【文章內(nèi)容簡介】 ROBOT（漢語前譯為“勞伯”）這個名詞?，F(xiàn)在已被人們作為機(jī)器人的專用名詞 [2]。 1950年美國作家阿西莫夫提出了機(jī)器人學(xué)（ Robotics）這一概念，并提出了所謂的“機(jī)器人三原則”，即： ； ，但不和（ 1）矛盾的指令； （ 1）、（ 2）原則不相矛盾的前提下，機(jī)器人可維護(hù)自身不受傷害。 本世紀(jì) 50、 60年代，隨著機(jī)構(gòu)理論和伺服理論的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入了使用化階段。 1954年美國的 “通用機(jī)器人”專利； 1960年美國 AMF公司生產(chǎn)了柱坐標(biāo)型Versatran機(jī)器人，可作點(diǎn)位和軌跡控制，這是世界上第一種用于工業(yè)生產(chǎn)上的機(jī)器人。 70年代，隨著計算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人得到了迅速發(fā)展。 1974年 Cincinnati Milacron公司開發(fā)成功多關(guān)節(jié)機(jī)器人； 1979年，Unimation公司又推出了 PUMA機(jī)器人，它是一種多關(guān)節(jié)、全電動驅(qū)動、多 CPU二級控制；采用 VAL專用語言；可配視覺、觸覺、力覺傳感器，在當(dāng)時是一種技術(shù)先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人?，F(xiàn)在的工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)大體上是以此為基礎(chǔ)的。這一時期的機(jī)器人屬于“示教再現(xiàn)”（ Teachin / Playback）型機(jī)器人。只具有記憶、存儲能力，按相應(yīng)程序重復(fù) 作業(yè)，但對周圍環(huán)境基本沒有感知與反饋控制能力。這種機(jī)器人被稱作第一代機(jī)器人。 進(jìn)入 80年代，隨著傳感技術(shù)，包括視覺傳感器、非視覺傳感器（力覺、觸覺、接近覺 2 等）以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代機(jī)器人 — 有感覺的機(jī)器人。它能夠獲得作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對象的部分有關(guān)信息，進(jìn)行一定的實(shí)時處理，引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)。第二代機(jī)器人已進(jìn)入了使用化，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 第三代機(jī)器人是目前正在研究的“智能機(jī)器人”。它不僅具有比第二代機(jī)器人更加完善的環(huán)境感知能力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據(jù)作業(yè)要求與環(huán)境信息自 主地進(jìn)行工作。 機(jī)器人的定義和基本組成 機(jī)器人的定義 由于研究的側(cè)重點(diǎn)不同，對于機(jī)器人的定義，國際上目前尚未有明確的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。 通常情況下， 可將機(jī)器人理解為：機(jī)器人是一種在計算機(jī)控制下的可編程的自動機(jī)器，根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)需要，它具有至少一項(xiàng)或多項(xiàng)擬人功能，另外還可能程度不同地具有某些環(huán)境感知能力（如視覺、力覺、觸覺、接近覺等），以及語言功能乃至邏輯思維、判斷決策功能等，從而使它能在要求的環(huán)境中代替人進(jìn)行作業(yè)。 機(jī)器人 的基本 組成： 1. 機(jī)械本體 機(jī)器人的機(jī)械本體機(jī)構(gòu)基本上分為兩 大類：一類是操作本體機(jī)構(gòu)，它類似人的手臂和手腕，配上各種手爪與末端操作器后可進(jìn)行各種抓取動作和操作作業(yè)，工業(yè)機(jī)器人主要采用這種結(jié)構(gòu)。另一類為移動型本體結(jié)構(gòu)，主要目的是實(shí)現(xiàn)移動功能，主要有輪式、履帶式、足腿式結(jié)構(gòu)以及蛇行、蠕動、變形運(yùn)動等機(jī)構(gòu)。壁面爬行、水下推動等機(jī)構(gòu)也可歸于這一類。 2. 驅(qū)動伺服單元 機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)的動作是依靠關(guān)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動，而大多數(shù)機(jī)器人是基于閉環(huán)控制原理進(jìn)行的。伺服控制器的作用是使驅(qū)動單元驅(qū)動關(guān)節(jié)并帶動負(fù)載超減少偏差的方向動作。已被廣泛應(yīng)用的驅(qū)動方式有，液壓伺服驅(qū)動、電機(jī)伺 服驅(qū)動，近年來氣動伺服驅(qū)動技術(shù)也有一定進(jìn)展。 3. 計算機(jī)控制系統(tǒng) 各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動的指令值由主計算機(jī)計算后，在各采樣周期給出。主計算機(jī)根據(jù)示教點(diǎn)參考坐標(biāo)的空間位置、方位及速度，通過運(yùn)動學(xué)逆運(yùn)算把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)節(jié)的指令值。 通常的機(jī)器人采用主計算機(jī)與關(guān)節(jié)驅(qū)動伺服計算機(jī)兩級計算機(jī)控制，有時為了實(shí)現(xiàn)智能控制，還需對包括視覺等各種傳感器信號進(jìn)行采集、處理并進(jìn)行模式識別、問題求解、任務(wù)規(guī)劃、判斷決策等，這時空間的示教點(diǎn)將由另一臺計算機(jī)上級計算機(jī)根據(jù)傳感信號產(chǎn) 3 生，形成三級計算機(jī)系統(tǒng)。 4. 傳感系統(tǒng) 為了是機(jī)器人正常工作 ，必須與周圍環(huán)境保持密切聯(lián)系，除了關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)的位置傳感器（稱作內(nèi)部傳感器）外，還要配備視覺、力覺、觸覺、接近覺等多種類型的傳感器（稱作外部傳感器）以及傳感信號的采集處理系統(tǒng) 5. 輸入 /輸出系統(tǒng)接口 為了與周邊系統(tǒng)及相應(yīng)操作進(jìn)行聯(lián)系與應(yīng)答，還應(yīng)有各種通訊接口和人機(jī)通信裝置。工業(yè)機(jī)器人提供一內(nèi)部 PLC，它可以與外部設(shè)備相聯(lián)，完成與外部設(shè)備間的邏輯與時實(shí)控制。一般還有一個以上的串行通訊接口，以完成磁盤數(shù)據(jù)存儲、遠(yuǎn)程控制及離線編程、雙機(jī)器人協(xié)調(diào)等工作。一些新型機(jī)器人還包括語音合成和識別技術(shù)以及多媒體系統(tǒng)， 實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話。 移動機(jī)器人概述 移動機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)的一個重要分支，其研究始于 60年代末期，斯坦福研究院的Nils Nilssen和 Charles Rosen等人，在 1966年至 1972年中研制出了取名為 Shakey的自主式移動機(jī)器人。目的是研究應(yīng)用人工智能技術(shù)，在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。與此同時，最早的操作式步行機(jī)器人也研制成功，從而開始了機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)方面的研究，以解決機(jī)器人在不平整地域的運(yùn)動問題，設(shè)計并研制出了多足機(jī)器人。 70年代末，隨著計算機(jī)的應(yīng)用和傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動 機(jī)器人研究又出現(xiàn)了新的高潮。特別是在 80年中期，設(shè)計和制造機(jī)器人的浪潮席卷全世界。一批世界著名的公司開始研制移動機(jī)器人平臺，這些移動機(jī)器人主要作為大學(xué)實(shí)驗(yàn)室及研究機(jī)構(gòu)的移動機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺，從而促進(jìn)了移動機(jī)器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)， 90年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動機(jī)器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動機(jī)器人更高層次的研究 .自主移動機(jī)器人技術(shù)是一門綜合性很強(qiáng)的高科技學(xué)科，涉及到機(jī)械、計算機(jī)、自動控制、人工智能、力學(xué)等廣泛科學(xué)領(lǐng)域中的許多前沿技術(shù) .自主移動機(jī) 器人研究已被列入世界各國的高技術(shù)發(fā)展計劃。如美國國防高級研究計劃局的“戰(zhàn)略計算與生存能力”工程，日本能產(chǎn)省的“極限環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人”發(fā)展計劃、歐洲共同體的“尤里卡”計劃，以及我國的“ 863”高科技計劃中，都把有害環(huán)境如核工廠和戰(zhàn)場使用的移動機(jī)器人作為重要的研究內(nèi)容。而以自主移動機(jī)器人為對象或應(yīng)用領(lǐng)域的，基于自適應(yīng)、學(xué)習(xí)、進(jìn)化機(jī)理，具有高級生命行為的自主系統(tǒng)的研究與研發(fā)，已成為21世紀(jì)初信息科學(xué)與生命科學(xué)富于挑戰(zhàn)性的交叉研究領(lǐng)域之一。 [3] 移動機(jī)器人分類 移動機(jī)器人是機(jī)器人的一個重要分支，早期的移 動機(jī)器人無論是控制方法或智能水平 4 都較低，只能做出一些簡單的推理、判斷和決策。近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人領(lǐng)域的研究取得了長足的進(jìn)步，其智能水平也大大提高，逐步由以前的遙控式向半自主式和自主式過渡，工作條件也由室內(nèi)向室外、簡單向復(fù)雜過渡。其中自主式移動機(jī)器人由于其高度的自主性，正在越來越多的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，特別是在軍事偵察、宇宙開發(fā)、掃雷排險、防核化污染等惡劣的環(huán)境中有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，隨著生產(chǎn)自動化技術(shù)的發(fā)展，移動機(jī)器人在柔性自動化制造生產(chǎn)線上和無人化 工廠中也得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前 ，由于生產(chǎn)自動化程度的提高，對機(jī)器人提出了各種各樣的需求，要求能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能，其中移動機(jī)器人成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱門方向。對于移動機(jī)器人來說，它有多種不同的分類方法，按不同的分類方法可將移動機(jī)器人分為不同的種類 : (一 ) 按自主水平來分 : 遙控式移動機(jī)器人 移動機(jī)器人的執(zhí)行動作和運(yùn)行軌跡完全由人通過遙控來控制，機(jī)器人不進(jìn)行任何判斷和決策，只是執(zhí)行人發(fā)出的命令。不具備任何自主性。 半自主式移動機(jī)器人 智能水平介于遙控和自主式移動機(jī)器人之間，具備一定的感知、判斷和決策功 能，但對一些復(fù)雜任務(wù)仍需在人工干預(yù)下才能順利完成。 自主式移動機(jī)器人 按人預(yù)先設(shè)置的任務(wù)命令，根據(jù)己知的環(huán)境信息進(jìn)行路徑規(guī)劃，同時在行進(jìn)過程中不斷獲取周圍的局部環(huán)境信息，自主地做出判斷和決策，隨時調(diào)整移動機(jī)器人的運(yùn)行路徑并執(zhí)行相應(yīng)的動作和操作。整個過程不需人為參與，由機(jī)器人自主進(jìn)行。 (二 )按移動方式來分 : 輪式移動機(jī)器人 :輪式機(jī)器人動作穩(wěn)定，操縱簡單，其移動速度和方向容易控制 .在無人工廠中用來搬運(yùn)零部件或做其它基本任務(wù)用的很多，適合于平地行走。按輪數(shù)的多少又可分為二輪、三輪、四輪式三種。 2. 履 帶式移動機(jī)器人 :履帶式移動機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)支撐面積大，接地比壓小，適合松軟或泥濘場地作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小，對路況具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，同時具有較強(qiáng)的爬坡能力和負(fù)載能力。 多足移動機(jī)器人 :足式移動對崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，足式移動方式的立足點(diǎn)是離散的，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。足式移動方式具有主動隔振能力，允許機(jī)身運(yùn)動軌跡和足運(yùn)動軌跡解禍，保持機(jī)身運(yùn)動具有高穩(wěn)定性 .因此，足式步行機(jī)器人的研究已成為機(jī)器人學(xué)中一個引人注目 的研究領(lǐng)域。 特種移動機(jī)器人 :根據(jù)具體的應(yīng)用目的，還有其他種類的移動機(jī)器人，如墻壁清洗機(jī)器人、爬纜索機(jī)器人以及管內(nèi)移動機(jī)器人等，這些機(jī)器人是根據(jù)某種特殊目的設(shè)計的機(jī)器人。 5 (三 )按控制體系結(jié)構(gòu)來分 : 功能式 (水平式 )結(jié)構(gòu)機(jī)器人 。 行為式 (垂直式 )結(jié)構(gòu)機(jī)器人 。 3. 混合式機(jī)器人。 (四 )按功能和用途來分 : 醫(yī)療機(jī)器人 ， 軍用機(jī)器人 ， 助殘機(jī)器人 ， 清潔機(jī)器人等。 (五 ) 按作業(yè)空間來分 : 陸地移動機(jī)器人 ， 水下機(jī)器人 ， 無人飛機(jī)和空間機(jī)器人等。 多足機(jī)器人的 發(fā)展現(xiàn)狀 早在上世紀(jì) 80年代，美國的著名機(jī)器人學(xué)家 McGhee開始著手研發(fā)四足仿生機(jī)器人以來，多足仿生機(jī)器人一直成為大量學(xué)者的研究對象。研發(fā)人員開始紛紛研究多足機(jī)器人的模型和樣機(jī)，并一步步攻關(guān)一個個難題。 [4] 多足機(jī)器人 六足仿生機(jī)器人的一個最大的優(yōu)點(diǎn)是對行走路面的要求很低 ,它可以跨越障礙物、走過沙地、沼澤等特殊路面 ,因此可以用于工程探險勘測、反恐防爆、軍事偵察等人類無法完成的或危險的工作 ,并且機(jī)器人的足所具有的大量自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動更加靈活 ,對凹凸不平的地形的適應(yīng)能力更強(qiáng)。 于是以 McGhee等人為代 表的對多足機(jī)器人的遠(yuǎn)動步態(tài)進(jìn)行了研究并提出了方案。隨后，國內(nèi)外的眾多學(xué)者便開始研究多足機(jī)器人的運(yùn)動步態(tài)和控制。最后在 Lee設(shè)計了具有獨(dú)特獨(dú)特結(jié)構(gòu)的 SERO六足仿生機(jī)器人，它把整個機(jī)器人的步態(tài)進(jìn)行了規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。同時，在國內(nèi)，中科院沈陽自動化研究所、清華大學(xué)、等單位也先后展開了機(jī)器人的研究，并取得了較大的成果。 圖 11Fred Delyn六足仿生機(jī)器人 圖 11是模仿美國的一種叫 Perip laa Americana的蟑螂而設(shè)計的仿生機(jī)器人，機(jī) 6 器人的整個身體比例約是該 蟑螂的 12到 17陪左右。其參數(shù)如表 11 表 11機(jī)器人 Fred Delyn的參數(shù) 參數(shù) 機(jī)器人名稱 國別 尺寸（ M） 長 *寬 *高 各部位比例 髖 *股節(jié) *脛節(jié) 體重 （ KG） Fred Delyn 美國 ** 1:: 11 隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷完善，多足機(jī)器人也別運(yùn)用到各個領(lǐng)域里面，圖 12為 MIT的仿生機(jī)器人，這個名為 Gengh的機(jī)器人是 MIT于 1989年設(shè)計并制作的，主要用于火星的不規(guī)則地面 的探測。 圖 12Gengh機(jī)器人 同樣，在國內(nèi)也漸漸出現(xiàn)了一批設(shè)計和生產(chǎn)仿生機(jī)器人公司和個人，圖 13是德普施科技有限公司的 DRROB系列高級機(jī)器人產(chǎn)品 [5]。該機(jī)器人以 1個曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)作為腿部和六足，以 12個直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動元件。利用德普施科技有限公司的六足機(jī)器人包搭接出的六足機(jī)器人如圖 13所示。 圖 13 DRROB系列高級機(jī)器人 7 本設(shè)計的主要工作 機(jī)器人系統(tǒng)是一個跨學(xué)科的綜合系統(tǒng)，涉及很多學(xué)科的知識。本文對現(xiàn)有的機(jī)器人分析機(jī)械結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行該機(jī)器人運(yùn)動步態(tài)的研 究，分析其步態(tài)穩(wěn)定性，給出不同步態(tài)下的機(jī)器人落足點(diǎn)的位置矢量表達(dá)式，按照計算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，根據(jù)六足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運(yùn)動的協(xié)調(diào)性、準(zhǔn)確性的控制要求，確定六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)不同步態(tài)的控制策略。對六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件流程給出詳細(xì)介紹，并進(jìn)行相關(guān)測試，驗(yàn)證整體設(shè)計方案的正確性和可靠性 . 論文主要內(nèi)容有 : 以自行設(shè)計的六足仿生機(jī)器人為研究對象，分析其機(jī)械結(jié)構(gòu)，按照“六 足綱”昆蟲的運(yùn)動原理，進(jìn)行步態(tài)分析，確定機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃。 分析適合機(jī)器人行走的運(yùn)動步態(tài)形式， 規(guī)劃典型直線行走步態(tài)和定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)，確定步態(tài)規(guī)劃中每種狀態(tài)的機(jī)器人足端位置矢量，進(jìn)行機(jī)器人穩(wěn)定性分析， 根據(jù)六足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運(yùn)動的協(xié)調(diào)性、準(zhǔn)確性的控制要求，設(shè)計六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)，確定對機(jī)器人腿部十二個舵機(jī)的控制方案，使機(jī)器人根據(jù)目的地的方位，實(shí)現(xiàn)不同步態(tài)的控制策略。 完成六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。 本章小結(jié) 本章主要是對機(jī)器人有一各概況， 著重介紹了機(jī)器人的發(fā)展及國內(nèi)外的一些機(jī)器人的發(fā)展成果， 并交代了本次設(shè)計的設(shè)計背景，為后續(xù)的設(shè)計指明了方向。 8 第二章 六足仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計 “六