【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 1 緒論 5 研制成功，促進(jìn)了康復(fù)機(jī)器人的研制。隨后，牛津大學(xué)的 Witt 等人也制造了一個(gè)雙足步行機(jī)器人，當(dāng)時(shí)他們的主要目的是為癱瘓者和下肢殘疾者設(shè)計(jì)使用的輔助行走裝置。這款機(jī)器人在平地上走得很好，步速達(dá) 0． 23 米／秒。日本加藤一郎教授于 1986 年研制出 wL 一 12 型雙足機(jī)器人 [9]，該機(jī)器人通過(guò)軀體運(yùn)動(dòng)來(lái)補(bǔ)償下肢的任意運(yùn)動(dòng)，在軀體的平衡作用下，實(shí)現(xiàn)了步行周期 1． 3 秒，步幅 30厘米的平地動(dòng)態(tài)步行。日本本田公司 [10]從 1986 年至今已經(jīng)推出了 P 系列 1， 2，3 型機(jī)器人。本田公司的計(jì)劃著重設(shè)計(jì)一般家用的機(jī)器人，而非針對(duì)特殊任務(wù)。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。本田的研究工作，尤其是“ P3”和“ ASIMO”的推出，將擬人機(jī)器人的研制工作推上了一個(gè)新的臺(tái)階，使擬人機(jī)器人的研制和生產(chǎn)正式走向?qū)嵱没⒐こ袒褪?場(chǎng)化。 ASIMO 高 120 厘米，體重鈣千克，使用個(gè)人電腦或便攜式控制器操作步行方向和關(guān)節(jié)及手的動(dòng)作。雙腳步行方面，采用了新開發(fā)的技術(shù)IWALK[11](Intelligent Realtime FlexibleWandng)智能實(shí)時(shí)柔性行走技術(shù)，其預(yù)測(cè)移動(dòng)控制功能使機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)預(yù)測(cè)下一步運(yùn)動(dòng)，并按照預(yù)測(cè)來(lái)移動(dòng)重心。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。 Hirose 介紹說(shuō)，只有 ASIMO 擁有這種動(dòng)態(tài)行走能力。通過(guò)改善數(shù)據(jù)處理速度和軟件，早期的 ASIMO 已經(jīng)做 到無(wú)需預(yù)編程就能夠上下樓梯。 2020年 1 月本田又推出了新款的 ASIMO，它增加了兩個(gè)功能：一是識(shí)別人的狀況動(dòng)作、姿勢(shì)、面容、聲音；另一種是網(wǎng)絡(luò)接入功能。這使 ASIMO 的功能更加完善。例如，它能夠根據(jù)用戶手指所指的地方，推斷出應(yīng)該去的地方并自己走到那兒。它還能夠通過(guò)內(nèi)置無(wú)線 LAN 模塊訪問(wèn)企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)或因特網(wǎng)，為用戶找出所需要的信息。目前大約有 20 部 ASIMO 可以出租，其中大約 8 部正在博物館和其它公司用作向?qū)C(jī)器人和接待員。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。 SDR． 4X 的集成實(shí)時(shí)自適應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)使它能夠在不規(guī)則的地形和斜坡上行走，即使受到外部壓力也能夠保持行走姿態(tài)。 SDR4X可以實(shí)現(xiàn)如下 7 種動(dòng)作：最高速度為 15 米／分鐘的前進(jìn)／后退／左右橫行；由伏臥／仰臥狀態(tài)起立；在前進(jìn)過(guò)程中左右轉(zhuǎn)身；單腿站立 (在斜面上也可作這個(gè)動(dòng)作 )；在凹凸不平的路面上行走；踢球；舞蹈。最近，索尼公司又推出了改進(jìn)版的 SDR4XIl[13]，它身高 50 厘米，重量為 5 千克。這款機(jī)器人可以白行充電，幾乎達(dá)到了投產(chǎn)水平。法國(guó) Poitiers 大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)立信息與自動(dòng)化研究所 INRIA 機(jī)構(gòu)共同 開發(fā)了一種具有 15 個(gè)自由度的雙足步行機(jī)器人 BIP2020[14]，其目的是建立一整套具有適應(yīng)未知條件行走的雙足機(jī)器人系統(tǒng)。它們采用分層遞解控制結(jié)構(gòu)，使雙足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)站立、行走、爬坡和上下樓梯等。 美國(guó)和日本多年來(lái)引領(lǐng)國(guó)際機(jī)器人的發(fā)展方向，代表著國(guó)際上機(jī)器人領(lǐng)域的最高科技水平。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。然而，近年來(lái)日本基本上在做模仿性的工作，突破性技術(shù)比較少。而美國(guó)在機(jī)器人領(lǐng)域的技術(shù)開發(fā)方面，一直保持著世界領(lǐng)先地位。再有，美國(guó)主要做高附加值的產(chǎn)業(yè)，比如軍用機(jī)器人，目前 世界銷售的 9000 臺(tái)軍用機(jī)器人之中，有 60%來(lái)自美國(guó)。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。 此外，英國(guó)、蘇聯(lián)、南斯拉夫、加拿大、意大利，德國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家，許多學(xué)者在行走機(jī)器人方面也做出了許多工作。 國(guó)內(nèi)雙足機(jī)器人研究狀況 國(guó)內(nèi)雙足機(jī)器人的研制工作起步較晚。 1985 年以來(lái)，相繼有幾所高校進(jìn)行了這方面的研究并取得了一定的成果。 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。其中 HIT 一Ⅱ I 為 12 個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行，能夠完成前／后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階及上斜坡等動(dòng)作。 目前，該校正致力于功能齊全的雙足機(jī)器人 HIT 一Ⅳ的研制工作，新機(jī)器人包括行走機(jī)構(gòu)、上身及髖部執(zhí)行機(jī)構(gòu)，初步設(shè)定 32 個(gè)自由度。國(guó)防科技大學(xué) [16]也進(jìn)行了這方面的研究。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。國(guó)防科技大學(xué)還將工業(yè)機(jī)器人的軌跡示教方法用到了兩足步行機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃中，形成了步 行機(jī)器人的步態(tài)示教規(guī)劃技術(shù)。值得一提的是，北京理工大學(xué)研制成功我國(guó)首例擬人機(jī)器人BRH． 01，該機(jī)器人身高 1． 58 米，體重 76 公斤，具有 32 個(gè)自由度，每小時(shí)能夠行走 l 公里，步幅 O． 33 米。除了能打太極拳，這個(gè)機(jī)器人還會(huì)騰空行走，并能根據(jù)自身的平衡狀態(tài)和地面高度變化，實(shí)現(xiàn)未知路面的穩(wěn)定行走。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。 在我國(guó)，機(jī)器人的真正使用到現(xiàn)在已經(jīng) 20 多年，已基本實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)、引進(jìn)到自主開發(fā)的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)了我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展。隨著我國(guó)門戶 的逐漸開放，國(guó)內(nèi)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將面對(duì)越來(lái)越大的競(jìng)爭(zhēng)與沖擊，因此，掌握國(guó)內(nèi)機(jī)器人市場(chǎng)的實(shí)際情況，把握我國(guó)機(jī)器人 與智能裝備 研究的相關(guān)進(jìn)展，顯得十分重要。我國(guó)的機(jī)器人從上世紀(jì) 80 年代 “ 七五 ” 科技攻關(guān)開始起步，在國(guó)家的支持下，通過(guò) “ 十五 ” 、 “ 十一五 ” 科技攻關(guān)，目前已基本掌握了機(jī)器人操作機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)、控制系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)技術(shù)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和軌跡規(guī)劃技術(shù)，生產(chǎn)了部分機(jī)器人關(guān)鍵元器件，開發(fā)出噴漆、弧焊、點(diǎn)焊、裝配、搬運(yùn)等機(jī)器人；其中有 130 多臺(tái)套噴攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 7 漆機(jī)器人在二十余家企業(yè)的近 30 條自動(dòng)噴漆生產(chǎn)線上獲得規(guī)模應(yīng)用，弧焊機(jī)器人已應(yīng) 用在汽車制造廠的焊裝線上，我國(guó)現(xiàn)有機(jī)器人研究開發(fā)和應(yīng)用工程單位200 多家，其中從事機(jī)器人研究和應(yīng)用的有 75 家，共開發(fā)生產(chǎn)各類機(jī)器人約 3000多臺(tái)， 90%以上用于生產(chǎn)，引進(jìn)機(jī)器人做應(yīng)用工程的約 1000 多臺(tái)。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。近幾年，我國(guó) 應(yīng)用于制造業(yè)的 機(jī)器人及自動(dòng)化生產(chǎn)線和工程項(xiàng)目、相關(guān)產(chǎn)品的年產(chǎn)銷額已近五億元。 雙足步行機(jī)器人研究的發(fā)展趨勢(shì) 概括起來(lái)，雙足步行機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)包括如下十個(gè)方面：能動(dòng)態(tài)穩(wěn)定地高速步 行能以自由步態(tài)全方位靈活行走；具有良好的地形適應(yīng)性；具有極強(qiáng)的越障和避障能力；具有很高的載重／自重比；可靠性高、工作壽命長(zhǎng)；具有豐富的內(nèi)感知和外感知系統(tǒng)；控制系統(tǒng)和能源裝置機(jī)載化；具有完全的自律能力；具有靈活的操作能力 (安裝一個(gè)或多個(gè)機(jī)械手 )。 目前，日本和美國(guó)對(duì)雙足步行機(jī)器人的研究已經(jīng)達(dá)到了相當(dāng)高的水平，研制出了能靜態(tài)或動(dòng)態(tài)行走的多種樣機(jī) [17]。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。國(guó)內(nèi)由于起步較晚，與國(guó)際最高水平還有一段差距，需要迎頭趕上。 雙足步行機(jī)器人理論研究狀況 最 早系統(tǒng)地研究人類和動(dòng)物運(yùn)動(dòng)原理的是 Muybridge[18]，他發(fā)明了電影用的獨(dú)特?cái)z像機(jī)，即一組電動(dòng)式觸發(fā)照相機(jī)，并在 1877 年成功地拍攝了許多四足動(dòng)物步行和奔跑的連續(xù)照片。后來(lái)這種采用攝像機(jī)的方法又被 Demenyt[19]悃來(lái)研究人類的步行運(yùn)動(dòng)。 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。真正全面、系統(tǒng)地開展兩足步行機(jī)器人的研究始于上世紀(jì) 60 年代，現(xiàn)已形成了一整套較為完整的理論體系，一些國(guó)家如日本、美國(guó)等己研制 成功可動(dòng)態(tài)步行的雙足步行機(jī)器人。在 60 年代和 70 年代，對(duì)步行機(jī)器人控制理論的研究產(chǎn)生了三種非常重要的控制方法，即有限狀態(tài)控制、模型參考控制和算法控制。這三種控制方法對(duì)各種類型的步行機(jī)器人都是適用的。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。這三種控制攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 8 方法之間有一定的內(nèi)在 聯(lián)系。有限狀態(tài)控制實(shí)質(zhì)上是一種采樣化的模型參考控制，而算法控制則是一種居中的情況。在雙足步行機(jī)器人的發(fā)展史上，Vukobratovic 博士是一個(gè)非常突出的人物。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。他提出了用歐拉角描述雙足步行系統(tǒng)的通用數(shù)學(xué)模型；指出了由于步行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和控制性能的特殊性，用一般控制理論不能滿意地解決人工實(shí)現(xiàn)步行的問(wèn)題，并由此提出了算法控制的概念；研究了擬人雙足步行系統(tǒng)在單腳和雙腳支撐期間機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)，建立了從運(yùn)動(dòng)副組合到關(guān)節(jié)力矩計(jì)算等各項(xiàng)運(yùn)算的 K1NPAIR 算法，分析了擬人雙足步行系統(tǒng)的姿態(tài)穩(wěn)定性，并提出了相應(yīng)的姿態(tài)控制算法；對(duì)擬人雙足步行系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析和頻率分析。特別重要的是，他和 Stcpaako 博士一起在 1972 年提出了“零力矩點(diǎn) ZMP 的概念 [25]。 ZMP 概念的提出對(duì)雙足步行機(jī)器人控制產(chǎn)生了非常重要的影響，為有效地控制雙足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)開辟了一條嶄新的途徑。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]”。這兩種步態(tài)不僅適應(yīng)于雙足而且也適應(yīng) 于多足步行機(jī)器人。其中，自由步態(tài)是相對(duì)于規(guī)則步態(tài)而言的。如果地面非常粗糙不平，那么步行機(jī)器人在行走時(shí)，下一步腳應(yīng)放在什么地方，就不能根據(jù)固定的步序來(lái)考慮，而是應(yīng)該像登山運(yùn)動(dòng)員那樣走一步看一步，通過(guò)某一優(yōu)化準(zhǔn)則來(lái)確定，這就是所謂的自由步態(tài)。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]。為了減小控制的復(fù)雜性考慮 Hemami 等人還曾就雙足步行機(jī)器人的“降階模型”問(wèn)題進(jìn)行 了研究。在步行模式這方面的研究中，日本加藤一郎教授及其它作者1980 年提出了準(zhǔn)動(dòng)態(tài)步行的概念 [29]，這是一種介于靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行之間的步行方式。它既具有靜態(tài)步行的特點(diǎn)又具有動(dòng)態(tài)步行的特點(diǎn)，其步速要比靜態(tài)步行快，而實(shí)現(xiàn)起來(lái)又不象動(dòng)態(tài)步行那樣困難。 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]。他們?cè)?1971 年發(fā)表的論文中，以具有約束條件的力學(xué)模型和性能最優(yōu)準(zhǔn)則作為兩足步行優(yōu)化問(wèn)題的核心，而以一種簡(jiǎn)化模型作為研究對(duì)象。但最后，他們僅是以局部耗能最少為基礎(chǔ)得出了一個(gè)優(yōu)化 結(jié)果。 Vukobratovic 也曾對(duì)類人型雙足步行系統(tǒng)進(jìn)行了能量分析，但他僅限于導(dǎo)出各關(guān)節(jié)及整個(gè)步行系統(tǒng)的功率隨時(shí)問(wèn)的變化關(guān)系，并沒(méi)有過(guò)多地涉及能耗最優(yōu)這個(gè)問(wèn)題。 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。MITG． A． Prat[31]和 J． E． Pratt 等人在 Spring Turkey 和 Spring Flamingo 雙足機(jī)器人的控制中采用了虛模型控制策略，避免了繁瑣的機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 1 緒論 9 學(xué)計(jì)算。 1990 年，美國(guó) Ohio 大學(xué)的 Y． F． Zheng[32]等人提 出了用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)雙足步行機(jī)器人動(dòng)態(tài)步行的觀點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了雙足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)學(xué)習(xí)。 本課題研究的意義 雖然當(dāng)下機(jī)器人的研究發(fā)展日趨成熟，但是機(jī)器人的行走速度相對(duì)的還是比較慢，離人們的預(yù)期還有著不小的差距。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。例如，在工業(yè)方面可以提高工業(yè)生產(chǎn)的效率；在軍事方面可以快速的代替人力進(jìn)行偵查和彈藥運(yùn)輸?shù)确矫娴墓ぷ鳎惶貏e是在人道主義救援方面，可以極大的提高急救和災(zāi)害響應(yīng)的速度和效率，可以快速救出受災(zāi)的群眾，也可以快速的幫助救災(zāi) 人員搶救物資和運(yùn)輸必須的補(bǔ)給品。所以研究如何提高機(jī)器人的行走速度對(duì)于機(jī)器人學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步具有重大的意義。本文將通過(guò)程序修改與調(diào)試，對(duì)機(jī)器人的行走速度進(jìn)行提升的嘗試與實(shí)驗(yàn)。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