机器人论文.docx

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1、机器人论文班级学号：105011220姓名：秦丽丽成绩：摘要随着社会进步，出现了各类新的问题，如人口老龄化、各类环境污染的增多及残疾人数量的增大，人们急需一种机器人来解决这些问题。而双足机器人与人类的形状接近，能够很容易习惯人类的生活环境；比轮式机器人容易在崎岖的路面上行走；同时，它又是一个多变量、强耦合、非线性、自然不稳固、动力学模型突变与脚与地有限接触的复杂操纵系统，对操纵科学提出了强烈的挑战，从开始就受到各国学者的重视。由于双足机器人的变量比较多,因此其运动学与动力学模型比较复杂。本论文首先建立了七连杆机构双足步行机器人的简化模型，随后基于齐次坐标变换理论对双足步行机器人进行了正逆运动学

2、建模，目的是确定机器人各个关节与构成机器人各个刚体之间的运动学关系，是进行步态规划的基础；本文使用的是基于广义坐标的建模方法，不但能方便地求解运动轨迹，而且能够直接转化为驱动电机的转角，使操纵参数的计算更方便。在已知各连杆的运动学方程后能够简便地求出两足步行机器人各个关节所需要的驱动力矩，作为机器人动力学分析与电机选型的根据。关键词：双足步行机器人、运动学模型、齐次坐标变化、广义坐标目录第一章绪论11. 1研究双足步行机器人的意义11.2国内外双足机器人研究概况及趋势21. 3双足步行机器人理论研究状况42. 4课题研究意义及内容安排5第二章双足步行机器人的本体结构设计63. 1引言62. 2

3、双足步行机器人的结构介绍62. 3FM-1机器人的本体结构设计8第三章双足机器人的运动学建模93. 1弓I言94. 2双足机器人的运动学建模9第四章心得体会145. 文献15第一章绪论机器人是作为现代高新技术的重要象征与进展结果，己经广泛应用于国民生产的各个领域，并正在给人类传统的生产模式带来革命性的变化，影响着人们生活的方方面面。尽管机器人的技术现在己日趋成熟，但是有关机器人的定义却众说纷纭，美国机器人工业协会给出的定义是：“机器人是一种可再编程的多功能操作机，通过可变的程序流程，以完成多样化的任务”。我国著名的机器人专家蒋新松给出的定义则相对简洁：“机器人是一种具有拟人功能的机械电子装置:

4、不管这些定义如何，但他们都包含了机器人的共性：（1）能模仿人的一些动作；（2）具有一定的智力、感受与识别能力；（3）是人造的机器或者机械电子装置。正常人所能完成的基本动作一步行，事实上是一种非常复杂的运动，它需要的人全身的骨骼与肌肉进行复杂而巧妙的协调，而人的骨骼系统由206块骨头构成，肌肉系统包含327对肌肉，这是一个很复杂的系统，但是在大脑的指挥下，人不但完成步行，而且还能轻而易举完成其他高难度的动作。关于步行机器人来说，它只需要模仿人在特殊情况下（平地或者己知障碍物）完成步行动作，这个条件尽管能够使机器人的骨骼机构大大降低与简化，但也不是说这个系统就不复杂了，其步行动作一样是高度自动化的

5、运动，需要操纵机构进行复杂而巧妙地协调各个关节上的动作。本章简要阐明了机器人的进展历史，双足步行机器人的研究背景与研究进展，最后简要说明了本文所做的工作。1. 1研究双足步行机器人的意义世界著名机器人学专家、日本早稻田大学的加藤一教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能。这是由于，步行有其它移动方式所无法比拟的优越性。2. 1.1双足步行机器人的意义（一）运动方式的优越性移动机器人是机器人学中非常活跃的领域，移动方式有轮式、履带式、步行等方式。轮式、履带式车辆虽好，但当在不平地面上行驶时，它们的能耗大大增加，而在松软地面或者严重崎岖不平的地形上，车轮的作用将严重丧失。足式运动系统却能

6、够通过松软地面（如沼泽、沙漠等）与跨越较大的障碍（如沟、坎等）。地球上近一半的地面不能为传统的轮式或者履带式车辆到达，而很多足式动物却能够在这些地面上行走自如。这就给人们一种启示，即足式运动方式具有其它地面推进方式所不具备的特殊优越性能。足式运动系统在不平地面与松散地面上的运动速度较高，而能耗较少。实验与观察研究说明，在崎岖不平的坚硬地面上行驶（行走）的平均速度，履带车辆为816公里/小时；轮式车辆为58公里/小时；而足式运动的奔跑速度最高可达56公里/小时。在有25.4厘米深的软土地上，履带车辆所需的推进功率为10马力/吨；轮式车辆为15马力/吨，而足式行走机只需7马力/吨。由此能够看出步行

7、是大多数高等动物共同使用的移动方式，对环境具有很强的习惯性，既能够进入相对狭窄的空间，也能够跨越障碍、上下台阶、上下斜坡、甚至在不平整地面上运动，与其它各类移动方式相比，具有更广阔的应用前景。（二）双足机器人的优越性步行机器人包含双足、四足、六足与八足机器人等。与其它足式机器人相比，双足机器人具有更高的灵活性与特殊的优势，要紧特点如下：1 .双足机器人对步行环境要求很低，能习惯各类地面且具有较高的逾越障碍的能力，不仅能够在平面行走，而且能够方便的上下台阶及通过不平整、不规则或者较窄的路面，它的移动“盲区”很小。2 .双足机器人具有广阔的工作空间，由于行走系统占地面积小，活动范围很大，其上配置的

8、机械手具有更大的活动空间，也可使机械手臂设计得较为短小紧凑。3 .双足行走是生物界难度最高的步行动作，但其步行性能却是其它步行结构所无法比拟的。因此，开展双足机器人研究工作能够有力推进机器人学及其它有关学科的进展。双足机器人能在人类的生活与工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对环境进行大规模改造。目前，双足步行机器人的应用领域要紧是康复医学。从长远来看，双足机器人在无人工厂、核电站、海底开发、宇宙探索、康复医学与教育、艺术与大众服务行业等领域都有着潜在而广阔的应用前景。（三）双足步行机器人的优越性双足步行机器人不但具有双足移动的特点，还具有其它类人的智能特点，如手臂运动功能、手抓取物体功

9、能、视觉功能、语音功能、自主决策功能等等。因此，是集机构学、机械设计、传感技术、操纵理论与技术、计算机技术等多学科技术为一体的综合性技术。双足机器人对机器人的机械结构及驱动装置提出了特殊要求，这将导致传统机械的重大变革，双足机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系统，这对机器人的运动学、动力学及操纵理论的研究提供了一个非常理想的试验平台，在对其研究的过程中，很可能导致力学及操纵领域的新理论、新方法产生。它是智能机器人理论与技术的集中表达，能够带动许多有关学科与技术的交叉进展与进步。因此，双足步行机器人的研制具有十分重大的价值与意义。1. 1.2生物科学、仿生工程学的研究需要研究

10、开发双足步行机器人的另一重要意义是为了更好的熟悉人类与其他动物的行走机理,并为下肢瘫痪者提供较理想的假肢。尽管人类对腿与身体运用自如，但对行走与奔跑的操纵机制的懂得仍处于初始阶段。探讨动物运动操纵机理的一种方法是研究步行机器人。由于动物与机器需要完成相同的任务，它们的操纵系统与机械结构务必解决类似的问题。通过研究步行机器人，我们能够更好地分析这些问题，得到真正的答案。再者，动物行走机理的研究与步行机的开发是双向互惠的。一旦对动物行走机理有了正确的懂得，能够反过来更有效地指导步行机器人的研究与开发。其典型实例是为残疾人研制假肢或者轮椅等步行载体。2. 1.3双足机器人的应用场所双足步行机器人能在

11、与人类的生活与工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对环境进行大规模改造。目前，双足步行机器人的应用领域要紧有：1 .为残疾人（下肢瘫痪者或者截肢者）提供室内与户外行走工具。利用人工假腿、腿椅或者步行座椅尽可能使残疾人恢复正常行走功能（平地行走、坡地行走、跨越沟坎、爬越阶梯），减少对他人的依靠。2 .极限环境下代替人工作业，如太空星球表面考察、海底勘探、水下资源的开发与设备维修、沉船的寻找与协助打捞（代替浮游式机器人作为运载工具，以减少推选器对水底的扰动，提高能见度）；核电站内的监视与保护作业（如吸附式步行机对金属壁容器的检修）；高层建筑玻璃的擦洗；管道的探伤与维修（管内爬行式机器人）；遥

12、控救灾、灭火；爆炸物的处置（如探雷、排雷等）；战地侦察、警戒等。3 .在教育、艺术与大众服务行业等领域都有着潜在而广阔的应用前景。娱乐机器人、可作为人类同伴的机器人是进展的新方向，这将使双足机器人逐步走向普通居民中。1.2国内外双足机器人研究概况及趋势双足机器人的研究工作开始于上世纪60年代末，只有三十多年的历史，然而成绩斐然。如今已成为机器人领域要紧研窕方向之一。1.2.1国外机器人研究状况最早在1968年，英国的MoSher.R试制了一台名为“Rig”的操纵型双足步行机器人，掀开了双足机器人研究的序幕。该机器人只有踝与髅两个关节，操纵者靠力反馈感受来保持机器人平衡。19681969年间，南

13、斯拉夫的M.,Vukobratovic提出了一种重要的研究双足机器人的理论方法，并研制出全世界第一台真正的双足机器人。双足机器人的研制成功，促进了康复机器人的研制。随后，牛津大学的Witt等人也制造了一个双足步行机器人，当时他们的要紧目的是为瘫痪者与下肢残疾者设计使用的辅助行走装置。这款机器人在平地上走得很好，步速达0.23米/秒。日本加藤一郎教授于1986年研制出WL12型双足机器人。该机器人通过躯体运动来补偿下肢的任意运动，在躯体的平衡作用下，实现了步行周期13秒，步幅30厘米的平地动态步行。日本本田公司从1986年至今已经推出了P系列1,2,3型机器人。本田公司的计划着重设计通常家用的机

14、器人，而非针对特殊任务。这种设计的最大挑战是要让机器人在布满家具的房间中来去自如，而且还要能上下楼梯。本田的研究工作，特别是“P3”与“ASIM0”的推出，将拟人机器人的研制工作推上了一个新的台阶，使拟人机器人的研制与生产正式走向有用化、工程化与市场化。ASlMO高120厘米，体重43千克，使用个人电脑或者便携式操纵器操作步行方向与关节及手的动作。双脚步行方面，使用了新开发的技术ITALK(IntelIigentReal-timeFlexiblewalking)智能实时柔性行走技术，其预测移动操纵功能使机器人能够实时预测下一步运动，并按照预测来移动重心。应用该技术，ASlMO能够改变它的行走坡

15、度，并通过平滑地改变调节步幅来改变行走的快慢。HiroSe介绍说，只有ASIMO拥有这种动态行走能力。通过改善数据处理速度与软件，早期的ASIMO已经做到无需预编程就能够上下楼梯。2003年1月本田又推出了新款的ASIM0,它增加了两个功能：一是识别人的状况动作、姿势、面容、声音；另一种是网络接入功能。这使ASlMO的功能更加完善。比如，它能够根据用户手指所指的地方，推断出应该去的地方并自己走到那儿。它还能够通过内置无线LAN模块访问企业内部网或者因特网，为用户找出所需要的信息。目前大约有20部ASIMO能够出租，其中大约8部正在博物馆与其它公司用作向导机器人与接待员。索尼公司的第二代机器人S

16、DR4X展示了更为复杂的行走操纵与更为丰富的通讯功能。SDR.4X的集成实时自习惯运动操纵系统使它能够在不规则的地形与斜坡上行走，即使受到外部压力也能够保持行走姿态。SDR-4X能够实现如下7种动作：最高速度为15米/分钟的前进/后退/左右横行；由伏卧/仰卧状态起立；在前进过程中左右转身；单腿站立(在斜面上也可作这个动作)；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进版的SDR-4XII,它身高50厘米，重量为5千克。这款机器人能够自行充电，几乎达到了投产水平。法国POitierS大学力学实验室与国立信息与自动化研究所INRlA机构共同开发了一种具有15个自由度的双足步行机器人BIP2000,其目的是建立一整套具有习惯未知条件行走的双足机器人系统。它们使用分层递解操纵结构，使双足机器人实现站立、行走、爬坡与