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的二维栅格地图中，通过分析机器人自身的位置信息就可以确定障碍
点在栅格地图中的位置，并更新栅格地图。通过这种不间断扫描实时
更新最终建立如图五所示二维地图。雷达工作过程就是 270 度发射激
光束，把整体的立体给切出一个二维的图，记住自己距离某一个点的
距离。见下图七
两个立体圆柱的俯视图
截面图
图七 激光雷达截面图示意（大致是这样） 激光建模是一个大工程也是我们必须完成的，这个需要很长时间， 才能做得差不多。
下面是底盘的运动学分析以及相应的运动方程及受力分 析。
第一、全向轮的运动学分析
①全向轮原理： 全向轮的外形如图一所示
图八 全向轮外形
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ϕ
AAAA
V3
（2-4）
V4
这样，就可以通过所给定的四个全向驱动轮的速度 V1、V2、V3 、V4
计算出移动底盘的运动速度 V 与方向。
底盘的平动 :
平动就是在水平面上沿任意方向的直线运动，即ϕ=0.由式（2）
可知，此时四组全向轮速度应满足约束条件：
V1 +V2 + V3 +V4 =0
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2014 年中国机器人大赛暨 RoboCup 公开赛
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关键词：整体结构，机械手，运动原理分析，相关要求，动 态障碍物避碰，比赛场景分析，未来发展方面
机器人名称： 队 伍名 称： 学 校院 系： 参 赛队 员：
指 导老 师：
郑州大学服务一号 郑州大学服务一队 郑州大学信息工程学院 张仁良，曾雨葳，魏鑫， 袁志杰，王豫丰，宋纪元 赵新灿
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引言
随着社会的发展，我们知道机器人慢慢的走进人们的生活，全球 的快速发展，渐渐的机器人慢慢的开始替代人力的劳动，而在这些机 器人之中家庭服务类机器人渐渐的突显出其巨大的作用，例如急救， 迎宾以及充当保姆照顾老人等等机器人渐渐开始展露头角。
补充说明：实物图
图四 实物图 实物图中我们缺少了激光雷达，丝杆升降，以及机械手，以及四 个独立驱动的全向轮结构，缺少第一者和第四者基本上我们的比赛就 无法就行了，因为比赛场景中要求的我们根本无法做到。所以我们和 其他高校还是差距非常大的。同时我们电子部分用的是 STM32 控制 板这个板子是很强大的我们还可以继续使用，但是我们的避障传感器 还需要使用激光雷达，也是我们下一步要主要研究的。
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这种车轮由 两部分组成, 即主动的轮毂和沿轮毂外缘均匀交 替分布的被动辊子,辊子的轴线方向，与轮毂的端面平行,以自由 滚 动。当车轮旋转时,轮心相对于地面的速度 v 是轮毂速度 VY 与辊 子滚动速度 VX 的合成,VX 与 VY 垂直,见图一。这种结构的车轮在驱动力 的作用下可以前进或后退,当受到横向的外力时又可以自由的横向移 动,因此经过适当的组合后就可以实现机器人的全向移动和原地转向 运动, 以及这两种运动的合成。
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第一部分整体结构简介
图一 整体结构 这是比赛之前设计的结构图虽然没有用但是基本运动方程及整体结 构的作用方面已经做过基本功能分析。下面简单的介绍各个部分的作 用。各部分零件作用: （1）头部：主要是一个普通摄像头，结合伸缩杆可以实现整体对人 脸的查找和识别。但是事实上我们还需要用全景摄像头，或者让普通 摄像头上下和左右各 180 度角旋转达到快速查找的目的。 （2）伸缩杆：属于气泵式伸缩杆为全景摄像头对人和脸部查找提供 方便。但是气泵式的速度方面还不行，看各个学校的机器人还是丝杆 的比较多，以后多往这方面做做还是可以的。
在我国,移动机器人己在水下探险、自动搬运、无人车侦察、清洁 服务等方面有了初步的应用,有些方面己经达到或接近于美日欧发达 国家水平,但由于我们起步晚,总体水平还比较落后。因此,开展分工合 作,各单位选择适合自己的研究方向,跟踪国外学科发展前沿,对提高 我国自动化水平、推广移动机器人的应用,进而创造更多经济效益都 是很重要的。
V1
VY = -Al4
ϕ
A
-Al4 -Al4 1-Al4 A AA
* V2 V3
（2-2）
V4
VX
1-Al1 -Al1 -Al1 -Al1
V1
VY = ϕ
Al2 Al2-1 Al2 Al2
AAA
A
* V2 （2-3） V3
V4
VX
Al2 Al2-1 Al2 Al2
V1
VY = Al3 Al3 Al3-1 Al3 * V2
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（3）音响和 PC（笔记本）放置平台：前者为机器人语音交互做好准 备，后者是为了，软件调试者提供方便。 （4）激光雷达：雷达可以 270 度方位角扫描，建立一个场景地图可 以迅速查找坐标及避开障碍物。这个东西对我们非常的重要，各大高 校都有，以后这个方面的研究也是非常重要，由于我也是经验不足， 这方面还需要买过来后大家多多去查找资料去了解。 （5）驱架：主要是起支撑作用，支撑丝杆和气泵式伸缩杆。 （6）体感：主要是指微软公司生产的 Kinect，XBOX360 体感周边 外设，感受人体的动作，并根据动作作出相应的回应及服务，软件组 的同学还需要多多去了解他的其他方面功能，别停留在对代码的简单 套用。 （7）底座：主要是支持上层部分，同时排布有八个超声波传感器 ，可以 270 度避障。底座上黑色的竖线上排布可以调节高度和左右 间距。这次比赛我们没有激光雷达所以只能靠这几个传感器来进行障 碍的躲避其适应差及检测精度差等等，最最重要的是它不具有建立地 图的功能，所以这个避障及定位方案不能采用，只能做一个简单的避 障小车写写避障算法来玩玩而已。 （8）全向轮：四个独立驱动的伺服电机驱动四个全向轮, 实现 360 度全方位行走，十分灵活而这次我们使用的是左右两个独立驱动轮， 前后两个万向轮的结构。这个结构虽然已经经得住考验但是灵活性还 是不如四个全向轮或者三个全向轮独立驱动的结构。 （9）手部摄像头：主要是为了手部服务可以识别门把手及简单的握
我们基本上处于一个瞎子的状态，不能定点移动。 采用激光雷达的作用是建立如下图的大致场景：
图五 激光建图
这是一个激光发射时采集到障碍物情况：
图六 激光雷达扫描过程 激光雷达采集图像的过程是这样，机器人在移动过程中接受激光雷达 反射回来的障碍点距离信息，机器人将周围环境信息映射到自身创建
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②全向移动底盘的运动学分析 我们设计的全向移动底盘采用四个可以独立控制的全向轮（如
图二所示）
y
V1
l1 V4
O
l2
l4
l3 V3
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x V
2
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图九 底盘电机安装示意图
如图二所示，轮心轴线在平面内间隔 90 度分布，移动底盘的运 动分析如图二所示，y 轴为底盘的正前方向，x 轴为底盘的横向方向， V1、V2、V3、V4 分别为四个全向轮的线速度，ϕ为底盘的自转角速度， 每个轮子距移动底盘中心 O 的距离分别是 l1、l2、l3、l4，根据运动 合成与分析原理，底盘的运动方程如下：
用之前铁路巡线时的底盘）的对比，及相关说明。
说明：由于第一次写技术报告以及个人语文水平有限，如果给大家带 去了误区，希望大家多多谅解。大家要仔细看，多多少少会对自己有 所启发，启发后能咱们实验室的服务类机器人作出改进，别还停留在 理论阶段，多多去实践，争取能够早日将我们的机器人推出郑大去和 各高校进行比赛。
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第二部分 工作原理分析
主要是一个轮式结构外加一个气泵升降杆，及两个自由度的机械 手，通过丝杆来控制机械手的上升和下降。采用的是四个轮子结构， 左右两个轮子是驱动轮各自独立驱动，前后两个也是驱动轮各自独立 驱动，这样的结构非常稳定不会摇晃。独立两个轮的驱动方式的转向 中心位于两驱动轮连线上，整体可绕该连线上的任一点处转动，转向 性能最好，同时四个独立驱动轮通过建立运动方程就可以实现全方位 360 度全方位前进及后退，这样就大大减少转弯时的运动路程及转弯 半径。四个轮子采用伺服电机自带码盘测速及路程累计可以进行室内 定位及路径规划。底座的前方中部安装有激光雷达可以实现对室内环 境的记忆，可以帮助我们顺利的完成任务而不会撞到人等相关障碍 物。气泵式升降杆具有良好的稳定性和升降速度可以快速寻找人的脸 部所在位置不会浪费时间（前提是找到了人）；Kinect 是帮助我们找 到人的关键同时可以识别简单的动作进行交互。通过码盘我们实现室 内的坐标定位和路径规划实现两个地点之间的准确到达。具备这些功 能我们就可以实现取物，开门，以及对特定的主人服务，超市购物等 家庭服务机器人技术报告
当
V4= - V2
V1= V3 =0
移动底盘向正前方运动且运动速度 V=V4 ;
当
V1= - V3 V4= V2=0 移动底盘向左运动，运动速度 V=V1 ; 当
V1+V4=-V2-V3 移动底盘向左前方运动，运动速度 V=23/2V1 ; 其他特殊运动形式同上理推出。
V1=Rω1=VX+ϕl
V2=Rω2=-VY+ϕl
V3=Rω3=-VX+ϕl
（1）
V4=Rω4=VY+ϕl
式中ω1、ω2、ω3、ω4 是四个全向轮的角速度；VX、VY 分别是底盘平