救援机器人控制系统设计

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1、救援机器人控制系统设计1、相关定义1.1、输入输出变量定义选择救援机器人躯体的横滚角?,俯仰角?作为输入,摆臂的旋转角?作为输出。输入?:表示机器人躯体的横向倾斜度基本论域:[-30,30]模糊集为:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}其中:??0表示向右倾斜,??0表示向左倾斜;字符的意思分别为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大。输入?:表示机器人躯体的纵向俯仰度基本论域:[-45,45]模糊集为:{NB,NM,ZO,PM,PB}其中:??0表示仰角,??0表示俯角;输出?:表示四个摆臂摆动的角度{?LF,?RF,?LB,?RB}基本论

2、域:[-60,60]模糊集为:{NB,NM,NS,ZO,PS,PM,PB}其中:??0表示向上摆动,??0表示向下摆动;?LF代表机器人的左前摆臂摆动的角度,?RF代表右左前,?LB代表左后,?RB代表右后;输入机器人躯体的横滚角?的语言变量的隶属度函数如图5.4所示。图5.4横滚角?的隶属度函数输入机器人躯体的俯仰角?的语言变量的隶属度函数如图5.5所示。图5.5俯仰角β的隶属度函数西安科技大学硕士学位论文46输出摆臂旋转角?的语言变量的隶属度函数如图5.6所示。图5.6摆臂旋转角α的隶属度函数1.2、滑模变结构控制的定义假设存在一个控制系统:x&

3、=f(x,u,t),其中x∈Rn,u∈Rm,t∈R(4.1)需要确定切换函数:s(x),s∈Rm(4.2)求解控制函数:()()0()()0uxsxuuxsx+?=?????,其中,u+(x)≠u?(x)(4.3)使得①滑动模态存在,即式(4.3)成立;②切换面s(x)=0以外的运动点都将于有限时间内到达切换面;③保证滑模运动的稳定性;④达到控制系统的动态品质要求。以上的前三点是滑模变结构控制的三个基本问题,只有满足了这三个条件的控制才叫滑模变结构控制[46]。1.3、路径规划的定义机器人路径规划就是指机器人根据环境中的障碍物分布信息,进行计算分析,

4、最后得出一条无碰撞的最短路径,安全抵达目的地。移动机器人路径规划需要满足三个要求:1)机器人能够从始发点移动到目标位置;2)能够对障碍物进行判断,实施自主避障,并根据要求完成相应的任务;3)在满足上述条件的前提下,尽可能将机器人的移动路径进行优化。1.4、机器人定义在现实生活中,机器人并不是在简单意义上代替人工劳动,而是综合了人类的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置。从某种意义上来说,机器人是机器进化过程的产物,是工业及非工业界的重要的生产和服务性设备,也是先进制造技术领域中不可缺少的自动化设备。联合国标准化组织采纳了美国机器人协会对机器人所下的

5、定义,即:”机器人是一种可以反复编程的多功能的、用来搬运材料、零件、工具的操作机;或者是为了执行不同的任务而具有可改变的和可编程的动作的专门系统(Areprogrammableandmultifunctionalmanipulator,devisedforthetransportofmaterials,parts,toolsorspecializedsystems,withvariedandprogrammedmovements,withtheaimofcarringoutvariedtasks)[3]。”机器人是一种由计算机控制的通用操作机,由几根

6、用旋转或棱柱形关节串连的刚性杠杆组成而成。这个杠杆链的一端固定在支撑座上,另一端则是自由的,可以安装工具或完成各项工作。工业机器人具有制造机器的特性,能有效2地完成特定工作,提高生产效率和交付高质量的产品,更能在柔性的生产环境中以较低的成本完成各项工作[4]。图1.1为工业机器人,图1.2为本实验室的DGR-5A机器人。图1.1工业机器人图1.2DGR-5A机器人1.5、机器人的定义和分类1.2.1机器人的定义1.2.1机器人的定义机器人是自动控制机器(Robot)的俗称,自动控制机器包括一切模拟人类行为或思想与模拟其他生物的机械(如机器狗,机器猫等

7、)。狭义上对机器人的定义还有很多分类法及争议,有些电脑程序甚至也被称为机器人[4]。为了规定技术、开发机器人新的工作能力和比较不同国家和公司的成果,就需要对机器人这一概念有一些共同的理解。现列举一些比较有影响力的对机器人的定义[5]:(1)英国简明牛津字典的定义:机器人是”貌似人的自动机,具有智力的和顺从于人的但不具人格的机器”。(2)日本工业机器人协会(JRIA)的定义:一种准备有记忆装置和末端执行器(endeffector)的,能够转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的专用机器。(3)国际标准组织(ISO)的定义:机器人是一种用于移动各种材料

8、、零件、工具或专用装置,通过可编程序动作来执行各种任务并具有编程能力的多功能机械手。(4)美国机器人协会(R