(完整版)4103展馆导游机器人轮式行走系统设计

1 引言1.1 导游机器人的研究意义第一台的工业机器人是美国在1961年推出的，现在,随着社会的不断发展，机器人技术已经涉及到了很多的领域，譬如:传感器技术、控制工程、精密机械、动力学、计算机科学技术、人工智能等领域。

机器人也是自二十世纪以来发展的十分迅速的一个重要的高科技领域，它是各个学科的前沿技术的应用。

机器人的出现与发展使得传统工业生产的方式发生了翻天覆地的变化,让我们的生产方式从手工作业发展到机械化、自动化到现在的智能化。

进入本世纪之后,人类已经发现机器人已经不知不觉的逐渐的开始深入到工业、服务、医疗、卫生、娱乐等方面［1］.导游机器人的研究不是一门专业的科学,它是由很多学科相互渗透,相互交叉的。

对导游机器人的研究具有非常广的应用前景和巨大的理论价值。

现在，导游机器人己经被我们当作为一种服务的工具。

如今，随着我们生活水平的提高和科学技术的快速发展，机器人的用处已经越来越广泛,它可以承担各种工作。

机器人以前都是在工厂和车间里工作的，现在已经开始走向室外、大海甚至是太空。

具有人工智能的自主式机器人正在向制造业以外的方向扩展，这些非制造业包括了航空、深海探测、军事侦察和打击、建筑、救护医疗、家庭服务、农业生产、自动化办公和自然灾害救援等，如飞行机器人、海难救援机器人、化肥和农药喷撒空中机器人、护理机器人等[2］。

最近几年来，对导游机器人的研究受到了很多学者的重视，各种仿生的、智能的导游机器人越来越多，在很多的展馆内，你都可以看到它们的身影,也许你已经享受过它们带给你的优越的服务.导游机器人可以和人对话，向你讲解展馆内展出物的知识.也可以像人类一样行走，还可以有各种各样的表情，这样你就会不知不觉的忘记你的导游是个机器人.1。

2 国内导游机器人发展现状导游机器人的研究在国内起步较晚，但经过多年来的长足的发展也取得了很大进步，但大多数研究尚处于某个单项研究阶段。

国内的导游机器人研究主要经历了算法的研究和仿真、国外机器人平台的引进和自主开发三个阶段［3］。

下面是中国对导游机器人的一些研究成果。

清华V型智能车THMR—V是清华大学智能技术与系统国家重点实验室在中科院院士张钱教授主持下研制的新一代智能导游机器人[4］，它可以在普通的马路上行进，也可以在高速公路上行进，它非常成功的获得了专利成果。

THMR—V的车体是用小型的厢车改装的,它的避障检测系统是由一台可以识别色彩的摄像机和一台激光测距仪所组成的,它的定位导航系统是由DGPS(通过在固定测站和流动测站上进行同步观测，利用在固定测站上所测得卫星定位误差数据改正流动测站上定位结果的卫星定位)、磁罗经（利用地磁场固有的指向性测量空间姿态角度的）、光电码盘（光学玻璃制成，在上面刻有许多同心码道,每个码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分）所组成的.运动的控制、信息的处理、集中、路径的规划、语音的交流、视觉的识别等功能是由两个计算机系统有分工的控制的.距离信息的处理、GPS信息的处理、人机的交流管理、运动控制等功能是由四台工业控制计算机分别完成的。

根据设计的要求，在高速公路上，THMR—V的行驶速度可以达到80千米每小时，在普通的道路上可以达到20千米每小时。

现在THMR—V已经可以在相对复杂的环境下,进行目标跟踪和自主避障行驶。

清华V型智能车THMR—V的研究涉及到了五个方面的关键技术:1、基于地图的全局路径规划技术,2、基于传感器信息的局部路径规划技术，3、路径规划的仿真技术，4、传感技术、5、信息融合技术［5］。

DY— I型导游机器人是海尔一哈尔滨工业大学机器人技术公司最近推出的新一代智能导游机器人，该机器人由伺服驱动系统、多传感器信息、避障及路径规划系统、语言识别及语言合成系统组成.DY- I拥有良好的视觉识别功能、可以自主行驶、可以和人进行语言和简单的肢体交流,并且它还有自己的面部表情，是智能型的导游机器人。

DY- I的总高度约有170cm，重量在100kg左右，它有两只很大的眼睛，拥有可以自如活动的手臂，行走机构是轮式的,从外表看它是金属的，其实只是表面涂了金属质感的漆，它是用一种非常特殊的玻璃钢做成的.12个超声波传感器被装在DY- I的身体的各个部位,用来作为感觉器官，所以DY- I的感觉器官非常的敏锐,这样就可以很好的分辨障碍物的性质,并进行识别.与THMR-V一样DY- I也装有能分辨色彩的摄像机作为它的眼睛。

它的脸部是仿照人的脸部轮廓制造的，所以看起来很真实，它也会跟人一样眨眼睛，说话的时候嘴唇也是跟人一样一张一合的，这些功能的设计都使得DY- I更具有亲和力，更容易被人认可。

DY— I可以靠下部的轮式行走机构在展馆内自由的避障行走，它的感官很灵敏，如果在行进的过程中遇到人,它就会停下来跟游客友好的打个招呼，并回答游客的各种提问；如果行进过程中遇到的是障碍，它就会自主的控制转向机构来改变行进的方向。

另外DY- I的前面还装有一个可触摸式的屏幕，这样游客就可以通过操作这个系统来了解自己想知道的各种丰富多彩的知识了［6]。

1.3 导游机器人的研究热点综合国内外对于导游机器人的研究的实际情况，当代导游机器人的研究主要集中在以下几个方面。

(1）行走机构的结构。

根据实际的需要，行走机构的结构的形式并不是完全单一的.实际应用中，导游机器人会被要求在各种各样的场地上活动，因此它的行走机构的结构形式有很多种.当前，对腿足式行走机构、履带式行走机构和特殊行走机构的研究比较的多，但很大一部分的研究还处在实验室验证的阶段.轮式行走机构由于控制起来比较的简单，稳定性也好定，并且轮式行走机构的行进方式是滚动前进的，滚动摩擦所消耗的能源比其它的行进方式要少很多，所以轮式行走机构正在向实用化迅速发展[7]。

（2)运动控制技术.成熟的运动控制技术是导游机器人整体性能的基础，由于导游机器人的手臂部分是一个不完整约束的结构，因此,控制系统不能通过连续可微的时不变的状态反馈加以镇定。

为此，通过时变、不连续控制以及混合策略，根据动力学模型和运动学模型,建立合理的反馈控制律，实现速度和转向的自动控制，以及不同工作状态之间的平稳过渡，是该项技术的核心内容[8］.(3）路径规划技术。

路径的规划技术主要包括基于地理信息的全局路径规划技术和基于传感信息的局部路径规划技术［9］.导游机器人在行进的过程中，可能会遇到各种各样的障碍，如果不能很好的避开这些障碍，导游机器人的移动就会存在着很多的未知风险,所以路径的规划技术,对于导游机器人来说，是十分重要的.(4）实时视觉技术。

实时的视觉技术主要包括视觉信息的实时采集、信息的处理、主要信息的提取跟识别。

视觉信息的处理能力、处理速度、处理的可靠性和准确性是决定导游机器人智能系统性能的决定性因素［10］。

（5)定位和导航技术.定位和导航技术是当前导游机器人研制的重点，它是导游机器人运动控制的基础，只有准确的定位,才能准确的控制导游机器人的移动。

位移的测量方法有两种，分别是相对测量法和绝对测量法,位置的测量方法有里程计、惯性导航、主动灯塔、磁罗经、GPS 系统、地图模型匹配和自然路标导航等［11]。

1.4 本课题的来源和研究内容本课题是来源于某科技馆的实际项目,并结合了实际生活中轮式行走机构应用的广泛性而进行的设计。

轮式行走机构相对于履带式、腿足式和特殊行式等［12,13］，具有结构简单、能源利用率高、设计方便、成本低等诸多优点，但是它的使用环境比较单一，只能在较为平整稳的环境中行走。

轮式行走机构也分单轮、两轮、三轮、和四轮等［14，15］。

由于单轮和两轮行走机构比较复杂，很多问题的解决超出本课题所要求的范围，所以本设计就没有对此两种行走机构进行考虑。

设计之初考虑的方案有三轮行走机构和四轮行走机构。

方案一：三轮行走机构优点：①成本低。

②质量轻。

缺点:稳定性较差。

方案二:四轮行走机构。

优点：稳定性好。

缺点：①结构复杂，成本较高。

②质量重。

由于展馆的地面比较平整，三轮机构和四轮机构的稳定性区别不大，综合考虑本设计决定采用三轮行走机构.图1.1是确定的三轮机构的设计方案，后面将对此方案的规划进行详细的设计和计算.图1.1 设计方案简图如图1。

1所示，驱动部分是由驱动电机带动减速器的轴转动，通过减速器的减速，使系统的转速下降，再由减速器将转动传递给一对相互啮合的齿轮，再通过齿轮将转动传递给驱动轮，使导游机器人前进。

转向部分是由转向电机带动一对相互啮合的齿轮，再通过齿轮的转动，带动转向轮转向的。

图中驱动电机为伺服电机，伺服电机的特点是结构比较简单、比较的坚固能用很长时间、可靠性也较高，转矩的脉动低，噪声小，不需要位置传感器，转速也可以很高。

伺服电机矢量控制调速技术比较成熟，这就使得采用伺服电机驱动的系统相比较而言具有一定的优势，伺服电机的转速通常较快，又由于导游机器人的行进的速度较慢，所以在驱动电机和工作轴之间要有减速机构,图中的减速器就是减速机构。

驱动轮和驱动副轮是单独安装，目的是为了转向的方便,如果将两个轮子装在同一轴上,转向时由于是同一轴来驱动的，无法做到差速转向,会给转向带来一定的麻烦。

图中的转向电机为步进电机，步进电机不同与伺服电机,它是开环的.它的角位移或线位移是通过脉冲信号控制的。

在不超载的情况下，步进电机的止动的位置、转速仅仅是由脉冲信号的频率和脉冲数决定的，而不受负载变化的影响，也就是说给电机加一个脉冲信号,电机就转过一个步距角.加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点.使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

转向电机和转向轮之间用两个相同的齿轮来传动，齿轮传动平稳可靠、传动比精度高、工作效率好、使用寿命长。

齿轮传动的使用功率、转速和尺寸的范围都很宽。

2 驱动部分设计2.1 设计概述驱动部分的设计首先要确定驱动的方案（在前面已经确定过了)，即选用什么样的电机、是否设置减速机构、轮子的直径大小以及各部分的连接.考虑到是展馆导游机器人，行进的速度并不快,并且要求的是用蓄电池供电，能比较长时间的连续工作,考虑到这些问题之后，初步确定选用的是小功率的伺服电机。

由于伺服电机的转速一般都较快，所以设计中考虑选用减速机构。