雙足行走機(jī)器人臂部結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)畢業(yè)論文.doc

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第1頁共26頁1緒論1.1引言機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，仿人型機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。研究仿人型機(jī)器人需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。雙足步行機(jī)器人是仿人型機(jī)器人的一種。1959年，世界上誕生了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，開創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仿人型機(jī)器人的研究與應(yīng)用迅猛發(fā)展。世界著名機(jī)器人專家、日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說過：“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能”。其中雙足行走是步行方式中自動(dòng)化程度最高、最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。偉大的發(fā)明家愛迪生也曾說過這樣一句話：“上帝創(chuàng)造人類，兩條腿是最美妙的杰作”。雙足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)步行的環(huán)境要求很低，既能在平地上行走，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上行走，對(duì)環(huán)境有很好的適應(yīng)性。步行功能的具備為擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域開辟了無限廣闊的前景。研究雙足步行機(jī)器人的原因和目的，主要有以下幾個(gè)方面：希望研制出雙足步行機(jī)構(gòu)，使它們能在許多結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)環(huán)境中行走，以代替人進(jìn)行作業(yè)或延伸和擴(kuò)大人類的活動(dòng)領(lǐng)域；希望更多得了解和掌握人類得步行特性，并利用這些特性為人類服務(wù)，例如：人造假肢。雙足步行系統(tǒng)具有豐富的動(dòng)力學(xué)特性，在這方面的研究可以拓寬力學(xué)及機(jī)器人的研究方向；雙足步行機(jī)器人可以作為一種智能機(jī)器人在人工智能中發(fā)揮重要的作用?？苹眯≌f和電影作品中，人們將像人一樣行走、思考、行為的機(jī)器人作為機(jī)器人研究的最高境界。科學(xué)工作者也一直將實(shí)現(xiàn)類人行為的機(jī)器人作為工作的最高目標(biāo)去追求。步行機(jī)器人特別是雙足步行機(jī)器人的研究是整個(gè)類人機(jī)器人研究的前奏，是實(shí)現(xiàn)類人機(jī)器人的必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。在具有許多優(yōu)點(diǎn)的步行機(jī)器人中，由于雙足步行機(jī)器人體積較小，所以他們對(duì)環(huán)境有最好的適應(yīng)性。這種機(jī)器人除結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單外，在靜、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定步行方面，都是最困難的，但這種困難并不是不能克服。實(shí)用的雙足步行機(jī)器人由兩條腿和平臺(tái)（腰部）組成。腿的作用是為平臺(tái)提供移動(dòng)能力，而平臺(tái)的作用則是提供一個(gè)基礎(chǔ)，以便安裝機(jī)械手、CCD攝像機(jī)、機(jī)載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和電池等。顯然，這種帶機(jī)械手的雙足步行機(jī)器人外形上更像人，能非常靈活地從事較多本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第2頁共26頁的工作。但是，對(duì)于這種雙足步行機(jī)器人來說，平臺(tái)的穩(wěn)定性對(duì)于有效地控制機(jī)械手末端操作器的位置和姿態(tài)是至關(guān)重要的，而兩條腿的步態(tài)又對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性起決定作用。因此，如何規(guī)劃好腿的步態(tài)，協(xié)調(diào)地控制兩條腿的運(yùn)動(dòng)以保持平臺(tái)及整個(gè)雙足步行機(jī)器人的穩(wěn)定就成為一個(gè)主要問題。雙足步行機(jī)器人可以是很復(fù)雜的系統(tǒng)，當(dāng)然也可以是構(gòu)造簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。1.2機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù)1.2.1機(jī)器人的發(fā)展20世紀(jì)40年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術(shù)的出現(xiàn)，關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的研究開始出現(xiàn)。60年代美國的ConsolidatedContr01公司研制出第一臺(tái)機(jī)器人樣機(jī)，并成立了Unimation公司，定型生產(chǎn)了Unimate機(jī)器人。20世紀(jì)70年代以來，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機(jī)器人技術(shù)逐漸發(fā)展為專門學(xué)哈爾濱工程大學(xué)碩十學(xué)位論文。1970年，第一次國際機(jī)器人會(huì)議在美國舉行。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機(jī)器人已進(jìn)入了實(shí)用化階段。目前，盡管關(guān)于機(jī)器人的定義還未統(tǒng)一，但一般認(rèn)為機(jī)器人的發(fā)展按照從低級(jí)到高級(jí)經(jīng)歷了三代。第一代機(jī)器人，主要指只能以“示教-再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人，其只能依靠人們給定的程序，重復(fù)進(jìn)行各種操作。目前的各類工業(yè)機(jī)器人大都屬于第一代機(jī)器人。第二代機(jī)器人是具有一定傳感器反饋功能的機(jī)器人，其能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對(duì)象的簡(jiǎn)單信息，通過計(jì)算機(jī)處理、分析，機(jī)器人按照己編好的程序做出一定推理，對(duì)動(dòng)作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級(jí)的智能。當(dāng)前，對(duì)第二代機(jī)器人的研究著重于實(shí)際應(yīng)用與普及推廣上。第三代機(jī)器人是指具有環(huán)境感知能力，并能做出自主決策的自治機(jī)器人。它具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中可獨(dú)立行動(dòng)。第三代機(jī)器人又稱為智能機(jī)器人，并己成為機(jī)器人學(xué)科的研究重點(diǎn)，但目前還處于實(shí)驗(yàn)室探索階段。機(jī)器人技術(shù)己成為當(dāng)前科技研究和應(yīng)用的焦點(diǎn)與重心，并逐漸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)等方面發(fā)揮巨大作用?？梢灶A(yù)見到，機(jī)器人將在21世紀(jì)人類社會(huì)生產(chǎn)和生活中扮演更加重要的角色。1.2.2機(jī)器人技術(shù)機(jī)器人學(xué)是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學(xué)科，該學(xué)科涉及領(lǐng)域廣泛，集中了機(jī)械工程、電氣與電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)控制工程、生物科學(xué)以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī)電一體化的最新成就。機(jī)器人充分體現(xiàn)了人和機(jī)器的各自特長(zhǎng)，它比傳統(tǒng)機(jī)器具有更大的靈活性和更廣泛的應(yīng)用范圍。機(jī)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第3頁共26頁器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會(huì)進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。目前，機(jī)器人及其自動(dòng)化成套裝備己成為國內(nèi)外備受重視的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，與此同時(shí)它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務(wù)、娛樂等各個(gè)領(lǐng)域滲透。目前，雖然機(jī)器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發(fā)展。隨著各學(xué)科的發(fā)展和社會(huì)需要的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)出現(xiàn)了許多新的發(fā)展方向和趨勢(shì)，如網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)、虛擬機(jī)器人技術(shù)、協(xié)作機(jī)器人技術(shù)、微型機(jī)器人技術(shù)和雙足步行機(jī)器人技術(shù)等。1.3雙足步行機(jī)器人研究概況1.3.1國外研究現(xiàn)狀分析最早系統(tǒng)地研究人類和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)原理的是Muybridge，他發(fā)明了電影用的獨(dú)特?cái)z像機(jī)，即一組電動(dòng)式觸發(fā)照相機(jī)，并在1877年成功地拍攝了許多四足動(dòng)物步行和奔跑的連續(xù)照片。后來這種采用攝像機(jī)的方法又被Demeny用來研究人類的步行運(yùn)動(dòng)。從本世紀(jì)30年代到50年代，蘇聯(lián)的Bernstein從生物動(dòng)力學(xué)的角度也對(duì)人類和動(dòng)物的步行機(jī)理進(jìn)行深入的研究，并就步行運(yùn)動(dòng)作了非常形象化的描述。真正全面、系統(tǒng)地開展兩足步行機(jī)器人的研究是始于本世紀(jì)60年代迄今，不僅形成了兩足步行機(jī)器人一整套較為完善的理論體系，而且在一些國家，如日本、美國和蘇聯(lián)等都已研制成功了能靜態(tài)或動(dòng)態(tài)步行的兩足步行機(jī)器人樣機(jī)。這一部分，我們主要介紹隊(duì)60年代到1985年這一時(shí)期，在兩足步行機(jī)器人領(lǐng)域所取得的最重要進(jìn)展。在60年代和70年代，對(duì)步行機(jī)器人控制理論的研究產(chǎn)生了3種非常重要的控制方法，即有限狀態(tài)控制、模型參考控制和算法控制。這3種控制方法對(duì)各種類型的步行機(jī)器人都是適用的。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出來的，模型參考控制是由美國的Farnsworth在1975年提出來的，而算法控制則是由南斯拉夫米哈依羅鮑賓研究所著名的機(jī)器人學(xué)專家Vukobratovic博士在1969年至1972年問提出來的。這3種控制方法之間有一定的內(nèi)在聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實(shí)質(zhì)上是一種采樣化的模型參考控制，而算法控制則是一種居中的情況1。在兩足步行機(jī)器人的發(fā)展史上，Vukobratovic博士是一個(gè)非常突出的人物。他在整個(gè)70年代就兩足步行機(jī)器人的理論研究和假肢的設(shè)計(jì)發(fā)表了很多有影響的論文。他提出了用歐拉角描述兩足步行系統(tǒng)的通用數(shù)學(xué)模型；指出了由于步行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和控制性能的特殊性，用一般控制理論不能滿意地解決人工實(shí)現(xiàn)步行的問題，并相應(yīng)地提出了算法控制的概念；研究了類人型兩足步行系統(tǒng)在單腳和雙腳支撐期機(jī)構(gòu)的特本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文）第4頁共26頁點(diǎn)，并建立了從運(yùn)動(dòng)副組合到關(guān)節(jié)力矩計(jì)算等各項(xiàng)運(yùn)算的KINPAIR算法，分析了類人型兩足步行系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定性，并提出了相應(yīng)的姿態(tài)控制算法；對(duì)類人型兩足步行系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析和頻率分析此外，他還與合作者一起為截癱病人和小兒麻痹癥患者設(shè)計(jì)了一系列半動(dòng)力型和動(dòng)力型輔助行走裝置。特別重要的是，他和Stepanenko博士一起在1972年提出了“零力矩點(diǎn)ZMP”的概念ZMP概念的提出對(duì)兩足步行機(jī)器人控制產(chǎn)生了非常重要的影響，為有效地控制兩足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)開辟了一條嶄新的途徑2。在步態(tài)研究方面，蘇聯(lián)的Bessonov和Umnov定義了“最優(yōu)步態(tài)”，Kugushev和Jaro-shevskij定義了自由步態(tài)。這兩種步態(tài)不僅適應(yīng)于兩足而且也適應(yīng)于多足步行機(jī)器人。其中，自由步態(tài)是相對(duì)于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，那么步行機(jī)器人在行走時(shí)，下一步腳應(yīng)放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來考慮，而是應(yīng)該象登山運(yùn)動(dòng)員那樣走一步看一步，通過某一優(yōu)化準(zhǔn)則來確定，這就是所謂的自由步態(tài)。在兩足步行機(jī)器人的穩(wěn)定性研究方面，美國的Hemami等人曾提出將兩足步行系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的簡(jiǎn)化模型看作是一個(gè)倒立振子(倒擺)，從而可以將兩足步行的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)解釋為使振子直立移動(dòng)的問題。此外，從減小控制的復(fù)雜性考慮，Hemami等人還曾就兩足步行機(jī)器人的“降階模型”問題進(jìn)行了研究。在步行模式這方面的研究中，日本加藤一郎教授及其合作者1980年提出了“準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行的概念，這是一種介于靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行之間的步行方式。它既具有靜態(tài)步行的特點(diǎn)又具有動(dòng)態(tài)步行的特點(diǎn)，其步速要比靜態(tài)步行快，而實(shí)現(xiàn)起來又不象動(dòng)態(tài)步行那樣困難。最早采用最優(yōu)理論來研究類人型兩足步行系統(tǒng)是美國的Chow和Jacobson。他們?cè)?971年發(fā)表的論文中，具有約束條件的力學(xué)模型和性能最優(yōu)準(zhǔn)則作為兩足步行優(yōu)化問題的核心，而以一種簡(jiǎn)化模型作為研究對(duì)象。但最后，他們僅是以局部耗能最少為基礎(chǔ)得出了一個(gè)優(yōu)化結(jié)果。前面我們?cè)赋鯲ukobrat