隨著社會(huì)生產(chǎn)力水平的提升，機(jī)器人在不同行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，如物流搬運(yùn)、自動(dòng)清潔、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療服務(wù)、 太空探索、軍事、智能交通和娛樂等行業(yè)；目前大規(guī)模投入應(yīng)用的機(jī)器人大都安裝在固定工位上，缺乏一定的靈活性和自主性；機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)靈活性和智能化，提高其定位精度和導(dǎo)航性能是關(guān)鍵。本課題針對(duì)室內(nèi)物流搬運(yùn)行業(yè)，開展了自主導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，使移動(dòng)機(jī)器人在不斷變化的室內(nèi)環(huán)境 中獲得其準(zhǔn)確定位，并在室內(nèi)環(huán)境中開展物流搬運(yùn)作業(yè)時(shí)，實(shí)現(xiàn)安全、高效的導(dǎo)航與避障。

機(jī)器人系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

       首先是進(jìn)行機(jī)器人系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。機(jī)器人系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)結(jié)合了車體結(jié)構(gòu)、懸架機(jī)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)， 具體包括機(jī)器人的伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、減速器、前后保險(xiǎn)杠、電氣控 制面板、充氣輪胎、連接件及各種傳感器等。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要簡(jiǎn)潔緊湊、 移動(dòng)靈活，且具有一定的承載能力，機(jī)器人需要提升定位精度，在導(dǎo)航過程中，機(jī)器人可以自主、 高效地完成路徑規(guī)劃和避障，機(jī)器人要需要上位機(jī)軟件來(lái)進(jìn)行人 機(jī)交互，以顯示其各項(xiàng)運(yùn)行信息，提高操作效率。移動(dòng)機(jī)器人車體結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計(jì)，具有拆裝便捷、 集成度高的特點(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在移動(dòng)過程中能適應(yīng)顛簸的路況，能夠緩沖、吸收與地面產(chǎn)生的振動(dòng)，設(shè)置獨(dú)立懸架機(jī)構(gòu)要保證機(jī)器人移動(dòng)的平穩(wěn)性。懸架機(jī)構(gòu)上臂兩端的鉸接點(diǎn)與下臂兩端的鉸接點(diǎn)形成平 行四邊形，避免輪子懸空，保持輪子的抓地力。輪子與動(dòng)力輸出件通過萬(wàn)向節(jié)連接，適用懸掛機(jī)構(gòu)的上下移動(dòng)。

      軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)一般采用ROS系統(tǒng)，ROS 機(jī)器人操作系統(tǒng)是一個(gè)開源軟件框架，可為 用戶提供通用消息系統(tǒng)、設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序、硬件抽象層、 功能實(shí)現(xiàn)和功能包管理，ROS組件如右圖所示。

采用ROS操作系統(tǒng)作為移動(dòng)機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1. ROS 采用了分布式框架，便于模塊化修改。

2. 架構(gòu)精簡(jiǎn)，集成度高，便于移植和復(fù)用。

3. 具有多種可視化應(yīng)用工具和仿真軟件，如RViz、 Gazebo、rqt 等。

4. 支持多編程語(yǔ)言，如C++、python、java 等。5.ROS軟件社區(qū)免費(fèi)且開源。

       ROS導(dǎo)航堆棧(Navigation Stack) 是用來(lái)進(jìn)行機(jī)器人導(dǎo)航任務(wù)的ROS 功能包集合，它可以進(jìn)行機(jī)器人傳感器數(shù)據(jù)接收、 路徑規(guī)劃、下發(fā)控制指令等操作。

ROS 導(dǎo)航堆棧最主要的3個(gè)功能包如下：

? gmapping：根據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)完成環(huán)境地圖創(chuàng)建，并將該地圖保存下來(lái)作為機(jī)器人導(dǎo)航的環(huán)境信息；

? move_base：實(shí)現(xiàn)移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航中的最優(yōu)路徑規(guī)劃和動(dòng)態(tài)避障，本課題使用的路徑規(guī)劃算法是改進(jìn)蟻群算法和ROS 自帶的 DWA 算法；

?amcl：讓機(jī)器人在任意狀態(tài)下能夠推算出自己在已有的環(huán)境地圖中的位置，也即可以跟蹤機(jī)器人位姿。

       自主定位導(dǎo)航技術(shù)是實(shí)時(shí)定位、自主地圖構(gòu)建和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制技術(shù)的統(tǒng)稱。它可幫助機(jī)器人在非結(jié)構(gòu)化的環(huán)境中無(wú)需人工參與而自主地移動(dòng)完成既定的任務(wù)。通俗來(lái)說(shuō)，就是解決機(jī)器人“我在哪里”、“我要到哪里去”以及“我該如何過去”這三大問題。正因?yàn)槠渲匾?，自主定位?dǎo)航技術(shù)一直以來(lái)都是行業(yè)內(nèi)的研究發(fā)展重點(diǎn)。移動(dòng)機(jī)器人通過傳感器感知環(huán)境和自身狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在有障礙物的環(huán)境中面向目標(biāo)自主運(yùn)動(dòng)。而定位則是確定移動(dòng)機(jī)器人在工作環(huán)境中相對(duì)于全局坐標(biāo)的位置及其本身的姿態(tài)，是移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航的基本環(huán)節(jié)。

目前，應(yīng)用于自主移動(dòng)機(jī)器人的導(dǎo)航定位技術(shù)有很多，歸納起來(lái)主要有以下幾種：

1、視覺導(dǎo)航定位：

      在視覺導(dǎo)航定位系統(tǒng)中，目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較多的是基于局部視覺的在機(jī)器人中安裝車載攝像機(jī)的導(dǎo)航方式。

視覺導(dǎo)航定位系統(tǒng)的工作原理簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)就是對(duì)機(jī)器人周邊的環(huán)境進(jìn)行光學(xué)處理，先用攝像頭進(jìn)行圖像信息采集，將采集的信息進(jìn)行壓縮，然后將它反饋到一個(gè)由神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法構(gòu)成的學(xué)習(xí)子系統(tǒng)，再由學(xué)習(xí)子系統(tǒng)將采集到的圖像信息和機(jī)器人的實(shí)際位置聯(lián)系起來(lái)，完成機(jī)器人的自主導(dǎo)航定位功能。

2、光反射導(dǎo)航定位：

       典型的光反射導(dǎo)航定位方法主要是利用激光或紅外傳感器來(lái)測(cè)距。激光和紅外都是利用光反射技術(shù)來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航定位的。

激光測(cè)距具有光束窄、平行性好、散射小、測(cè)距方向分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。

       典型的紅外傳感器包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管。由紅外發(fā)光管發(fā)射經(jīng)過調(diào)制的信號(hào)，紅外光敏管接收目標(biāo)物反射的紅外調(diào)制信號(hào)，環(huán)境紅外光干擾的消除由信號(hào)調(diào)制和專用紅外濾光片保證。紅外傳感定位同樣具有靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，但因?yàn)樗鼈兘嵌确直媛矢撸嚯x分辨率低，因此在移動(dòng)機(jī)器人中，常用作接近覺傳感器，探測(cè)臨近或突發(fā)運(yùn)動(dòng)障礙，便于機(jī)器人緊急停障。

      在這給大家分享一個(gè)有關(guān)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)的直播課程【自主導(dǎo)航移動(dòng)機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)】，內(nèi)容涵蓋：機(jī)器人、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)器人定位技術(shù)，基于ROS的機(jī)器人路徑規(guī)劃。

      如果你也對(duì)機(jī)器人感興趣，如果你想了解移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制的知識(shí)，請(qǐng)仔細(xì)閱讀這篇文章，本篇文章將帶你快速了解課程的結(jié)構(gòu)與內(nèi)容，讓你提前把握知識(shí)框架，第一時(shí)間獲取最新的資訊與信息。