20xx機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)與控制畢業(yè)論文(編輯修改稿)
2025-01-17 01:12 本頁面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 或者向下，或者向右，或者向左。分散在身體的不同部位，所以骨骼結(jié)構(gòu)因此而生。一般的，人形機(jī)器人身上裝有兩個(gè)傳感器能輔助它水平行走，它們是加速度傳感器和陀螺傳感器。它們主要用來讓機(jī)器人知道身體目前前進(jìn)的速度以及和地面所成的角度，并依次計(jì)算出平衡身體所需要調(diào)節(jié)量。這兩個(gè)傳感器起的作用和我們?nèi)祟悆?nèi)耳相同。要進(jìn)行平衡的調(diào)節(jié)，機(jī)器人還必須要有相應(yīng)的關(guān)節(jié)傳感器和6 軸的力傳感器，來感知肢體角度和受力情況。機(jī)器人的行走中最重要的部分就是它的調(diào)節(jié)能力。所以需要檢測(cè)在行走中產(chǎn)生的慣性力。當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)，它將受到由地球引力，以及加速或減速行進(jìn)所引起的慣性力的影響。這些力的總和被稱之為總慣性力。當(dāng)機(jī)器人的腳接觸地面時(shí)，它將受到來自地面反作用力的影響，這個(gè)力稱之為地面反作用力。所有這些力都必須要被平衡掉，而機(jī)器人的控制目標(biāo)就是要找到一個(gè)姿勢(shì)能夠平衡掉所有的力。這稱做“zeromoment point“ (ZMP) 圖26 機(jī)械結(jié)構(gòu) 當(dāng)機(jī)器人保持最佳平衡狀態(tài)的情況下行走時(shí)，軸向目標(biāo)總慣性力與實(shí)際地面反作用力相等。相應(yīng)地，目標(biāo)ZMP 與地面反作用力的中心點(diǎn)也重合。當(dāng)機(jī)器人行走在不平坦的地面時(shí)，軸向目標(biāo)總慣性力與實(shí)際的地面反作用力將會(huì)錯(cuò)位，因而會(huì)失去平衡，產(chǎn)生造成跌倒的力。跌倒力的大小與目標(biāo)ZMP 和地面反作用力中心點(diǎn)的錯(cuò)位程度相對(duì)應(yīng)。簡(jiǎn)而言之，目標(biāo)ZMP 和地面反作用力中心點(diǎn)的錯(cuò)位是造成失去平衡的主要原因。假若機(jī)器人失去平衡有可能跌倒時(shí)，下述三個(gè)控制系統(tǒng)將起作用，以防止跌倒，并保持繼續(xù)行走狀態(tài)。
（1）地面反作用力控制：腳底要能夠適應(yīng)地面的不平整，同時(shí)還要能穩(wěn)定的站住。
（2）目標(biāo)ZMP 控制：當(dāng)由于種種原因造成機(jī)器人無法站立，并開始傾倒的時(shí)候，需要制他的上肢反方向運(yùn)動(dòng)來控制即將產(chǎn)生的摔跤，同時(shí)還要加快步速來平衡身體。
（3）落腳點(diǎn)控制：當(dāng)目標(biāo)ZMP 控制被激活的時(shí)候，機(jī)器人需要調(diào)節(jié)每步的間距來滿足當(dāng)時(shí)身體的位置，速度和步長(zhǎng)之間的關(guān)系。
驅(qū)動(dòng)機(jī) 常用于機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)有液壓、氣壓和電動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)。
液壓驅(qū)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是能產(chǎn)生非常大的力（如在280105 牛頓／米工作壓力下，2 厘米直徑液壓缸就能產(chǎn)生8000 牛頓力）。力矩重量比值較高，能以體積小重量輕的驅(qū)動(dòng)器提供較大的驅(qū)動(dòng)力，剛度大。缺點(diǎn)是：需液壓動(dòng)力源設(shè)備，內(nèi)部漏油及油溫影響驅(qū)動(dòng)特性；管理、維修技術(shù)要求高，一次性投資較高等。目前液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要用于大型機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：成本低，可靠性高，維修管理容易，無污染，不會(huì)失火。缺點(diǎn)是：難于準(zhǔn)確控制速度和位置，出力小，有噪聲，易銹蝕等。一般用于控制要求不高、出力要求不大的場(chǎng)合。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)即指電機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)是：便于控制，能實(shí)現(xiàn)快速精確的位置和速度控制，信號(hào)處理方便，配線容易，比較清潔。缺點(diǎn)是：力矩一重量比值較低，為得到低速大力矩，需使用減速器，并因減速器存在齒隙而引起一些控制問題。常用的電機(jī)主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)三種。其中直流伺服電機(jī)應(yīng)用最廣，這是由于直流伺服電機(jī)的機(jī)械特性和控制特性好，調(diào)速范圍寬，起動(dòng)力矩大，效率高等。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，近年來出現(xiàn)了采用電子換向技術(shù)的直流無刷電機(jī)，避免了機(jī)械換向可能帶來的火花問題。交流伺服電機(jī)的電源提供簡(jiǎn)單，但控制相對(duì)復(fù)雜。步進(jìn)電機(jī)直接用脈沖數(shù)字信號(hào)控制，控制簡(jiǎn)單，位置控制準(zhǔn)確。但一般效率較低，長(zhǎng)期工作有丟步問題。一般用于小型普及型機(jī)器人。還有一些特殊的驅(qū)動(dòng)方式，如氣囊驅(qū)動(dòng)：英國(guó)的“Shadow”計(jì)劃研制的雙足步行機(jī)器人的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)就是采用的氣囊肌肉的方式進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。它具有重量輕，輸出力大，柔順性好等優(yōu)點(diǎn)；記憶合金驅(qū)動(dòng)器（SMA）：功率重量比大，驅(qū)動(dòng)電壓低，無噪音，無污染等優(yōu)點(diǎn)；壓電驅(qū)動(dòng)器：體積小、精度高、響應(yīng)快、輸出力大，可用于微動(dòng)機(jī)器人。
關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)方式有直接驅(qū)動(dòng)方式和間接驅(qū)動(dòng)方式兩種。
直接驅(qū)動(dòng)方式是驅(qū)動(dòng)器的輸出軸和機(jī)器人手臂的關(guān)節(jié)軸直接相連；這種方式的優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)器和關(guān)節(jié)之間的機(jī)械系統(tǒng)較少，因而能夠減少摩擦、間隙等非線性因素的影響，可以做到控制性能比較好。然而，在另一方面，為了直接驅(qū)動(dòng)手臂的關(guān)節(jié)，驅(qū)動(dòng)器的輸出力矩必須很大，此外，必須考慮手臂的動(dòng)力學(xué)問題。間接驅(qū)動(dòng)方式是把驅(qū)動(dòng)器的力通過減速器等傳遞給關(guān)節(jié)。大部分機(jī)器人的關(guān)節(jié)是間接驅(qū)動(dòng)。這種間接驅(qū)動(dòng)，通常其驅(qū)動(dòng)器的輸出力矩大大小于驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)所需要的力矩，所以必須使用減速器。
減速機(jī)構(gòu) 減速機(jī)構(gòu)的目的是把電動(dòng)機(jī)輸出的高轉(zhuǎn)速小力矩的運(yùn)動(dòng)變換成低轉(zhuǎn)速大力矩的關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，或變換成低速驅(qū)動(dòng)力大的關(guān)節(jié)直線運(yùn)動(dòng)。描述減速機(jī)構(gòu)的基本參數(shù)是傳動(dòng)比，又稱減速比。
傳動(dòng)比與傳動(dòng)效率 傳動(dòng)比 i ：輸入轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)速之比 傳動(dòng)效率η ：輸出功率與輸入功率之比 在忽略傳動(dòng)機(jī)構(gòu)功耗的情況下，輸出轉(zhuǎn)速是輸入轉(zhuǎn)速的1/ i ，輸出力矩是輸入力矩的i 倍。
常用的減速機(jī)構(gòu)有兩類:旋轉(zhuǎn)減速機(jī)構(gòu)和平移減速機(jī)構(gòu)。
旋轉(zhuǎn)減速機(jī)構(gòu)：一般輸入軸由電機(jī)帶動(dòng)作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，輸出軸作低轉(zhuǎn)速運(yùn)動(dòng)。主要有齒輪減速機(jī)構(gòu)、蝸輪－蝸桿減速機(jī)構(gòu)、行星齒輪減速機(jī)構(gòu)和諧波減速機(jī)構(gòu)等。
齒輪減速機(jī)構(gòu) 輸入軸與輸出軸可以平行,也可以垂直相交，轉(zhuǎn)速比即為輸出齒輪的齒數(shù)與輸入齒輪的齒數(shù)之比。一級(jí)齒輪減速比較小，且有齒隙。為獲得大減速比，通常需多級(jí)。
蝸輪－蝸桿減速機(jī)構(gòu) 用于交錯(cuò)軸間傳遞運(yùn)動(dòng)與力，軸交角通常為90 度。它有較大的轉(zhuǎn)速比。有自鎖功能（即在外力作用下能自行保持關(guān)節(jié)位置）。但其機(jī)械效
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