1、1人工智能四川省重点实验室开放基金项目申报书基 础研究项目一般项目应 用研究项目基 础研究项目项目类别重点项目应 用研究项目项目名称： 工业检测机器人的运动控制与数据传输研究起止时间： 2013 年 10 月至 2015 年 10 月承担单位： 四川理工学院机械工程学院项目负责人： 黄丹平联系电话（手机）： 13698250797学科门类： 测控技术与仪器学科情况： 校级重点建设学科填报日期： 2013 年 5 月 16 日人工智能四川省重点实验室 制2填报说明1、申报书适用于人工智能四川省重点实验室资助自然科学研究项目；2、封面“项目类别”只能选填一种，在该项目类别前中画“”；3、申报书填写
2、要求用 A4 纸计算机打印。一式三份 统一报送人工智能四川省重点实验室；4、未尽事宜，可另附材料说明。3一、目的意义和国内外研究现状分析自从 1959 年诞生第一台机器人以来，机器人技术得到了长足的进步和发展。智能机器人是具有感知、思维和行动功能的机器，它可获取、处理和识别多种信息，自主地完成较为复杂的操作任务。随着移动机器人的应用领域不断扩大，人们希望机器人能够在未知环境中自动实现路径规划,并且能够通过无线传输将数据实时传输到上位机中,从而大大提高其对环境的适应能力和实际应用效率。工业智能移动机器人具有感知工作环境，任务规划能力和决策控制能力，避障是工业机器人路径规划中的难点和研究热点。根据
3、机器人对环境信息知道的程度不同，可分为 2 种类型：环境信息完全知道的全局路径规划和环境信息完全未知或部分未知的局部路径规划。对于已知环境下的避碰问题，已经提出了许多有效的解决方法。其中，khatib 提出的人工势场法，结构简单，易于实现，得到了广泛应用。与在已知环境中相比，机器人在环境完全未知或部分未知情况下实现避障更加困难。针对环境信息不确定情况下的避障问题，得到避障系统中应用的系统模型，根据摄像机透视影射原理，进行逆换算，得到控制系统算法，实现单摄像机获取环境深度信息，简化了系统结构，并在此基础上提出了一种基于视觉的局部路径规划的算法，实现了移动智能机器人在不确定环境中利用视觉传感器实时
4、获取外部信息进行路径规划，仿真与实验结果表明，减少了计算规模，提高了实时性，简化了机器人避障的步骤，使机器人能快速地跟踪规划路径，实现避障。未知路径规划技术是工业机器人控制技术研究中的一个重要问题, 嵌入式实时系统具有功耗低、体积小、集成度高等无可比拟的优势, 可以满足系统实时性的同时简化控制软件的开发。机器人的发展经历了一个从低级到高级的发展过程。当前机器人的发展进入智能机器人阶段, 机器人通过各种传感器获取环境信息, 利用人工智能进行识别、理解、推理并做出判断和决策来完成一定的任务。这就要求智能机器人除了具有感知环境和简单的适应环境能力外, 还具有较强的识别理解功能和决策规划功能。工业智能
5、机器人路径规划是指在有障碍物的工作环境中, 如何寻找一条从给定起点到终点适当的运动路径, 使机器人在运动过程中能安全、无碰地绕过所有障碍物。随着计算机、传感器及控制技术的发展, 特别是各种新算法不断涌现, 智能机器人路径规划技术已经取得了丰硕研究成果。特别是周围环境已知的全局路径规划, 其理论研究已比较完善, 目前比较活跃的领域是研究在环境未知情况下的局部规划。从目前国内外研究成果看, 有以下趋势:（1）智能化的算法将会不断涌现。模糊控制、神经网络、遗传算法以及它们的相互结合也是6研究热点之一。（2）多智能机器人系统的路径规划。随着智能机器人工作环境复杂度和任务的加重, 对其要求不再局限于单台
6、智能机器人, 在动态环境中多智能机器。人的合作与单个机器人路径规划要很好地统一。（3） 多传感器信息融合用于路径规划。单传感器难以保证输入信息准确与可靠。多传感器所获得信息具有冗余性、互补性、实时性和低代价性, 且可以快速并行分析现场环境。（4）基于功能/行为的智能机器人路径规划。基于模型自顶向下的感知- 建模- 规划- 动作是一种典型慎思结构, 称为基于功能的控制体系结构。基于行为的方法是一种自底向上的构建系统方法, 并在与环境交互作用中最终达到目标。基于功能/行为的机器人控制结构融合了两者优点, 这是研究的新动向之一。机器人路径规划问题可以建模为一个有约束的优化问题, 完成路径规划、定位和
7、避障等任务。根据机器人对环境信息掌握的程度不同将智能机器人路径规划分为基于模型的全局路径规划和基于传感器的局部路径规划。前者是指作业环境的全部信息已知, 主要包括构型空间法、拓扑法、栅格解耦法、自由空间法、神经网络法等; 后者是指作业环境信息全部未知或部分未知, 主要包括人工势场法、模糊逻辑控制法、混合法、滚动窗口法等。智能机器人路径规划存在以下特点:复杂性: 在复杂环境中, 机器人路径规划非常复杂 , 且需要很大的计算量。随机性: 复杂环境的变化往往存在很多随机性和不确定因素。多约束: 机器人的形状、速度和加速度等对机器人的运动存在约束。工业机器人的信息传递是机器人能否正常工作的关键技术之一
8、，在当今无线传递信息技术中，ZigBee 无线传输技术是一种新兴的低速率、短距离的无线网络通信技术，该技术是在蓝牙技术和无线标记技术的基础上发展起来的，与其他的无线通信技术一样，其技术标准也是采用的 IEEE802 制订的相关标准。ZigBee 作为一种个人网络的短程无线通信协议，已经越来越为大家所熟知，它最大的特点就是可组网，特别是带有路由的可组网功能，这一功能在理论上可以实现 ZigBee 覆盖通讯面积的无限扩展。总之，ZigBee 无线传输技术以其低速率、低功耗、短距离、低时延以及低成本等优点有效克服了无线通信技术的各种缺陷，也在很大程度上实现了由自组织网络和传感器所构成的无线传感器网络
9、的各项功能需求。Zigbee 无线传输的特点:1）成本低。目前，ZigBee 芯片的成本在 25 元人民币左右，而且尺寸小。2.4GHz 频段可以免费申请使用。72）功耗低。其发射功率为 03.6dBm，一个 ZigBee 节点设备在低耗电待机模式下，采用两节普通 5 号的干电池做电源的话可使用半年以上。3）速率低。基本速率是 250kb/s，当降低到 28kb/s 时，传输范围可扩大到 134m，并获得更高的可靠性。但对存储信息量不大 RFID 系统，足以满足其需求。4）容量高。基于 ZigBee 无线传输技术的网络可采用星型、树型等网络拓扑结构。其中星型网络拓扑结构中的主节点可以管理 25
10、4 个以内的子节点，而每一层的主节点还可由上一层网络的相关主节点进行管理，这种分层管理机制，大大提高了基于 ZigBee 无线传输技术网络的通信容量。5）安全性和可靠性强。基于 ZigBee 无线传输技术的网络采用的是三级安全模式，三级安全模式的应用大大提高了网络通信的安全性。同时在通信上，ZigBee 无线传输技术采用的是免冲突多载波信道接入方式，有效避免了无线电载波之间的冲突，从而保证了数据传输的可靠性。在国际上, 直到目前工业检测机器人技术还属于垄断技术, 美、英、法、德、日、挪威等国研制的检测机器人处于世界领先地位, 他们的产品已实用化、商品化。但他们的技术严密封锁, 处于绝对保密状态
11、。一般不出售产品和技术, 只提供在线检测服务, 收取高昂的服务费用。在国内,检测机器人的研究还处于起步阶段, 虽然有一些成果 , 但还有许多问题没有解决, 离工程应用还有不小的距离。因此, 必须下大力进行研究, 以开发新型的拥有自主知识产权的管道检测装备, 提升检测技术及手段, 使检测及管理规范化, 并逐步实现由被动维护向主动维护的转化。参考文献：1走向产业化得先进机器人技术. 中国制造信息化J,2005, 10:24-25.2 杨宜民, 黄明伟. 能源自给式管道机器人的机械结构设计 J. 机器人,2008, 28(3):326-330.3 Fox D, Burgard W, Thrun S.
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13、a, for a floor_ tilling robot J . Automation in Construction,2000: 113-125.6 贾云得.机器视觉M . 北京 : 科学出版社, 2000.7 ZHAN Qiang, JIA Chuan, MA Xiaohui. Mechanism Design and Motion Analysis of A Spherical Mobile Robot J. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2005, 18 (4) : 542-545.8 TSAI Shu-Jen，FERREIRA
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16、 DOM IN IC E. Multimodal locomotion robotic platform using leg-track-wheel articulations J. Autonomous Robots, 2005( 18): 137- 156.14 GRUARN IERIM, DEBENEST P, INOH T, et a .l Development of helios VII: an arm-equipped tracked vehicle research an search and rescue operations C. Proceedings of 2004 I
17、EEE /RSJ International Conference on intelligent Robots and Systems, Sendai Japan, 2004: 39- 45.15 王 挺, 王超越, 赵忆文. 多机构复合智能移动机器人的研制J, 机器人, 2004, 26(4): 289-294.16 段星光, 黄 强, 李科杰. 小型轮履腿复合式机器人设计 及运动特性分析 J. 机械工程学报, 2005, 41( 8): 108- 113.17 陈 慧宝, 李 婷, 徐解民. 关节式履带机器人的爬梯性能研究 J.电子机械工程, 2006,22( 2): 60-63.17 P
18、AUL J L, N ICHOLAS F, TORRIEM R, et a .l Chaos an intelligent ultra-mobile SUGV: cambining the mobility of wheel tracks, and legs C . Proceedings of SPIE, 2005(5804): 427- 438.18 FRANCO ISM. Multimodal locomotion robotic platform using leg-track-wheel articulations J. Autonomous Robots, 2005( 18) :
19、137-156. 19 邹凌云. 模块化可重组机器人结构设计及自动对接的初步研究 D. 长沙: 国防科技大学, 2003.20 樊炳辉,曾庆良,车翠莲 ,等.基于ADAM S的移动机器人仿真J. 中国制造业信息化, 2006,35(9): 39-46.21 PACK D J, KAK A C. A simplified forward gait control for a quadruped walking robot C. Proceedings o f the 1994 IEEE /RSJ /G I In2ternational Conference on Intelligent Robo
20、ts and System s. USA: IEEE, 1994. 1011- 1018.22 赵海峰,李小凡,姚 辰,等.新型轮- 腿- 履带复合移动机构及稳定性分析J. 机器人,2006,28(6):576-581.9二、研究方案1、研究目标、研究内容机器人的研究存在着两条不同的技术路线：一条是日本和瑞典所走的“需求牵引、技术驱动”，结合工业发展的需求，开发出一系列特定应用的机器人；另一条是把机器人作为研究人工智能的载体，即单纯从技术上模拟人和动物的某些功能，研究有关职能的问题和智能机器人。工业检测机器人要想走向实用，必须拥有胜任的运动系统、可靠的导航系统、精确的感知能力和具有即安全友友好
21、地与人一起工作的能力。工业检测机器人的智能指标为自主性、适应性和交互性。本课题为满足工业检测机器人对工作性质和环境的要求，将主要进行机器人精确定位和运动控制研究，并朝着智能化和多样化方向发展。目前主要研究内容集中在以下几个方面： 1、机器人检测技术：重点研究开放式，模块化检测系统，人机界面更加友好，语言、图形 编程界面正在研制之中。机器人控制器的标准化和网络化，以及基于 PC 机网络式控制器的研究 。 编程技术除进一步提高在线编程的可操作性之外， 离线编程的实用化也将成为研究重点；2、多传感系统：为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的 关键。其研究热点在于有效可行的多
22、传感器融合算法，特别是在非线性及非平稳 、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。另一问题就是传感系统的实用化； 3、为能够实现工业检测机器人的结构灵巧，应使整体工业检测机器人控制系统小型化，并提高其抗干扰能力；4、机器人遥控及监控技术，机器人半自主和自动巡航技术，机器人和多操作者之间的协调控制，通过网络建立大范围内的机器人遥控系统，在有时延的情况下，建立预先显示进行遥控等；5、由于机器人的工作环境复杂，一般的定位设备无法精确跟踪，设备是上安装的里程轮等存在误差较大，有时还存在打滑现象，这将为数据分析带来较大误差。因此应对机器人精确定位进行研究，实现精确位置控制，控制精度在 3 个脉冲之内；6、
23、支持位置控制模式和速度控制模式；7. 支持梯形曲线、速度跟踪、电子齿轮和直接输出等轨迹控制方式。102、拟采取的研究方法、技术路线和试验方案机器人是最典型的机电一体化数字化装备,技术附加值很高，应用范围很广,作为 先进制造业的支撑技术和信息化社会的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。但是我国目前在工业检测机器人的研究上还处于比较落后的状态，这对我国的工业现代化生产非常不利，所以工业检测机器人的研究对于工业现代化生产就尤为重要了。本项目主要研究工业检测机器人的控制与相关检测部分，并且通过实验平台，对控制系统的硬件及软件测试，检测其是否满足检测机器人的工作要求。其具体的研究方法与技
24、术路线内容如下：一、研究方法与技术路线1、选用多种传感器并将其信息融合到该系统中，利用相关智能算法与数据处理技术得出需求信息；2、移动机器人的总体设计结构工业移动机器人以 ARM 主控单元为核心控制单元，作用是:处理通信数据、作出控制决策、发出控制指令。在其下面包括运动控制、电源管理、通信、网络等各自功能子系统，其中，运动控制系统主要功能是:接收运动控制指令、解算指令信息、电机伺服驱动并实时监测反馈，核心控制单元与运动控制系统之间通过 CAN2.0 总线进行相互通信，其过程遵守 CAN2.OB 协议。具体的运动控制系统组成如图 1 所示：车体运动控制系统 云台运动控制系统车体左侧电机驱动器车体
25、右侧电机驱动器主 控芯 片云台俯仰电机驱动器云台方位电机驱动器主 控芯 片机器人 主控系统车体左侧电机车体右侧电机左侧电机速度传感器右侧电机速度传感器云台俯仰电机云台方位电机俯仰电机速度传感器方位电机速度传感器CAN HCAN L方位位置传感器俯仰位置传感器车体负载右侧变速箱左侧变速箱减速器 减速器云台负载17图 1运动控制系统共包含两个部分:车体运动控制单元和云台运动控制单元。其中:(l)车体运动控制单元主要通过 CAN 总线接收来自 ARM 主控单元的车体运动指令，并根据接收到的左右履带轮转动速度指令和来自左右电机传感器的速度反馈信号，对车体的运动速度实现闭环控制。该控制单元由以下模块组成
26、:车体运动控制板:以 TI 公司的 TMs320F2812DSP 作为核心处理器，通过 CAN 总线接收来自 ARM 主控单元的左右电机的速度和换档指令，并利用来自左、右电机传感器信号，得到控制变量，通过 CAN 通信接口分别输出给左、右电机的驱动器，由驱动器控制电机转动速度，或对变速箱档位进行控制。左、右侧电机驱动模块:主要通过 CAN通信接口接收来自车体运动控制板的控制变量，并产生相应电机控制输出，实现对电机的速度控制。左、右侧电机(含左、右侧电机减速箱和传感器):主要接收来自电机驱动模块的控制输出，并将利用传感器得到的速度反馈信号反馈给相应的电机驱动模块和车体运动控制板。(2)云台控制单
27、元主要通过 CAN 总线接收来自 ARM 主控单元的云台运动控制指令，并根据接收到的云台俯仰和方位转动速度指令和来自俯仰和方位电机传感器的速度反馈信号，对云台的俯仰转动、方位转动实现速度和位置闭环控制，并将来自方位位置传感器和俯仰位置传感器的信号通过 CAN 通信接口发送给 ARM 主控单元。该控制单元由以下模块组成:云台运动控制板:以 TI 公司的 TMS320F2812DSP 作为核心处理器，通过 CAN 总线接收来自ARM 主控单元的云台俯仰和方位电机的速度指令，并利用来自俯仰和方位电机的传感器信号，得到控制变量，通过 CAN 通信接口分别输出给俯仰和方位电机的驱动器，由俯仰、方位电机驱
28、18动器控制电机转动速度，并接收来自方位位置传感器和俯仰位置传感器的信号，通过 CAN 通信接口将其发送给 ARM 主控单元。俯仰、方位电机驱动模块:主要通过 CAN 通信接口接收来自云台运动控制板的控制变量，并产生相应电机控制输出，实现对俯仰、方位电机的速度控制。俯仰、方位电机(含俯仰、方位电机传感器):主要接收来自俯仰、方位电机驱动模块的控制输出，并将利用传感器得到的速度反馈信号反馈给相应得电机驱动模块。俯仰、方位位置传感器:主要输出方位、俯仰位置传感器的位置信号，经过轴角转换芯片转换成数字量位置信号，传输给 DSP。3、选用更适用于工业检测环境检测定位的惯性导航定位方法，它的特性是自主性
29、、独立性完成导航定位。具体导航策略如下：当机器人远离目标时，通过捷联导航理论和卡尔曼滤波理论的研究，对工业机器人进行行走控制。捷联惯导系统基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量线加速度计和陀螺仪输出值，再根据相应的坐标变换，由加速度计和陀螺的输出参数解算得到飞行体姿态信息。由运动学理论可知，要完整的描述一个物体在空间的运动情况，需要至少 6 个独立的参数信息，其中有三个参量用于表示物体质心处的平动信息，另外三个用以表示物体绕质心处的转动情况，在捷联导航系统中，通常由三个加速度计测量载体的平动信息，载体绕质心的转动则由三个陀螺仪来量测。但是通过研究可以得出，如果当载体相对某一参考坐标系的牵
30、连运动形式是转动的情况时，那么在载体非质心处的加速度信息中将涵盖着相关的角速度信息。所以，在运动载体非质心位置合理的放置足够多的线加速度计，根据各只加速度计安装位置和敏感方向便可将加速度计的输出信息中涵盖的角速度信息提取出来，这便是依靠线加速度计获取到角速度信息的理论基础。而载体导航信息的获取是经过各个坐标系之间的特定转动来实现的，因此选取合适的参考坐标系是非常重要的，它将影响到整个导航系统的精度和复杂度当接近目标时，利用超声波和图像传感器对机器人进行精确定位控制，利用理论与实验并重的双重研究方法，在可靠性理论及完整性实验的基础上为工业检测导航定位提供可靠性很高的参考价值。摄像头是目标标识物的获取以及路径信息的获取，超声波传感器主要是感知移动机器人周围障碍物的情况信息，为移动机器人运动安全提供保障。基于超声波技术的精密检测方法，通常需要精确地测量超声波在介质中的传输时间目前利用超声波的传输时间特性已经实现并完成了许多领域测量方面的任务，人们利用测量超声波的传输时间特性实现了流量、温度等方面的研究20 世纪 70 年代超声波进入工业领域，90年代中期计算机软硬件和高速数字信号处理技术的快速发展，使得利用超声波传输时间对流量、
