分别由两个电机控制，2 为两个电机， 两个后轮3 为万向轮。控制板5 放在车架上。 启动总开关，电机2 运转，机器人出发，采用c c d4 识别，沿场地中的白 色导引线寻线到达指定位置，然后停止，进行下一个动作。 2 ) 投球部分 下部由支撑架6 支撑。 中部由电机7 驱动，并通过齿轮传动带动圆盘1 2 及上部机构转动。 上部电机9 驱动滑轮8 转动拉紧系在支架1 1 上的绳子，使支架翻到，板7 北京邮电大学硕士研究生学位论文投球机器人的计算机控制 上的球落入篮筐。电机1 5 驱动滑轮1 3 ，拉紧系在杆1 6 上的绳子，使得三根杆 1 6 收拢，三块板1 7 贴紧篮筐。结构图如下： 图2 - 4 投球部分机构简图 机器人正确定位以后，并给电机7 一个信息，驱动齿轮传动带动圆盘及上部 机构转动至准确位置并定位。随后，电机1 5 驱动滑轮1 3 ，拉紧系在杆1 6 上的 ； 绳子，使得三根杆1 6 收拢，三块板1 7 贴紧篮筐。最后，电机9 驱动滑轮8 转动 拉紧系在支架1 1 上的绳子，使支架翻到，板7 上的球落入篮筐。 板1 0 达到如下位置，认为机器人正确找到篮筐位置： 图2 5 投球位姿的示意图 寻线机器人的第二套方案的整体机构图如图2 - 6 所示 北京邮电大学硕士研究生学位论文投球机器人的计算机控翻 图2 - 6 寻线机器入整体机构图( 方案二) 机器人的总体尺寸为5 0 0 m m x5 0 0 m m 1 7 0 0 m m ，总重量为1 5 蝇。出发时 一共携带1 2 个球。 机器人的机构从下至上分为行走部分、旋转部分和投球部分。 1 ) 行走部分： 行走部分是由两个主动轮及四个万向从动轮组成的六轮系统。其中，两个主 动轮分别由两个电机采用差动控制方式。通过调节两个电机的转速来调整机器人 的行走方向。 2 ) 旋转部分： 旋转机构主要是实现机器人上部投球机构旋转适当角度调整到投球的最佳 北京邮电大学硕士研究生学位论文授球机器人的计算视控制 位置。旋转部分由一个电机控制器转过的角度。 由于机器人在出发之前和出发之后有严格的高度限制，分别不能超过2 米和 3 米，而篮筐中心的高度分别是2 米、3 米和1 5 米，机器人要完成内全篮筐的 投球任务，高度必须达到2 米，这样的机器人高度使得机器人在行走过程中不可 避免的会挂到篮筐。所以在机器人的设计过程中，加入了这个旋转机构，使得机 器人能调整自己的位姿，完成投球任务并且不会挂住篮筐。 3 ) 投球部分 该部分主要由送球机构与投球机构组成，分别由两个电机控制。投球部分有 三个球筐分别预先装有4 个藤球。当机器人行走到内圈篮筐下定位后，送球机构 通过球筐底部的托盘和滑轮，同时将三个藤球分别送入三个投球机构，投球机构 通过电机拉动大圆环上的弹簧，翻转并将球投入篮筐。 2 3 机构的改进 在机构设计阶段，我们对机器人的机构进行了两次改造，主要是在机器人上 部的投球机构作了较大的改进。较大幅度的减轻了机器人的总重，减少控制电机 数量，最重要的是送球投球机构整体上简单灵巧。 最终的机器人外形图如下图。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 投球机器人的计算枳控钢 图2 7 寻线机器人夕 形图 我们利用比赛用的藤球的特点，将藤球串在机械臂上，并在机械臂顶端与末 端安装小滑轮，使之完全嵌入机械爨臂中，不会阻碍藤球的传递运动。这种方法 在今年的比赛中还是很新颖的。利用机械臂顶端弯曲的弧度，当机器人运行到篮 筐下，机械臂收缩，位于机械臂顶端的藤球会自动落入篮筐中，无需专门的投球 机构。而且，在机器人行走且不投球的时候，机械臂张开，位于顶端的藤球不会 以外脱落。 寻线机器人在出发前，上部手臂收紧，与中心机器人一起放在自动机器人出 发区。比赛开始后中心机器人线出发，离开出发区，随后寻线机器人出发，手臂 张开，避免撞到篮筐。寻线机器人沿地面导引线找到篮筐的正确位置停止，收紧 手臂投球，完成后手臂张开并旋转到何时位置，继续沿地面导引线找到下一个篮 筐的位置，完成下一次投球任务，重复上次动作一直到完成全部任务后停止。三 个机械臂的收缩由同一个电机控制，同时收缩或张开。在行走时张开，投球时收 缩。比赛的藤球串在机械臂上，当送球的电机旋转时，拉紧送球的托盘沿机械臂 北京邮电大学硕士研究生学位论文投球机器人的计算机控钢 向上将球推入篮筐。 机器人出发后，先沿一段直线导引线行走，当走到内圈的圆弧导引线时，原 地旋转9 0 度，再走1 8 圆弧，到第一个篮筐下定位停止，收缩机械臂，向上送 球，完成投球任务后张开机械臂，机械臂旋转6 0 度，机器人继续行走1 4 圆弧， 以同样的顺序完成投球任务，再走两个1 4 圆弧，分别完成另两个篮筐的投球任 务。 比赛场地中，每个篮筐下各有一个白色圆盘作为定位点，机器人可以通过 c c d 识别到白色圆盘，作为定位依据。 2 4 小结 本章的开始首先介绍了本届机器人大赛的比赛规则和要求，根据这些规则 和要求制定了相应的比赛策略及方案。然后介绍了机器人的整体机构设计。在设 计的初期制作了两个机器人分别用于抢占中心和寻线，最后在这两个机器人的基 础上作了一些改进，使得机器人的机构更加简单可靠，从而降低控制系统的复杂 度。 北京邮电大学硕士研究生学位论文授球机器人的讨算机控锚 第三章控制系统的设计 控制系统作为机器人的核心部分，相当于机器人的大脑，它是由一组硬件和 软件组成。本章首先介绍了机器人控制系统的总体方案，然后根据组成控制系 统的各部分模块分别描述，重点介绍了c p u 核心控制单元和执行元件单元的设 计。 3 1 控制系统总体方案概述 计算机控制系统是机器人的核心部分，它决定着控制性能的优劣，也决定着 机器人使用的灵活程度。当今的机器人计算机控制系统有三种结构：集中控制、 主从控制和分布式控制。 集中控制方式即单c p u 结构，全部控制功能由一台功能较强的计算机实现， 计算负担较重，故这种方式的速度较慢。早期的机器人以及一些较简单的机器人 常采用这种结构。 主从控制方式即二级c p u 结构，其一级c p u 为主机，担当系统管理，完成 机器人语言编译和人机接口功能，同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹 插补，并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存，供二级c p u 完 成全部关节位置数字控制。这类系统的两个c p u 总线之间基本没有联系，仅通 过公用内存交换数据，是一个松耦合的关系。 分级控制方式，即多c p u 结构。目前普遍采用这种上、下位机的二级分布 结构。上位机负责整个系统管理以及运动学计算，轨迹规划等。下位机由多c p u 控制一个关节运动，这些c p u 分工明确，只需承担固定任务，负担较轻，实时 性较好，使控制系统的工作速度和控制性能明显提高。且结构相对开放，易于扩 展。目前，世界上大多数商品化机器人控制器都采用这种结构。 对于本次机器人大赛来说，机器人有总重量、出发体积的限制，比赛本身又 北京邮电大学硕士研究生学位论文 授臻机器人的甘算机控戢 具有时间上的限制，所以，参赛的机器人需要满足机构简单巧妙、控制系统复杂 度低、实时性好的要求。因此，我们选择了单c p u 结构的集中控制方式作为机 器人的控制方式。控制系统的结构框图如图3 - 1 。 3 2 1 电机概述 图3 - 1 控制系统结构框图 3 2 执行机构及其驱动 对运动控制的最有效方式是对运动源的控制，而电机是最常用的运动源，因 此，可以通过对电机的控制来实现运动控制。我们选用电机作为机器人系统的执 行元件。常用的控制电机有步进电机、伺服电机( 包括交流伺服电机和直流伺服 电机) 。 直流伺服电机将控制信号转换成机械轴的转动，加上控制电压时能快速启 动，撤除控制电压后能立即停止转动，控制电压的大小和相位改变时，转速和方 向也能迅速改变，对控制信号的变化反应比较快。 步进电机与直流电机的区别是，它的旋转是以固定的角度( 步距角) 按给定 的脉冲一步一步运行，其特点是没有累积误差，而且便于实现计算机控制。步迸 电机的角位移量与输入脉冲数成正比，转速与脉冲频率成正比。在负载能力范围 内，这些关系不因为电源电压、负载大小、环境条件的波动而变化。步进电机可 以在很宽的范围内通过改变脉冲频率来调速，能够快速启动、反转和制动。由于 步进电机具有这些优点，可以用于开环控制系统中，能精确控制位置和速度。 对电机的控制可以分为简单控制和复杂控制两种。简单控制是对电机进行启 北京邮电大学硕士研究生学位论文 教球机器人的计算辊控翻 动、制动、正反转控制和顺序控制。这类控制可以通过继电器、可编程控制器和 开关元件来实现。复杂控制是指对电机的转速、转角、转矩、电压、电流等物理 量进行控制，而且有时往往需要非常精确的控制。 电机的控制技术的发展得力于微电子技术、电力电子技术、传感器技术、永 磁材料技术、自动控制技术、微机应用技术的最新发展成就。正是这些技术的进 步使电机的控制技术在近二十多年内发生了天翻地覆的变化。其中电机的控制部 分已经由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微控制器控制，形成数字与模拟的 混合控制系统和纯数字控制系统的应用，并正向全数字控制方向快速发展。 3 2 2 电机的选择及其相关参数 机器人控制系统对电机的性能要求是：精度高( 运行误差小) 、重量小( 机 器人总重有限制) 、转矩大( 能带动机器人各部分运转) 、转速高( 机器人行走速 度快) 、便于控制( 控制算法简单) 。 综合考虑，我们选用了北京斯达特机电科技发展有限公司的2 3 h s 2 0 0 3 、 2 3 h s 3 0 0 2 两种步进电机。它们的电气技术数据如下表： 电机型号相数步距角相电流驱动电压最大相电阻相电感重量 空载启动 静转矩频率辟 速 2 3 h $ 2 0 0 321 83 0 a d c f 2 4 - 4 0