仿人机器人监控系统研究与设计

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自从上世纪70年代以来,专家们在仿人机器人研究与开发方面做了大量的工作,取得了突破性的进展。但是,受到相关学科发展的限制,仿人机器人还不能实现自主控制,至今基本上仍处于实验室研制阶段。同时,随着人口老龄化的加剧,人们对能够在室内辅助老年人工作和生活的机器人的需求大大增强。显然,最好的选择是能够自主执行任务的仿人机器人。但是,具备完全自主能力的仿人机器人目前还不能实现,而由操作者监控的半自主仿人机器人是发展过程中的必由之路。本文针对实验室研制的仿人机器人实验平台,研究和设计了其在室内结构化环境下工作的监控系统。首先,在分析了仿人机器人的机械机构、控制系统和行为能力之后,对仿人机器人的工作环境、操作方式和功能需求进行了分析,进而设计了监控系统硬件和软件结构,并将监控系统划分为数据通信、运动控制和人机交互3个子系统。然后,分别对3个子系统进行了设计和实现。对于数据通信子系统,主要设计了其无线通信模块和CAN总线通信模块。对UDP协议进行有限的可靠性优化,基于PCI9052接口芯片设计了8路CAN总线通信。对于运动控制子系统,主要对仿人机器人在室内结构化环境下的自主定位、路径规划和运动规划进行了研究。本文设计了基于航位推算法的位姿跟踪和基于路标识别的全局定位2种自定位方法,并结合这2种方法设计了行走中的定位机制。基于栅格法对环境进行了建模,并实现了栅格化环境下基于改进蚁群算法的路径规划,仿真结果证明了算法的可行性。设计了基于基本行为在线合成的仿人机器人步行运动规划方法,实现了连续行走,其中基本行为是离线规划的。对于人机交互子系统,设计了人机交互界面和语音控制模式。人机交互界面中没有机载视觉的显示,减轻了通信负担,同时三维虚拟机器人的同步运动显示和机器人位姿及规划路径的显示确保了操作者对机器人当前状态的全面了解。语音控制模式是基于微软SAPI5.1设计的,性能测试结果表明系统对操作者语音指令的识别率在95%以上,并且不会对噪音和操作者的非语音指令误识别。
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