1导言
跟着科学技能的展开，人类的研讨活动范畴已由陆地扩展到海底和空间。运用移动机器人进行空间勘探和开发，己成为21世纪世界各首要科技发达国家开发空间资源的首要手法之一。研讨和展开月球勘探移动机器人技能，对包含移动机器人在内的相关前沿技能的研讨将发生巨大的推进效果。
移动机器人是一种能够经过传感器感知外界环境和本身状况，完结在有妨碍物的环境中面向方针的自主运动，然后完结必定作业功用的机器人体系。近年来，因为移动机器人在工业、农业、医学、航天和人类日子的各个方面显现了越来越广泛的运用远景，使得它成为了世界机器人学的研讨热门。20世纪90年代以来，以研发高水平的环境信息传感器和信息处理技能，高适应性的移动机器人操控技能，实在环境下的规划技能为标志，展开了移动机器人更高层次的研讨。现在，移动机器人特别是自主机器人已成为机器人技能中一个于分活泼的研讨范畴。
轮式移动组织具有运动速度快、能量运用率高、结构简略、操控便利和能学习至今已很老练的汽车技能等长处，仅仅越野功用不太强。但跟着各式各样的车轮底盘的呈现，如日本NASDA的六轮柔性底盘月球周游车LRTV，俄罗斯TRANSMASH的六轮三体柔性结构移动机器人Marsokohod，美国CMU的六轮三体柔性机器人Robby系列以及美国JPL的六轮摇臂悬吊式行星周游车Rocky系列，已使轮式机器人越野才干大大增加，能够和腿式机器人相媲美。所以人们对机器人组织研讨的重心也随之转移到轮式组织上来，特别是最近日本开宣布一种结构一起的五点支撑悬吊结构Micros，其杰出的越野才干较腿式机器人有过之而不及［6-8］。
轮式结构按轮的数量分可分为二轮组织、三轮组织、四轮组织、六轮以及多轮组织。二轮移动组织的结构非常简略，但是在停止和低速时非常不稳定。三轮组织的特色是组织组成简略，旋转中心是在衔接两驱动轮的直线上，能够完结零回转半径。四轮组织的运动特性基本上与三轮组织相同，因为增加了一个支撑轮，运动愈加平稳。以上几种轮式移动组织的一起特色是它们一切的轮子内行进进程中，只能固定在一个平面上，不能作上下调整，因而，地上适用才干差。一般的六轮组织首要便是为了进步移动机器人的地上适应才干而在其结构上作了改善，增加了摇臂结构，使得机器人内行进进程中，其轮子能够依据地势凹凸作上下调整，然后进步了移动机器人的越野才干。
2机器人主体结构规划
主体结构为机器人的首要结构，里边包含了操控体系，四个驱动电机以及一些传感器，传感器包含有红外传感器，压敏传感器，声响传感器等用来充任机器人的眼睛、触觉和听觉功用。结构首要为一箱体结构，里边按需求放置电机及体系硬件。主体结构如图1所示。
图1机器人主体组织图
图1中整个主体是没有加上任何传感器和设备的外壳，四个小箱体是安放操控上肢的电机，周围的孔是用来经过电线的，大箱体中心是安放操控体系的电板。在整个零配件都安放好往后可在上方增加一块板用来维护内部元件。依照我的想象，在这个机器人的基础上能够在主体上方增加其他功用。主体长1.5米宽0.5米高0.3米。
关于下肢部分，因为麦克纳姆轮能够进行全方位的移动，故不需求参加关节，但需求参加刹车体系，以确保及时泊车和在运用腿部功用时不发生翻滚，一起在下肢与轮胎衔接处规划渠道安放电机，使其驱动轮胎翻滚。一个轮胎对应一个电机，这样才干经过改动每个轮胎的转速来操控方向等杂乱的移动。
下肢除了像上肢相同的结构外，多加了两个在周围的箱体结构，而且下部分较广大是用来与轮胎相连。上面的箱体是用于装一个小型电机，经过下肢上端两个同轴的孔与一根轴相连，来操控下肢绕上肢的翻滚，而箱体的周围上端的孔是用来经过电线。下面的箱体是寄存操控轮胎的电机，右边有用来安放齿轮的空间和通孔来固定齿轮。下肢两个竖直的同轴孔也是用来经过电线的。下肢总长约1米，下肢主体宽度约20厘米。
3轮式移动原理
轮式移动原理首要的为麦克纳姆轮的移动原理。
麦克纳姆轮是瑞典麦克纳姆公司的专利。这种全方位移动办法是依据一个有许多坐落机轮周边的轮轴的中心轮的原理上，这些成视点的周边轮轴把一部分的机轮转向力转化到一个机轮法相力上面。依托各自机轮的方向和速度，这些力的终究组成在任何要求的方向上发生一个合力矢量然后确保了这个渠道在终究的合力矢量的方向上能自在地移动，而不改动机轮本身的方向。在它的轮缘上斜向散布着许多小棍子，故轮子能够横向滑移。小滚子的母线很特别，当轮子绕着固定的轮心轴翻滚时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够接连地向前翻滚。麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵敏，是很成功的一种全方位轮。有4个这种新式轮子进行组合，能够更灵敏便利的完结全方位移动功用。
麦克纳姆外形像一个斜齿轮，轮齿是能够翻滚的鼓形辊子，辊子的轴线与轮的轴线成α视点。这样的特别结构使得轮体具有了三个自在度：绕轮轴的翻滚和沿辊子轴线垂线方向的平动和绕辊子与地上触摸点的翻滚。这样，驱动轮在一个方向上具有自动驱动才干的一起，别的一个方向也具有自在移动（被迫移动）的运动特性。轮子的圆周不是由一般的轮胎组成，而是散布了许多小滚筒，这些滚筒的轴线与轮子的圆周相切，而且滚筒能自在旋转。当电机驱动车轮旋转时，车轮以一般办法沿着垂直于驱动轴的方向行进，一起车轮周边的辊子沿着其各自的轴线自在旋转。图2为麦克纳姆轮的各结构和运动参量。
图2麦克纳姆轮运动参量的界说
4伺服操控体系规划
移动机器人的运动操控体系是机器人体系的履行组织，对体系准确地完结各项使命起着重要效果，有时也可作为一个简略的操控器。构成机器人运动操控体系的要素有：核算机硬件体系及操控软件、输入/输出设备、驱动器、传感器体系，它们之间的联系如图3所示。
图3机器人操控体系构成要素
4.1移动机器人操控体系的研讨
（1}移动机器人体系结构。运用散布式智能结构能够进步移动机器人的实时性和鲁棒性，并减小移动机器人的体积和自重，使机器人愈加简便、灵敏。
（2）操控体系中的传感器技能。移动机器人传感器技能首要是对机器人本身内部的方位和方向信息以及外部环境信息的检测和处理。获取实在有效的环境信息，是操控体系进行决议计划的确保。一般选用的传感器分为内部传感器和外部传感器。内部传感器首要包含：编码器、线加速度计、陀螺仪、磁罗招等。外部传感器首要包含：视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、触摸和挨近传感器等。
（3）操控体系的多传感器信息交融技能。多传感器信息交融是把散布在不同方位的传感器所供应的部分环境的不完好信息加以概括，消除多传感器之间或许存在的冗余和对立，以下降其不确定性，形成对体系环境的相对完好共同的感知描绘，然后进步智能体系决议计划、规划的快速性和正确性，一起下降决议计划危险。
（4）操控体系的开发技能。要点研讨开放式、模块化操控体系。移动机器人操控器结构的规范化，以及网络式操控器成为研讨热门。编程技能进一步进步在线编程的可操作性，离线编程的人机界面愈加友爱、自然语言化编程和图形化编程的进一步推行也是往后研讨的要点。
（5）运动操控技能。机器人运动有必要满足快，受控并安全，避开静态和动态的妨碍。轨道盯梢、途径盯梢、点镇定是移动机器人运动操控的三个基本问题;
（6）操控体系的智能化技能。操控体系的智能特征包含常识了解、概括、揣度、反应和问题求解等内容。触及范畴包含图画了解、语音和文字符号的处理与了解、常识的表达和获取等方面。智能操控办法常运用神经网络和含糊操控办法，但前者往往伴跟着对存储容量、运算速度的较高要求，这与移动机器人高速高精度运动操控的要求存在必定间隔，故含糊操控办法在机器人操控方面有着较大的优势。
依据移动机器人操控体系的规划要求，结合本机器人的体系功用和特色，依照模块化的规划思维，提出了机器人操控体系整体规划计划。如下图所示：
图4操控体系整体计划
操控体系整体规划计划
该计划是以ATmega128芯片为中心，分模块化规划，各子模块功用为：
（1）微处理器模块：是操控体系的中心，包含微操控器及其相关外围电路首要进行各种信息、数据的处理，协调体系中各功用模块完结预订的使命；
（2）驱动模块：操控机器人体系中的舵机和传感器模块预订的使命;完结舵机速度和方位的操控，完结行进、撤退、直行、转弯、避障、抓取等动作；
（3）传感器模块：有速度、方位、间隔、声响等传感器，首要担任移动机器人移动进程中的妨碍物、声响等检测;
（4）电源模块：担任整个移动机器人的电源供应，使体系能离线运动，首要由12V蓄电池及相关调压稳压电路组成；
（5）串口通讯模块：依据RS232通讯规范与上位机进行串口通讯;
（6）JTAG调试：能够完结在线编程、调试仿真。
3.2机器人的驱动体系
现在，爱机器人的运动操控中较为常见的有直流电机、步进电机和舵机。关于我的课题来说，一个能操控速度的电机作为麦克纳姆轮运用，也需求一个能准确可操控视点且能够坚持的电机作为腿部关节运用。经过我开始估量电机转速不是很大，假如运用直流电机，因为转速和力矩的影响，需装备减速器，且不能操控视点。而假如运用步进电机，需装备驱动器。为满意体系的操控要求，考虑到经济性等，我预备选用Dynamixel系列AX-12舵机它是机器人专用的伺服电机。它不但能准确操控视点，作为关节视点操控；也能够经过软件设置为无限旋转方式，作为车轮运用。
3.3AX-12数字舵机概述及特性
舵机是一种方位伺服的驱动器，适用于那些需求视点不断改变并能够坚持的操控体系。其作业原理是：操控信号由接纳机的通道进入信号调制芯片，取得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，发生周期为20mS，宽度为1.5ms 的基准信号，将取得的直流偏置电压与电位器的电压比较，取得电压差输出。最终，电压差的正负输出到电机驱动芯片决议电机的正回转。AX-12舵机是一款智能化、模块化的动力设备，首要由一个微处理器、一个准确的直流电机、齿轮减速器、方位传感器、温度传感器以及具有通讯功用的操控芯片等组成，其内部机械结构和电路操控如图4所示：
图4.1舵机内部结构和操控图
AX-12数字舵机作为舵机用时，最大转角为300度，作为电机用时能够自在旋转，运用规模广；选用数字信号操控，操控起来更便利;每个舵机都具有仅有的ID号，选用网络驱动方式、Daisy总线衔接办法，能够多个网状串连操控，衔接便利。它的详细参数如表1.1所示。
表1.1舵机详细参数
项目参数项目参数
分量55g位移视点0-300°无限旋转
减速比1/254最小视点0.35°
作业电压7VDC-12VDC通讯半双工异步串行通讯
作业温度-5-85摄氏度波特率7343bps-1Mbps
最大电流900mA指令包数字信号
输入电压7V10V物理衔接TTL多通道（daisy总线）
最大扭矩12（Kgf？cm）16.5（Kgf？cm）资料工程塑料
转速0.269（秒/60°）0.196（秒/60°）反应方位、温度、负载、电压等
因为AX-12内部配有一个ATmega8微处理器，用来接纳操控器发送的数据包，经过相应的处理后给伺服电机发送PWM信号来操控电机的起停。因而，操控舵机实际上是去操控ATmega8舵机的状况和参数都存储在ATmega8的RAM和EEPROM相应的地址里，对舵机进行操控也便是对舵机的相应地址读和写数据的进程。
5AX-12舵机通讯协议
AX-12数字舵机不像一般的R/C伺服电机（舵机）运用PWM操控，它的操控信号为数字信号，主操控器和舵机选用TTL-Daisy总线的衔接办法、半双工异步串行通讯协议（（8位数据位、1位停止位，无奇偶校验位）。主操控器经过发送和承受数据包的方式来操控舵机，有两种数据包：一个是指令包，这是从主操控器发给舵机的指令;另一个是状况包，这是舵机回来给主控器的。假如主控器向ID为N的舵机发送指令包，则只要该ID的舵时机反应相应的状况而且履行需求的动作。操控原理图如图5所示：
图5舵机操控原理图
6结束语
本文规划了一种轮式移动机器人运动操控体系：即依据伺服操控的移动机器人运动操控体系。本体系选用数控插补技能来盯梢轨道，具有盯梢精度高级特色。挑选了专门用于电机操控的DSP芯片，简化了规划，进步了模块的可靠性，并为往后操控算法的晋级留有满足的空间。本文选用的移动机器人规划途径的航迹核算数学模型，它不同于传统的只对直线和圆弧离散，而对一次、二次曲线盯梢途径都能够作离散化处理。运动操控体系选用主从式操控结构，即由主机完结杂乱核算，将处理后的数据传递给从机，由从机完结对小车本体的操控，便利地完结了步进电机操控。由从机履行的运动操控器，成本低，功用强，运用便利，而具有非常宽广的运用远景。
