一种便携式移动侦察机器人的设计与实现

摘要

便携式移动机器人具有体积小、机动性强、转向灵活、携带方便等特点，同时也能适应复杂环境，实现对周边场景有效侦测，广泛应用于灾难营救、反恐防爆、军事作业、核设施检查等领域。
　　本文设计并实现了一种便携式移动侦察机器人，尺寸为32cm×26cm×10cm，重约3.5kg，侧面有两个长为20cm的杆臂，用于实现越障运动。该机器人主要是由机体、履带驱动机构、杆臂驱动机构组成。机器人控制系统硬件平台包括主控模块、通信模块、电源模块以及多传感器信息采集模块。在移动机器人硬件平台基础上，进行了机器人软件设计，软件设计包括主程序、功能控制程序、串口通信程序以及网络通信程序。
　　对移动机器人样机基本性能进行了实验研究。基本性能实验包括水平运动实验，越障性能实验以及传感器功能实验。水平运动实验结果表明该机器人最大直线运动速度为1.61m/s以及转向运动偏心距离与速度成负相关关系。越障性能实验是对机器人直接越障、正向攀爬和反向攀爬三种越障方式进行测试，结果表明直接越障、正向攀爬和反向攀爬的最大高度分别为80mm、100mm和230mm，并对这三种越障方式优缺点进行了对比分析。
　　在移动机器人平台基础上，设计了一种基于振动触觉的移动机器人为人导航系统。该系统包括上述小型移动机器人、Kinect体感设备、ZigBee无线通信模块、振动触觉腕带装置和PC上位机。移动机器人搭载Kinect体感设备，结合振动触觉腕带装置实现机器人为人导航的功能，即引导使用者在预先规划好的路径上行走。整个为人导航过程中人和机器人的距离和角度偏差控制在一定范围内，最终使人安全准确到达目的地。振动触觉腕带装置的实用性以及本系统的有效性在实际实验中均得到验证。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题背景及意义

1．2 国内外移动机器人的研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 本文主要研究内容

1．3．1 研究目的与意义

1．3．2 本文主要工作

1．3．3 内容安排

1．3．4 项目支持

第二章 移动机器人机构设计与动力学分析

2．1 机器人的机构设计

2．1．1 机器人的整体架构

2．1．3 杆臂驱动机构设计

2．1．3 履带驱动机构设计

2．2 机器人运动机理分析

2．2．1 水平直线运动分析

2．2．2 水平转向运动分析

2．2．3 越障性能理论分析

2．2．4 爬坡性能理论分析

2．3 本章小结

第三章 移动机器人控制系统设计

3．1 机器人控制系统总体设计

3．2 机器人硬件平台搭建

3．2．1 主控制器模块

3．2．2 电源模块

3．2．3 无线通信模块

3．2．4 功能模块

3．3 机器人下位机软件设计

3．3．1 主程序

3．3．2 网络通信程序

3．3．3 串口通信程序

3．3．4 功能模块程序

3．4 上位机软件设计

3．5 本章小结

第四章 移动机器人基本性能实验

4．1 水平运动实验

4．1．1 直线运动

4．1．2 转向运动

4．2 越障性能实验

4．2．1 杆臂精度测试

4．2．2 越障方式

4．2．3 越障方式对比与分析

4．3 传感器功能实验

4．3．1 红外传感器测试

4．3．2 防跌落传感器测试

4．4 本章小结

第五章 移动机器人为人导航系统研究

5．1 引言

5．2 导航系统的设计方案

5．2．1 移动机器人实验平台

5．2．2 振动触觉腕带装置

5．3 导航算法研究

5．3．1 领导者-跟随者控制模型

5．3．2 机器人为人导航算法

5．4 机器人为人导航系统实验

5．4．1 腕带装置振动识别率实验

5．4．2 机器人为人导航系统实验

5．5 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文工作总结

6．2 未来工作展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间的科研成果