【正文】 ew and high technology and development result, has been widely applied in various fields of national production, and is to the human the traditional production pattern brings revolutionary change, affect all aspects of people39。當(dāng)下，國(guó)際上工業(yè)機(jī)器人已是成熟的產(chǎn)業(yè)。 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。 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(wú)法比擬的。足式運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)卻可以通過(guò)松軟地面 (如沼澤、沙漠等 )以及跨越較大的障礙 (如溝、坎等 )。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)。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(guò)不平整、不規(guī)則或較窄的路面，它的移動(dòng)“盲區(qū)”很小。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。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)。 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。通過(guò)研究步行機(jī)器人，我們能夠更好地分析這些問(wèn)題，得到真正的答案。 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。 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。 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(yǔ)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)。 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)。 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。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(jué)來(lái)保持機(jī)器人平衡。這款機(jī)器人在平地上走得很好，步速達(dá) 0． 23 米／秒。這種設(shè)計(jì)的最大挑戰(zhàn)是要讓機(jī)器人在布滿家具的房間中來(lái)去自如，而且還要能上下樓梯。應(yīng)用該技術(shù)， ASIMO 能夠改變它的行走坡度，并通過(guò)平滑地改變調(diào)節(jié)步幅來(lái)改變行走的快慢。這使 ASIMO 的功能更加完善。索尼公司的第二代機(jī)器人 SDR_4X[12]展示了更為復(fù)雜的行走控制和更為豐富的通訊功能。這款機(jī)器人可以白行充電，幾乎達(dá)到了投產(chǎn)水平。目攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 6 前，日本除了比較關(guān)注特種機(jī)器人和服務(wù)機(jī)器人以外，還注重中間件的研制。比如：美國(guó)最近研制成功的 Big Dog 軍用機(jī)器人，能負(fù)重 100 公斤，行進(jìn)速度跟人相當(dāng)，每小時(shí)達(dá)到五公里，還能適 應(yīng)各種地形，即使是在側(cè)面受到?jīng)_擊時(shí)也能保持很好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。 哈爾濱工業(yè)大學(xué) [15]自 1985 年開始研制雙足步行機(jī)器人，迄今為止已經(jīng)完成了三個(gè)型號(hào)的研制工作。在 1989 年研制成功了一臺(tái)雙足行走機(jī)器人，這臺(tái)機(jī)器人具有 10 個(gè)自由度，能完成靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行。它在系統(tǒng)集成、步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)等方面實(shí)現(xiàn)了重大突破，標(biāo)志著我國(guó)雙足機(jī)器人研究已經(jīng)跨入世界先進(jìn)行列。在國(guó)內(nèi)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)剛剛起步，但增長(zhǎng)的勢(shì)頭非常強(qiáng)勁，我國(guó)機(jī)器人經(jīng)過(guò) 20 多年的發(fā)展已在產(chǎn)業(yè)化的道路上邁開了步伐。其他國(guó)家，尤其是歐洲的一些國(guó)家，步行機(jī)器人的研究水平也很高。 1960 年，蘇聯(lián)學(xué)者頓斯科依 [20]表了著作“運(yùn)動(dòng)生物學(xué)”，從生物力學(xué)的角度，對(duì)人體運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)、能量特征和力學(xué)特征進(jìn)行了一個(gè)詳細(xì)的描述。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的 Tomovic[21]在 1961 年提出來(lái)的，模型參考控制是由美國(guó)的 Farnsworth[22][23]在 1975 年提出來(lái)的，而算法控制是由南斯拉夫米哈依羅．鮑賓研究所著名的機(jī)器入學(xué)專家 Vukobratovic[24]博士在 1969 年至 1972 年間提出來(lái)的。他在 整個(gè) 70 年代就雙足步行機(jī)器人的理論研究和假肢的設(shè)計(jì)發(fā)表了很多有影響的論文。在步態(tài)研究方面，蘇聯(lián)的 Bessonov 和 Umnov 定義了“最優(yōu)步態(tài) [26]Kugushev 和Jaroshc、 skij 定義了“自由步態(tài) [27]”。在雙足步行機(jī)器人的穩(wěn)定性研究方面，美國(guó)的Hcmami 等人曾提出將雙足步行系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的簡(jiǎn)化模型看作是一個(gè)倒立振子 (倒擺 )，從而可以將雙足步行的前進(jìn)運(yùn)動(dòng)解釋為使振子直立移動(dòng)的問(wèn)題 [28]。 最早采用最優(yōu)理論來(lái)研究類人型雙足步行系統(tǒng)的是美國(guó)的 Jacobson 和Chow[30]。 Vukobratovie 得出了一個(gè)有用的結(jié)論：步行姿態(tài)越平滑，雙足步行系統(tǒng)所消耗的功率就越少。而機(jī)器人行走速度的提速在工業(yè)、軍事、航空、醫(yī)療、及人道主義救援方面都有著重大的意義。本文也旨在這些方面能略盡微薄之力，為以后的相關(guān)研究提供一些咨詢和參考。系統(tǒng)采用 3D 仿真環(huán)境，通過(guò)仿真系統(tǒng)，用戶能快速搭建比賽場(chǎng)地、搭建自己的機(jī)器人，并能通過(guò)流程圖或 C 代碼給設(shè)計(jì)的機(jī)器人編寫控制程序，在仿真環(huán)境中觀察機(jī)器人運(yùn)行，給用戶親臨其境的感覺(jué)。 客戶端除了能在單臺(tái)計(jì)算機(jī)上仿真，還能將設(shè)計(jì)好的場(chǎng)地和機(jī)器人上傳到服務(wù)器上與其它機(jī)器人進(jìn)行比 賽，同時(shí)能在本地觀看服務(wù)器上比賽實(shí)況。 3) 3D仿真環(huán)境，仿真比賽身臨其境。 7) 場(chǎng)地對(duì)象自由拖放、旋轉(zhuǎn)及修改。 11) 自定義規(guī)則，規(guī)則能任意增加、修改。 15) 支持網(wǎng)絡(luò)功能，用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將機(jī)器人上載到服務(wù)器上同場(chǎng)競(jìng)技 (網(wǎng)絡(luò)版 )。 2) 內(nèi)嵌堆棧式 C 語(yǔ)言解釋器，支持直接 C 代碼編程。 6) 支持網(wǎng)絡(luò)聯(lián)賽。 4) 低成本的機(jī)器人教學(xué)。 比賽環(huán)境的建立 進(jìn)入 ASVROBOT 能力風(fēng)暴虛擬機(jī)器人仿真系統(tǒng)，點(diǎn)擊環(huán)境編輯，“環(huán)境編輯”視圖軟件界面如下： 圖 環(huán)境編輯界面 平面布局 在菜單欄點(diǎn)擊新建，建立一個(gè)空百的機(jī)器人活動(dòng)場(chǎng)地。如下圖所示： 圖 比賽環(huán)境環(huán)形跑道 如此，一個(gè)簡(jiǎn)單的環(huán)形跑道就建立好了。 圖 搭建的機(jī)器人 再在機(jī)器人的前部安裝兩個(gè)地面灰度傳感器，并通過(guò)右鍵菜單設(shè)置傳感器參數(shù)。如果兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度相同，但轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反時(shí)，機(jī)器人會(huì)繞著連接兩輪線段中心點(diǎn)旋轉(zhuǎn)。所以就會(huì)使實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)一定的隨機(jī)因素，在前文中已經(jīng)提到了。 其中循線為子程序，該流程圖如圖： 圖 子程序流程圖 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 機(jī)器人控制編程與比賽建立 21 首先通過(guò)機(jī)器人前部的兩個(gè)地面灰度值傳感器檢測(cè)地面的灰度值，將反饋的數(shù)量進(jìn)行分析。 代碼編輯 點(diǎn)擊仿真系統(tǒng)視圖切換區(qū)“流程圖編輯”，即進(jìn)入 虛擬機(jī)器人機(jī)器人仿真系統(tǒng)“代碼編輯”視圖，在“代碼編輯”界面中可直接采用 JC 代碼編程，這樣編程更加靈活方便。 圖 新建比賽規(guī)則界面 比賽的 建立 在比賽管理界面下建立一個(gè)新的比賽，比賽名稱為機(jī)器人競(jìng)走，比賽場(chǎng)地為比賽環(huán)境，紅方為 1 隊(duì)，藍(lán)方為 2 隊(duì)，規(guī)則為機(jī)器人追逐賽。比賽的名攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 機(jī)器人控制編程與比賽建立 25 稱為機(jī)器人競(jìng)走，比賽的場(chǎng)地為比賽環(huán) 境，比賽的規(guī)則為機(jī)器人追逐賽，參賽機(jī)器人人分別為機(jī)器人 1 和機(jī)器人 2，機(jī)器人的坐標(biāo)和角度分別為（ 0,45）（ 0，45）和 0,180。但在前文已經(jīng)提到，由于該實(shí)驗(yàn)具有一定的隨機(jī)因素，所以我們會(huì)采用多次實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)需要的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 比賽仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果 28 對(duì)目標(biāo)機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)時(shí)的程序調(diào)試 在前面的文章中，我們提到，當(dāng)該機(jī)器人的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)動(dòng)速度相同時(shí)，該機(jī)器人將 沿直線運(yùn)動(dòng)。我們將通過(guò)修改，將其速度改為 100，即 if(surf_1 = 120) { if(surf_2 = 120) { motor( 1 , 100)。下面載同等條件下進(jìn)行第二次試驗(yàn)。但在前文我們已經(jīng)提到了比賽隨機(jī)因?yàn)榈脑?，我們還需進(jìn)行多次試驗(yàn)。 wait( )。 stop()。 drive( 0 , 40)。當(dāng)傳感器 1 的反饋值不在 120 內(nèi)，傳感器 2 的反饋值在 120 內(nèi)時(shí)，機(jī)器人將向 y 的正方向轉(zhuǎn)向 40，時(shí)間為 秒；傳感器 2 的反饋值不在 120 內(nèi)時(shí)，機(jī)器 人將沿 x 方向前進(jìn) 80，時(shí)間為 秒，再向 y 的負(fù)方向轉(zhuǎn)向 40，時(shí)間為 秒。即： { drive( 0 , 21)。 wait( )。 stop()。 } } 進(jìn)行第一次實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為： 圖 第三次比賽結(jié)果 如圖，藍(lán)色小車減少了與目標(biāo)紅色小車的距離，達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康模詫?shí)驗(yàn)成功。在彎道的時(shí)候，可以適當(dāng)?shù)臏p小在彎道轉(zhuǎn)向的幅度，或者提高轉(zhuǎn)向時(shí)的速率，也可以通過(guò)減小轉(zhuǎn)向時(shí)間的方法達(dá)到機(jī)器人在彎道行走上的速度提升。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 參考文獻(xiàn) 35 參 考 文 獻(xiàn) [1] 譚冠政，朱劍英，尉忠信 ． 國(guó)內(nèi)外兩足步行機(jī)器人研究的歷史、現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) [J]機(jī)器人， 1992． 14(3)： 6166. 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