基于接触传感器的球形机器人运动控制研究
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摘要
在新技术的推动下,机器人技术有了长足的发展。球形机器人是一种特殊的移动机器人,它将运动执行机构、传感器、控制器、能源装置都内置于一个球形壳体内部。球形机器人具有对环境的适应能力强、运动不受限制、低功耗等特点,在各领域内有着广泛的应用前景。球形机器人在运动过程中不可避免的会遇到爬坡等问题,目前在未知角度的斜面上的运动控制效果并不理想,针对这个问题本文研究并设计了一种基于接触传感器的球形机器人运动控制系统。
首先,研究球形机器人机构和运动特点,并建立球形机器人的爬坡模型进行动力学分析,提出球形机器人运动平衡条件,并对现有的控制系统进行总结分析,在此基础上提出了基于接触传感器的球形机器人运动控制系统方案。
其次,研究球形机器人本体控制系统,完成球形机器人本体控制系统的设计；研究传感器的工作原理和敏感材料,结合球形机器人的自身特点,确定了球形机器人阵列式接触传感器使用压阻原理,并选用轻触开关作为敏感器件,采用球面四元三角网络模型来均分球面的布局方案,并完成阵列式接触传感器样机研制；研究了在此模型下的地址编码、地址编码与经纬度转换、临近搜索等算法及球形机器人运动控制算法。
再次,提出基于接触传感器球形机器人运动控制系统的软硬件设计方案,分别对本体控制系统和传感器测量系统进行了硬件与软件的设计,并使用VC++编写了本系统的控制显示软件,完成了整个系统软硬件调试。
最后,搭建实验平台,先通过对阵列式接触传感器测量系统获取的数据进行分析,论证了该传感器系统的精度,实时性等性能；并通过爬坡实验,验证了本控制系统方案的可行性。
In the promotion of science and new technology development, the mobile robot has got rapidly development. Spherical robot is a special kind of mobile robot, it places sport actuators, sensors, controller and energy device inside a spherical shell internal. Compared with other mobile robots, Spherical robot is more flexible, adaptable with low energy consumption which has a broad prospect of application in military, industry, aviation and civil fields, etc. However, spherical robot will inevitably encounter the problem of climbing in movement. Currently, the motion control on the unknown angle bevel is not ideal. A spherical robot contact sensor-based motion control system is designed in this paper to solve the problem.
Firstly, researching the structure and sport characteristic of spherical robot, establishing its climbing model and making kinetic analysis to give the movement balance condition of spherical robot. Putting forward a suitable array type of contact sensor system design scheme based on the conclusion of existing control system.
Secondly, researching the noumenon control system of spherical robot to achieve the design, researching the sensor principles and sensitive materials, combing its characteristic to make sure pressure resistance principle of array type contact sensor in the spherical robot. Using light touch switch as the sensitive device and sensor unit layout as the scheme which can equal divide sphere with QTM. Completing the prototype production of the array type contact sensor. Then studying address coding, coordinate transformation and near searching algorithm according the model and spherical robot motion control algorithm.
Thirdly, putting forward the hardware and software design scheme of spherical robot based on array type contact sensor system, completing hardware and software design of the noumenon control systems and sensor measurement system; Completing PC control and display software system in VC++programming environment, then completing the entire system hardware and software debugging.
Finally, building an experiment platform, demonstrating the accuracy of the sensor system through data analysis obtained by the array of contact sensor measurement system and real time performance, etc. By climbing experiment, verifying the feasibility of this control system solutions.
首先,研究球形机器人机构和运动特点,并建立球形机器人的爬坡模型进行动力学分析,提出球形机器人运动平衡条件,并对现有的控制系统进行总结分析,在此基础上提出了基于接触传感器的球形机器人运动控制系统方案。
其次,研究球形机器人本体控制系统,完成球形机器人本体控制系统的设计；研究传感器的工作原理和敏感材料,结合球形机器人的自身特点,确定了球形机器人阵列式接触传感器使用压阻原理,并选用轻触开关作为敏感器件,采用球面四元三角网络模型来均分球面的布局方案,并完成阵列式接触传感器样机研制；研究了在此模型下的地址编码、地址编码与经纬度转换、临近搜索等算法及球形机器人运动控制算法。
再次,提出基于接触传感器球形机器人运动控制系统的软硬件设计方案,分别对本体控制系统和传感器测量系统进行了硬件与软件的设计,并使用VC++编写了本系统的控制显示软件,完成了整个系统软硬件调试。
最后,搭建实验平台,先通过对阵列式接触传感器测量系统获取的数据进行分析,论证了该传感器系统的精度,实时性等性能；并通过爬坡实验,验证了本控制系统方案的可行性。
In the promotion of science and new technology development, the mobile robot has got rapidly development. Spherical robot is a special kind of mobile robot, it places sport actuators, sensors, controller and energy device inside a spherical shell internal. Compared with other mobile robots, Spherical robot is more flexible, adaptable with low energy consumption which has a broad prospect of application in military, industry, aviation and civil fields, etc. However, spherical robot will inevitably encounter the problem of climbing in movement. Currently, the motion control on the unknown angle bevel is not ideal. A spherical robot contact sensor-based motion control system is designed in this paper to solve the problem.
Firstly, researching the structure and sport characteristic of spherical robot, establishing its climbing model and making kinetic analysis to give the movement balance condition of spherical robot. Putting forward a suitable array type of contact sensor system design scheme based on the conclusion of existing control system.
Secondly, researching the noumenon control system of spherical robot to achieve the design, researching the sensor principles and sensitive materials, combing its characteristic to make sure pressure resistance principle of array type contact sensor in the spherical robot. Using light touch switch as the sensitive device and sensor unit layout as the scheme which can equal divide sphere with QTM. Completing the prototype production of the array type contact sensor. Then studying address coding, coordinate transformation and near searching algorithm according the model and spherical robot motion control algorithm.
Thirdly, putting forward the hardware and software design scheme of spherical robot based on array type contact sensor system, completing hardware and software design of the noumenon control systems and sensor measurement system; Completing PC control and display software system in VC++programming environment, then completing the entire system hardware and software debugging.
Finally, building an experiment platform, demonstrating the accuracy of the sensor system through data analysis obtained by the array of contact sensor measurement system and real time performance, etc. By climbing experiment, verifying the feasibility of this control system solutions.
引文
[1]A.Halme, T. Schonberg and Y. Wang, "Motion Control of a Spherical Mobile Robot," 4thIEEE International Workshop on Advanced Motion Control AMC'96, Mie University,Japan 1996. pp:259-264.
[2].Mukherjee, M. A. Minor, and J.T. Pukreshpan, "Simple motion planning strategies for Spherobot:a spherical mobile robot," Proc. IEEE Int. Conf. on Decision and Control, pp. 2132-2137,1999.
[3]A. H. Javadi. A, Puyan Mojabi, "Introducing August:A Novel Strategy for An Omnidirectional Spherical Rolling Robot", Proc. IEEE Int. Conf. on Robotics and Automation, Washington, DC, May 2002. pp:3527-3533.
[4]F. C. Bruhn, K. Pauly and V. Kaznov, "Extremely Low Mass Spherical Rovers for Extreme Environments and Planetary Exploration Enabled with Mems," Proc. of'The 8th International Symposium on Artifical Intelligence. Robotics and Automation in Space-iSAIRAS'. Munich, Germany. September 2005. Video Clip.
[5]T. Otani, T. Urakubo etc, "Position and Attitude Control of a Spherical Rolling Robot Equipped with a Gyro" AMC'06-Istanbul, Turkey,2006 IEEE, pp416-421.
[6]Jayoung Kim, Hyokjo Kwon. A Rolling Robot:Design and Implementation. Proceedings of the 7th Asian Control Conference.2009,8.pp.1474-1479
[7]Joong-Cheol Yoon, Sung-Su Ahn. Spherical Robot with New Type of Two-Pendulum Driving Mechanism. International Conference on Intelligent Engineering Systems.2011,6. pp.275-279.
[8]孙汉旭,贾庆轩,肖爱平等.一种双驱动全方位球形机器人的设计与应用.2003年机械工程学会年会.2003年11月.
[9]肖爱平,孙汉旭,谭月胜,马国维,赵勇一种球形机器人运动轨迹规划与控制机器人.Vo1.26,No.5,P444～447,2004年9月
[10]Wang, Liangqing, Sun, Hanxu; Jia, Qingxuan etc. Positioning approach of a spherical rolling robot. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, v 6006, Intelligent Robots and Computer Vision XXIII:Algorithms, Techniques, and Active Vision,2005. International Society for Optical Engineering.
[11]Xiao, Ai-Ping, Sun, Han-Xu; Tan, Yue-Sheng etc. Kinematics analysis on a spherical robot. Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering, v 6006, Intelligent Robots and Computer Vision XXIII:Algorithms, Techniques, and Active Vision, 2005,.International Society for Optical Engineering.
[12]肖爱平,一种新颖的球形运动机器人的研究,北京邮电大学博士研究生学位论文,2005
[13]肖爱平,孙汉旭,廖启征.一种球形机器人的设计与原理分析.机电产品开发与创新.Vol.17,No.1,2004年1月.P14-16.
[14]肖爱平,孙汉旭,谭月胜.基于蓝牙技术的机器人模块化无线通信设计.北京邮电大学学报.Vol.27,No.1,2004年2月.P75-78.
[15]肖爱平,孙汉旭,谭月胜.基于DSP的无线运动控制方法.机电产品开发与创新.Vol.17,No.4,2004年7月.P1～3.
[16]肖爱平,孙汉旭,谭月胜等.基于TMSLF2407A的运动控制开发方法.机械与电子.2004年第7期.2004年7月.P50-51.
[17]肖爱平,孙汉旭,廖启征等.一种球形机器人的运动特性分析.机电产品开发与创新.Vol.18,No.1,2005年1月.P1-4.
[18]付清岭,全方位球形机器人的研究,北京邮电大学硕士研究生学位论文,2003。
[19]战强、贾川、马晓辉、陈明.一种球形机器人的运动性能分析.北京航空航天大学学报。Vol.31,No.7,P744-747,2005年7月；
[20]李晓峰.内外兼备的球形机器人运动学及动力学研究,[硕士学位论文].西安：西安电子科技大学.2009
[21]王鹏飞,王鑫.一款微小球形机器人的动力学分析.哈尔滨工业大学学报.2010,9
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[28]张胜茂,基于止八面体球面离散格网模型的全球遥感影像浏览系统的研究,华东师范大学博士研究生学位论文,2009
[29]刘颖,触觉传感器阵列信息获取与分析处理,重庆大学硕士研究生学位论文,2007
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[31]童晓冲,张永生.经纬度坐标与QTM编码的三向互化算法及其精度评价标准.武汉大学学报.2006,1
[32]李青,基于导电橡胶的智能机器人触觉传感服装研究,重庆大学硕士研究生学位论文,2006
[33]承继成,林挥周,成虎.数字地球导论[M].北京：科学出版社,2007
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[41]B L Gery,S N Gottschlich.A tactile sensing system for dexterous manipulation.IEEE/ RSJIROS,1994:pp1384-1390
[42]罗志增,蒋静坪.一种高分辨率柔性阵列触觉传感器.浙江大学学报,1999,33(6)：569-573.
[43]龚雪,张认成,张晓华等.触觉传感器述评.仪器仪表用户,2005,Vol.12,No.5：pp3-4
[44]李平,文玉梅.一种新型智能机器人敏感皮肤的触觉传感器阵列.机器人,1996,Vol.18,No.6：pp364-367
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[46]罗志增,张启忠,何发吕.机器人压阻阵列触觉数据采样的研究.传感器技术,1997,Vol.16,No.5：pp29-34
[47]刘兆铭,汽车行驶记录仪的电路设计,武汉理工大学研究生学位论文,2010
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