【正文】 ................................... 24 5 比賽仿真和實驗結(jié)果 ........................................................................................... 26 比賽仿真 .......................................................................................................... 26 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 目錄 IV 實驗結(jié)果的要求 ............................................................................................... 27 對相關(guān)機器人的程序修改與調(diào)試 ...................................................................... 27 對目標機器人直線運動時的程序調(diào)試 ..................................................... 28 機器人在轉(zhuǎn)彎時的程序調(diào)試 ................................................................... 30 6 結(jié)論 ........................................................................................................................ 34 參 考 文 獻 ................................................................................................................ 35 附錄 A：機器人完整程序 .......................................................................................... 37 致 謝 ............................................................................................................................ 39 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 緒論 1 1 緒論 前言 隨著現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)的不斷進步，機器人科學(xué)越來越具有強大的生命力，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 50年代美國人發(fā)明第一臺工業(yè)機器人以來，機器人的發(fā)展已近半個世紀了?？v觀半個世紀以來機器人發(fā)展的歷史，機器人技術(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)機器人已是成熟的產(chǎn)業(yè)。 雖然機器人的技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)日趨成熟，但是有關(guān)機器人的定義卻眾說紛紜，美國機器人工業(yè)協(xié)會給出的定義是：“機器人是一種可再編程的多功能操作機，通過可變的程序流程，以 完成多樣化的任務(wù)”。我國著名的機器人專家蔣新松給出的定義就相對簡潔：“機器人是一種具有擬人功能的機械電子裝置”。姑且不管這些定義如何，但他們都包含了機器人的共性：①能模仿人的一些動作；②具有一定的智力、感覺和識別能力；③是人造的機器或機械電子裝置。 正常人所能完成的基本動作一步行走，其實是一種非常復(fù)雜的運動，它需要對人全身的骨骼和肌肉進行復(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 高難度的動作。對于步行機器人來說，它只需要模仿人在特殊情況下 (平地或己知障礙物 )完成步行動作，這個條件雖然可以使機器人的骨骼機構(gòu)在很大程度上降低和簡化，但也不是說這個系統(tǒng)就不復(fù)雜了，其步行動作一樣是高度的自動化的運動，需要控制機構(gòu)進行復(fù)雜而巧妙地協(xié)調(diào)每個關(guān)節(jié)上的動作。 世界著名機器人專家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說過：“機器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能。 [1]”雙足機器人屬于類人機器人，典型的特點是機器人的下肢以剛性構(gòu)件通過轉(zhuǎn)動副聯(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 ，實現(xiàn)對身體的支撐及連續(xù)地協(xié)調(diào)運動，各關(guān)節(jié)之間可以有一定角度的相對轉(zhuǎn)動。 雙足機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。研究雙足行走機器人具有重要的意義。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 緒論 2 雙足步行機器人的意義 運動方式的優(yōu)越性 移動機器人是機器人學(xué)中非常活躍的領(lǐng)域，移動方式有輪式、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，它們的能耗大大增加，而在松軟地面或嚴重崎嶇不平的地形上，車輪的作用將嚴 重喪失。足式運動系統(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，而很多足式動物卻可以在這些地面上行走自如。這就給人們一種啟示，即足式運動方式具有其它地面推進方式所不具備的獨特優(yōu)越性能。 足式運動系統(tǒng)在不平地面和松散地面上的運動速度較高，而能耗較少。實驗和觀察研究表明，在崎嶇不平的堅硬地面上行駛 (行走 )的平均速度，履帶車輛為8~16 公里／小時；輪式車輛為 5～ 8 公里／ d,時；而足式運動的奔跑速度最高可達 56 公里／小時。在有 25． 4 厘米 深的軟土地上，履帶車輛所需的推進功率為10 馬力／噸；輪式車輛為 15 馬力／噸，而足式行走機只需 7 馬力／噸。由此可以看出步行是大多數(shù)高等動物共同采用的移動方式，對環(huán)境具有很強的適應(yīng)性，既可以進入相對狹窄的空間，也可以跨越障礙、上下臺階、上下斜坡、甚至在不平整地面上運動，與其它各種移動方式相比，具有更廣闊的應(yīng)用前景。 雙足機器人的優(yōu)越性 步行機器人包括雙足、四足、六足和八足機器人等。與其它足式機器人相比，雙足機器人具有更高的靈活性和獨特的優(yōu)勢，主要特點如下 [3]： ① 雙足機器人對步行環(huán)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階及通過不平整、不規(guī)則或較窄的路面，它的移動“盲區(qū)”很小。 ② 雙足機器人具有廣闊的工作空間，由于行走系統(tǒng)占地面積小，活動范圍很大，其上配置的機械手具有更大的活動空間，也可使機械手臂設(shè)計得較為短小緊湊。 ③雙足行走是生物界難度最高的步行動作，但其步行性能卻是其它步行結(jié)構(gòu)所無法比擬的。因此，開展雙足機器人研究工作可以有力推進機器人學(xué)及其它相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。雙足機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)境進行大規(guī)模改造。目前，雙足步行機器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要是康復(fù)醫(yī)學(xué)。從長遠來看，雙足機器人在無人工廠、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。[4][5] 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 緒論 3 雙足步行機器人的優(yōu)越性 雙足步行機器人不但具有雙足移動的特點，還具有其它類人的智能特點，如手臂運動功能、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，是集機構(gòu)學(xué)、機械設(shè)計、傳感技術(shù)、控制理論與技術(shù)、計算機技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)為一體的綜合性技術(shù)。雙足機器人對機器人 的機械結(jié)構(gòu)及驅(qū)動裝置提出了特殊要求，這將導(dǎo)致傳統(tǒng)機械的重大變革，雙足機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]，這對機器人的運動學(xué)、動力學(xué)及控制理論的研究提供了一個非常理想的試驗平臺，在對其研究的過程中，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。它是智能機器人理論和技術(shù)的集中體現(xiàn)，能夠帶動許多相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的交叉發(fā)展和進步。因此，雙足步行機器人的研制具有十分重大的價值和意義。 生物科學(xué)、仿生工程學(xué)的研究需要 研究開發(fā)雙足步行機器人的另一重要意義是為了更好的了解人類和其 他動物的行走機理，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用自如，但對行走和奔跑的控制機制的理解仍處于初始階段。探討動物運動控制機理的一種方法是研究步行機器人。由于動物和機器需要完成相同的任務(wù)，它們的控制系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)必須解決類似的問題。通過研究步行機器人，我們能夠更好地分析這些問題，得到真正的答案。再者，動物行走機理的研究和步行機的開發(fā)是雙向互惠的。一旦對動物行走機理有了正確的理解，可以反過來更有效地指導(dǎo)步行機器人的研究和開發(fā)。其典型實例是為殘疾人研制假肢或輪椅等步行載體。 雙足機 器人的應(yīng)用場所 雙足步行機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)境進行大規(guī)模改造。目前，雙足步行機器人的應(yīng)用領(lǐng)域主要有： [7] ① 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。 ② 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 (代替浮游式機器人作為運載工具，以減少推選器對水底的擾動 ，提高能見度 )；核電站內(nèi)的監(jiān)視和維護作業(yè) (如吸附式步行機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。 ③ 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。娛樂機器人、可作為人類同伴的機器人是發(fā)展的新方向，這將使雙足機器人逐漸走向攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 緒論 4 普通居民中。 機器人技術(shù)研究熱點 機器人技術(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。目前機器人技術(shù)的研究方向有如下幾類： 機器人機構(gòu)技術(shù) —— 目前研究重點是機器人新的結(jié)構(gòu)、功能及可實現(xiàn)性，其目的是使機器功能更強、柔性更大、滿足不同目的的需求，同時研究機器人一些新的設(shè)計方法，探索新的高強度輕質(zhì)材料，進一步提高負載自重比，并且機器人機構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。 機器人控制技術(shù) —— 目前重點研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)，努力使人機界面更加友好，使機器人操作系統(tǒng)具有良好的語言及圖形編輯界面，同時機器人的控制器的標準化和網(wǎng)絡(luò)化以及基于 PC 機網(wǎng)絡(luò)式控制器也成為研究熱點。 數(shù)字伺服驅(qū)動技術(shù) —— 目前正研究利用計算機技術(shù)，探索高效的控制驅(qū)動算法，提高系統(tǒng)的 響應(yīng)速度和控制精度。同時利用現(xiàn)場總線（ FILDBUS）技術(shù)，實現(xiàn)分布式控制。 多傳感系統(tǒng)技術(shù) —— 目前研究熱點集中在有效可行的（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)的實用化問題。 機器人應(yīng)用技術(shù) —— 機器人應(yīng)用技術(shù)主要包括機器人工作環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計和智能作業(yè)。優(yōu)化設(shè)計主要利用各種先進的計算機手段，實現(xiàn)設(shè)計的動態(tài)分析和仿真，提高設(shè)計效率和優(yōu)化；智能作業(yè)則是利用傳感器技術(shù)和控制方法，實現(xiàn)機器人作業(yè)的高度柔性和對環(huán)境的適應(yīng)性，同時降低操作人員參與的復(fù)雜性。目前用于實踐的機器人作 業(yè)主要靠人的參與實現(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。 機器人網(wǎng)絡(luò)化技術(shù) —— 網(wǎng)絡(luò)化使機器人由獨立的系統(tǒng)向群體系統(tǒng)發(fā)展，使遠距離操作監(jiān)控、維護及遙控腦型工廠成為可能，這是機器人技術(shù)發(fā)展的一個里程碑。目前，機器人僅僅實現(xiàn)了簡單的網(wǎng)絡(luò)通訊和控制，網(wǎng)絡(luò)化機器人是目前機器人研究中的熱點之一。 機器人靈巧化和智能化發(fā)展 —— 機器人結(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。 國外機器人研究狀況 最早在 1968 年，英國的 Mosher． R 試制了一臺名為“ Rig”的操縱型雙足步行機器人 [8]，揭開了雙足機器人研究的序幕。該機器人只有踝和靛兩個關(guān)節(jié)，操縱者靠力反饋感覺來保持機器人平衡。 1968～ 1969 年間，南斯拉夫的 M． ,Vukobratovic 提出了一種重要的研究雙足機器人的理論方法，并研制出全世界第一臺真正的雙足機器人。雙足機器人的攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）