Состав и характеристики мобильных роботов

Московский государственный технический университет  
имени Н. Э. Баумана 

 
 
 
К.Ю. Машков, В.И. Рубцов, И.В. Рубцов 
 
 
Состав и характеристики  
мобильных роботов 

Рекомендовано Научно-методическим советом 
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия 
по курсу 
«Управление роботами и робототехническими  
комплексами» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

Москва 

2014 

 

УДК 681.5 (075.8) 
ББК 32.816 
М38 

Издание доступно в электронном виде на портале ebooks.bmstu.ru 
по адресу: http://ebooks.bmstu.ru/catalog/175/book85.html 

Факультет «Специальное Машиностроение» 

Кафедра «Специальная робототехника и мехатроника» 

Рекомендовано Учебно-методической комиссией Научно-учебного 
комплекса «Машиностроительные технологии» МГТУ им. Н. Э. Баумана. 

Рецензен ты : д-р техн. наук, проф. В.Н. Наумов,  
д-р техн. наук В.В. Щербинин 

 

 
Машков К. Ю. 
М38  
 
Состав и характеристики мобильных роботов: учеб. 
пособие по курсу «Управление роботами и робототехническими комплексами». / К. Ю. Машков, В. И. Рубцов,  
И. В. Рубцов. — М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 
2014. — 75, [1] с.: ил. 

ISBN 978-5-7038-3866-2 
 

Рассмотрены состав и характеристики мобильных роботов, а также 
основы проектирования робототехнических комплексов и управления ими. 
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих курс «Управление роботами и робототехническими комплексами». 

  УДК 681.5 (075.8) 
  ББК 32.816 
 

                                                              
 
 
 МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2014  
 Оформление. Издательство      
ISBN 978-5-7038-3866-2                                                МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2014 

 

ВВЕДЕНИЕ 

В настоящее время робототехника превратилась в развитую отрасль промышленности: тысячи роботов работают на различных 
предприятиях мира, подводные манипуляторы стали непременной 
принадлежностью подводных исследовательских и спасательных 
аппаратов, при изучении космоса широко используются роботы с 
разным уровнем интеллекта. Большое внимание уделяется автоматизации тяжелых, вредных, утомительных и монотонных работ в 
различных отраслях промышленности с помощью роботов-манипу- 
ляторов.  
В учебном пособии рассмотрены состав и характеристики 
мобильных роботов, а также основы проектирования робототехнических комплексов специального назначения и управления 
ими. Глава 1 посвящена вопросам классификации роботов и методам управления ими, глава 2 — функциональным и структурным схемам роботов, функционирующих в различных средах,  
а глава 3 — основным методам тягового расчета и способам 
энергообеспечения основных типов робототехнических комплексов. В главе 4 изложены вопросы проектирования и управления навесным оборудованием робототехнических комплексов, 
приведены методики решения прямых и обратных задач кинематики и динамики, изложены основы построения нечетких регуляторов. В разделе «Литература» приведен список работ 
[1 — 16], посвященных рассматриваемым в пособии проблемам 
развития робототехники.  
 

 

1. КЛАССИФИКАЦИЯ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ  
КОМПЛЕКСОВ 

Роботы — автоматические системы, предназначенные для воспроизводства двигательных и интеллектуальных функций человека. От традиционных автоматов они отличаются большей универсальностью и способностью адаптации к выполнению различных 
задач, в том числе в изменяющейся обстановке [1]. 
Робототехнические комплексы (РТК) подразделяются на следующие типы: мобильные, манипуляционные и информационные  
Мобильные РТК состоят из передвижных роботов и обеспечивают автоматические перемещения полезной нагрузки рабочих 
объектов в пространстве. 
Манипуляционные РТК предназначены для имитации двигательных функций руки человека. Могут использоваться в качестве 
навесного оборудования для мобильных РТК. 
Информационные РТК — это комплексы измерительно-информационных систем и управляющих средств, автоматически производящих сбор, передачу и обработку информации. 
По области применения различают следующие виды роботов: 
промышленные, военные и специального назначения. 
Промышленные роботы — это универсальные, автономные и 
автоматические устройства с памятью и программным управлением, предназначенные для воспроизведения двигательных и некоторых умственных функций человека при выполнении основных и 
вспомогательных производственных операций. 
Роботы военного назначения служат как для применения непосредственно в военных операциях, так и для ведения разведки, 
участия в обеспечивающих операциях, выполняют задачи разминирования, слежения за границей и т. д. 
Роботы специального назначения функционируют в условиях, 
опасных для жизнедеятельности человека. К ним относятся плане

тоходы — роботы для исследования других планет, роботы для 
пожаротушения, роботы, функционирующие на атомных электростанциях, роботы для борьбы с террористами и т. д. 
По средам функционирования роботы делятся на наземные, 
подземные, подводные, надводные, воздушные и космические.  
В учебном пособии основное внимание уделено наземным роботам. 
Основной частью навесного оборудования роботов являются 
манипуляторы. 
Манипулятор — это устройство, имитирующее двигательные 
функции руки человека и предназначенное для проведения различных манипуляций с объектом. 
По уровню сложности робота и его устройства выделяют три 
поколения роботов: 
1-е поколение — роботы, имеющие только память, а также 
обучающую и адаптивные системы; 
2-е поколение — роботы с частично самоорганизующейся системой управления, обучения и адаптации; 
3-е поколение — роботы с самоорганизующейся системой 
управления и органами чувств. 
В машиностроении в основном применяются роботы 1-го поколения и частично 2-го поколения. Роботы 2-го и 3-го поколений 
используются для научных исследований и для работы в условиях, 
недоступных и вредных для человека. В учебном пособии рассмотрены роботы 2-го и 3-го поколения. 
Ниже приведена классификация роботов в соответствии с 
ГОСТ 25685—83. 
По характеру выполнения технологических операций роботы 
делятся на три группы: 
1) технологические (производственные) роботы, выполняющие 
основные технологические операции. Они непосредственно участвуют в техпроцессе в качестве оборудования (гибка, сварка, окраска, сборка и т. д.); 
2) вспомогательные (подъемно-транспортные) роботы, осуществляющие функции переноса объекта в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Они применяются для обслуживания основного технологического оборудования; 
3) универсальные роботы, которые выполняют разнообразные 
технологические операции: основные и вспомогательные. 

По степени специализации различают: 
 специальные роботы, используемые только для выполнения одной технологической операции или обслуживания 
конкретного технологического оборудования; 
 специализированные промышленные роботы, предназначенные для проведения технологических операций одного вида 
(сварки, окраски, сборки, гибки, штабелирования и т. д.); 
 многоцелевые роботы, применяемые для выполнения различных основных и вспомогательных операций. Они относятся к числу универсальных. 
По типам производства роботы подразделяются на серийные и 
массовые. Эти роботы применяются:  
 в заготовительных цехах (литейных, кузнечно-прессовых  
и т. д.);  
 в основных цехах (механических, сборочных, термических, 
гальванических и др.); 
 во вспомогательных цехах (инструментальных, ремонтных 
и др.) 
По технологическим операциям различаются роботы, которые осуществляют:  
 основные операции (сборка, сварка, окраска, штабелирование и др.); 
 вспомогательные операции при всех видах обработки; 
 операции контроля; 
 все виды работ на складах. 
Кроме того, роботы используются как внутрицеховой и межцеховой транспорт. 
Системы основных координатных перемещений манипуляторов следующие: прямоугольная — плоская и пространственная; 
полярная — плоская; цилиндрическая — пространственная; ангулярная — плоская. 
По грузоподъемности роботы подразделяются на следующие 
категории: 
 сверхлегкие — до 1 кг; 
 легкие — до 10 кг; 
 средние — до 200 кг; 
 тяжелые — до 1000 кг; 
 сверхтяжелые — свыше 1000 кг. 

По степени мобильности различают стационарные или подвижные роботы. 
По конструктивному исполнению роботы делятся на встроенные, напольные, подвесные. 
Существуют следующие типы силового привода робота: гидравлический, пневматический, электрический и комбинированный.  
Схемы расположения приводов: в едином блоке, на вспомогательных органах или комбинированная. 
По характеру обработки программы бортовых ЭВМ роботов: 
жестко программируемые, адаптивные и гибко программируемые. 
По быстродействию роботы подразделяются на следующие 
категории: 
 малое быстродействие — до 0,5 м/с; 
 среднее — линейные скорости от 0,5 до 1 м/с (примерно 
80 % роботов); 
 высокое — свыше 1 м/с (примерно 20 % роботов). 
По точности движения различают роботы, которые обладают: 
 малой точностью — при линейной погрешности 1 мм и 
выше; 
 средней точностью — от 0,1 до 1 мм (больше всего роботов); 
 высокой точностью — менее 0,1 мм. 
К параметрам, определяющим технический уровень роботов, 
относятся: 
 надежность; 
 число одновременно работающих степеней подвижности; 
 время программирования; 
 удельная грузоподъемность; 
 выходная мощность манипулятора (произведение грузоподъемности и скорости перемещения), отнесенная к мощности его приводов; 
 относительные оценки габаритных параметров и т. п. 
Эти параметры служат критериями качества функционирования 
робота при проектировании и для сравнительной оценки роботов. 
По способу управления [2, 3] различают роботы: 
 с программным управлением; 
 с адаптивным управлением; 
 с интеллектуальным управлением. 

2. СОСТАВ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ, 
СТРУКТУРНЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ 

В этой главе рассмотрены функциональные и структурные схемы мобильных наземных РТК специального назначения, работающих в полуавтономном режиме. Такие комплексы должны включать в свой состав системы технического зрения, интеллектуальные 
системы управления и человеко-машинный интерфейс [1, 4]. Это 
позволяет улучшить тактико-технические характеристики (точность, быстродействие и др.) роботов, убрать людей из опасных для 
жизнедеятельности областей, избавить их от тяжелого монотонного 
труда. 
В общем случае система технического зрения может включать 
в себя датчики различных типов (радиолокационные, оптические, 
тактильные и др.) и устройства обработки информации. Интеллектуальная система управления содержит технические средства 
(спецвычислители, кибернетические функциональные модули) и 
программно-математическое обеспечение [5]. Человеко-машинный 
интерфейс может иметь в своем составе терминальные внешние 
устройства, устройства речевого ввода-вывода и подсистемы графического общения. 
Анализ алгоритма функционирования РТК позволяет сформировать функционально-структурную схему его системы управления (СУ РТК). Такая схема представлена на рис. 2.1. В состав СУ 
РТК входят следующие системы [6]: 
 система управления движением (СУД); 
 система управления оружием (СУО); 
 система оценки обстановки и принятия решений (СПР). 
Системы СУД, СУО и СПР являются основными системами 
РТК. В соответствии с принципом иерархии они содержат три 
уровня управления [7]. 

Рис. 2.1. Функционально-структурная схема системы управления РТК: 
СУ — система управления; РТК — робототехнический комплекс; СПР — система принятия решений;  
СУД — система управления движением; СУО — система управления оружием

 

Верхний (стратегический) уровень. Основной системой этого 
уровня является СПР РТК. На этом уровне осуществляются анализ 
обстановки и планирование адекватного поведения РТК. Информационная основа для принятия решений обеспечивается схемой 
действия РТК и базами данных: внутренней (в режиме автономного управления) и внешней (в режиме дистанционного управления). 
Средний (тактический) уровень. Основными системами 
среднего уровня являются СПР СУД и СПР СУО. На этом уровне 
реализуются алгоритмы, выполняющие анализ в видимой зоне 
действия, в основном осуществляется работа с информацией, поступающей от системы технического зрения и локации, совместно 
с верхним уровнем планируется управление исполнительным 
уровнем. 
Нижний (исполнительный) уровень. На этом уровне планы 
верхнего и среднего уровней переводятся в последовательность 
команд управления для исполнительных органов СУД и СУО. 
Организация взаимодействия уровней управления предусматривает элементы переменной иерархии, что позволяет принимать 
решение на том уровне, который в данный момент обладает 
наиболее достоверной информацией, без передачи управления на 
более высокий уровень [7]. 
Приведем примеры функционально-структурных схем различных РТК. 
Системы дистанционного управления движением с человекомоператором в контуре управления можно подразделить на два 
класса. Это дистанционные СУД с человеком-оператором, наблюдающим рабочую зону своими глазами, и дистанционные СУД с 
человеком-оператором, наблюдающим рабочую зону по телевизионному изображению. 
Обобщенная структурная схема таких СУД приведена на рис. 2.2. 
Пульт дистанционного управления может быть соединен с объектом управления кабелем или радиоканалом. Пульт дистанционного управления может быть размещен на танке сопровождения. Эта 
система дистанционного управления движением работает следующим образом. Оператор наблюдает ситуацию в рабочей зоне и формирует команды с помощью пульта оператора (рукоятки, кнопки и 
тумблера). Он может дистанционно с пульта управлять движением 
(газ, тормоз, переключение передач, повороты) и специальным