智能机器人移动机构的设计

智能机器人移动机构的设计

贺喜

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摘要：在智能机器人的研究领域里，移动结构的分析和探究一直是个重要的课题，因为作为移动机器人，那它的很多功能或是完成任务的基础均是由一个良好的移动机构组成的行驶系统。所以本文主要对智能机器人的移动机构在避障中的表现作简单的分析和论述。

关键词：智能机器人；移动；设计

一、引言

智能移动机器人需要对周围环境进行人眼一样的感知、人脑一样的决策和规划、以及人脑的中枢系统一般的行为控制和执行等，这就决定了它必然是一个复杂的多功能系统。同时这样相对完整的体系也让其具备良好的移动特性，从而代替人类实施相关的危险性任务。比如说在腐蚀性气体及辐射蔓延的环境里，对人体的危害极大，这时便是智能移动机器人“大展身手”为人类服务的时刻。类似人类难以做到但机器人能轻易完成的任务还有宇宙空间和水下作业等。而要让机器人准确完成驱动、控制和传感三个层面的建设。这里的驱动系统就好比于人的骨骼肌肉，控制着机器人的具体活动。也是机器人移动机构设计的关键。

二、智能机器人的移动机构

在机器人的移动机构设计分为轮式、履带式、足式、步进式、蠕动式等多种机构。当然，具体使用哪一种方式需要根据相应的机器人功能及工作的场合等来综合决定。在现实生活中往往在室内机器人身上应用轮式，而履带式移动机构多使用于室外智能机器人。一般情况下轮式的效率相当高，但其缺点是适应力不足。下面主要对轮式移动机构做具体的分析：

在实际的智能机器人的移动机制研究中，往往还会因为轮子使用的材质，来对二者进行具体划分，是为实心钢轮还是充气轮胎。而这两者的具体区在于它们在工作环境和功能上的区别。实心钢轮主要用于轨道而充气轮胎则是广泛用于室内；要是从另一个角度看即是车轮的数量可以划分四轮以下和多轮的移动机构。在实际中因为稳定性各方面因素的考虑，在实际中应用中较多的是三轮、四轮式车体和对称的四轮式车体。

（一）三轮式车体中的车轮结构特点是前端两个驱动轮，末端单个从动轮。这种移动机构的优势是具备三角形稳定性的原理，在实际运行中不会有车轮悬空的情况发生，比较容易控制且稳定。但它的缺点是在车体进行大幅度转向时会出现侧翻，因此，一般在机械移动机构中不选择三轮式。

（二）顾名思义，四轮式车体跟三轮式的不同是，四轮式车体在末端的从动轮比三轮式多了一个，这使得四轮式车体即使在进行大幅转弯时也不易侧翻。但相应的需要在轮胎的安装中保证四轮均绝对着地。

（三）相对来说，对称的四轮式则会在其安装上显得相对奇特一些，它会形成一个标准的十字形底盘，当然了，此形式在稳定性上并不能与四轮式机构相抗衡，但一些对底盘有对称要求的机器人则可以使用这种方式的移动机构。也可以说成采用此驱动方式。

三、避障功能的推演和说明

在智能机器人的移动机构设计中的避障设计主要为：车体通过串行通信模块建立起与PC端的连接，并通过具体的软件给出相应开始运动的指令。而与此同时，在PIC控制板上运用数量为三的传感器，并把它们分别于车体的左、前、右端进行安装。主要的功能是感知和判断车体移动过程中其前进的路径上是否有障碍物。探测到障碍时会在单片机RB0引脚上接收到反射中断，并计算出超声波的传递时间，从而得到障碍物的位置。最后再将相应的数据在PIC芯片上进行处理，具体通过模糊控制算出智能移动机器人的下个动作。

在机器人规避障碍的整个过程中一般分三个阶段：①通过感应系统探查到障碍并由控制系统改变行驶方向来避开障碍；②通过模糊算法计算并挑选出一条最合理的避障路径，来解决智能机器人避障转向后离预设路线太远的问题；③在移动车体成功实现避障后，通过最优的路径回到预设的行进路线。如何快速地回到原本的路线上是本阶段需要实现的目标。在智能机器人避障的过程中，模糊控制具有对周围环境信息的感应和应变能力很强的特性，能够有效达到智能机器人的避障效果。

四、模糊控制的具体运行机制

（一）定义输入和输出变量

在智能机器人移动机构设计的模糊定义中，首先要控制和设计的内容为相应的输入变量和输出变量。具体的实践中，是把各个超声波传感器划分为相应的中前端检测，并由C来表示，以及由L标志的左前端检测和R标志的右前端检测。模糊控制器的定义中，输入变量为dc，dl和dr，语言变量为｛ND=近和LD=远｝，他们之间还可以构建出一定的隶属函数关系。具体如当x=200时μND=1，当200<x≤400时μND=（400-x）/200；200≤x≤400时μLD=（200-x）/200，x>400时μLD=1，另外，障碍定位的模糊语言设定为｛LB，LS，Z，RS，RB｝，变量为tr。输出变量Sα的模糊语言为｛左大、左小、零、右小、右大｝。车体行进中输出的模糊语言有：｛TR=右转、TRL=稍微右转、GA=前进、TLL=稍微左转、TL=左转｝。

（二）建立控制知识规划

其中的一种行驶情况为实际行驶中的路径规划上面并无障碍物，这种情况下对目标位置的描述和确定方式；另外一种是处于感知到障碍物体的环境下的相关规则。主要是用车体的移动来接近到障碍时利用传感器和模糊控制指导相关的车体移动来规避障碍的。如以左侧传感器检测到障碍物接近移动车体表现形式如下。

r6：ifdrisFARanddcisFARanddlisNearandtrisLB，thenSαisGA

r7：ifdrisFARanddcisFARanddlisNearandtrisLS，thenSαisGA

r8：ifdrisFARanddcisFARanddlisNearandtrisZ，thenSαisGA

r9：ifdrisFARanddcisFARanddlisNearandtrisRS，thenSαisTRL

r10：ifdrisFARanddcisFARanddlisNearandtrisRB，thenSαisTR

移动小车接近障碍物传感器情况示意图

五、结论

对智能机器人移动机构的设计，运用了安装传感器的移动车体达到相对简单的规避障碍物的功能。然而如果想让机器人进一步实现非常精准的避障，则可以应用模糊控制的手段把感知到的周围环境信息经过模糊化接口，实施模糊处理和控制规则的推理计算，最后再把相应的模糊输出转为精确输出，从而可以确定准确合理的车体行进路径，成功避免障碍物带来的危险隐患。

参考文献

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[2]马丽华.智能移动机器人感知系统的CAN总线结构设计[J].价值工程,2016,35(4).

[3]李昌杰.智能移动机器人控制系统设计研究[D].长安大学.