● 摘要
机器人的研究和应用对提高劳动生产率、推动科技发展和改善人民生活水平具有重要意义，也是衡量一个国家制造业水平和科技水平的重要标志。随着计算机技术和机器人关键技术的飞速发展，用途广泛的移动机器人正在航空、航天、军事、海洋、农业、服务、娱乐等领域扮演着越来越重要的角色。本文研究对象为野外探测机器人和爬壁机器人，论文主要工作组织如下。为了适应复杂的野外地形，本文提出了一种新型轮爪式车轮以提高机器人的越障能力。首先研究了其原理，并对其进行了静力学分析，得到了车轮的设计方法和提高运动平稳性的条件。然后介绍了Rabbit机器人样机的整体设计，并绘制了其三维模型，再用ADAMS软件对其进行了越障和仿真分析。该样机采用摇杆差速器结构，共有4个轮爪式车轮。在实现直流电机速度和位置伺服控制的基础上，建立了Rabbit机器人的运动学模型，得到运动控制指令与各电机控制信号的关系，最终实现了Rabbit的运动控制。完成Rabbit的设计加工后，通过实验对其进行了性能研究。实验结果表明，Rabbit可以在各种地形中自如运动，如平坦路面、台阶路面、斜坡路面、多障碍路面和月球模拟土壤中等。另外，Rabbit还可以越过高度为车轮半径1.4倍的台阶，并能越过斜度为40°的斜坡，性能明显优于普通圆形车轮。该轮爪式车轮适用于野外探测机器人。City-Climber是纽约市立大学市立学院研制的一款新型爬壁机器人，它可以在地面、墙壁和天花板运动，并可以在不同表面间完成切换运动。本文基于混合整数线性规划(MILP)方法，提出了一种适用于City-Climber的3D路径规划方法。首先，分别建立City-Climber在地面、墙壁和天花板运动的动力学模型，并引入无量纲变量对各模型进行简化，再用Matlab软件对数学模型分别进行仿真，验证了其正确性。然后，介绍了用MILP方法在3D建筑物环境中进行路径规划的方法。为了用MILP方法解决避障问题，首先用限制机器人控制输入的方法对City-Climber的数学模型进行解耦和线性化，再介绍了用MILP方法对控制输入和障碍进行描述的数学表达式，并引入一系列约束条件，提出了适用于爬壁机器人的新型代价函数。最后以一个方形房间为运动环境，用AMPL和CPLEX优化软件，以及Matlab软件解算路径规划问题。仿真结果表明，MILP方法较好地解决了City-Climber在3D环境下的路径规划和避障问题。为研究移动机器人的实现技术，以Rabbit为例设计了移动机器人的控制系统。根据Rabbit机器人控制系统的功能需求，对控制系统下位机进行了分析与设计，确定了以DSP和CPLD为核心的控制器方案，并介绍了Rabbit机器人控制器的硬件电路设计。然后设计了Rabbit机器人控制系统所涉及的软件，利用相应的开发环境和语言分别对CPLD、DSP及上位机软件进行开发，实现对了Rabbit机器人的控制。为研究移动机器人的视觉测距技术，提出了一种基于相似原理的双目测距法，介绍了其原理，并推导了距离的计算公式。为验证该测距法的实用性，本文进行了两组实验。实验结果表明，该方法在中短距离上可以实现较高精度的测量，而且成本低，适用于移动机器人的视觉测距系统，并可以使机器人同时获得望远镜和广角镜能力，提高了其感知世界的深度和广度。