畢業(yè)設(shè)計(jì)論文機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)文獻(xiàn)綜述

重慶理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）文獻(xiàn)綜述題目機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)二級學(xué)院重慶汽車學(xué)院專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化班級—姓名學(xué)號指導(dǎo)教師系主任時間評語欄:評閱老師簽字:機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)

吳俊摘要：行走機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個重要分支。行走機(jī)構(gòu)可以是輪式的、履帶式的和腿式的等，能適應(yīng)地上、地下、水中、空中、宇宙等作業(yè)環(huán)境的各種移動機(jī)構(gòu)。本文從國內(nèi)外的研究狀況著手，介紹了行走機(jī)器人的發(fā)展歷史，研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。本文還介紹了國內(nèi)最新的研究成果。currentsituation關(guān)鍵字：機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)發(fā)展現(xiàn)狀應(yīng)用currentsituationKeyword:robottravellingmechanismdevelopingapplication一，前言行走機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個重要分支。關(guān)于行走機(jī)器人的研究涉及許多方面，首先，要考慮移動方式，可以是輪式的、履帶式的和腿式的等；其次，必須考慮驅(qū)動器的控制，以使機(jī)器人達(dá)到期望的行為；第三，必須考慮導(dǎo)航或路徑規(guī)劃。因此，行走機(jī)器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多種功能于一體的綜合系統(tǒng)。機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的選型和設(shè)計(jì)，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行。在機(jī)器人機(jī)構(gòu)方面，應(yīng)當(dāng)結(jié)合機(jī)器人在各個領(lǐng)域及各種場合的應(yīng)用，開展豐富而富有創(chuàng)造性的工作。對于行走機(jī)器人，研究能適應(yīng)地上、地下、水中、空中、宇宙等作業(yè)環(huán)境的各種移動機(jī)構(gòu)。當(dāng)前，對足式步行機(jī)器人、履帶式和特種機(jī)器人研究較多，但大多數(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)階段，而輪式移動機(jī)器人由于其控制簡單，運(yùn)動穩(wěn)定和能源利用率高等特點(diǎn)，正在向?qū)嵱没杆侔l(fā)展，從阿波羅登月計(jì)劃中的月球車到美國最近推出的NASA行星漫游計(jì)劃中的六輪采樣車，從西方各國正在加緊研制的戰(zhàn)場巡邏機(jī)器人、偵察車到新近研制的管道清洗檢測機(jī)器人，都有力地顯示出行走機(jī)器人正在以其使用價值和廣闊的應(yīng)用前景而成為智能機(jī)器人發(fā)展的方向之一。二、課題國內(nèi)外現(xiàn)狀多足步行機(jī)器人是一種具有冗余驅(qū)動、多支鏈、時變拓?fù)溥\(yùn)動機(jī)構(gòu)，是模仿多足動物運(yùn)動形式的特種機(jī)器人，是一種足式移動機(jī)構(gòu)。所謂多足一般指四足及四足其以上，常見的多足步行機(jī)器人包括四足步行機(jī)器人、六足步行機(jī)器人、八足步行機(jī)器人等。步行機(jī)器人歷經(jīng)百年的發(fā)展，取得了長足的進(jìn)步，歸納起來主要經(jīng)歷以下幾個階段：第一階段，以機(jī)械和液壓控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)動的機(jī)器人。第二階段，以電子計(jì)算機(jī)技術(shù)控制的機(jī)器人。第三階段，多功能性和自主性的要求使得機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入新的發(fā)展階段。三、研究主要成果國內(nèi)多足步行機(jī)器人的研究成果[1]:1991年，上海交通大學(xué)馬培蘇等研制出JTUWM系列四足步行機(jī)器人。JTUWM-III是模仿馬等四足哺乳動物的腿外形制成，每條腿有3個自由度，由直流伺服

電機(jī)分別驅(qū)動。在進(jìn)行步態(tài)研究的基礎(chǔ)上，通過對3個自由度的協(xié)調(diào)控制，可完成單腿在空間的移動。該機(jī)器人采用計(jì)算機(jī)模擬電路兩級分布式控制系統(tǒng),JTUWM-III以對角步態(tài)行走,腳底裝有PVDF測力傳感器,利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合,采用力和位置混合控制，實(shí)現(xiàn)了四足步行機(jī)器人JTUWM-III的慢速動態(tài)行走,極限步速為1.7km/ho為了提高步行速度，將彈性步行機(jī)構(gòu)應(yīng)用于該四足步行機(jī)器人，產(chǎn)生緩沖和儲能效果。2000年，上海交通大學(xué)馬培蘇等對第一代形狀記憶合金SM/W動的微型六足機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn)，開發(fā)出具有全方位運(yùn)動能力的微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR,如圖1所示。其第一代的每條腿只有2個自由度，無法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，只能進(jìn)行直線式靜態(tài)步行,平均行走速度為1mm/so將機(jī)體的主體部分進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，由上下兩層相互平行的三叉支架組成，將六足改進(jìn)為雙三足，引入身體轉(zhuǎn)動關(guān)節(jié)，采用新型的組合偏動SM以區(qū)動器，使新一代的微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR有全方位運(yùn)動能力。2002年，上海交通大學(xué)的顏國正、徐小云等進(jìn)行微型六足仿生機(jī)器人的研究[1],如圖2所示。該步行機(jī)器人外形尺寸為：長30mm,寬40mm,高20mm,質(zhì)量僅為6.3kg,步行速度為3mm/so他們在分析六足昆蟲運(yùn)動機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用連桿曲線圖譜確定行走機(jī)構(gòu)的尺寸，采用微型直流電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)和皮帶傳動機(jī)構(gòu)，在步態(tài)和穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)，步行實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該機(jī)器人具有較好的機(jī)動性。圖2微型六足仿生機(jī)器人圖圖2微型六足仿生機(jī)器人圖1MDTWR三足步行機(jī)器人2003年哈爾濱工程大學(xué)的孟慶鑫、袁鵬等進(jìn)行了兩棲仿生機(jī)器蟹的研究，從兩棲仿生機(jī)器蟹的方案設(shè)計(jì)到控制框架構(gòu)建，研究了多足步行機(jī)的單足周期運(yùn)動規(guī)律，提出適合于兩棲仿生機(jī)器蟹的單足運(yùn)動路線規(guī)劃方法，并從仿生學(xué)角度研究了周期性節(jié)律性的多足步行運(yùn)動的控制問題，建立了生成周期運(yùn)動的神經(jīng)振蕩子模型。國外多足步行機(jī)器人的研究成果[1]。1990年，美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)研制出用于外星探測的六足步行機(jī)器人AMBLE[R,如圖3所示。該機(jī)器人采用了新型的腿機(jī)構(gòu)，由一個在水平面內(nèi)運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)桿和在垂直平面內(nèi)作直線運(yùn)動的伸展桿組成，兩桿正交。該機(jī)器人由一臺32位的處理機(jī)來規(guī)劃系統(tǒng)運(yùn)動路線、控制運(yùn)動和監(jiān)視系統(tǒng)的狀態(tài)，所用傳感器包括激光測距掃描儀、彩色

攝像機(jī)、慣性基準(zhǔn)裝置和觸覺傳感器。總質(zhì)量為3180kg,由于體積和質(zhì)量太大，最終沒被用于行星探測計(jì)劃。1993年，美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)開發(fā)出有纜的八足步行機(jī)器人DANTE,用于對南極的埃里伯斯火山進(jìn)行了考察，其改進(jìn)型DANTE-II也在實(shí)際中彳#到了應(yīng)用，如圖4所示。1994年,DANTE-II對距離安克雷奇145km的斯伯火山進(jìn)行了考察，傳回了各種數(shù)據(jù)及圖像。圖3AMBLER1996~2000圖3AMBLER1996~2000年，美國羅克威爾公司在DARPAS助下，研制自主水下步行機(jī)ALUV[11(AutonomousLeggedUnderwaterVehicle),如圖5所小。該步仃機(jī)模仿螃蟹的外形，每條腿有兩個自由度，具有兩棲運(yùn)動性能，可以隱藏在海浪下面，在水中步行，當(dāng)風(fēng)浪太大時，將腳埋入沙中。它的腳底裝有傳感器，用于探測岸邊的地雷，當(dāng)它遇到水雷時，自己爆炸同時引爆水雷。在對昆蟲步態(tài)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上,2000年美國研制出六足仿生步行機(jī)器人Biobot[11,如圖6所示。為了像昆蟲那樣在凸凹不平地面上仍能高速和靈活步行，采用氣動人工肌肉的方式，壓縮空氣由步行機(jī)上部的管子傳輸，并由氣動作動器驅(qū)動各關(guān)節(jié),使用獨(dú)特的機(jī)構(gòu)來模仿肌肉白特性。與電機(jī)驅(qū)動相比，該作動器能提供更大的力和更高的速度圖5ALUV^圖5ALUV^行機(jī)圖6Biobot日本對多足步行機(jī)的研究從20世紀(jì)80年代開始，并不斷進(jìn)行著技術(shù)創(chuàng)新，隨著計(jì)算機(jī)和控制技術(shù)的發(fā)展，其機(jī)械結(jié)構(gòu)由復(fù)雜到簡單，其功能由單一功能到組合功能，并已研究出各種類型的步行機(jī)。主要有四足步行機(jī)、爬壁機(jī)器人、腿輪分離型步行機(jī)器人和手腳統(tǒng)一型步行機(jī)器人。1994年，日本電氣通信大學(xué)的木村浩(HiroshiKimura)等研制成功四足步行機(jī)器人Patrush-II⑵，如圖7所示。該機(jī)器人用兩個微處理機(jī)控制，采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動，每個關(guān)節(jié)安裝了一個光電碼盤，每只腳安裝了兩個微開關(guān)，采用基于神經(jīng)振蕩子模型CPG(CentralPatternGenerator)的控制策略，能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則地面的自適應(yīng)動態(tài)步行,顯示了生物激勵控制對未知的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的特點(diǎn)。2000?2003年，日本的木村浩等又研制成功四足步行機(jī)器人Tekken⑵，如圖8所示。該機(jī)器人用一臺PC機(jī)系統(tǒng)控制，采用瑞士Maxon直流伺服電機(jī)驅(qū)動，每個關(guān)節(jié)安裝了一個光電碼盤，并安裝了陀螺儀、傾角計(jì)和觸覺傳感器。采用基于神經(jīng)振蕩子模型的CPG空制器和反射機(jī)制構(gòu)成的控制系統(tǒng)，其中CPG8于生成機(jī)體和四條腿的節(jié)律運(yùn)動，而反射機(jī)制通過傳感器信號的反饋，來改變CPG勺周期和相位輸出，Tekken能適應(yīng)中等不規(guī)則表面的自適應(yīng)步行。圖7Patrush-II圖圖7Patrush-II圖8Tekken四、行走機(jī)器人發(fā)展趨勢分析首先，在國家知識產(chǎn)權(quán)局專利檢索平臺對相關(guān)專利進(jìn)行了檢索。以專利的申請時間為橫坐標(biāo)，申請數(shù)量為縱坐標(biāo)，統(tǒng)計(jì)了行走機(jī)器人專利的發(fā)展趨勢。圖9行走機(jī)器人專利發(fā)展趨勢圖6從圖9可以看出，自1990年開始到2000年，行走機(jī)器人的研究近乎空白，2001到2003年，行走機(jī)器人的研究很少，從2005年至今，行走機(jī)器人的研究數(shù)量雖然有所增加，但最多也限于5件，今后，人們將逐漸關(guān)注到行走機(jī)器人的優(yōu)勢，并將其應(yīng)用到生活及其它方面。下面就行走機(jī)器人研究的最新進(jìn)展進(jìn)行介紹和說明。五、行走機(jī)器人的最新進(jìn)展一種扶杖行走機(jī)器人冏，包括本體與扶杖。本體包括頭部、肩膀、軀干、手部、大腿、小腿、與腳板。頭部與肩膀共軸并套設(shè)在肩膀上，且可左右轉(zhuǎn)動。肩膀下依次連接軀干、大腿、小腿及腳板。手部連接于軀干上；扶杖連接于手部。扶杖的底部裝設(shè)萬向輪。上述機(jī)器人可以利用扶杖支撐機(jī)器人行走時的部分重量，避免全部重量集中到機(jī)器人的雙腿上引起其對地面沖擊過大而易發(fā)生失去平衡的問題。一種螺旋型驅(qū)動管道行走機(jī)器人冏，由動力驅(qū)動裝置、行走導(dǎo)向裝置以及連接這兩部分的萬向節(jié)（8）組成，動力驅(qū)動裝置由電機(jī)（1）驅(qū)動圓形轉(zhuǎn)子（5）構(gòu)成，圓形轉(zhuǎn)子（5）的外壁上分別安裝有三組呈對稱布置的輪架（2）,每組輪架（2）上再安裝二個輪子（3）,其轉(zhuǎn)動軸線與轉(zhuǎn)子（5）的軸線呈一銳角傾斜角；而行走導(dǎo)向裝置由一圓柱或圓筒形體（11）的外壁上安裝有三組呈對稱布置的導(dǎo)向輪架（12）組成，每組導(dǎo)向輪架（12）上再安裝二個輪子（10）,其轉(zhuǎn)動軸線與圓柱或圓筒形體（11）的軸線相互垂直。動力驅(qū)動裝置的轉(zhuǎn)子（5）上的輪架（2）和行走導(dǎo)向裝置上圓柱或圓筒形體（11）的導(dǎo)向輪架（12）均為浮動體，且用彈簧（9）來產(chǎn)生一定的經(jīng)向漲縮量使輪架（2）和導(dǎo)向輪架（12）上的所有輪子始終貼緊于管道的內(nèi)壁。電機(jī)驅(qū)動后能使管道行走機(jī)器人沿管道軸線方向前進(jìn)或后退。一種管道外行走機(jī)器人[5],由動力驅(qū)動裝置、行走導(dǎo)向裝置及其連接彈性元件組合體（11）組成，動力驅(qū)動裝置由筒形體（1）和筒形驅(qū)動主體（4）通過滾動軸承（3）構(gòu)成一個回轉(zhuǎn)體，而筒形體（1）的內(nèi)壁上固定安裝有一個以上的電機(jī)（2）,電機(jī)軸與筒形體(1)的軸線平行并安裝有齒輪(6);而筒形驅(qū)動主體(4)內(nèi)壁的一端固定安裝有一個內(nèi)齒圈(5)并與齒輪(6)相嚙合，在其內(nèi)壁上安裝一組驅(qū)動輪(8),且其轉(zhuǎn)動軸線與筒形驅(qū)動主體(4)的轉(zhuǎn)動軸線呈一銳角；而行走導(dǎo)向裝置的筒形導(dǎo)向主體(12)的內(nèi)壁上安裝有至少二組以上的導(dǎo)向輪(14),其轉(zhuǎn)動軸線與筒形導(dǎo)向主體(12)的軸線相互垂直。安裝架⑺和導(dǎo)向輪架(13)均為浮動體，且用彈性元件(15)來產(chǎn)生一定的徑向漲縮量，使驅(qū)動輪(8)和導(dǎo)向輪