关于智能机器人的运动特点及控制系统特点的具体探究

[摘 要]智能机器人则是一个在感知、思维、效应方面全面模拟人的机器系统，外形不一定像人。它是人工智能技术的综合试验场，可以全面地考察人工智能各个领域的技术，研究它们相互之间的关系。还可以在有害环境中代替人从事危险工作、上天下海、战场作业等方面大显身手。

[关键词]机器人，矢量描述，旋转交换，图像传感器，舵机，白线检测光电传感器

中图分类号：tp342 文献标识码：a 文章编号：1009-914x（2013）23-0092-03

机器人是一种可编程和多功能的，用来搬运材料、零件、工具的操作机，或是为了执行不同的任务而具有可改变和可编程动作的专门系统。一部智能机器人应该具备三方面的能力：感知环境的能力、执行某种任务而对环境施加影响的能力和把感知与行动联系起来的能力。

在各国的智能机器人发展中，美国的智能机器人技术在国际上一直处于领先地位，其技术全面、先进，适应性也很强，性能可靠、功能全面、精确度高，其视觉、触觉等人工智能中国起步较晚，而后进入了大力发展的时期，以期以机器人为媒介物推动整个制造业的改变，推动整个高技术产业的壮大。

本文对智能机器人的现状和发展趋势进行了综述，分析了国内外的智能机器人的发展，讨论了智能机器人在发展中存在的问题，并对智能机器人的运动特点和结构组成进行了具体的探究，最后提出了对智能机器人发展的一些设想。

现在我们就来对机器人的运动特点从下面几个方面进行具体的探讨：

一、机器人的位姿描述

对于机器人来说，我们最关心的，就是它的末端执行器相对于基座的位置和姿态，简称为位姿。

1 机器人位姿的表示

坐标系建立后，任意点p在空间的位置可以用矢量来描述，或用一个3×1的列矩阵描述；例如，点p在{a}坐标系中可表示为：

2 姿态（或称方向）的表示

我们知道：两个刚体的相对姿态可以用附着与它们上的坐标系来描述。刚体的姿态可以用附着于刚体上的坐标系来表示；因此，刚体b相对于刚体a的姿态等价于附着于刚体b的坐标系{b}相对于附着于刚体a的坐标系{a}的姿态。

坐标系{b}相对于{a}的姿态表示可以用坐标系{b}的三个基矢量xb、yb和zb在{a}中的表示给出：

这里前上标a说明：{b}的三个基矢量在a坐标系中表示。

既：

它的每一列为 {b}的基矢量在{a}中的分量表示。

基矢量都是单位矢量，因此，上式又可以写成：

称为坐标系{b}相对{a}的旋转矩阵。

3 位姿的统一表示

定义一组四向量矩阵[r p]，如图。其中，表示{j}相对{i’}的姿态，表示{j}的原点相对{i}的位移。

我们可以将{j}坐标系相对{i}坐标系描述为：

二、对位姿描述进行齐次变换及运算

1 点在不同直角坐标系中表示

㈠坐标系间平移

设坐标系{i}和坐标系{j}具有相同的姿态，但它俩的坐标原点不重合，若用3×1矩阵ipjorg表示坐标系{j}的原点相对坐标系{i}的位置，则同一点p

在两个坐标系中的表示的关系为：

㈡坐标系间旋转

设坐标系{i}和坐标系{j}的原点重合，但它俩的姿态不同。设有一向量p，它在{j}坐标系中的表示为jp，它在{i}中如何表示？

设：

其中： 是向量p相对{j}坐标系的坐标分量。

如何求向量p在{i}中的表示 ？

设：

㈢常用的旋转变换

① 绕z轴旋转θ角

坐标系{i}和坐标系{j}的原点合，坐标系{j}的坐标轴方向相对于坐标系{i}绕z轴旋转了一个θ角。θ角的正负一般按右手法则确定，即由z轴的矢端看，逆时钟为正。

设矢量p在{j}中的分量表示为[xj ，yj ，zj]，则在{i}坐标系的表示为：

② 绕x轴旋转α角的旋转变换矩阵为：

③ 绕y轴旋转β角的旋转变换矩阵为：

④ 绕任意轴的转动

设绕k=[kx，ky，kz]t轴转动θ角，则旋转矩阵为：

其中：

㈢ 旋转矩阵的解释

对同一个数学表达式可以给出多种不同的解释，例如：旋转矩阵可用于表示向量相对坐标系的旋转。

㈣ 联合（旋转+平移）

设坐标系{i}和坐标系{j}坐标原点不重合并具有不同的姿态，可认为{j}先旋转r再平移pjorg得到。则空间任一矢量在坐标系{i}和坐标系{j} 之间有以下关系：

2 齐次坐标变换

㈠齐次坐标的定义

空间中任一点在直角坐标系中的三个坐标分量用表示，若有四个不同时为零的数与三个直角坐标分量之间存在以下关系：

则称是空间该点的齐次坐标。

㈡齐次坐标变换与位姿矩阵

为何使用齐次坐标？在进行联合变换时，变换关系为：

相比单步变换中的平移变换矩阵或旋转变换矩阵，上述表示就显得非常繁琐，不便于矩阵计算；这时，p在{i}和{j}坐标系中的齐次表示分别为：

和

联合变换的计算公式就可以用齐次坐标写成：

①齐次坐标变换矩阵的意义

若将齐次坐标变换矩阵分块，则有：

联合变换与单步齐次变换矩阵的关系：任何一个齐次坐标变换矩阵均可分解为一个平移变换矩阵与一个旋转变换矩阵的乘积，即：

②齐次坐标变换的相对变换问题

对一个向量绕坐标系或一个坐标系绕另一坐标系进行一系列的连续旋转的情况（这种旋转称为绝对旋转）。

③齐次变换的逆变换

逆变换的运动学意义：

设正齐次变换为mij，它表示先旋转后平移，或{j}在{i}中表示。由于：

可见，mji可理解为{i}在{j}中表示，称其为mij 的逆矩阵。

从右图中，我们可以看出正、逆变换间的运动学意义：顺序颠倒，符号取反。

根据上述规律，可推出更一般的计算公式，设：

则：

进行齐次变换的逆变换计算时，即可以按运动学意义来计算，也可以套公式。对一些简单问题，按按运动学意义来计算更方便。

⑤ 联合变换与单步齐次矩阵的关系

当空间有任意多个坐标系时，若已知相邻坐标系之间的齐次坐标变换矩阵，则由坐标变换相乘，原理可知：

这样就得到了{n}坐标系相对{0}坐标系的用表示的位姿。

对齐次变换矩阵，它左边变换矩阵的从右向左依次对基坐标系进行绝对运动，而它右侧的变换矩阵从左向右依次进行相对平移或旋转运动。

由此可知，建立机器人的坐标系，可以通过齐次坐标变换，将机器人手部在空间的位置和姿态用齐次坐标变换矩阵描述出来，从而建立机器人的运动学方程。

接下来本人就对机器人的控制系统特点进行具体的阐述：

机器人一般是由：机械部分；传感器（一个或多个）；控制器；驱动源。这四个部分组成。其中电控部分包括：（如下图）

电控系统结构框图：（如下图）

三、机器人的动力系统

1. 直流电机：电机是利用电磁感应原理工作的机械。

㈠直流电机构成：减速箱和直流电机；减速箱又名“减速机”等，是一种降低电机转速和放大电机扭矩的装置。

㈡电机拖动系统：

㈢直流电机的机械特性

红线为正极，黑线为负极：

a电流红进黑出，电机正转。b电流红出黑进，电机反转。

㈤ 直流电机的调速方式

a pwm波调速：改变电压的占空比，使平均电压随占空比的变化而变化，从而达到调节电机转速的目的。

b 如果脉冲周期足够短，电机就能很平滑的转动。一般取周期为5ms。

直流电机的继电器驱动方式

㈤驱动方式特点：

a mos管的通断实现电机调速；

继电器实现电机换向；详细内容见电路图。

b 继电器的换向速度为2ms；

h桥换向速度低于1us。

c 电路比较复杂，若是同臂导通，会烧毁mos管甚至电池。

d mos管导通后，d和s之间的电阻<0.1欧。

e 我们使用专门的h桥芯片ir2104。

f 电机控制盒

g 专用电机控制芯片如l293 、 l298n、lmd18200、lg9110 等……

㈥ 直流电机的速度闭环

a 即使电机两端电压不变，如果负载变化，电机的转速也会变化。

b 如果使用光电编码器，测量电机的转速，与理想的转速做pid调节，就能保持电机在变化负载下的恒速。

c 光电编码器是高精度控制系统常用的位移检测传感器。

d 光电编码器的输出为a、b脉冲信号。a、b相信号相位相差90度。

2.舵机

㈠舵机是一种航模用品，优点是重量轻、力矩较大、控制简单（pwm波）。

㈡输出角度值：0-180°（理论值）。

㈢控制信号：周期20ms的矩形波，脉冲宽度从0.5ms-2.5ms线性对应舵盘的位置0-180度。

四. 机器人的感知系统

机器人的感知系统由传感器组成。传感器相当于机器人的五官，在机器人控制中起着至关重要的作用。

典型的传感器有：

① 光电传感器（ 反射，对射），红外传感器

② 光纤传感器

③ 行程开关

④ 磁传感器（霍尔元件）

⑤ 超声波传感器

⑥ 图像传感器（ccd，cmos）……

1. 光电巡线传感器

光源发出的光线经过被测物体反射后，由光敏元件接收，当照射在黑线上时，反射光较弱，照射在白板上时，反射光较强。

㈠ 发射电路

㈡ 接收电路

a接受电路的主要元件是接收管，是光敏三极管的一种。一般的接收管；

b接收到光时输出低电平（输出0），即在白条上；

c接收不到光时为高电平（输出1），即在场地其他颜色上。

2. 红外探障传感器

红外探障传感器的发射管发射的是红外光，即非可见光，而接收管也只能接收到红外光.

3. 白线检测光电传感器

普通光电传感器，为红色可见光带调制的传感器，其可见光的强度可通过的传感器上的多圈电位器进行调节，即灵敏度可调。

五、开关量传感器状态读取

开关量传感器信号直接与单片机i/o口相连，读取i/o口电平即可获取传感器的当前状态。

六、传感器状态分析：

七、控制机器人的核心cpu：avr单片机

avr单片机是1997年由atmel公司研发出的增强型内置flash的risc（reduced instruction set cpu） 精简指令集高速8位单片机。avr单片机有如下的几点优势特征：

●简便易学，费用低廉

对于非专业人员来说，选择avr单片机的最主要原因，是进入avr单片机开发的门槛非常低，只要会操作电脑就可以学习avr单片机的开发。

●高速、低耗、保密

avr单片机是高速嵌入式单片机，其特点是：具有预取指令功能；多累加器型，数据处理速度快；中断响应速度陕。avr单片机的耗能很低，对于典型功耗情况wdt关闭时为100na，更适用于电池供电的应用设备。

●i/o口功能强，具有a/d转换等电路

avr单片机的i/o口能正确反映输入/输出的真实情况。内带模拟比较器，i/o口可用作a/d转换，可组成廉价的a/d转换器。

●有功能强大的定时器（计数器）及通讯接口

avr单片机有串行异步通讯uart接口，不占用定时器$口spi同步传输功能。因其具有高速特性，故可以工作在一般标准整数频率下，而波特率最高可达576k。

最后，对于智能机器人来说，还有很多很多的工作要做；今天本人只是针对其运动和控制特点进行了一些探讨；如有纰漏敬请谅解！

参考文献

[1] 吴宗泽、罗圣国著《机械设计课程设计手册第二版》吴宗泽、罗圣国著.

[2] 《互换性与技术测量》廖念钊、莫雨松、李硕根、杨兴骏著.

[3] 《计算机工程制图》陈锦昌、刘就女、刘林著.

[4] 《机械制造装备设计》冯辛安、黄玉美、杜君文著.

智能机器人的运动特点及控制系统特点