提高機(jī)器人競走速度的研究畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）

1、 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）提高機(jī)器人行走速度的研究摘 要機(jī)器人是作為現(xiàn)代高新技術(shù)的重要象征和發(fā)展結(jié)果，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，并正在給人類傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式帶來革命性的變化，影響著人們生活的方方面面。 本文對目標(biāo)機(jī)器人建立了完整的競走比賽環(huán)境，使機(jī)器人能在平面上實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)行走。并且對模型的可靠性和實(shí)用性進(jìn)行了仿真計(jì)算，結(jié)果證實(shí)了文中模型的合理性和可行性。為了更好的看到機(jī)器人競走速度提升的效果，文章采用了類似于場地自行車追逐賽的比賽方式，這樣就能在兩個(gè)機(jī)器人的相互追逐中的速度對比發(fā)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)器提速的效果。 在機(jī)器人的控制問題上，本文采用差動(dòng)裝置來控制該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng),由該機(jī)器人的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪不同

2、的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來達(dá)到控制機(jī)器人的目的。通過傳感器對地面灰點(diǎn)的感應(yīng)，傳回?cái)?shù)據(jù)，根據(jù)需要自動(dòng)轉(zhuǎn)向行動(dòng)的控制方法。具體措施是在機(jī)器人前段安裝兩個(gè)傳感器，通過這兩個(gè)傳感器傳回的數(shù)據(jù)對兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的控制，轉(zhuǎn)而達(dá)到對機(jī)器人的控制。關(guān)鍵詞 機(jī)器人，競走速度，傳感器，機(jī)器人控制abstractthe robot is as an important symbol of the modern new and high technology and development result, has been widely applied in various fields of national production,

3、and is to the human the traditional production pattern brings revolutionary change, affect all aspects of peoples lives. the objective of this robot is the establishment of a complete race walking environment, so that the robot can achieve stable dynamic walking on the plane.the model reliability an

4、d practicability are calculated, results confirmed the rationality of the model and feasibility.in order to better see the robot walking speed to enhance the effect, this paper adopts similar to track cycling race game, so in two the robot mutual chase the speed comparison shows that the target mach

5、ine speed effect. in the robot control problem, this paper adopts a differential device to control the movement of the robot, the robot from the two driving wheels of different state of motion to control the robot to.through the sensor to the ground point grey induction, return data, according to th

6、e need of automatic steering action control method.specific measures in the robot segment installation two sensor, through the two sensor data from the two driving wheels control, to achieve control of robot.key words robot，walking speed，sensor，robot control目 錄摘 要abstract1 緒論11.1 前言11.2 雙足步行機(jī)器人的意義21

7、.2.1運(yùn)動(dòng)方式的優(yōu)越性21.2.2雙足機(jī)器人的優(yōu)越性21.2.3雙足步行機(jī)器人的優(yōu)越性31.2.4 生物科學(xué)、仿生工程學(xué)的研究需要31.2.5 雙足機(jī)器人的應(yīng)用場所31.2.6 機(jī)器人技術(shù)研究熱點(diǎn)41.2.7 國外機(jī)器人研究狀況41.2.8 國內(nèi)雙足機(jī)器人研究狀況61.3雙足步行機(jī)器人研究的發(fā)展趨勢71.4雙足步行機(jī)器人理論研究狀況71.5 本課題研究的意義92 能力暴風(fēng)機(jī)器人開發(fā)環(huán)境簡介102.1簡介102.1.1as-vrobot2.0主要功能112.1.2 as-vrobot2.0先進(jìn)性112.1.3 as-vrobot2.0應(yīng)用113 設(shè)計(jì)思路及比賽環(huán)境的建立123.1 設(shè)計(jì)思路12

8、3.2比賽環(huán)境的建立123.2.1平面布局123.2.2 參數(shù)設(shè)定133.3機(jī)器人模型建立144 機(jī)器人控制編程與比賽建立184.1 機(jī)器人控制方案184.2流程圖編輯184.3 代碼編輯214.4比賽的建立214.4.1隊(duì)伍建立224.4.2比賽規(guī)則建立234.4.3比賽的建立234.4.4 機(jī)器人起始位置設(shè)定244.4.5 小結(jié)245 比賽仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果265.1 比賽仿真265.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的要求275.3 對相關(guān)機(jī)器人的程序修改與調(diào)試275.3.1 對目標(biāo)機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的程序調(diào)試285.3.2 機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時(shí)的程序調(diào)試306 結(jié)論34參 考 文 獻(xiàn)35附錄a：機(jī)器人完整程序37致 謝

9、391 緒論1.1 前言 隨著現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人科學(xué)越來越具有強(qiáng)大的生命力，它在某種程度上己經(jīng)代表當(dāng)今信息技術(shù)、自動(dòng)化技術(shù)、系統(tǒng)集成等技術(shù)的最新發(fā)展趨勢。自從本世紀(jì)50年代美國人發(fā)明第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人的發(fā)展已近半個(gè)世紀(jì)了?？v觀半個(gè)世紀(jì)以來機(jī)器人發(fā)展的歷史，機(jī)器人技術(shù)在需求的牽引下已得到了巨大的發(fā)展。當(dāng)下，國際上工業(yè)機(jī)器人已是成熟的產(chǎn)業(yè)。雖然機(jī)器人的技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)日趨成熟，但是有關(guān)機(jī)器人的定義卻眾說紛紜，美國機(jī)器人工業(yè)協(xié)會(huì)給出的定義是：“機(jī)器人是一種可再編程的多功能操作機(jī)，通過可變的程序流程，以完成多樣化的任務(wù)”。我國著名的機(jī)器人專家蔣新松給出的定義就相對簡潔：“機(jī)器人是一種

10、具有擬人功能的機(jī)械電子裝置”。姑且不管這些定義如何，但他們都包含了機(jī)器人的共性：能模仿人的一些動(dòng)作；具有一定的智力、感覺和識(shí)別能力；是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置。 正常人所能完成的基本動(dòng)作一步行走，其實(shí)是一種非常復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，它需要對人全身的骨骼和肌肉進(jìn)行復(fù)雜而巧妙的協(xié)調(diào)，而人的骨骼系統(tǒng)是由206塊骨頭組成，肌肉系統(tǒng)則包括327對肌肉，這是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，但在大腦的指揮下，人不但能完成步行，而且還能輕而易的舉完成其他高難度的動(dòng)作。對于步行機(jī)器人來說，它只需要模仿人在特殊情況下(平地或己知障礙物)完成步行動(dòng)作，這個(gè)條件雖然可以使機(jī)器人的骨骼機(jī)構(gòu)在很大程度上降低和簡化，但也不是說這個(gè)系統(tǒng)就不復(fù)雜了

11、，其步行動(dòng)作一樣是高度的自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)，需要控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜而巧妙地協(xié)調(diào)每個(gè)關(guān)節(jié)上的動(dòng)作。 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。1”雙足機(jī)器人屬于類人機(jī)器人，典型的特點(diǎn)是機(jī)器人的下肢以剛性構(gòu)件通過轉(zhuǎn)動(dòng)副聯(lián)接，模仿人類的腿及髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)，并以執(zhí)行裝置代替肌肉，實(shí)現(xiàn)對身體的支撐及連續(xù)地協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，各關(guān)節(jié)之間可以有一定角度的相對轉(zhuǎn)動(dòng)。雙足機(jī)器人不僅具有廣闊的工作空間，而且對步行的環(huán)境要求很低，能適應(yīng)各種各樣地面且具有較高的逾越障礙的能力，其步行的性能是其它步行結(jié)構(gòu)無法比擬的。研究雙足行走機(jī)器人具有重要的意義。1.2 雙足步行機(jī)器人的意

12、義1.2.1運(yùn)動(dòng)方式的優(yōu)越性 移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中非常活躍的領(lǐng)域，移動(dòng)方式有輪式、履帶式、步行等方式2。輪式、履帶式車輛雖好，但當(dāng)在不平地面上行駛時(shí)，它們的能耗大大增加，而在松軟地面或嚴(yán)重崎嶇不平的地形上，車輪的作用將嚴(yán)重喪失。足式運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)卻可以通過松軟地面(如沼澤、沙漠等)以及跨越較大的障礙(如溝、坎等)。地球上近一半的地面不能為傳統(tǒng)的輪式或履帶式車輛到達(dá)，而很多足式動(dòng)物卻可以在這些地面上行走自如。這就給人們一種啟示，即足式運(yùn)動(dòng)方式具有其它地面推進(jìn)方式所不具備的獨(dú)特優(yōu)越性能。足式運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)在不平地面和松散地面上的運(yùn)動(dòng)速度較高，而能耗較少。實(shí)驗(yàn)和觀察研究表明，在崎嶇不平的堅(jiān)硬地面上行駛(行走)

13、的平均速度，履帶車輛為816公里小時(shí)；輪式車輛為58公里d,時(shí)；而足式運(yùn)動(dòng)的奔跑速度最高可達(dá)56公里小時(shí)。在有254厘米深的軟土地上，履帶車輛所需的推進(jìn)功率為10馬力噸；輪式車輛為15馬力噸，而足式行走機(jī)只需7馬力噸。由此可以看出步行是大多數(shù)高等動(dòng)物共同采用的移動(dòng)方式，對環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，既可以進(jìn)入相對狹窄的空間，也可以跨越障礙、上下臺(tái)階、上下斜坡、甚至在不平整地面上運(yùn)動(dòng)，與其它各種移動(dòng)方式相比，具有更廣闊的應(yīng)用前景。1.2.2雙足機(jī)器人的優(yōu)越性 步行機(jī)器人包括雙足、四足、六足和八足機(jī)器人等。與其它足式機(jī)器人相比，雙足機(jī)器人具有更高的靈活性和獨(dú)特的優(yōu)勢，主要特點(diǎn)如下3： 雙足機(jī)器人對步行環(huán)

14、境要求很低，能適應(yīng)各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，不僅能夠在平面行走，而且能夠方便的上下臺(tái)階及通過不平整、不規(guī)則或較窄的路面，它的移動(dòng)“盲區(qū)”很小。 雙足機(jī)器人具有廣闊的工作空間，由于行走系統(tǒng)占地面積小，活動(dòng)范圍很大，其上配置的機(jī)械手具有更大的活動(dòng)空間，也可使機(jī)械手臂設(shè)計(jì)得較為短小緊湊。 雙足行走是生物界難度最高的步行動(dòng)作，但其步行性能卻是其它步行結(jié)構(gòu)所無法比擬的。因此，開展雙足機(jī)器人研究工作可以有力推進(jìn)機(jī)器人學(xué)及其它相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。雙足機(jī)器人能在人類的生活和工作環(huán)境中與人類協(xié)同工作，而不需要專門為其對環(huán)境進(jìn)行大規(guī)模改造。目前，雙足步行機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要是康復(fù)醫(yī)學(xué)。從長遠(yuǎn)來看，雙足機(jī)器人

15、在無人工廠、核電站、海底開發(fā)、宇宙探索、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及教育、藝術(shù)和大眾服務(wù)行業(yè)等領(lǐng)域都有著潛在而廣闊的應(yīng)用前景。451.2.3雙足步行機(jī)器人的優(yōu)越性 雙足步行機(jī)器人不但具有雙足移動(dòng)的特點(diǎn)，還具有其它類人的智能特點(diǎn)，如手臂運(yùn)動(dòng)功能、手抓取物體功能、視覺功能、語音功能、自主決策功能等等。因此，是集機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感技術(shù)、控制理論與技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)為一體的綜合性技術(shù)。雙足機(jī)器人對機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)裝置提出了特殊要求，這將導(dǎo)致傳統(tǒng)機(jī)械的重大變革，雙足機(jī)器人是工程上少有的高階、非線性、非完整約束的多自由度系統(tǒng)6，這對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及控制理論的研究提供了一個(gè)非常理想的試驗(yàn)平臺(tái)，在

16、對其研究的過程中，很可能導(dǎo)致力學(xué)及控制領(lǐng)域的新理論、新方法產(chǎn)生。它是智能機(jī)器人理論和技術(shù)的集中體現(xiàn)，能夠帶動(dòng)許多相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的交叉發(fā)展和進(jìn)步。因此，雙足步行機(jī)器人的研制具有十分重大的價(jià)值和意義。1.2.4 生物科學(xué)、仿生工程學(xué)的研究需要 研究開發(fā)雙足步行機(jī)器人的另一重要意義是為了更好的了解人類和其他動(dòng)物的行走機(jī)理，并為下肢癱瘓者提供較理想的假肢。盡管人類對腿和身體運(yùn)用自如，但對行走和奔跑的控制機(jī)制的理解仍處于初始階段。探討動(dòng)物運(yùn)動(dòng)控制機(jī)理的一種方法是研究步行機(jī)器人。由于動(dòng)物和機(jī)器需要完成相同的任務(wù)，它們的控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)必須解決類似的問題。通過研究步行機(jī)器人，我們能夠更好地分析這些問題，得

17、到真正的答案。再者，動(dòng)物行走機(jī)理的研究和步行機(jī)的開發(fā)是雙向互惠的。一旦對動(dòng)物行走機(jī)理有了正確的理解，可以反過來更有效地指導(dǎo)步行機(jī)器人的研究和開發(fā)。其典型實(shí)例是為殘疾人研制假肢或輪椅等步行載體。1.2.5 雙足機(jī)器人的應(yīng)用場所雙足步行機(jī)器人能在與人類的生活和工作環(huán)境中與人類協(xié)同工作，而不需要專門為其對環(huán)境進(jìn)行大規(guī)模改造。目前，雙足步行機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要有：7 為殘疾人(下肢癱瘓者或截肢者)提供室內(nèi)和戶外行走工具。利用人工假腿、腿椅或步行座椅盡可能使殘疾人恢復(fù)正常行走功能(平地行走、坡地行走、跨越溝坎、爬越階梯)，減少對他人的依賴。 極限環(huán)境下代替人工作業(yè)，如太空星球表面考察、海底勘探、水下資源

18、的開發(fā)和設(shè)備維修、沉船的尋找和協(xié)助打撈(代替浮游式機(jī)器人作為運(yùn)載工具，以減少推選器對水底的擾動(dòng)，提高能見度)；核電站內(nèi)的監(jiān)視和維護(hù)作業(yè)(如吸附式步行機(jī)對金屬壁容器的檢修)；高層建筑玻璃的擦洗；管道的探傷和維修(管內(nèi)爬行式機(jī)器人)；遙控救災(zāi)、滅火；爆炸物的處置(如探雷、排雷等)；戰(zhàn)地偵察、警戒等。 在教育、藝術(shù)和大眾服務(wù)行業(yè)等領(lǐng)域都有著潛在而廣闊的應(yīng)用前景。娛樂機(jī)器人、可作為人類同伴的機(jī)器人是發(fā)展的新方向，這將使雙足機(jī)器人逐漸走向普通居民中。1.2.6 機(jī)器人技術(shù)研究熱點(diǎn)機(jī)器人技術(shù)雖然已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，但是在很多方面還是有待完善。目前機(jī)器人技術(shù)的研究方向有如下幾類：機(jī)器人機(jī)構(gòu)技術(shù)目前研究重點(diǎn)

19、是機(jī)器人新的結(jié)構(gòu)、功能及可實(shí)現(xiàn)性，其目的是使機(jī)器功能更強(qiáng)、柔性更大、滿足不同目的的需求，同時(shí)研究機(jī)器人一些新的設(shè)計(jì)方法，探索新的高強(qiáng)度輕質(zhì)材料，進(jìn)一步提高負(fù)載自重比，并且機(jī)器人機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。機(jī)器人控制技術(shù)目前重點(diǎn)研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)，努力使人機(jī)界面更加友好，使機(jī)器人操作系統(tǒng)具有良好的語言及圖形編輯界面，同時(shí)機(jī)器人的控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化以及基于pc機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器也成為研究熱點(diǎn)。數(shù)字伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)目前正研究利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，探索高效的控制驅(qū)動(dòng)算法，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度。同時(shí)利用現(xiàn)場總線（fildbus）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分布式控制。多傳感系統(tǒng)技術(shù)目前研究熱點(diǎn)集中在有效可行的（

20、特別是在非線性及非平穩(wěn)非正態(tài)分布的情形下）多傳感器融合算法，以及解決傳感系統(tǒng)的實(shí)用化問題。機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)主要包括機(jī)器人工作環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計(jì)和智能作業(yè)。優(yōu)化設(shè)計(jì)主要利用各種先進(jìn)的計(jì)算機(jī)手段，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)分析和仿真，提高設(shè)計(jì)效率和優(yōu)化；智能作業(yè)則是利用傳感器技術(shù)和控制方法，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人作業(yè)的高度柔性和對環(huán)境的適應(yīng)性，同時(shí)降低操作人員參與的復(fù)雜性。目前用于實(shí)踐的機(jī)器人作業(yè)主要靠人的參與實(shí)現(xiàn)示教，缺乏自我學(xué)習(xí)和自我完善的能力。這方面的研究工作剛剛開始。機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)網(wǎng)絡(luò)化使機(jī)器人由獨(dú)立的系統(tǒng)向群體系統(tǒng)發(fā)展，使遠(yuǎn)距離操作監(jiān)控、維護(hù)及遙控腦型工廠成為可能，這是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑。目前

21、，機(jī)器人僅僅實(shí)現(xiàn)了簡單的網(wǎng)絡(luò)通訊和控制，網(wǎng)絡(luò)化機(jī)器人是目前機(jī)器人研究中的熱點(diǎn)之一。機(jī)器人靈巧化和智能化發(fā)展機(jī)器人結(jié)構(gòu)越來越靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，其智能也越來越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。1.2.7 國外機(jī)器人研究狀況最早在1968年，英國的mosherr試制了一臺(tái)名為“rig”的操縱型雙足步行機(jī)器人8，揭開了雙足機(jī)器人研究的序幕。該機(jī)器人只有踝和靛兩個(gè)關(guān)節(jié)，操縱者靠力反饋感覺來保持機(jī)器人平衡。19681969年間，南斯拉夫的m,vukobratovic提出了一種重要的研究雙足機(jī)器人的理論方法，并研制出全世界第一臺(tái)真正的雙足機(jī)器人。雙足機(jī)器人的研制成功，促進(jìn)了康復(fù)機(jī)器人的研制。隨后，牛津大學(xué)的

22、witt等人也制造了一個(gè)雙足步行機(jī)器人，當(dāng)時(shí)他們的主要目的是為癱瘓者和下肢殘疾者設(shè)計(jì)使用的輔助行走裝置。這款機(jī)器人在平地上走得很好，步速達(dá)023米秒。日本加藤一郎教授于1986年研制出wl一12型雙足機(jī)器人9，該機(jī)器人通過軀體運(yùn)動(dòng)來補(bǔ)償下肢的任意運(yùn)動(dòng)，在軀體的平衡作用下，實(shí)現(xiàn)了步行周期13秒，步幅30厘米的平地動(dòng)態(tài)步行。日本本田公司10從1986年至今已經(jīng)推出了p系列1，2，3型機(jī)器人。本田公司的計(jì)劃著重設(shè)計(jì)一般家用的機(jī)器人，而非針對特殊任務(wù)。這種設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)是要讓機(jī)器人在布滿家具的房間中來去自如，而且還要能上下樓梯。本田的研究工作，尤其是“p3”和“asimo”的推出，將擬人機(jī)器人的研制工

23、作推上了一個(gè)新的臺(tái)階，使擬人機(jī)器人的研制和生產(chǎn)正式走向?qū)嵱没?、工程化和市場化。asimo高120厘米，體重鈣千克，使用個(gè)人電腦或便攜式控制器操作步行方向和關(guān)節(jié)及手的動(dòng)作。雙腳步行方面，采用了新開發(fā)的技術(shù)i-walk11(intelligent real-time flexiblewandng)智能實(shí)時(shí)柔性行走技術(shù)，其預(yù)測移動(dòng)控制功能使機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)預(yù)測下一步運(yùn)動(dòng)，并按照預(yù)測來移動(dòng)重心。應(yīng)用該技術(shù)，asimo能夠改變它的行走坡度，并通過平滑地改變調(diào)節(jié)步幅來改變行走的快慢。hirose介紹說，只有asimo擁有這種動(dòng)態(tài)行走能力。通過改善數(shù)據(jù)處理速度和軟件，早期的asimo已經(jīng)做到無需預(yù)編程就能夠上

24、下樓梯。2003年1月本田又推出了新款的asimo，它增加了兩個(gè)功能：一是識(shí)別人的狀況動(dòng)作、姿勢、面容、聲音；另一種是網(wǎng)絡(luò)接入功能。這使asimo的功能更加完善。例如，它能夠根據(jù)用戶手指所指的地方，推斷出應(yīng)該去的地方并自己走到那兒。它還能夠通過內(nèi)置無線lan模塊訪問企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)或因特網(wǎng)，為用戶找出所需要的信息。目前大約有20部asimo可以出租，其中大約8部正在博物館和其它公司用作向?qū)C(jī)器人和接待員。索尼公司的第二代機(jī)器人sdr_4x12展示了更為復(fù)雜的行走控制和更為豐富的通訊功能。sdr4x的集成實(shí)時(shí)自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使它能夠在不規(guī)則的地形和斜坡上行走，即使受到外部壓力也能夠保持行走姿態(tài)。sd

25、r-4x可以實(shí)現(xiàn)如下7種動(dòng)作：最高速度為15米分鐘的前進(jìn)后退左右橫行；由伏臥仰臥狀態(tài)起立；在前進(jìn)過程中左右轉(zhuǎn)身；單腿站立(在斜面上也可作這個(gè)動(dòng)作)；在凹凸不平的路面上行走；踢球；舞蹈。最近，索尼公司又推出了改進(jìn)版的sdr-4xil13，它身高50厘米，重量為5千克。這款機(jī)器人可以白行充電，幾乎達(dá)到了投產(chǎn)水平。法國poitiers大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室和國立信息與自動(dòng)化研究所inria機(jī)構(gòu)共同開發(fā)了一種具有15個(gè)自由度的雙足步行機(jī)器人bip200014，其目的是建立一整套具有適應(yīng)未知條件行走的雙足機(jī)器人系統(tǒng)。它們采用分層遞解控制結(jié)構(gòu)，使雙足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)站立、行走、爬坡和上下樓梯等。美國和日本多年來引領(lǐng)國際

26、機(jī)器人的發(fā)展方向，代表著國際上機(jī)器人領(lǐng)域的最高科技水平。目前，日本除了比較關(guān)注特種機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人以外，還注重中間件的研制。然而，近年來日本基本上在做模仿性的工作，突破性技術(shù)比較少。而美國在機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)方面，一直保持著世界領(lǐng)先地位。再有，美國主要做高附加值的產(chǎn)業(yè)，比如軍用機(jī)器人，目前世界銷售的9000臺(tái)軍用機(jī)器人之中，有60%來自美國。比如：美國最近研制成功的big dog軍用機(jī)器人，能負(fù)重100公斤，行進(jìn)速度跟人相當(dāng)，每小時(shí)達(dá)到五公里，還能適應(yīng)各種地形，即使是在側(cè)面受到?jīng)_擊時(shí)也能保持很好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。此外，英國、蘇聯(lián)、南斯拉夫、加拿大、意大利，德國、韓國等國家，許多學(xué)者在行走機(jī)器人

27、方面也做出了許多工作。1.2.8 國內(nèi)雙足機(jī)器人研究狀況國內(nèi)雙足機(jī)器人的研制工作起步較晚。1985年以來，相繼有幾所高校進(jìn)行了這方面的研究并取得了一定的成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)15自1985年開始研制雙足步行機(jī)器人，迄今為止已經(jīng)完成了三個(gè)型號(hào)的研制工作。其中hit一i為12個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行，能夠完成前后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階及上斜坡等動(dòng)作。目前，該校正致力于功能齊全的雙足機(jī)器人hit一的研制工作，新機(jī)器人包括行走機(jī)構(gòu)、上身及髖部執(zhí)行機(jī)構(gòu)，初步設(shè)定32個(gè)自由度。國防科技大學(xué)16也進(jìn)行了這方面的研究。在1989年研制成功了一臺(tái)雙足行走機(jī)器人，這臺(tái)機(jī)器人具有10個(gè)自由度，能完成靜態(tài)步

28、行和動(dòng)態(tài)步行。國防科技大學(xué)還將工業(yè)機(jī)器人的軌跡示教方法用到了兩足步行機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃中，形成了步行機(jī)器人的步態(tài)示教規(guī)劃技術(shù)。值得一提的是，北京理工大學(xué)研制成功我國首例擬人機(jī)器人brh01，該機(jī)器人身高158米，體重76公斤，具有32個(gè)自由度，每小時(shí)能夠行走l公里，步幅o33米。除了能打太極拳，這個(gè)機(jī)器人還會(huì)騰空行走，并能根據(jù)自身的平衡狀態(tài)和地面高度變化，實(shí)現(xiàn)未知路面的穩(wěn)定行走。它在系統(tǒng)集成、步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)等方面實(shí)現(xiàn)了重大突破，標(biāo)志著我國雙足機(jī)器人研究已經(jīng)跨入世界先進(jìn)行列。在我國，機(jī)器人的真正使用到現(xiàn)在已經(jīng)20多年，已基本實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)、引進(jìn)到自主開發(fā)的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了我國制造業(yè)的發(fā)展。隨著我國門戶

29、的逐漸開放，國內(nèi)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將面對越來越大的競爭與沖擊，因此，掌握國內(nèi)機(jī)器人市場的實(shí)際情況，把握我國機(jī)器人與智能裝備研究的相關(guān)進(jìn)展，顯得十分重要。我國的機(jī)器人從上世紀(jì)80年代“七五”科技攻關(guān)開始起步，在國家的支持下，通過“十五”、“十一五”科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有130多臺(tái)套噴漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近30條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng)用在汽車制造廠的焊裝線上，我國現(xiàn)有機(jī)器人研究開發(fā)和應(yīng)用工程單位200多家，其中從事機(jī)器人

30、研究和應(yīng)用的有75家，共開發(fā)生產(chǎn)各類機(jī)器人約3000多臺(tái)，90%以上用于生產(chǎn)，引進(jìn)機(jī)器人做應(yīng)用工程的約1000多臺(tái)。在國內(nèi)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)剛剛起步，但增長的勢頭非常強(qiáng)勁，我國機(jī)器人經(jīng)過20多年的發(fā)展已在產(chǎn)業(yè)化的道路上邁開了步伐。近幾年，我國應(yīng)用于制造業(yè)的機(jī)器人及自動(dòng)化生產(chǎn)線和工程項(xiàng)目、相關(guān)產(chǎn)品的年產(chǎn)銷額已近五億元。1.3雙足步行機(jī)器人研究的發(fā)展趨勢 概括起來，雙足步行機(jī)器人的發(fā)展趨勢包括如下十個(gè)方面：能動(dòng)態(tài)穩(wěn)定地高速步行能以自由步態(tài)全方位靈活行走；具有良好的地形適應(yīng)性；具有極強(qiáng)的越障和避障能力；具有很高的載重自重比；可靠性高、工作壽命長；具有豐富的內(nèi)感知和外感知系統(tǒng)；控制系統(tǒng)和能源裝置機(jī)載化；具有

31、完全的自律能力；具有靈活的操作能力(安裝一個(gè)或多個(gè)機(jī)械手)。目前，日本和美國對雙足步行機(jī)器人的研究已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，研制出了能靜態(tài)或動(dòng)態(tài)行走的多種樣機(jī)17。其他國家，尤其是歐洲的一些國家，步行機(jī)器人的研究水平也很高。國內(nèi)由于起步較晚，與國際最高水平還有一段差距，需要迎頭趕上。1.4雙足步行機(jī)器人理論研究狀況最早系統(tǒng)地研究人類和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)原理的是muybridge18，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demenyt19悃來研究人類的步行運(yùn)動(dòng)。1960年，蘇聯(lián)學(xué)者頓斯科依20表了著作“運(yùn)

32、動(dòng)生物學(xué)”，從生物力學(xué)的角度，對人體運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、能量特征和力學(xué)特征進(jìn)行了一個(gè)詳細(xì)的描述。真正全面、系統(tǒng)地開展兩足步行機(jī)器人的研究始于上世紀(jì)60年代，現(xiàn)已形成了一整套較為完整的理論體系，一些國家如日本、美國等己研制成功可動(dòng)態(tài)步行的雙足步行機(jī)器人。在60年代和70年代，對步行機(jī)器人控制理論的研究產(chǎn)生了三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。這三種控制方法對各種類型的步行機(jī)器人都是適用的。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的tomovic21在1961年提出來的，模型參考控制是由美國的farnsworth2223在1975年提出來的，而算法控制是由南斯拉夫米哈依羅鮑賓研究所著名的機(jī)

33、器入學(xué)專家vukobratov-ic24博士在1969年至1972年間提出來的。這三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。在雙足步行機(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年代就雙足步行機(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雙足步行系統(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，并由此提出了算法控制的概念；研究了擬人雙足步行系統(tǒng)在單腳和雙腳支撐期間機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，建立了從運(yùn)動(dòng)副組合到關(guān)節(jié)力

34、矩計(jì)算等各項(xiàng)運(yùn)算的k1npair算法，分析了擬人雙足步行系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定性，并提出了相應(yīng)的姿態(tài)控制算法；對擬人雙足步行系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析和頻率分析。特別重要的是，他和stcpaacnko博士一起在1972年提出了“零力矩點(diǎn)zmp的概念25。zmp概念的提出對雙足步行機(jī)器人控制產(chǎn)生了非常重要的影響，為有效地控制雙足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)開辟了一條嶄新的途徑。在步態(tài)研究方面，蘇聯(lián)的bessonov和umnov定義了“最優(yōu)步態(tài)26kugushev和jaroshc、，skij定義了“自由步態(tài)27”。這兩種步態(tài)不僅適應(yīng)于雙足而且也適應(yīng)于多足步行機(jī)器人。其中，自由步態(tài)是相對于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，

35、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)該像登山運(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)。在雙足步行機(jī)器人的穩(wěn)定性研究方面，美國的hcmami等人曾提出將雙足步行系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的簡化模型看作是一個(gè)倒立振子(倒擺)，從而可以將雙足步行的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)解釋為使振子直立移動(dòng)的問題28。為了減小控制的復(fù)雜性考慮hemami等人還曾就雙足步行機(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它作者1980年提出了準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行的概念29，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

36、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)理論來研究類人型雙足步行系統(tǒng)的是美國的jacobson和chow30。他們在1971年發(fā)表的論文中，以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，而以一種簡化模型作為研究對象。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。vukobratovic也曾對類人型雙足步行系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析，但他僅限于導(dǎo)出各關(guān)節(jié)及整個(gè)步行系統(tǒng)的功率隨時(shí)問的變化關(guān)系，并沒有過多地涉及能耗最優(yōu)這個(gè)問題。vukobratovie得出了一個(gè)有用的結(jié)論：步行姿態(tài)越平滑，雙足步行系統(tǒng)所消耗的功率就越少。mitgap

37、rat31和jepratt等人在spring turkey和spring flamingo雙足機(jī)器人的控制中采用了虛模型控制策略，避免了繁瑣的機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算。1990年，美國ohio大學(xué)的yfzheng32等人提出了用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)雙足步行機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行的觀點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了雙足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)。1.5 本課題研究的意義 雖然當(dāng)下機(jī)器人的研究發(fā)展日趨成熟，但是機(jī)器人的行走速度相對的還是比較慢，離人們的預(yù)期還有著不小的差距。而機(jī)器人行走速度的提速在工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療、及人道主義救援方面都有著重大的意義。例如，在工業(yè)方面可以提高工業(yè)生產(chǎn)的效率；在軍事方面可以快速的代替人力進(jìn)行偵查和彈藥運(yùn)輸?shù)?/p>

38、方面的工作；特別是在人道主義救援方面，可以極大的提高急救和災(zāi)害響應(yīng)的速度和效率，可以快速救出受災(zāi)的群眾，也可以快速的幫助救災(zāi)人員搶救物資和運(yùn)輸必須的補(bǔ)給品。所以研究如何提高機(jī)器人的行走速度對于機(jī)器人學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步具有重大的意義。本文將通過程序修改與調(diào)試，對機(jī)器人的行走速度進(jìn)行提升的嘗試與實(shí)驗(yàn)。本文也旨在這些方面能略盡微薄之力，為以后的相關(guān)研究提供一些咨詢和參考。 2 能力暴風(fēng)機(jī)器人開發(fā)環(huán)境簡介由于實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和條件有限，我們在這里使用的是as-vrobot能力風(fēng)暴虛擬機(jī)器人仿真系統(tǒng)(以下簡稱as-vrobot)，由于輪式機(jī)器人能近似代替雙足機(jī)器人進(jìn)行相關(guān)仿真和實(shí)驗(yàn)，所以我們在以下的環(huán)節(jié)用輪式機(jī)器

39、人來代替雙足機(jī)器人進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和仿真。也能到達(dá)本文探討的效果。2.1簡介as-vrobot能力風(fēng)暴虛擬機(jī)器人仿真系統(tǒng)(以下簡稱as-vrobot)是一款虛擬機(jī)器人仿真軟件。系統(tǒng)采用3d仿真環(huán)境，通過仿真系統(tǒng)，用戶能快速搭建比賽場地、搭建自己的機(jī)器人，并能通過流程圖或c代碼給設(shè)計(jì)的機(jī)器人編寫控制程序，在仿真環(huán)境中觀察機(jī)器人運(yùn)行，給用戶親臨其境的感覺。as-vrobot有三個(gè)版本，即as-vrobot單機(jī)版、網(wǎng)絡(luò)版服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)版客戶端。單機(jī)版只能在單個(gè)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行仿真。服務(wù)器能完成單機(jī)版所有功能，同時(shí)提供多機(jī)器人仿真比賽環(huán)境，并能將比賽實(shí)況通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行播放網(wǎng)絡(luò)版?？蛻舳顺四茉趩闻_(tái)計(jì)算機(jī)上仿真，還能將

40、設(shè)計(jì)好的場地和機(jī)器人上傳到服務(wù)器上與其它機(jī)器人進(jìn)行比賽，同時(shí)能在本地觀看服務(wù)器上比賽實(shí)況。as-vrobot寓教于樂，通過使用as-vrobot仿真系統(tǒng)用戶能快速建構(gòu)機(jī)器人知識(shí)體系，并掌握傳感器、控制、計(jì)算機(jī)語言及程序設(shè)計(jì)等知識(shí)。圖2.1 as-vrobot能力風(fēng)暴虛擬機(jī)器人仿真系統(tǒng)2.1.1as-vrobot2.0主要功能1) 可以采用vjc流程圖編程，操作簡單，零起步學(xué)習(xí)軟件編程。2) jc代碼直接編程，自由靈活，功能強(qiáng)大。3) 3d仿真環(huán)境，仿真比賽身臨其境。4) 鼠標(biāo)與鍵盤雙重操作。5) 提供有豐富的場地對象，比賽場地快速搭建。6) 對場地對象的顏色、紋理、材質(zhì)、顯示方式等自由設(shè)置。7

41、) 場地對象自由拖放、旋轉(zhuǎn)及修改。8) 種類繁多的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳感器對象。9) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器類型、數(shù)量、方位、參數(shù)任意設(shè)定，可自由設(shè)計(jì)自己的機(jī)器人。10) 多視角和不同距離察看搭建好的場地、機(jī)器人以及仿真比賽過程。11) 自定義規(guī)則，規(guī)則能任意增加、修改。12) 自由組隊(duì)，每對機(jī)器人任選，只受計(jì)算機(jī)性能和規(guī)則限制。13) 自由設(shè)計(jì)比賽項(xiàng)目。14) 自動(dòng)裁判和評分。15) 支持網(wǎng)絡(luò)功能，用戶通過網(wǎng)絡(luò)將機(jī)器人上載到服務(wù)器上同場競技(網(wǎng)絡(luò)版)。16) 從客戶端觀看服務(wù)器上比賽實(shí)況(網(wǎng)絡(luò)版)。17) 支持版本更新提示和在線升級功能。2.1.2 as-vrobot2.0先進(jìn)性1) 支持流程圖，自動(dòng)生成

42、無差錯(cuò)c代碼，零起步學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)編程。2) 內(nèi)嵌堆棧式c語言解釋器，支持直接c代碼編程。3) 能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行機(jī)器人控制算法快速驗(yàn)證。4) 3d環(huán)境中機(jī)器人搭建與仿真。5) 支持多機(jī)器人通常競技。6) 支持網(wǎng)絡(luò)聯(lián)賽。2.1.3 as-vrobot2.0應(yīng)用1) 實(shí)體機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)、傳感器配置及比賽策略快速驗(yàn)證與優(yōu)化。2) 機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器知識(shí)構(gòu)建、算法與程序設(shè)計(jì)教學(xué)。3) 中小學(xué)信息技術(shù)課程教學(xué)。4) 低成本的機(jī)器人教學(xué)。5) 虛擬機(jī)器人仿真比賽。3 設(shè)計(jì)思路及比賽環(huán)境的建立3.1 設(shè)計(jì)思路本文采用的是類似于場地自行車追逐賽的比賽方式，建立一塊環(huán)形的跑道環(huán)境，兩臺(tái)輪式機(jī)器人相隔半圈，沿順時(shí)針方向

43、運(yùn)動(dòng)，比賽時(shí)間為1分鐘，在比賽時(shí)間內(nèi)，經(jīng)改進(jìn)提高運(yùn)動(dòng)速度的機(jī)器人能有效的減少于目標(biāo)機(jī)器人的距離。機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)中，由于傳感器或環(huán)境等方面客觀因素存在一定的隨機(jī)性，固本實(shí)驗(yàn)采用多次實(shí)驗(yàn)，如大部分能有效的減少于目標(biāo)機(jī)器人的距離，則視為實(shí)驗(yàn)成功。3.2比賽環(huán)境的建立進(jìn)入as-vrobot能力風(fēng)暴虛擬機(jī)器人仿真系統(tǒng)，點(diǎn)擊環(huán)境編輯，“環(huán)境編輯”視圖軟件界面如下：圖3.1 環(huán)境編輯界面3.2.1平面布局在菜單欄點(diǎn)擊新建，建立一個(gè)空百的機(jī)器人活動(dòng)場地。然后以xy平面上的（-50,0）（50,0）兩點(diǎn)為圓心，50為半徑畫圓，為暗紅色，灰度值為100，層數(shù)為1層。在以同樣的圓心，40為半徑畫圓，顏色為綠色，灰度值

44、為150，層數(shù)為5層。如下圖所示：圖3.2 兩組同心圓的建立在以兩圓在x方向的切線為邊，畫矩形，設(shè)為與該圓同樣的顏色，灰度值和層數(shù)。如下圖所示：圖3.3 比賽環(huán)境環(huán)形跑道如此，一個(gè)簡單的環(huán)形跑道就建立好了。3.2.2 參數(shù)設(shè)定通過右鍵菜單具體的按照要求設(shè)定參數(shù)。圖3.4 環(huán)境參數(shù)設(shè)定圖3.5 灰度值3.3機(jī)器人模型建立 點(diǎn)擊仿真系統(tǒng)視圖切換區(qū)“機(jī)器人編輯”，即進(jìn)入as-vrobot2.0虛擬機(jī)器人機(jī)器人仿真系統(tǒng)“機(jī)器人編輯”視圖。“機(jī)器人編輯”視圖軟件界面如下：圖3.6 機(jī)器人編輯界面 在菜單欄點(diǎn)擊建立一個(gè)新的機(jī)器人。圖3.7 搭建的機(jī)器人再在機(jī)器人的前部安裝兩個(gè)地面灰度傳感器，并通過右鍵菜單

45、設(shè)置傳感器參數(shù)。圖3.8 地面灰度值傳感器圖3.9 安裝在機(jī)器人前部的傳感器圖3.10 參數(shù)設(shè)定圖3.11 參數(shù)設(shè)定4 機(jī)器人控制編程與比賽建立4.1 機(jī)器人控制方案我們采用差動(dòng)裝置來控制該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，該差動(dòng)裝置是由機(jī)器人的兩邊兩個(gè)平行的驅(qū)動(dòng)輪構(gòu)成的，單獨(dú)提供機(jī)器人動(dòng)力。要注意的是這里我們稱的這個(gè)差動(dòng)裝置是因?yàn)闄C(jī)器人的運(yùn)動(dòng)矢量是由兩個(gè)獨(dú)立的部件產(chǎn)生的（它與差速齒輪沒有關(guān)系，此裝置上沒有使用差速齒輪）。當(dāng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪以相同的方向和相同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，機(jī)器人作直線運(yùn)動(dòng)。如果兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度相同，但轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反時(shí)，機(jī)器人會(huì)繞著連接兩輪線段中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。根據(jù)輪子不同的轉(zhuǎn)向，表4.1羅列出了該機(jī)器人的不同

46、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。表4.1 機(jī)器人不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)左輪右輪機(jī)器人停止停止停止停止向前轉(zhuǎn)動(dòng)繞著左輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)停止向后轉(zhuǎn)動(dòng)繞著左輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)向前轉(zhuǎn)動(dòng)停止繞著右輪順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)向前轉(zhuǎn)動(dòng)向前轉(zhuǎn)動(dòng)向前運(yùn)動(dòng)向前轉(zhuǎn)動(dòng)向后轉(zhuǎn)動(dòng)原地順時(shí)針旋轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)動(dòng)停止繞著右輪逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)向后轉(zhuǎn)動(dòng)向前轉(zhuǎn)動(dòng)原地逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)向后轉(zhuǎn)動(dòng)向后轉(zhuǎn)動(dòng)向后運(yùn)動(dòng)但是這種結(jié)構(gòu)也有一種弊端：它不能保證機(jī)器人筆直的運(yùn)動(dòng)，因?yàn)閮蓚€(gè)馬達(dá)的功效總有差別，一個(gè)輪子會(huì)比另外一個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)的快一點(diǎn)，因此使得機(jī)器人略微偏左或偏右。在某些應(yīng)用中這中情況不會(huì)有問題，可以通過編程來避免，比如使機(jī)器人沿線走或在迷宮中尋找路線行走，但是讓機(jī)器人在空地上走直線恐怕不行。所以就會(huì)使實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)一定的隨機(jī)

47、因素，在前文中已經(jīng)提到了。我們通過在機(jī)器人前段安裝的地面灰度值傳感器反饋的數(shù)據(jù)，使兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪按照我們的需求運(yùn)動(dòng)，就可以達(dá)到控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的目的。4.2流程圖編輯點(diǎn)擊仿真系統(tǒng)視圖切換區(qū)“流程圖編輯”，即進(jìn)入as-vrobot2.0虛擬機(jī)器人機(jī)器人仿真系統(tǒng)“流程圖編輯”視圖，該視圖提供了虛擬機(jī)器人驅(qū)動(dòng)程序可視化編程環(huán)境。“流程圖編輯”視圖軟件界面如下：圖4.1 流程圖編輯界面流程圖編程提供了以下幾類可視化模塊：圖4.2 可視化模塊然后根據(jù)前面討論的機(jī)器人需求，編輯流程圖，結(jié)果如圖：圖4.3 流程圖主程序開始，進(jìn)入永遠(yuǎn)循環(huán)，然后檢測碰撞，如果發(fā)現(xiàn)碰撞則停止電機(jī)，如果沒有碰撞，則轉(zhuǎn)入循線程序。其中循線

48、為子程序，該流程圖如圖：圖4.4 子程序流程圖首先通過機(jī)器人前部的兩個(gè)地面灰度值傳感器檢測地面的灰度值，將反饋的數(shù)量進(jìn)行分析。首先判斷傳感器1反饋的數(shù)據(jù)，再判斷傳感器2反饋的數(shù)據(jù)。如果傳感器1的數(shù)據(jù)滿足要求，而傳感器2的數(shù)據(jù)也滿足要求，則啟動(dòng)電機(jī)，進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)；如果傳感器1的數(shù)據(jù)滿足要求，而傳感器2的數(shù)據(jù)不滿足要求，則進(jìn)行左轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。如果傳感器1的數(shù)據(jù)不滿足要求，而傳感器2的數(shù)據(jù)滿足要求，則進(jìn)行右轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；如果傳感器1的數(shù)據(jù)不滿足要求，而傳感器2的數(shù)據(jù)也不滿足要求，則進(jìn)行前進(jìn)再左轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)。4.3 代碼編輯點(diǎn)擊仿真系統(tǒng)視圖切換區(qū)“流程圖編輯”，即進(jìn)入as-vrobot2.0虛擬機(jī)器人機(jī)器人仿真系統(tǒng)“

49、代碼編輯”視圖，在“代碼編輯”界面中可直接采用jc代碼編程，這樣編程更加靈活方便。 “代碼編輯”視圖軟件界面如下：圖4.5 代碼編輯界面4.4比賽的建立點(diǎn)擊仿真系統(tǒng)視圖切換區(qū)“仿真比賽”，即進(jìn)入as-vrobot2.0虛擬機(jī)器人機(jī)器人仿真系統(tǒng)“仿真比賽”視圖。圖4.6 仿真比賽界面4.4.1隊(duì)伍建立在比賽管理菜單下的比賽隊(duì)伍管理界面建立兩個(gè)新的隊(duì)伍，分別為一隊(duì)和二隊(duì)。圖4.7 比賽隊(duì)伍管理界面4.4.2比賽規(guī)則建立在比賽管理界面下建立一個(gè)新的比賽規(guī)則，參賽機(jī)器人數(shù)位2，時(shí)間為2分鐘，記為機(jī)器人追逐賽。圖4.8 新建比賽規(guī)則界面4.4.3比賽的建立在比賽管理界面下建立一個(gè)新的比賽，比賽名稱為機(jī)器

50、人競走，比賽場地為比賽環(huán)境，紅方為1隊(duì)，藍(lán)方為2隊(duì)，規(guī)則為機(jī)器人追逐賽。圖4.9 比賽管理界面4.4.4 機(jī)器人起始位置設(shè)定運(yùn)用右鍵菜單設(shè)定機(jī)器人的坐標(biāo)位置與角度。坐標(biāo)分別為（0,45）（0，-45），角度分別為0和180。圖4.10 機(jī)器人位置設(shè)置4.4.5 小結(jié)對機(jī)器人的控制采用的是差動(dòng)裝置控制，通過地面灰度值傳感器反饋的數(shù)據(jù)，控制該機(jī)器人的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，以達(dá)到對機(jī)器人前進(jìn)和轉(zhuǎn)向的控制。比賽的名稱為機(jī)器人競走，比賽的場地為比賽環(huán)境，比賽的規(guī)則為機(jī)器人追逐賽，參賽機(jī)器人人分別為機(jī)器人1和機(jī)器人2，機(jī)器人的坐標(biāo)和角度分別為（0,45）（0，-45）和0,180。5 比賽仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果5.1 比賽

51、仿真 在比賽管理菜單下，選擇比賽管理選項(xiàng)，找到相應(yīng)的比賽，加載。圖5.1 加載比賽界面然后進(jìn)入相應(yīng)的比賽界面，如圖：圖5.2 仿真比賽界面然后在相關(guān)的工具欄點(diǎn)擊比賽開始，即可開始仿真比賽。5.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的要求 對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的要求和期望是，在比賽規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，經(jīng)過程序修改和調(diào)試的相關(guān)機(jī)器人能有效的減少和目標(biāo)機(jī)器人的距離。但在前文已經(jīng)提到，由于該實(shí)驗(yàn)具有一定的隨機(jī)因素，所以我們會(huì)采用多次實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)需要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。只要其中的實(shí)驗(yàn)大部分能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)期，則我們認(rèn)為實(shí)驗(yàn)成功。5.3 對相關(guān)機(jī)器人的程序修改與調(diào)試在這里我們選取藍(lán)隊(duì)，也就是機(jī)器人2的程序進(jìn)行修改和調(diào)試，以達(dá)到提高機(jī)器人速度的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。?/p>

52、們主要將采用兩種方向?qū)C(jī)器人的程序進(jìn)行修改和調(diào)試。5.3.1 對目標(biāo)機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的程序調(diào)試在前面的文章中，我們提到，當(dāng)該機(jī)器人的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)速度相同時(shí)，該機(jī)器人將沿直線運(yùn)動(dòng)。由目標(biāo)機(jī)器人的程序： if(surf_1 = 120) if(surf_2 = 120) motor( 1 , 80 ); motor( 2 , 80 );可知當(dāng)其直線運(yùn)動(dòng)的時(shí)候該機(jī)器人的前進(jìn)速度為80。我們將通過修改，將其速度改為100，即if(surf_1 = 120) if(surf_2 = 120) motor( 1 , 100); motor( 2 , 100 );進(jìn)行第一次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果為：圖

53、5.3 第一次實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖，可以看到藍(lán)色的小車成功的在比賽時(shí)間內(nèi)追上了目標(biāo)的紅色小車，試驗(yàn)成功。下面載同等條件下進(jìn)行第二次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果為：圖5.4 第二次比賽結(jié)果如圖，藍(lán)色小車并沒有減少于目標(biāo)的紅色小車的距離，固試驗(yàn)失敗。下面在同等條件下進(jìn)行第三次試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果為:圖5.5 第三次比賽結(jié)果如圖，我們還是可以看出，藍(lán)色的小車減少了紅色小車的距離，所以我們認(rèn)識(shí)試驗(yàn)還是成功的。但在前文我們已經(jīng)提到了比賽隨機(jī)因?yàn)榈脑?，我們還需進(jìn)行多次試驗(yàn)。在隨后的10次實(shí)驗(yàn)中，有7次藍(lán)色小車能有效的減少于目標(biāo)紅色小車的距離，所以我們認(rèn)為這種程序修改的提速方法可以達(dá)到目的。5.3.2 機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時(shí)的程序調(diào)試 在前

54、文中我們提到了機(jī)器人轉(zhuǎn)向的原理是由于該機(jī)器人的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同而產(chǎn)生的，具體的轉(zhuǎn)向參數(shù)在前文已經(jīng)提到，在這就不詳述。由之前的目標(biāo)程序可知該機(jī)器人在轉(zhuǎn)向時(shí)的程序?yàn)?drive( 0 , -41); wait( 0.100000 ); stop(); else if(surf_2 = 120) drive( 0 , 40); wait( 0.100000 ); stop(); else drive( 80 ,0); wait( 0.200000 ); stop(); drive( 0 , -40); wait( 0.100000 ); stop(); 由程序可知，當(dāng)傳感器1的反饋值在120

55、內(nèi)，傳感器2的反饋值不在120內(nèi)時(shí)，機(jī)器人將向y的負(fù)方向轉(zhuǎn)向41，時(shí)間為0.1秒。當(dāng)傳感器1的反饋值不在120內(nèi)，傳感器2的反饋值在120內(nèi)時(shí)，機(jī)器人將向y的正方向轉(zhuǎn)向40，時(shí)間為0.1秒；傳感器2的反饋值不在120內(nèi)時(shí)，機(jī)器人將沿x方向前進(jìn)80，時(shí)間為0.2秒，再向y的負(fù)方向轉(zhuǎn)向40，時(shí)間為0.1秒。 我們將通過對上述程序的修改于調(diào)試，以至于達(dá)到實(shí)驗(yàn)的目的。具體的修改方法為：當(dāng)傳感器1的反饋值在120內(nèi)，傳感器2的反饋值不在120內(nèi)時(shí)，機(jī)器人將向y的負(fù)方向轉(zhuǎn)向21，時(shí)間為0.1秒。當(dāng)傳感器1的反饋值不在120內(nèi)，傳感器2的反饋值在120內(nèi)時(shí)，機(jī)器人將向y的正方向轉(zhuǎn)向20，時(shí)間為0.1秒；傳感

56、器2的反饋值不在120內(nèi)時(shí)，機(jī)器人將沿x方向前進(jìn)40，時(shí)間為0.2秒，再向y的負(fù)方向轉(zhuǎn)向20，時(shí)間為0.1秒。即： drive( 0 , -21); wait( 0.100000 ); stop(); else if(surf_2 = 120) drive( 0 , 20); wait( 0.100000 ); stop(); else drive( 40 ,0); wait( 0.200000 ); stop(); drive( 0 , -20); wait( 0.100000 ); stop(); 進(jìn)行第一次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：圖5.6 第一次比賽結(jié)果如圖，我們可以看到，在比賽時(shí)間內(nèi)，藍(lán)色小

57、車明顯的減少了與目標(biāo)紅色小車的距離，達(dá)到預(yù)期目的，所以本次實(shí)驗(yàn)成功。下面我們將在同等條件下進(jìn)行第二次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：圖5.7 第二次比賽結(jié)果如圖，藍(lán)色的小車并沒有減少于紅色小車的距離，固實(shí)驗(yàn)失敗，下面我們將在同等條件下進(jìn)行第三次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：圖5.8 第三次比賽結(jié)果如圖，藍(lán)色小車減少了與目標(biāo)紅色小車的距離，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，所以?shí)驗(yàn)成功。在隨后的10次實(shí)驗(yàn)中，有6次藍(lán)色小車能有效的減少于目標(biāo)紅色小車的距離，所以我們認(rèn)為這種程序修改的提速方法可以達(dá)到目的。 結(jié) 論提高機(jī)器人行走速度，有很多方法，本文采用的是根據(jù)不同的環(huán)境，改變不同的程序。在直道的時(shí)候可以通過馬達(dá)的功率，提高馬達(dá)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到提

58、高機(jī)器人行走速度的目的。在彎道的時(shí)候，可以適當(dāng)?shù)臏p小在彎道轉(zhuǎn)向的幅度，或者提高轉(zhuǎn)向時(shí)的速率，也可以通過減小轉(zhuǎn)向時(shí)間的方法達(dá)到機(jī)器人在彎道行走上的速度提升。 由于實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)器材和環(huán)境的限制，本文無法使用雙足機(jī)器人進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)和調(diào)試，于是采用輪式機(jī)器人代替雙足機(jī)器人進(jìn)行程序調(diào)試和仿真比賽。由于輪式機(jī)器人和雙足機(jī)器人之間有著許多的共同點(diǎn)，所以通過對輪式機(jī)器人的速度研究也可以近似的對雙足機(jī)器人速度的研究，通過對輪式機(jī)器人速度提升的調(diào)試，也可看作是對雙足機(jī)器人速度提升的近似研究。 本文采用多次試驗(yàn)的方式，通過了對兩個(gè)試驗(yàn)方案的驗(yàn)證，在多次實(shí)驗(yàn)中均有大部分實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚩头?shí)驗(yàn)的隨機(jī)因素成功的提升該機(jī)器人的行

59、走速度，達(dá)到實(shí)驗(yàn)的預(yù)期效果。參 考 文 獻(xiàn)1 譚冠政，朱劍英，尉忠信國內(nèi)外兩足步行機(jī)器人研究的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢j機(jī)器人，199214(3)：61-66.2 jknani，dynamic modelling of flexible robotic mechanisms and adaptive robust control oftrajectory computer simulation-part ijapplied mathematical modelling 2002，26：l 1 13-1124.3 張學(xué)允雙足步行機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行研究d哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2001.4 張福學(xué)編著，機(jī)器人學(xué)智

60、能機(jī)器人傳感器技術(shù)m電子工業(yè)出版社，北京，1996，9.5 鄭文波.網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與控制系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新j測控技術(shù)，2000，19(6)：7-9.6 謝濤，徐建峰.仿人機(jī)器人的研究歷史、現(xiàn)狀及展望j機(jī)器人，20027：8087.7 ishida t，kurokiysensor system ofasmall biped entertainment robotjadvanced robotics，2004，18(10)：1039-1052.8 劉志遠(yuǎn).兩足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)行走研究d哈爾濱工業(yè)大學(xué)，1991.9 chi zhn,atsuo kawamura，walking principle analysis for biped