VC爬壁机器人系统及人机工程设计(3)
机器人体系结构研究的重点是功能划分和功能之间信息交换的规范方面。在日本，体系结构以硬件为基础来划分。如三菱重工株式会社将其生产的PA-10可携带式通用智能臂式机器人的结构划分为五层结构:第一层为7关节操作器；第二层是伺服驱动；第三层是运动控制器；第四层是操作控制，包括操作箱；第五层应用程序开发环境。DENSO公司生产了一种新型机器人控制器NetwoRC采用PC机结构、网络通信、新的机器人编程语言和带有GUI环境的多功能示教板，并将其应用于PA-10机器人的控制)该机器人的结构分为四层：机器人本体、伺服驱动、运动控制和操作界面。
20世纪80年代中期，在美国政府的资助下，NASA推出了一种用于控制遥控机器人概念体系结构NASREM[5],如图5.1。从图中可以看出，它是一种自顶向下的、分层式、推理型的控制结构。依据处理过程的时间跨度和速度要求，从上到下分为：目标服务、服务区、任务、电子驱动、原型和协同伺服等6个层次。例如，目标服务负责全局目标的执行，目标变换的时间跨度为一个小时单位，一次规划的时间为6min，时钟分辨率为4s；而协同伺服层负责对传感器感应的环境变化做出快速反应，环境信息感应时间为15ms，响应时间为2ms，时钟分辨率为1ms。系统设立一个全局数据区，负责存储全局地图，环境目标列表、状态变量和评估函数等，在人机交互的指令调度下，系统通过任务分解、模型构建与评估和传感器信息处理三个模块实现对机器人的控制。
1.1 NASREM标准参考体系结构
这种NASREM结构在实际中应用较少，但是却是人们研究机器人体系结构的参考模型。目前，常用的机器人体系结构包括严格分层递阶的分层式体系结构，基于行为的包容式体系结构等。
1.3 爬壁机器人的特点及反展
爬壁机器人是移动机器人领域的一个重要分支,可在垂直壁面上灵活移动,代替人工在极限条件下完成多种作业任务,是当前机器人领域研究的热点之一。较为高端的爬壁机器人是集机构学、传感技术、控制和信息技术等科学为一体的高技术产品，因此爬壁机器人技术的研究是伴随着各项科技的发展而发展的。自80年代以来，爬壁机器人技术在国内外取得了迅速的发展，有的已开始进入实用试验阶段。到1992 年底，国外已有不同类型的爬壁机器人研制成功，其中以日本发展最快。国内较早发展该项技术的是哈尔滨工业大学，他们已研制成功壁面爬行遥控检测机器人，采用真空吸附方式，通过运载小车使机器人在壁面上下左右自由行走。另外，上海大学研制了用于高层建筑窗户擦洗的真空吸附足式爬行 机器人。上海交通大学亦于1995 年研制了磁吸附爬壁机器人用于油罐检测。爬壁机器人要在壁面移动，对壁面进行清洁或传递救援物质，就需要具备以下特点：
（1）吸附与行走功能
吸附与行走是爬壁机器人从事壁面作业的基本要求，因此爬壁机器人应具有一定的吸附能力，其产生的摩擦力能够大于机器人的重力，防止坠落；同时，还应当有驱动机构，能够使机器人在壁面上自由行走移动。
（2）感应与避障功能
执行既定任务过程中，爬壁机器人按照一定的路径在壁面行走，对整个壁面完成清洁工作。但当规定路径上出现障碍时，就要求爬壁机器人能够侦测到障碍并自主的转向，从而顺利完成任务。
（3）传感与遥控功能
实际任务过程中爬壁机器人要能够接受人工干预，因此爬壁机器人要具有遥控功能。执行过程中时常需要将反馈外界情况给控制端，这就要求爬壁机器人具有传感功能。