搜救機器人人機協(xié)作行為控制研究.pdf

1、本文研究了一種關(guān)節(jié)履帶式搜救探測移動機器人系統(tǒng)。中國是一個自然災(zāi)害和社會事故多發(fā)的國家，煤礦事故、泥石流、臺風(fēng)等時有發(fā)生。這些災(zāi)難發(fā)生后現(xiàn)場環(huán)境具有復(fù)雜性、未知性及潛在的二次傷害（比如煤礦的二次爆炸、建筑物的二次坍塌等）等特點，給救援隊員的生命安全帶來了很大隱患。因此有必要研制一種能在第一時間代替搜救隊員深入到這種危險災(zāi)難環(huán)境并探測現(xiàn)場有用信息的移動機器人，為下一步營救行動的計劃、決策提供可靠依據(jù)。 本文首先研究了搜救機器人的基

2、本控制技術(shù)，這是搜救機器人穩(wěn)定、可靠、有效運行的關(guān)鍵。結(jié)合我們研制的搜救機器人平臺LUKER—Ⅰ到LUKER—Ⅱ的改進，設(shè)計了基于CAN總線的本體分布式控制網(wǎng)絡(luò)，并描述了具體的實現(xiàn)方法。對于機器人起關(guān)鍵作用的運動控制節(jié)點，主控節(jié)點以及姿態(tài)測量節(jié)點的實現(xiàn)思路和設(shè)計方法進行了重點介紹，從而為其后對機器人控制體系結(jié)構(gòu)及智能行為的研究打下基礎(chǔ)。 本文還建立了一種遙操作方式的人—機器人協(xié)作控制框架。在該框架里人與機器人分工明確，密切協(xié)作，

3、充分利用各自的優(yōu)勢，提高整體的任務(wù)執(zhí)行效率。在此框架下操作員可作為直接操控者直接控制機器人的運動，稱為直接控制模式；操作員亦可通過人機交互接口分配一定的任務(wù)，機器人通過任務(wù)規(guī)劃器對任務(wù)進行行為解析，自主執(zhí)行行為控制，在此過程中操作員可通過監(jiān)督管理層實時監(jiān)督機器人的任務(wù)執(zhí)行過程，若發(fā)現(xiàn)意外情況可隨時強行介入機器人的任務(wù)執(zhí)行過程。本文還對該模型下的機器人的基于行為的智能控制系統(tǒng)進行了研究。針對搜救機器人在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的姿態(tài)失穩(wěn)保護，設(shè)計了一

4、種反射式的行為控制方式，構(gòu)成機器人諸多并行保護行為之一，提高了機器人在復(fù)雜地形條件下的安全性。機器人的姿態(tài)自主復(fù)位任務(wù)，在人機協(xié)作控制框架下利用有限狀態(tài)機來實現(xiàn)智能控制，融合了姿態(tài)失穩(wěn)保護等多種行為控制。 本文在人機協(xié)作控制構(gòu)架下給出了一個較為詳細的搜救機器人凸臺越障的任務(wù)案例。針對凸臺越障任務(wù)給出了兩種動作規(guī)劃，并通過質(zhì)心分析得出了兩種方式的越障高度和控制規(guī)律。規(guī)劃層將機器人規(guī)劃為兩個越障階段：姿態(tài)預(yù)調(diào)整和推進過程。姿態(tài)預(yù)調(diào)整

5、利用有限狀態(tài)機來實現(xiàn)；推進過程通過模糊Q學(xué)習(xí)保持推進過程的平穩(wěn)性。將訓(xùn)練好的結(jié)果放到行為層去執(zhí)行提高了實時性。此外該任務(wù)還有機器人姿態(tài)失穩(wěn)保護應(yīng)激行為并行執(zhí)行。操作員也通過監(jiān)督層監(jiān)督整個規(guī)劃層和行為層的執(zhí)行結(jié)果，進行必要的干預(yù)，把握整個任務(wù)執(zhí)行的過程。 本文最后一部分對遙操作模式下的搜救機器人的人機交互系統(tǒng)進行了研究。利用OPENGL編程技術(shù)和3D Studio強大的三維建模能力，實現(xiàn)了搜救機器人的遠程姿態(tài)模型再現(xiàn)功能，大大改進