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本科毕业设计说明书（论文）第 1 页共 45 页

1 引言

1.1 移动机器人机械臂的研究意义及目的

本文以实际项目小型地面移动机器人的机械臂为研究对象。设计移动机器人的机

械臂的结构。所谓移动机械臂，就是将机械臂安装在是一个小型多用途移动作业机器

人智能移动平台，小型多用途移动作业机器人是一个智能移动平台，其上可搭载爆炸

物处理、侦察、通讯、探测系统或其他特殊作业系统。移动机械臂用来实现一些动作

如抓取，可以在机械臂的末端执行器上安装一定的工具进行作业，通过移动平台的移

动来扩大机械臂的工作空间，这种结构使移动机械臂拥有更大的操作空间和高度的运

动冗余性，并同时具有移动和操作功能，这使它优于传统的机械臂，则具有了更广阔

的应用前景

[1]

。目前智能移动机器人正向着拟人化、仿生化、小型化、多样化方向发

展，其应用也越来越广泛，几乎渗透到各个领域

[2]

。

移动机器人技术的研究属于多学科相互交叉，相互渗透的，对它的研究具有很大

的理论价值和广阔的应用前景。在工业机器人问世 40 多年后的今天，机器人己被人

们看作为一种生产工具，同时随着科学技术的迅速发展和人们生活水平的提高，机器

人的功能己不再是只能从事某项简单的操作，而是可以承担多种任务;机器人的工作

环境也不再是固定在工厂和车间现场，而是开始走向海洋、太空和户外，有些甚至已

经进入医院、家庭和娱乐场所。具有智能特性的自主式移动机器人正在向非制造业方

向扩展，这些非制造业包括航天、海洋、军事、建筑、医疗护理、服务、农林、办公

自动化和灾害救护等，如飞行机器人、海难救援机器人、化肥和农药喷撒空中机器人、

护理机器人等。近年来，对移动机器人的研究受到重视，仿照生物的功能而发明的各

种移动机器人越来越多，小到娱乐机器人玩具、家用服务机器人，大到工程探险、反

恐防爆、军事侦察机器人等。相应地，这些领域对所应用的移动机器人系统也提出了

更高的要求，特别是在机器人的运动速度、灵活性、自主性、作业能力等方面的要求

越来越高。因此，无论是在制造业还是在非制造业，具有智能特性的自主式移动机器

人成为了国内外研究的热点。

历史上一切高新技术无不首先应用于军事领域，移动机器人机械臂也不例外。随

着二十世纪末的几场局部战争和二十一世纪初期席卷全球的反恐战争进程，特种战争

以及城市战争日益成为战争一类型的主角，这一转变直接推动了各国地面移动作战平

台即军用地面移动机器人的发展。现代战争凸现了局部范围内的信息化，而战场机器

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人凭借自身的优势特点，已经在本世纪的战争，例如伊拉克战争中成为耀眼的新星。

现代战场尤其是城市内反恐怖战争中单兵的生存能力受到了极大的挑战，微小型地面

移动机器人由于体积小、隐蔽性好、快速反应、机动性好、生存能力强、成本低等特

点，并且可以在远程遥控甚至自主情况下完成部分原本由士兵完成的任务，可以不论

白天还是黑夜都能了解周围的楼房里及街道上的敌情。除侦察外，微小型机器人搭载

微小型武器系统还可完成诸如扫雷、排除爆炸物、控制武器射击等各项任务，而且不

会有人员伤亡，极大减少了伤亡率。因此特别适用于城市和恶劣环境下的局部战争和

信息、战争，具有重大意义和军事效益。二十一世纪的战场，战争的初期极可能是一

场无人系统的较量。永不疲倦、无所畏惧的微小型无人移动机器人是最理想的士兵。

它们已在战争中显示出的作战本领，可以证明它们在未来战场上的重要地位。微小型

无人移动机器人的机械臂特别适用于城市和恶劣环境下(如核、生、化战场等)的局部

战争和信息战争，具有重大战略意义和效益。

1.2 移动机器人的发展现状及研究

小型地面移动机器人机械臂在未来生活中，包括消防、探测等危险作业中的应用

将会越来越广。包括在军事领域中的应用将是发展的必然趋势，也是我国国防科技行

业重点支持的方向之一。通过对小型移动机器人机械臂系统研制，在整体系统的各个

方面积累了比较丰富的设计经验，相信经过不断的发展和改进移动机器人机械臂将走

向成熟和实用化。未来移动机器人机械臂将有以下主要特点:更优的性能质量比;更强

的环境适应能力;更高的智能性能;具有成熟的机械臂系统;军品级别的可靠性。

1.2.1 国外移动机器人发展现状

国外在移动机器人机械臂方面的研究起步较早，初期的研究主要从学术角度研究

室外机器人的体系结构和信息处理，并建立实验系统进行验证。虽然由于 80 年代对

机器人的智能行为期望过高而导致室外移动机器人机械臂的研究未达到预期的效果，

但却带动了相关技术的发展，为探讨人类研制智能机器人机械臂的途径积累了经验，

同时也推动了其它国家对移动机器人机械臂的研究与开发。

进入 90 年代，随着技术的进步，移动机器人机械臂开始在更现实的基础上开拓

各个应用领域，向实用化进军。例如 2002 年 IRobot 研制的金字塔探测机器人—“金

字塔漫游者”，身长 30 厘米，宽 12 厘米，高度可在 11 至 28 厘米之间调节。机器人

身带 5 件法宝:超声波传感器、地面探测雷达系统、力度测量仪、高分辨率光纤镜头和

导电传感器，具备世界上最小的地面探测雷达系统，可以穿透厚超过 90 厘米的混凝

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土。美国在 2003 年发射的两辆火星探测车“勇气”号和“机遇”号分别于 2004 年 1

月 3 号和 24 号在火星的不同区域安全着陆，并完成了 90 个火星日的科研工作。拿

“勇气”号探测车来说，就是一个具有手臂的移动机器人。他的大脑是一台高速计算

机，车体靠自身具有的六个轮子在火星地面运动，视觉系统采用一对全景照相机来拍

摄火星表面和天空的全景视图，也用于形成着陆点附近的地形图、搜索感兴趣的岩石

和土壤，来完成寻找火星远古时期存在液态水的证据的工作。另外分别于车体前端和

后端安装了两组相同的避危摄像机，由一组立体影像的黑白摄影机所构成的，所拍摄

的影像除了用于障碍物侦测之外还用于探测车的路径规划上。最先进的要数探测车上

的机械手臂，手臂末端装备了各种工具，有显微镜成像仪、三种质谱仪和两种分光计，

一套岩石研磨和样本采集土具以及三个磁铁阵列，所有设备主要是用来寻找火星上是

否曾经有液态水的证据。西班牙罗斯·罗卡公司研制的“罗德”轮式机器人。该机器

人可用于清理雷场和处理炸药等危险物品。该车长 1. 4m,宽 0. 67m、高 0. 8m、重 350kg、

(6 X 6)驱动、动力装置为 1 台电动机，车上供电蓄电池可使用 2h，车速(前进或后退)

可在 0 至 6. 5km/h 之间连续变化。车上装有活动操作臂，有 6 个自由度，固定在机器

人车的旋转塔上。机械臂不伸长时可吊重 80kg，伸直时最长为 1. 5m，此时可吊重 16kg。

操作臂顶端装有夹爪，夹紧力可达 30kg ，能把物体提升至 2. 75m 高。该车采用

100m(或 250m)长的电缆或无线电装置进行遥控。机械手完成整个操作过程必须借助

1 台黑白或彩色电视显示器，显示车上 3 个摄像机获得的监视驾驶、机械臂控制和夹

爪操作的图像。车上装有两个卤气探照灯，可在夜间或能见度很低的地区使用。

除室外移动机器人外，世界各国在遥控移动机器人、高完整性机器人、生态机器

人学(生物机器人学)、多机器人系统、环境与移动机器人系统的集成等方面都作了大

量的研究。

1.2.2 国内移动机器人发展现状

国内对移动机器人机械臂的研究起步虽然较晚，但经过近几十年的发展也取得了

很大进步，但大多数研究尚处于某个单项研究阶段。国内的移动机器人机械臂研究主

要经历了算法的研究和仿真、国外机器人平台的引进和自主开发三个阶段。下面是国

内的主要研究成果。“九五”期间由浙江大学、南京理工大学、国防科大、清华大学、

北京理工大学联合研制了 ALVLABII 型陆地移动机器人，并成功完成了全部实验测试，

正常行驶速度为 30.6km/h，同时支持临场感遥控驾驶及战场侦察等功能。清华 V 型智

能车 THMR-V 是清华大学智能技术与系统国家重点实验室在中科院院士张钱教授主

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持下研制的新一代智能移动机器人，兼有面向高速公路和一般道路的功能，于 1994

年通过鉴定。车体采用道奇 7 座厢式车改装，装备有彩色摄像机和激光测距仪组成的

道路与障碍物检测系统;由差分 GPS、磁罗盘和光电码盘组成的组合定位导航系统等。

两套计算机系统分别进行视觉处理，完成信息、融合、路径规划、行为与决策控制等

功能。4 台 IPC 工控机分别完成激光测距信 J 息、处理、定位信息、处理、通讯管理、

驾驶控制等功能。设计行驶于高速公路车速为 80krn/h，一般道路为 2 0km/h。目前已

能够在校园的非结构化环境下，进行道路跟踪和避障碍自主行驶。清华大学智能车涉

及到五个方面的关键技术：基于地图的全局路径规划技术，基于传感器信息的局部路

径规划技术，路径规划的仿真技术，传感技术、信息融合技术和智能移动机器人的设

计和实现。DY- I 型导游服务机器人是海尔一哈尔滨工业大学机器人技术公司推出的

新一代智能导游机器人，该机器人由伺服驱动系统、多传感器信息、避障及路径规划

系统、语言识别及语言合成系统组成。导游机器人由蓄电池供电，可连续运行 4h，在

一定环境下可自主行走，并可进行避障，并通过语启一系统可以进行人机交互。此外

还有香港城市大学智能设计自动化及制造研究中心的自动导航车和服务机器人、中科

院沈阳自动化所研发了具有自主产权的激光导引 AGV 和用于公安防暴的“灵晰一 B”

型移动机器人、中国科学院自动化所自行设计制造的全方位移动机器人导航系统等。

本文主要论述是移动机器人机械臂结构设计。

1.2.3 移动机器人的研究热点

综合国内外对于移动机器人的研究情况，当代移动机器人的研究主要集中于以下

几个方面。

(1)机械臂结构。机械臂机械结构形式的选型和设计，是根据实际需要进行的。

在机械臂机构方面，结合机器人在各个领域及各种场合的应用，研究人员开展了丰富

而富有创造性的工作。当前，对足式步行机器人、履带式和特种机器人研究较多。但

大多数仍处于实验阶段，而轮式机器人由于其控制简单、运动稳定和能源利用率高等

特点，正在向实用化迅速发展。

(2)运动控制技术。稳健的运动控制技术是移动机器人整体性能的基础，由于移

动机器人机械臂本身是一个非完整约束系统，是一个欠驱动的零漂移的动力学系统，

因此，该系统不能通过连续可微的时不变的状态反馈加以镇定。为此，通过时变、不

连续控制以及混合策略，根据动力学模型和运动学模型，建立合理的反馈控制律，实

现速度和转向的自动控制，以及不同工作状态之间的平稳过渡，是该项技术的核心内

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容。

(3)路径规划技术。该技术主要包括基于地理信息的全局路径规划技术和基于传

感信息的局部路径规划技术。由于自主式移动机器人机械臂在行驶中，必须避开它无

法通过的或对其安全行驶构成威胁的障碍物或区域，因此局部路径规划，尤其是复杂

环境下的路径规划问题，显得更为重要。

(4)实时视觉技术。该技术主要涉及到视觉信息的实时采集、预处理、特征提取

和模式识别。而且，视觉信息处理的能力、处理速度、处理的可靠性和准确性是决定

智能机器人整体性能的决定性因素。

(5)定位和导航技术。该技术是现代移动机器人机械臂研制所急需的关键技术，

也是下一代无人战车的技术基础。位置的测量可以分为相对位置测量和绝对位置测量，

测量方法有里程计、惯性导航、主动灯塔、磁罗盘、全球定位系统、地图模型匹配和

自然路标导航等。

(6)多传感集成和数据融合技术。自主式移动机器人机械臂采用测距技术，GPS 定

位技术和小型陀螺仪技术等多种传感技术来采集不同类型的环境信息。因此，准确地

处理和分析不同传感器采集到的信息，用于对所处环境作出准确可靠的描述，并据此

作出正确的决策和控制，是多传感集成和数据融合研究的任务。

(7)高性能计算技术。在移动机器人机械臂的早期研究工作中，专用硬件结构为

多数研究者所采用，这是因为当时市场上的通用硬件不能满足诸如实时图像处理所需

的计算能力。近年来，随着计算机计算能力的迅猛提高，研究者们开始采用通用处理

器来构建机器人系统。目一前用于移动机器人机械臂的硬件结构多数采用一个高速通

用处理器加上几个专用板卡或芯片(用于颜色查表、模板匹配或数学形态学计算)，或

者通过实验确定算法和硬件原型后，利用嵌入式的系统来缩小体积，达到优化的性能。

(8)无线通信与因特网技术。这两项技术可以实现多机器人臂之间的通信和信息

共享，以及移动机械臂与外部的联系。

本文要研究是移动机器人机械臂结构设计。

1.3 本课题的来源和研究内容

本课题来源于南京市科技局的科技计划项目，具有较大的应用价值。结合当前小

型移动机器人的发展，而进行移动机器人机械臂的结构设计和计算，要求结构紧凑、

轻巧，以提高机器人臂杆系统的运动性能。将移动机械臂安装在是一个小型多用途移

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