【正文】 ................................... 24 5 比賽仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果 ........................................................................................... 26 比賽仿真 .......................................................................................................... 26 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 目錄 IV 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的要求 ............................................................................................... 27 對相關(guān)機(jī)器人的程序修改與調(diào)試 ...................................................................... 27 對目標(biāo)機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的程序調(diào)試 ..................................................... 28 機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎時(shí)的程序調(diào)試 ................................................................... 30 6 結(jié)論 ........................................................................................................................ 34 參 考 文 獻(xiàn) ................................................................................................................ 35 附錄 A：機(jī)器人完整程序 .......................................................................................... 37 致 謝 ............................................................................................................................ 39 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(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：①能模仿人的一些動(dòng)作；②具有一定的智力、感覺和識(shí)別能力；③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，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。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 2 雙足步行機(jī)器人的意義 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?；钴S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 )的平均速度，履帶車輛為8~16 公里／小時(shí)；輪式車輛為 5～ 8 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 25． 4 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。 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]： ① 雙足機(jī)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(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。 ② 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。 ③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(jì)（論文） 1 緒論 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。 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。 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] 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(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。 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(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)器人逐漸走向攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 4 普通居民中。 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)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（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，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。 國外機(jī)器人研究狀況 最早在 1968 年，英國的 Mosher． R 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。 1968～ 1969 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)器人的攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）