机器人感知系统标准化与模块化设计

论文摘要

最近,由于数字整合的需求日益增长,机器人感知系统愈来愈复杂,牵扯到的接口愈来愈多,对开放性和互操作性提出了越来越高的要求,缺乏统一的设计模型制约着我国机器人产业的发展,触发了对机器人感知系统模块化与标准化设计的强烈需求。本文基于软硬件分离的原则,以模块化的角度对机器人感知系统进行功能模块化分解,设计标准化的感知系统数据描述规范以及用户接口格式,最后将该模型应用到机器人足部感知系统中,显示了其在机器人感知系统可重用、易操作等方面的作用。该模型能够提高机器人感知系统的开发成本,为建立具有广泛互操作性的机器人系统提供了较好的研究基础。文章主要包含下面几个工作内容:1)构建了具有模块化特征的机器人感知系统模型:该模型以模块化架构的理念分割系统,强调各模块的可重用性,为机器人感知系统的软、硬件整合提供了较好的平台。2)重点设计了机器人感知系统的软件模块:充满弹性的软件模块改变了以往软件无法应付硬件的快速更新的问题,具体包括传感器的数据描述、感知系统节点的数据描述、通信协议规范以及机器人感知系统的用户接口函数的定义这四个部分。3)实现机器人感知系统模块化与标准化设计在足部感知系统中的应用:基于DSP硬件平台设计机器人足部感知系统,对系统的六维力传感器、陀螺仪及足部感知系统节点自身进行标准的数据描述定义,并规定了统一的通信协议,在此基础上给出了标准化的用户接口函数规范,并基于LabVIEW的图形开发环境设计了感知系统数据描述的编写、读取及保存等控件,为传感器的即插即用奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 机器人
• 1.2 机器人感知系统
• 1.2.1 机器人感知系统的定义
• 1.2.2 机器人感知系统的交互作用
• 1.2.3 机器人感知系统模块化与标准化设计的意义
• 1.3 机器人传感器
• 1.3.1 传感器的分类
• 1.3.2 机器人传感器的分类
• 1.4 研究背景
• 1.4.1 IEEE1451
• 1.4.2 OGC SWE
• 1.4.3 RTC（Robotic Technology component）Specification
• 1.5 本文主要内容
• 第2章 机器人感知系统的模型
• 2.1 机器人感知系统架构
• 2.2 感知系统模块化设计的模型
• 2.2.1 传统机器人感知系统存在的问题
• 2.2.2 人体神经感知系统
• 2.3 机器人感知系统模型结构
• 2.3.1 节点模块
• 2.3.2 数据描述模块
• 2.3.3 用户接口模块
• 2.3.4 统一的协议规范
• 2.4 UML 机器人感知系统设计
• 2.4.1 UML 概述
• 2.4.2 本文所运用到的UML 图形语言
• 2.4.3 机器人感知系统的UML 描述
• 第3章 感知系统的硬件模块
• 3.1 硬件模块化设计基本原则
• 3.2 机器人感知系统硬件模块的UML 描述
• 3.3 底层节点模块
• 3.3.1 传感器模块
• 3.3.2 模拟传感器接口
• 3.3.3 数字通讯接口模块
• 3.3.4 存储单元
• 3.3.5 处理器模块
• 3.3.6 网络用户接口
• 3.4 中间节点模块
• 第4章 机器人感知系统软件模块
• 4.1 传感器数据描述
• 4.1.1 机器人传感器信息描述语言STDL（Sensor Template Description Languages）的构成及形式
• 4.1.2 机器人传感器信息描述属性定义
• 4.2 节点数据描述
• 4.3 用户接口组件
• 4.3.1 API 函数的作用
• 4.3.2 IDL（Interface define language）概述
• 4.3.3 用户接口组件规范
• 4.4 机器人感知系统模块化设计仿真系统
• 第5章 机器人感知系统模块化设计的应用
• 5.1 足部感知系统的硬件模块
• 5.2 传感器的数据描述
• 5.2.1 六维力传感器数据描述
• 5.2.2 陀螺仪数据描述
• 5.3 足部感知系统节点的数据描述
• 5.4 足部感知系统用户接口
• 5.4.1 STDLManager
• 5.4.2 SensorManager
• 5.5 机器人足部感知系统的通信协议
• 5.5.1 CAL 报文格式内容定义
• 5.5.2 CAL 报文传输协议
• 5.5.3 网络管理
• 5.5.4 通信协议的实现
• 5.6 机器人足部感知系统模块化设计测试软件
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.1.1 全文工作总结
• 6.1.2 本文创新点
• 6.2 未来研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果