【文章內容簡介】 走一步看一步，通過某一優(yōu)化準則來確定，這就是所謂的自由步態(tài)。在雙足步行機器人的穩(wěn)定性研究方面，美國的Hcmami等人曾提出將雙足步行系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制的簡化模型看作是一個倒立振子(倒擺)，從而可以將雙足步行的前進運動解釋為使振子直立移動的問題[28]。為了減小控制的復雜性考慮Hemami等人還曾就雙足步行機器人的“降階模型”問題進行了研究。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年提出了準動態(tài)步行的概念[29]，這是一種介于靜態(tài)步行和動態(tài)步行之間的步行方式。它既具有靜態(tài)步行的特點又具有動態(tài)步行的特點，其步速要比靜態(tài)步行快，而實現(xiàn)起來又不象動態(tài)步行那樣困難。最早采用最優(yōu)理論來研究類人型雙足步行系統(tǒng)的是美國的Jacobson和Chow[30]。他們在1971年發(fā)表的論文中，以具有約束條件的力學模型和性能最優(yōu)準則作為兩足步行優(yōu)化問題的核心，而以一種簡化模型作為研究對象。但最后，他們僅是以局部耗能最少為基礎得出了一個優(yōu)化結果。Vukobratovic也曾對類人型雙足步行系統(tǒng)進行了能量分析，但他僅限于導出各關節(jié)及整個步行系統(tǒng)的功率隨時問的變化關系，并沒有過多地涉及能耗最優(yōu)這個問題。Vukobratovie得出了一個有用的結論：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雙足機器人的控制中采用了虛模型控制策略，避免了繁瑣的機器人逆運動學和動力學計算。1990年，美國Ohio大學的Y．F．Zheng[32]等人提出了用神經網(wǎng)絡實現(xiàn)雙足步行機器人動態(tài)步行的觀點，實現(xiàn)了雙足機器人的動態(tài)學習。 本課題研究的意義 雖然當下機器人的研究發(fā)展日趨成熟，但是機器人的行走速度相對的還是比較慢，離人們的預期還有著不小的差距。而機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)生產的效率；在軍事方面可以快速的代替人力進行偵查和彈藥運輸?shù)确矫娴墓ぷ?；特別是在人道主義救援方面，可以極大的提高急救和災害響應的速度和效率，可以快速救出受災的群眾，也可以快速的幫助救災人員搶救物資和運輸必須的補給品。所以研究如何提高機器人的行走速度對于機器人學的發(fā)展和進步具有重大的意義。本文將通過程序修改與調試，對機器人的行走速度進行提升的嘗試與實驗。本文也旨在這些方面能略盡微薄之力，為以后的相關研究提供一些咨詢和參考。41攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 2 能力暴風機器人開發(fā)環(huán)境的簡介 2 能力暴風機器人開發(fā)環(huán)境簡介由于實驗室設備和條件有限，我們在這里使用的是ASVROBOT能力風暴虛擬機器人仿真系統(tǒng)(以下簡稱ASVROBOT)，由于輪式機器人能近似代替雙足機器人進行相關仿真和實驗，所以我們在以下的環(huán)節(jié)用輪式機器人來代替雙足機器人進行實驗和仿真。也能到達本文探討的效果。ASVROBOT能力風暴虛擬機器人仿真系統(tǒng)(以下簡稱ASVROBOT)是一款虛擬機器人仿真軟件。系統(tǒng)采用3D仿真環(huán)境，通過仿真系統(tǒng)，用戶能快速搭建比賽場地、搭建自己的機器人，并能通過流程圖或C代碼給設計的機器人編寫控制程序，在仿真環(huán)境中觀察機器人運行，給用戶親臨其境的感覺。ASVROBOT有三個版本，即ASVROBOT單機版、網(wǎng)絡版服務器、網(wǎng)絡版客戶端。單機版只能在單個計算機上進行仿真。服務器能完成單機版所有功能，同時提供多機器人仿真比賽環(huán)境，并能將比賽實況通過網(wǎng)絡進行播放網(wǎng)絡版?？蛻舳顺四茉趩闻_計算機上仿真，還能將設計好的場地和機器人上傳到服務器上與其它機器人進行比賽，同時能在本地觀看服務器上比賽實況。ASVROBOT寓教于樂，通過使用ASVROBOT仿真系統(tǒng)用戶能快速建構機器人知識體系，并掌握傳感器、控制、計算機語言及程序設計等知識。 ASVROBOT能力風暴虛擬機器人仿真系統(tǒng)1) 可以采用VJC流程圖編程，操作簡單，零起步學習軟件編程。2) JC代碼直接編程，自由靈活，功能強大。3) 3D仿真環(huán)境，仿真比賽身臨其境。4) 鼠標與鍵盤雙重操作。5) 提供有豐富的場地對象，比賽場地快速搭建。6) 對場地對象的顏色、紋理、材質、顯示方式等自由設置。7) 場地對象自由拖放、旋轉及修改。8) 種類繁多的執(zhí)行機構及傳感器對象。9) 執(zhí)行機構和傳感器類型、數(shù)量、方位、參數(shù)任意設定，可自由設計自己的機器人。10) 多視角和不同距離察看搭建好的場地、機器人以及仿真比賽過程。11) 自定義規(guī)則，規(guī)則能任意增加、修改。12) 自由組隊，每對機器人任選，只受計算機性能和規(guī)則限制。13) 自由設計比賽項目。14) 自動裁判和評分。15) 支持網(wǎng)絡功能，用戶通過網(wǎng)絡將機器人上載到服務器上同場競技(網(wǎng)絡版)。16) 從客戶端觀看服務器上比賽實況(網(wǎng)絡版)。17) 支持版本更新提示和在線升級功能。 1) 支持流程圖，自動生成無差錯C代碼，零起步學習計算機編程。2) 內嵌堆棧式C語言解釋器，支持直接C代碼編程。3) 能實現(xiàn)進行機器人控制算法快速驗證。4) 3D環(huán)境中機器人搭建與仿真。5) 支持多機器人通常競技。6) 支持網(wǎng)絡聯(lián)賽。 1) 實體機器人機械結構、傳感器配置及比賽策略快速驗證與優(yōu)化。2) 機器人執(zhí)行機構、傳感器知識構建、算法與程序設計教學。3) 中小學信息技術課程教學。4) 低成本的機器人教學。5) 虛擬機器人仿真比賽。攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 3 設計思路及比賽環(huán)境的建立 3 設計思路及比賽環(huán)境的建立 設計思路本文采用的是類似于場地自行車追逐賽的比賽方式，建立一塊環(huán)形的跑道環(huán)境，兩臺輪式機器人相隔半圈，沿順時針方向運動，比賽時間為1分鐘，在比賽時間內，經改進提高運動速度的機器人能有效的減少于目標機器人的距離。機器人在運動中，由于傳感器或環(huán)境等方面客觀因素存在一定的隨機性，固本實驗采用多次實驗，如大部分能有效的減少于目標機器人的距離，則視為實驗成功。進入ASVROBOT能力風暴虛擬機器人仿真系統(tǒng)，點擊環(huán)境編輯，“環(huán)境編輯”視圖軟件界面如下： 環(huán)境編輯界面在菜單欄點擊新建，建立一個空百的機器人活動場地。然后以xy平面上的（50,0）（50,0）兩點為圓心，50為半徑畫圓，為暗紅色，灰度值為100，層數(shù)為1層。在以同樣的圓心，40為半徑畫圓，顏色為綠色，灰度值為150，層數(shù)為5層。如下圖所示： 兩組同心圓的建立在以兩圓在x方向的切線為邊，畫矩形，設為與該圓同樣的顏色，灰度值和層數(shù)。如下圖所示： 比賽環(huán)境環(huán)形跑道如此，一個簡單的環(huán)形跑道就建立好了。 參數(shù)設定通過右鍵菜單具體的按照要求設定參數(shù)。 環(huán)境參數(shù)設定 灰度值 點擊仿真系統(tǒng)視圖切換區(qū)“機器人編輯”，“機器人編輯”視圖?！皺C器人編輯”視圖軟件界面如下： 機器人編輯界面 在菜單欄點擊建立一個新的機器人。 搭建的機器人再在機器人的前部安裝兩個地面灰度傳感器，并通過右鍵菜單設置傳感器參數(shù)。 地面灰度值傳感器 安裝在機器人前部的傳感器 參數(shù)設定 參數(shù)設定攀枝花學院本科畢業(yè)設計（論文） 4 機器人控制編程與比賽建立 4 機器人控制編程與比賽建立 機器人控制方案我們采用差動裝置來控制該機器人的運動，該差動裝置是由機器人的兩邊兩個平行的驅動輪構成的，單獨提供機器人動力。要注意的是這里我們稱的這個差動裝置是因為機器人的運動矢量是由兩個獨立的部件產生的（它與差速齒輪沒有關系，此裝置上沒有使用差速齒輪）。當兩個驅動輪以相同的方向和相同的速度轉動時，機器人作直線運動。如果兩個驅動輪轉動速度相同，但轉動方向相反時，機器人會繞著連接兩輪線段中心點旋轉。根據(jù)輪子不同的轉向。 機器人不同運動狀態(tài)左輪右輪機器人停止停止停止停止向前轉動繞著左輪逆時針轉動停止向后轉動繞著左輪順時針轉動向前轉動停止繞著右輪順時針轉動向前轉動向前轉動向前運動向前轉動向后轉動原地順時針旋轉向后轉動停止繞著右輪逆時針轉動向后轉動向前轉動原地逆時針旋轉向后轉動向后轉動向后運動但是這種結構也有一種弊端：它不能保證機器人筆直的運動，因為兩個馬達的功效總有差別，一個輪子會比另外一個輪子轉動的快一點，因此使得機器人略微偏左或偏右。在某些應用中這中情況不會有問題，可以通過編程來避免，比如使機器人沿線走或在迷宮中尋找路線行走，但是讓機器人在空地上走直線恐怕不行。所以就會使實驗出現(xiàn)一定的隨機因素，在前文中已經提到了。我們通過在機器人前段安裝的地面灰度值傳感器反饋的數(shù)據(jù)，使兩個驅動輪按照我們的需求運動，就可以達到控制機器人運動的目的。點擊仿真系統(tǒng)視圖切換區(qū)“流程圖編輯”，“流程圖編輯”視圖，該視圖提供了虛擬機器人驅動程序可視化編程環(huán)境?！傲鞒虉D編輯”視圖軟件界面如下： 流程圖編輯界面流程圖編程提供了以下幾類可視化模塊： 可視化模塊然后根據(jù)前面討論的機器人需求，編輯流程圖，結果如圖： 流程圖主程序開始，進入永遠循環(huán)，然后檢測碰撞，如果發(fā)現(xiàn)碰撞則停止電機，如果沒有碰撞，則轉入循線程序。其中循線為子程序，該流程圖如圖： 子程序流程圖首先通過機器人前部的兩個地面灰度值傳感器檢測地面的灰度值，將反饋的數(shù)量進行分析。首先判斷傳感器1反饋的數(shù)據(jù)，再判斷傳感器2反饋的數(shù)據(jù)。如果傳感器1的數(shù)據(jù)滿足要求，而傳感器2的數(shù)據(jù)也滿足要求，則啟動電機，進行直線運動；如果傳感器