孫 輝，高 劍，潘之騰，李建梅，臧汝靜

(1.菏澤市科學(xué)技術(shù)信息研究所，山東 菏澤 274000；2.菏澤市產(chǎn)品檢驗(yàn)檢測(cè)研究院，山東 菏澤 274000)

0 引言

雙臂搬運(yùn)機(jī)器人的設(shè)計(jì)模仿了人體雙臂協(xié)作原理，使其雙側(cè)臂關(guān)節(jié)同時(shí)具有運(yùn)動(dòng)能力，即可執(zhí)行同步操作，也可處于不同的行為狀態(tài)之中。在執(zhí)行搬運(yùn)任務(wù)時(shí)，由于雙側(cè)臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)能力并不受到明確約束，所以該類型機(jī)器人的作業(yè)半徑相對(duì)較為廣闊[1]。在搬運(yùn)作業(yè)任務(wù)中，雙臂機(jī)器人可以將貨物轉(zhuǎn)移至既定位置之處，且運(yùn)動(dòng)行為能力也不會(huì)受到所處位置的影響，故而其動(dòng)力供應(yīng)極易得到保障，這也是雙臂搬運(yùn)機(jī)器人受到各個(gè)施工單位廣泛歡迎的主要原因[2]?，F(xiàn)階段雙臂搬運(yùn)機(jī)器人正朝著具有自組織、自適應(yīng)能力的智能化方向發(fā)展，故而導(dǎo)航能力的高低成為了評(píng)價(jià)機(jī)器人應(yīng)用能力的關(guān)鍵指標(biāo)，特別是在任務(wù)過程中，如何在增強(qiáng)機(jī)器人避障準(zhǔn)確性的同時(shí)，使其搬運(yùn)能力得到保障，已經(jīng)成為了一項(xiàng)亟待解決的難題。

導(dǎo)航技術(shù)的應(yīng)用同時(shí)涉及位置定位與行進(jìn)軌跡規(guī)劃。對(duì)于雙臂搬運(yùn)機(jī)器人而言，位置節(jié)點(diǎn)定位能夠幫助核心控制主機(jī)掌握機(jī)器人所處的實(shí)際運(yùn)行位置[3]；而行進(jìn)軌跡規(guī)劃則是核心控制主機(jī)的基礎(chǔ)執(zhí)行能力，對(duì)于不同機(jī)器人設(shè)備來(lái)說(shuō)，由于其承擔(dān)的作業(yè)任務(wù)不同，其所經(jīng)歷的行進(jìn)軌跡也會(huì)有所不同。傳統(tǒng)仿真控制系統(tǒng)利用PC傳感器記錄雙臂搬運(yùn)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，再借助Linux平臺(tái)對(duì)所得數(shù)據(jù)參量進(jìn)行整合，最終經(jīng)由傳輸通道，將這些信息文本反饋回核心控制主機(jī)[4]。然而此系統(tǒng)的實(shí)際控制能力有限，并不能使雙臂搬運(yùn)機(jī)器人在復(fù)雜路況環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物設(shè)備的準(zhǔn)確躲避。為解決上述問題，設(shè)計(jì)一種新型的雙臂搬運(yùn)機(jī)器人反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)，再根據(jù)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，求證該系統(tǒng)的實(shí)用性能。

1 系統(tǒng)硬件單元設(shè)計(jì)

雙臂搬運(yùn)機(jī)器人反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)的硬件單元由單片機(jī)與電機(jī)電路、ARM微處理器、PIC單片機(jī)、反應(yīng)式導(dǎo)航子模塊四部分共同組成，本章節(jié)將針對(duì)各個(gè)應(yīng)用設(shè)備展開研究。

1.1 單片機(jī)與電機(jī)電路

雙臂搬運(yùn)機(jī)器人反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)采用直流電機(jī)供應(yīng)形式，將單片機(jī)電路置于+VCC端口與-VDD端口之間，能夠在PWM元件的作用下，統(tǒng)一PB1、PB2、PB3、PB4節(jié)點(diǎn)的連接狀態(tài)，使其在穩(wěn)定輸入電量信號(hào)的同時(shí)，將交流電量波段轉(zhuǎn)換成直流傳輸形式，并可以借助多個(gè)負(fù)載電阻設(shè)備，將這些電量信號(hào)反饋至下級(jí)連接元件之中，單片機(jī)電力的完整連接結(jié)構(gòu)如圖1所示[5]。PWM元件左右兩端接口同時(shí)負(fù)載PB節(jié)點(diǎn)與單片機(jī)端子設(shè)備，前者與+VCC端口相連，負(fù)責(zé)對(duì)電量傳輸信號(hào)進(jìn)行聚合處理，后者分別與MOTOR電量元件和NPN5609設(shè)備相連，可在承接電量傳輸信號(hào)的同時(shí)，將負(fù)載電壓與負(fù)載電流均勻分配給R1、R2與R3電阻。由于R級(jí)電阻的內(nèi)阻數(shù)值不同，故而其所處連接位置與執(zhí)行作用能力也有所不同[6]。

圖1 單片機(jī)與電機(jī)電路的連接結(jié)構(gòu)

MOTOR電量元件、NPN5609設(shè)備同屬于單片機(jī)與電機(jī)電路中的核心應(yīng)用結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用過程中，兩者共同調(diào)試雙臂搬運(yùn)機(jī)器人的行進(jìn)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并可以根據(jù)障礙物節(jié)點(diǎn)的分布形式，更改機(jī)器人的實(shí)時(shí)反應(yīng)行為。

1.2 ARM微處理器

ARM微處理器是32位的反應(yīng)式導(dǎo)航行為處理元件，可以借助外部負(fù)載電源，對(duì)已獲取的電量信號(hào)進(jìn)行處理，并可以從中選取功耗標(biāo)準(zhǔn)與其他信號(hào)參量不同的電量特征值作為核心作用對(duì)象[7](雙臂搬運(yùn)機(jī)器人反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)的微處理器結(jié)構(gòu)為ARM-7系列的應(yīng)用元件，具體連接結(jié)構(gòu)如圖2所示)。對(duì)于雙臂搬運(yùn)機(jī)器人反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)而言，ARM微處理器以LPC22xx芯片作為核心應(yīng)用元件，左側(cè)與拓展接口、導(dǎo)航控制接口相連，能夠深入機(jī)器人管控主機(jī)內(nèi)部，獲取其中存儲(chǔ)的電信號(hào)參量及導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)記錄信息。當(dāng)單片機(jī)復(fù)位電路保持連續(xù)閉合狀態(tài)時(shí)，LPC22xx芯片對(duì)于存儲(chǔ)信息參量的提取速率達(dá)到最大值狀態(tài)，此時(shí)JTAG接口會(huì)自發(fā)斷開，以此避免雙臂搬運(yùn)機(jī)器人出現(xiàn)過度反映的表現(xiàn)行為，使得控制主機(jī)的實(shí)時(shí)運(yùn)行能力得到保障[8]。

圖2 ARM微處理器元件的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

NOR接口(U1接口)、SRAM接口(U2接口)同屬負(fù)載于LPC22xx芯片右側(cè)，能夠及時(shí)轉(zhuǎn)存電源設(shè)備與單片機(jī)復(fù)位電路輸出的電信號(hào)參量，并可以將其轉(zhuǎn)換成可供導(dǎo)航控制接口與擴(kuò)展接口直接調(diào)取的應(yīng)用形式。

1.3 PIC單片機(jī)

在雙臂搬運(yùn)機(jī)器人反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)中，PIC單片機(jī)元件的連接行為遵循哈佛總線機(jī)制，由于外部負(fù)載接口數(shù)量較多，故其在執(zhí)行尋址指令時(shí)，所需消耗的電量信號(hào)極少，能夠使機(jī)器人結(jié)構(gòu)始終保持相對(duì)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)行進(jìn)狀態(tài)。PIC16(L)F18857芯片作為PIC單片機(jī)的核心應(yīng)用結(jié)構(gòu)，外部同時(shí)負(fù)載MCLR、RA、VSS、VPP、RB、VDD等多種類型的接口組織[9]。其中，MCLR接口與RA0接口負(fù)載于同一連接位置處，負(fù)責(zé)將PIC單片機(jī)與主單片機(jī)電路連接起來(lái)；RA1-RA4接口負(fù)責(zé)將外部電量信號(hào)傳輸回PIC16(L)F18857芯片，與RB0-RB2接口的執(zhí)行能力相反；VSS、VPP、VDD同屬于功能性接口，可以確保PIC16(L)F18857芯片始終保持相對(duì)穩(wěn)定的連接狀態(tài)；ICSPCLK接口與導(dǎo)航控制主機(jī)相連，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)ARM微處理器的實(shí)時(shí)連接狀態(tài)。完整的PIC單片機(jī)連接結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 PIC單片機(jī)連接結(jié)構(gòu)

PLCkit結(jié)構(gòu)作為PIC單片機(jī)的外部負(fù)載元件，可以在ICSPDAT接口的作用下，與PIC16(L)F18857芯片建立連接關(guān)系，當(dāng)MCLR端口連續(xù)閉合時(shí)，主單片機(jī)電路可以直接更改雙臂搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)行進(jìn)狀態(tài)，此時(shí)整個(gè)PIC單片機(jī)元件的連接形式始終保持穩(wěn)定[10]。

1.4 反應(yīng)式導(dǎo)航子模塊

1.4.1 HN-9移動(dòng)平臺(tái)

HN-9移動(dòng)平臺(tái)決定了雙臂搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)行進(jìn)能力，由臂關(guān)節(jié)連接桿、感應(yīng)器、導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)、主擋板4個(gè)應(yīng)用結(jié)構(gòu)共同組成[11]，其各個(gè)連接結(jié)構(gòu)的作用能力如下(具體結(jié)構(gòu)模型如圖4所示)。

圖4 HN-9移動(dòng)平臺(tái)示意圖

臂關(guān)節(jié)連接桿：在雙臂搬運(yùn)機(jī)器人的反應(yīng)式導(dǎo)航子模塊中，臂關(guān)節(jié)連接桿位于HN-9移動(dòng)平臺(tái)的邊緣區(qū)域，具有較強(qiáng)的可操控能力[12]。當(dāng)連接桿連續(xù)向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，表示雙臂搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)行為較為頻繁，整個(gè)HN-9移動(dòng)平臺(tái)所需承擔(dān)的電信號(hào)總量也就相對(duì)較大；當(dāng)連接桿連續(xù)向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，表示雙臂搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)行為存在偶然性，整個(gè)HN-9移動(dòng)平臺(tái)所需承擔(dān)的電信號(hào)總量相對(duì)較少。

感應(yīng)器：感應(yīng)器連接在HN-9移動(dòng)平臺(tái)前側(cè)，負(fù)責(zé)感知雙臂搬運(yùn)機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并可以將所采集到的數(shù)據(jù)信息參量反饋回導(dǎo)航控制主機(jī)。

導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)：負(fù)責(zé)記錄雙臂搬運(yùn)機(jī)器人的位置信息。

主擋板：接收電量輸入信號(hào)，并借助感應(yīng)器元件，將這些電信號(hào)參量傳輸至臂關(guān)節(jié)連接桿設(shè)備之中。

1.4.2 智能導(dǎo)航平臺(tái)

智能導(dǎo)航平臺(tái)是具有信息記錄能力的控制系統(tǒng)應(yīng)用子模塊，能夠根據(jù)雙臂搬運(yùn)機(jī)器人所處位置節(jié)點(diǎn)的不同，對(duì)已獲得信息參量進(jìn)行排列處理，并可以將記錄文本反饋給HN-9移動(dòng)平臺(tái)，使其所制定的控制執(zhí)行指令更符合實(shí)際應(yīng)用需求。假設(shè)雙臂搬運(yùn)機(jī)器人當(dāng)前所處位置節(jié)點(diǎn)O0坐標(biāo)為(X0，Y0，Z0)，在反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)作用下，其運(yùn)動(dòng)后位置節(jié)點(diǎn)O1坐標(biāo)為(X1，Y1，Z1)，由于機(jī)器人設(shè)備不具備空間運(yùn)動(dòng)能力，所以節(jié)點(diǎn)O0、節(jié)點(diǎn)O1始終處于同一控制平面中[13-14]。由于智能導(dǎo)航平臺(tái)的存在，由節(jié)點(diǎn)O0到節(jié)點(diǎn)O1的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行為能夠得到有效控制。為避免機(jī)器人反應(yīng)速度下降，在設(shè)置智能導(dǎo)航平臺(tái)時(shí)，還應(yīng)關(guān)注濾波控制器與HN-9移動(dòng)平臺(tái)之間的實(shí)時(shí)連接關(guān)系。當(dāng)障礙物節(jié)點(diǎn)與機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的物理間隔值相對(duì)較大時(shí)，濾波控制器的執(zhí)行速率則會(huì)隨之提升；而當(dāng)障礙物節(jié)點(diǎn)與機(jī)器人當(dāng)前運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)之間的物理間隔值相對(duì)較小時(shí)，濾波控制器的執(zhí)行速率則會(huì)不斷下降，這種連續(xù)感應(yīng)行為也是保障雙臂搬運(yùn)機(jī)器人在作業(yè)任務(wù)過程中能夠進(jìn)行精準(zhǔn)避障的主要原因。

1.4.3 ROS操作平臺(tái)

ROS操作平臺(tái)負(fù)責(zé)管理雙臂搬運(yùn)機(jī)器人反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)中的執(zhí)行進(jìn)程指令，以Master節(jié)點(diǎn)管理器作為核心應(yīng)用元件，可以聯(lián)合下級(jí)Model節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)管控信息指令的相互傳輸，從而使得Client客戶端、Server服務(wù)器能夠同時(shí)控制導(dǎo)航任務(wù)的執(zhí)行狀態(tài)。具體操作界面如圖5所示。

圖5 ROS操作平臺(tái)主界面

在運(yùn)行過程中，Master節(jié)點(diǎn)管理器可以同時(shí)協(xié)調(diào)Model1導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)與Model2反應(yīng)節(jié)點(diǎn)，前者負(fù)責(zé)記錄雙臂搬運(yùn)機(jī)器人的過往運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，后者負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，由于導(dǎo)航控制任務(wù)不具備雙向傳輸?shù)哪芰Γ栽贛aster節(jié)點(diǎn)管理器元件的作用下，Model1導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)、Model2反應(yīng)節(jié)點(diǎn)具有相同的連接等級(jí)[15]。Client客戶端作為底層執(zhí)行設(shè)備，可以直接控制Model1導(dǎo)航節(jié)點(diǎn)，隨著雙臂搬運(yùn)機(jī)器人反應(yīng)速率的不斷加快，導(dǎo)航控制任務(wù)的輸出量也在持續(xù)增大，為保障機(jī)器人設(shè)備對(duì)于外部障礙物的精準(zhǔn)避讓能力，客戶端元件還必須具備一定的數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)能力[16]。Server服務(wù)器可以直接控制Model2反應(yīng)節(jié)點(diǎn)，兩者共同維護(hù)導(dǎo)航控制任務(wù)的傳輸穩(wěn)定性，并可以將已發(fā)布任務(wù)指令改寫成可供系統(tǒng)控制主機(jī)直接調(diào)用的形式。

2 雙臂搬運(yùn)機(jī)器人的協(xié)調(diào)控制

在各級(jí)硬件應(yīng)用結(jié)構(gòu)的支持下，按照絕對(duì)位姿向量求解、相對(duì)位姿向量求解、速度雅可比計(jì)算、動(dòng)力學(xué)遞推表達(dá)式建立的處理流程，完成雙臂搬運(yùn)機(jī)器人反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 絕對(duì)位姿向量

絕對(duì)位姿向量是指在搬運(yùn)任務(wù)過程中，由機(jī)器人臂關(guān)節(jié)初始運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)指向終止運(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位移向量，該項(xiàng)指標(biāo)參量的計(jì)算取值越大，就表示機(jī)器人雙臂結(jié)構(gòu)所能承擔(dān)的搬運(yùn)任務(wù)量越大。就反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)而言，由于負(fù)責(zé)記錄節(jié)點(diǎn)位移的設(shè)備主機(jī)并不能直接與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軌跡路徑相接觸，所以絕對(duì)位姿向量指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果也總是具有一定的物理偏差[17-18]。設(shè)δ表示雙臂搬運(yùn)機(jī)器人機(jī)械臂末端的運(yùn)動(dòng)速度向量，且該向量指標(biāo)的取值受到ROS操作平臺(tái)反應(yīng)時(shí)長(zhǎng)ΔT的直接影響。當(dāng)機(jī)器人臂關(guān)節(jié)由初始位置χ0運(yùn)動(dòng)至終止位置χn時(shí)，聯(lián)立上述物理量，可將雙臂搬運(yùn)機(jī)器人反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)所承擔(dān)的絕對(duì)位姿向量表達(dá)式定義為：

(1)

式中，w0表示初始運(yùn)動(dòng)位置處的臂關(guān)節(jié)彎曲度系數(shù)，wn表示終止位置處的臂關(guān)節(jié)彎曲度系數(shù)。為有效控制絕對(duì)位姿向量計(jì)算數(shù)值的誤差度水平，在對(duì)w0系數(shù)、wn系數(shù)進(jìn)行賦值時(shí)，要求其實(shí)際取值必須處于[1,e)的物理區(qū)間，且兩個(gè)指標(biāo)參量不能同時(shí)等于極大值與極小值賦值結(jié)果。

2.2 相對(duì)位姿向量

(2)

式中，E0表示相對(duì)節(jié)點(diǎn)ε0處的機(jī)器人臂關(guān)節(jié)行為特征，En表示相對(duì)節(jié)點(diǎn)εn處的機(jī)器人臂關(guān)節(jié)行為特征。在設(shè)計(jì)雙臂搬運(yùn)機(jī)器人反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)時(shí)，要求絕對(duì)位姿向量、相對(duì)位姿向量之間必須具有明顯的數(shù)值差。

2.3 速度雅可比

速度雅可比既可以描述搬運(yùn)機(jī)器人雙臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)與其運(yùn)動(dòng)位姿之間的線性映射關(guān)系，也可以體現(xiàn)出臂關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)空間與臂關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)空間之間的力學(xué)傳遞關(guān)系。對(duì)于雙臂搬運(yùn)機(jī)器人反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)而言，速度雅可比指標(biāo)體現(xiàn)出了微分思想的最優(yōu)線性逼近原則，可以在區(qū)分絕對(duì)位姿向量、相對(duì)位姿向量差異性的同時(shí)，將臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)所承載的力學(xué)作用控制在既定數(shù)值水平之內(nèi)。設(shè)a1、a2表示兩個(gè)隨機(jī)選取的雙臂搬運(yùn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)位姿控制系數(shù)，在運(yùn)算過程中，上述兩個(gè)指標(biāo)參量的取值結(jié)果始終不相等。

速度雅可比計(jì)算表達(dá)式為：

(3)

2.4 動(dòng)力學(xué)遞推

雙臂搬運(yùn)機(jī)器人反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)遞推表達(dá)式定義為：

(4)

以動(dòng)力學(xué)遞推表達(dá)式作為約束條件，在求取速度雅可比指標(biāo)的同時(shí)，確定絕對(duì)位姿向量、相對(duì)位姿向量之間的關(guān)聯(lián)程度，并聯(lián)合相關(guān)硬件設(shè)備結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)雙臂搬運(yùn)機(jī)器人反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

選擇兩臺(tái)外觀一致的全新SYB1510A型雙臂搬運(yùn)機(jī)器人作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，分別利用反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)、傳統(tǒng)仿真控制系統(tǒng)對(duì)所選機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行調(diào)控，其中前者作為本文系統(tǒng)、后者作為文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的公平性，除所選取控制方法不同外，本文系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)其他實(shí)驗(yàn)條件均保持一致，具體實(shí)驗(yàn)參數(shù)配置情況見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)準(zhǔn)備

雙臂搬運(yùn)機(jī)器人在作業(yè)任務(wù)過程中的行進(jìn)避障準(zhǔn)確性(ζ)的計(jì)算表達(dá)式如下：

(5)

行進(jìn)避障準(zhǔn)確性(ζ)可以反映出系統(tǒng)主機(jī)對(duì)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行為的控制能力。ζ指標(biāo)的計(jì)算數(shù)值越大，系統(tǒng)主機(jī)對(duì)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行為的連續(xù)控制能力也就越強(qiáng)。對(duì)本文系統(tǒng)、文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)、文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)雙臂搬運(yùn)機(jī)器人在作業(yè)任務(wù)過程中的行進(jìn)避障準(zhǔn)確性(ζ)進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算數(shù)值如表2。

表2 避障準(zhǔn)確性對(duì)比結(jié)果(ζ)

分析表2可知，當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間等于50 s時(shí)，本文系統(tǒng)ζ指標(biāo)達(dá)到最大值34.2%；當(dāng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間等于20 s時(shí)，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)ζ指標(biāo)達(dá)到最大值21.8%，文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)ζ指標(biāo)達(dá)到最大值20.7%，與本文系統(tǒng)最大值相比，分別下降了12.4%和13.5%。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，本文系統(tǒng)ζ指標(biāo)均值為28.7%，文獻(xiàn)[3]系統(tǒng)ζ指標(biāo)均值為16.7%，文獻(xiàn)[4]系統(tǒng)ζ指標(biāo)達(dá)到最大值15.8%，明顯低于本文系統(tǒng)ζ指標(biāo)均值水平。

為了進(jìn)一步測(cè)試本文系統(tǒng)的應(yīng)用效果，以所設(shè)計(jì)的雙臂搬運(yùn)機(jī)器人為例，測(cè)試機(jī)器人的各種參數(shù)，對(duì)該實(shí)驗(yàn)對(duì)象采用機(jī)器人實(shí)行導(dǎo)航控制，選用的機(jī)器人在滿電情況下能夠行駛10 km，行駛路線的平面結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 行駛路線結(jié)構(gòu)圖

該線路東西長(zhǎng)度為400 m，南北長(zhǎng)度300 m，其周圍包含多個(gè)障礙點(diǎn)、保安室以及監(jiān)控室等。為直觀體現(xiàn)本文系統(tǒng)的反應(yīng)式導(dǎo)航控制效果，采用本文系統(tǒng)對(duì)圖6實(shí)際行駛路線導(dǎo)航控制，獲取本文系統(tǒng)配準(zhǔn)后的反應(yīng)式導(dǎo)航控制軌跡與期望軌跡的吻合程度，得到具體結(jié)果如圖7所示。

圖7 反應(yīng)式導(dǎo)航控制軌跡結(jié)果

由圖7可知，經(jīng)過本文系統(tǒng)反應(yīng)式導(dǎo)航控制后的路線與期望路線吻合程度較高，雙臂搬運(yùn)機(jī)器人能夠按照設(shè)定軌跡完成反應(yīng)式導(dǎo)航，保證導(dǎo)航控制的有效性，達(dá)到了預(yù)期目的。

綜上可知，本次實(shí)驗(yàn)結(jié)論為：

1)利用反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)所得節(jié)點(diǎn)間隔距離與搬運(yùn)速度指標(biāo)的數(shù)值水平較高，在搬運(yùn)貨物質(zhì)量保持不變的情況下，可以有效增大雙臂搬運(yùn)機(jī)器人在作業(yè)任務(wù)過程中的行進(jìn)避障準(zhǔn)確性，對(duì)于系統(tǒng)主機(jī)而言，其對(duì)于機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行為的連續(xù)控制能力能夠得到一定程度的促進(jìn)。

2)本文系統(tǒng)下導(dǎo)航線路與期望路線基本相符，吻合程度較高，具有較好的效果。

4 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)仿真控制系統(tǒng)相比，反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)重新規(guī)劃了單片機(jī)與電機(jī)電路的連接形式，借助ARM微處理器、PIC單片機(jī)等結(jié)構(gòu)，對(duì)反應(yīng)式導(dǎo)航子模塊的作用能力進(jìn)行調(diào)試。在作業(yè)任務(wù)過程中，由于HN-9移動(dòng)平臺(tái)、智能導(dǎo)航平臺(tái)、ROS操作平臺(tái)三類硬件應(yīng)用結(jié)構(gòu)的存在，雙臂搬運(yùn)機(jī)器人絕對(duì)位姿向量、相對(duì)位姿向量之間的誤差值水平得到保障，不但可以實(shí)現(xiàn)對(duì)速度雅可比指標(biāo)的準(zhǔn)確求解，還能夠得到完整的動(dòng)力學(xué)遞推表達(dá)式。在實(shí)際應(yīng)用方面，反應(yīng)式導(dǎo)航控制系統(tǒng)不但增大了障礙物節(jié)點(diǎn)與機(jī)器人行進(jìn)節(jié)點(diǎn)之間的間隔距離，還使得機(jī)器人雙臂關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的搬運(yùn)速度得到一定程度的提升，這對(duì)于增大行進(jìn)避障準(zhǔn)確性指標(biāo)的數(shù)值水平確實(shí)起到了明顯的促進(jìn)性影響作用。對(duì)于系統(tǒng)主機(jī)元件來(lái)說(shuō)，行進(jìn)避障準(zhǔn)確性數(shù)值的增大，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)行為的準(zhǔn)確控制，這在實(shí)際應(yīng)用方面具有較強(qiáng)的可行性價(jià)值。