【正文】 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 提高機(jī)器人行走速度的研究畢業(yè)論文目 錄摘 要 ⅠABSTRACT Ⅱ1 緒論 1 前言 1 雙足步行機(jī)器人的意義 2 2 2 3 生物科學(xué)、仿生工程學(xué)的研究需要 3 雙足機(jī)器人的應(yīng)用場(chǎng)所 3 機(jī)器人技術(shù)研究熱點(diǎn) 4 國(guó)外機(jī)器人研究狀況 4 國(guó)內(nèi)雙足機(jī)器人研究狀況 6 7 7 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(jiǎn)介 10 10 11 11 113 設(shè)計(jì)思路及比賽環(huán)境的建立 12 設(shè)計(jì)思路 12 12 12 參數(shù)設(shè)定 13 144 機(jī)器人控制編程與比賽建立 18 機(jī)器人控制方案 18 18 代碼編輯 21 21 22 23 23 機(jī)器人起始位置設(shè)定 24 小結(jié) 245 比賽仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果 26 比賽仿真 26 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的要求 27 對(duì)相關(guān)機(jī)器人的程序修改與調(diào)試 27 對(duì)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 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 391 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(shì)。自從本世紀(jì)50年代美國(guó)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。縱觀半個(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(guó)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(guó)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(guó)著名的機(jī)器人專家蔣新松給出的定義就相對(duì)簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(duì)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(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。雙足機(jī)器人不僅具有廣闊的工作空間，而且對(duì)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。 雙足步行機(jī)器人的意義 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)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(duì)環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，既可以進(jìn)入相對(duì)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。 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(shì)，主要特點(diǎn)如下[3]： ① 雙足機(jī)器人對(duì)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(duì)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(zhǎng)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] 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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)腿和身體運(yùn)用自如，但對(duì)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(duì)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(chǎng)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(chǎng)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(duì)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