試析移動機器人控制系統的設計

常緒成 王繼東

【摘 要】移動機器人是現今科學技術發展下的產物，智能機器人的出現不僅縮減了人們的工作量，也為我國經濟實力的增強奠定了基礎。控制系統是移動機器人中較為重要的組成部分，也是機器人各項工作開展的基礎。只有保證控制系統設計的合理性，才能提升移動機器人的使用效率，促進其作用的發揮。

【關鍵詞】移動機器人；控制系統設計；合理性；

本文通過閱讀文獻，了解了目前對移動機器人的研究情況和機器人的軟硬件開發原理，以及如何能夠設計出智能的機器人控制系統。首先對移動機器人控制系統進行簡要的說明，接著給出了簡要的控制系統研究現狀，最后參考文獻：中機器人組成部分，比如：夾持機構、行走機構、顏色識別模塊、控制器等，對實現方法進行了簡要的總結說明[1]。

1移動機器人控制系統

移動機器人控制模式主要有4種，分別為推理型、反應型、混合型和基于行為的控制[2]。

推理型主要采用自上而下的控制方式。其于機器人中樞位置設置模型，從而對傳感器采集的信息進行驗證，驗證后方可發出指令，該模式在早期的移動機器人當中得到了較為廣泛的應用，其推理性和思維能力較強，但是在適應性和實時響應上較差，因此一般應用于結構化及可預期的場景[2]。

反應型主要采用自下而上的控制方式，傳感信息可直接控制機器人驅動，其無需構建模型，規則不多，主要以場景感應的方式來執行動作，該控制模式具有良好的實時性，同時也可對非結構化及富于變化的場景做出準確的反應，但是其在信息存儲和學習規劃上存在著明顯的不足，因此運行的靈活性較差[2]。

混合型主要融合了上述兩種控制方式各自的優點，其主要由反應層、規劃層和協作層構成，所以其也被稱為三層式結構。卡內基梅隆大學的XAVIER系統就是該形式的典型代表[2]。

基于行為控制的方式是在推理型及反應型之間的一種方式，我們也可將其視為反應型策略的拓展延伸，其本質上是一種任務分解的控制方式，接收信息后不同模塊可結合自身的任務和特點進行妥善處理和合作[2]。

2國內移動機器人控制系統的研究現狀

國內最早的機器人系統是OSMOR系統，該系統為攝像機云臺及作業手等分系統設計完善的三層結構，該結構可實現規劃、運動學計算和伺服控制等功能。同時系統傳傳感器處理的特點十分鮮明，其利用全局數據庫實現了傳感器數據的獨立處理，有效減少了傳感器多樣性和數據復雜性的負面影響。系統以Windows操作系統為基礎，具有開放的體系結構，由于其是一種實驗室自主研發的系統，因此在市場覆蓋率上不夠理想，且后續研究不夠充分[2]。

近幾年，很多大學均對移動機器人控制系統進行了研究，中南大學的研究人員研究了以金華思想為基礎的機器人功能/行為集成控制體系架構，同時研發了室外汽車自主導航系統。浙江大學創建了以混合控制模式為基礎的室內移動控制機器人原型，南京理工大學研發了微小型多機器人系統，并提出了分布式多Agent系統，其均以行為控制模式為基礎[2]。

此外，足球比賽機器人研發也取得了較大的進步，其可分為集控式和自控式兩種不同的形式，研究人員研發了應用于自主式足球機器人的底層控制系統，河南大學對集控室足球機器人的工作方式進行了研究，清華大學則對多機器人協作的足球機器人進行了研究，但是始終未形成完整的系統框架[2]。

3移動機器人控制系統設計

3.1夾持機構方案設計

移動機器人的夾持機構主要對不同高度上的物體進行夾取作業，比如應用于碼垛機器人。加持機構分為升降機構和夾取機構兩部分內容[1]。其中升降機構是由升降電機、絲杠螺母、限位光電開關和連接構件組成的；夾取機構則是由舵機、齒輪齒條、直線導軌、手爪和連接構件組成的。升降機構主要是將手爪送到制定高度位置，并在拿取完物品后恢復到原來的位置。夾取機構則是對手爪的張開和閉合狀態進行控制。

升降機復位的具體操作流程為：升降電機運轉過程中帶動絲杠螺母操作，從而讓夾取機構向下運行，直至限位光電開關位置上，這時編碼器中的數值指向為零，完成復位操作。在復位操作完成后，需要在編碼器上設置一定的脈沖值，以確保移動機器人手爪可以達到預定的取物高度。之后通過編碼器的直流電機來帶動升降結構運行，保讓其達到指定位置。

在手爪達到指定高度后，先要將舵機轉動一定角度，之后在齒輪齒條的帶領下，讓舵機機構完成直線運動，沿著直線軌跡進行物體的抓取。采用180°角度舵機進行控制，當給舵機發送一個占空比為0-1的PWM信號時，便可使舵機轉過一定的角度，利用齒輪齒條機構與直線導軌機構便可實現手爪的張開與閉合。

3.2行走方案設計

移動機器人用于復雜地形的地形運輸等場景，比如礦山救險等環境。移動機器人的行走主要是通過麥克納姆輪的安裝以及4個直流電機驅動實現的[1]。麥克納姆輪的靈活性相對較高，將其安裝在移動機器人上，能夠實現移動機器人的全向移動。

麥克納姆輪的四個輪子之間具有一定的約束能力，所以在設計過程中，需要對每個輪子的轉速實行合理控制和精確化設計，以減少與地面之間的摩擦力，保證機器人底盤的正常運轉，延長麥克納姆輪的使用壽命。同時為了加強安裝的合理性以及運行的穩定性，需使用帶編碼器的電機對其進行控制。

除了對輪子轉速實行控制外，還要合理設計輪子的轉動方向，以確保其與機器人移動的協調性。通常情況下，麥克納姆輪的輪轂軸與輥子軸會形成45度角的組合形式，以此來加強移動過程中的配合。

3.3顏色識別模塊的設計

顏色識別模塊是通過攝像頭完成物體信息的采集，再將采集到的信息數據傳輸給控制器，在控制器處理后，實行物體顏色的識別，進而對機器人的相應動作給予指導[1]。通過顏色識別，移動機器人可以實現對復雜環境的智能識別等功能。

結合目前生產作業的具體要求，移動機器人需要識別的主要顏色為紅、白、黃、黑這四種，然后利用一種攝像頭對顏色完成拍照，并將拍下的照片傳輸到及其視覺開發和應用軟件中予以識別處理，在處理完成后，會自動生成一個LABVIEW的程序框圖，其中含有NIVI-SIONASSISTANT建模時一系列操作的相同功能。在圖片導入完成后，機器視覺開發和應用會將圖片轉化成二值圖像，然后選取圖片所在區域的位置，然后該軟件會結合圖片及其位置信息生成一個虛擬儀器模塊，LABVIEW可以直接調取這個虛擬儀器模塊，進而完成顏色識別，并將識別的顏色信息存儲到相應數組中來。之后再通過軟件自動功能的應用，將圖片中的灰度值進行準確計算，通過灰度值的不同來判斷不同的顏色種類，有效區分各種顏色特征，機器人會根據最終的分析結果以及指令要求開展相應工作。

3.4控制器的選擇和程序的整體設計

為了提高移動機器人整體控制設計的質量，需要對其實施數字量、模擬量以及視頻的有效處理。文獻中主要以嵌入式開發平臺中移動機器人控制器的設計為主要研究對象，在該平臺內，內嵌芯片的應用能夠讓設計人員利用軟件的實時性和可定制性功能實現1/0程序編寫，增強了機器人控制程度修改的便利性[1]。

在整個控制系統設計中，設計人員先要對單獨的控制系統實行調試和完善，之后再將所有的系統予以整合，以此來保證機器人移動、色彩識別、物體夾取等工作的有序完成。LABVIEW軟件提供了循環、分支和順序這三種程序結構。其通過該軟件的應用為程度編寫提供了公式節點功能，更好的提升了三種程序結構之間的協調性和配合性，不僅做到了功能的整合與高效應用，也保證了結構輸入和輸出量編寫的合理性。

4結語

綜上所述，本文主要就移動機器人控制系統的基本功能、國內移動機器人的研究現狀進行了介紹，并給出了應用于生活及戶外工作領域的機器人控制系統設計方案，希望能夠以此為大家提供一些有價值的參考。

基金項目：河南省科技發展計劃（182102210598）

參考文獻：

[1] 王云磊，祁宇明，丁大寶.移動機器人控制系統的設計[J].電氣傳動自動化，2017，39（3）：21-23.

[2] 李文鋒，張帆等.移動機器人控制系統結構的研究與進展[J].中國機械工程，2008，19（1）：114-119.

（作者單位：1鄭州航空工業管理學院；2鄭州工程技術學院）