【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 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(duì)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(jì)算機(jī)控制下的可編程的自動(dòng)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(dòng)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(dòng)型本體結(jié)構(gòu)，主要目的是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能，主要有輪式、履帶式、足腿式結(jié)構(gòu)以及蛇行、蠕動(dòng)、變形運(yùn)動(dòng)等機(jī)構(gòu)。壁面爬行、水下推動(dòng)等機(jī)構(gòu)也可歸于這一類。 2. 驅(qū)動(dòng)伺服單元機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)作是依靠關(guān)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，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(dòng)單元驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)并帶動(dòng)負(fù)載超減少偏差的方向動(dòng)作。已被廣泛應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)方式有，液壓伺服驅(qū)動(dòng)、電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)，近年來氣動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)也有一定進(jìn)展。3. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)的指令值由主計(jì)算機(jī)計(jì)算后，在各采樣周期給出。主計(jì)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(dòng)學(xué)逆運(yùn)算把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)節(jié)的指令值。3通常的機(jī)器人采用主計(jì)算機(jī)與關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)伺服計(jì)算機(jī)兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制，有時(shí)為了實(shí)現(xiàn)智能控制，還需對(duì)包括視覺等各種傳感器信號(hào)進(jìn)行采集、處理并進(jìn)行模式識(shí)別、問題求解、任務(wù)規(guī)劃、判斷決策等，這時(shí)空間的示教點(diǎn)將由另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上級(jí)計(jì)算機(jī)根據(jù)傳感信號(hào)產(chǎn)生，形成三級(jí)計(jì)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(dòng)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(hào)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(shí)實(shí)控制。一般還有一個(gè)以上的串行通訊接口，以完成磁盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、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(shí)別技術(shù)以及多媒體系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。 移動(dòng)機(jī)器人概述移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)的一個(gè)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(dòng)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(shí)，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(dòng)問題，設(shè)計(jì)并研制出了多足機(jī)器人。70年代末，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)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(jì)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(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，這些移動(dòng)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(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而促進(jìn)了移動(dòng)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(dòng)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，高科技學(xué)科，涉及到機(jī)械、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、人工智能、力學(xué)等廣泛科學(xué)領(lǐng)域中的許。如美國國防高級(jí)研究計(jì)劃局的“戰(zhàn)略計(jì)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(jì)劃、歐洲共同體的“尤里卡”計(jì)劃，以及我國的“863”高科技計(jì)劃中，都把有害環(huán)境如核工廠和戰(zhàn)場(chǎng)使用的移動(dòng)機(jī)器人作為重要的研究?jī)?nèi)容。而以自主移動(dòng)機(jī)器人為對(duì)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(jí)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]4 移動(dòng)機(jī)器人分類移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)重要分支，早期的移動(dòng)機(jī)器人無論是控制方法或智能水平都較低，只能做出一些簡(jiǎn)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(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人領(lǐng)域的研究取得了長(zhǎng)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(jiǎn)單向復(fù)雜過渡。其中自主式移動(dòng)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(xiǎn)、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(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人在柔性自動(dòng)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(dòng)化程度的提高，對(duì)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(dòng)機(jī)器人成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱門方向。對(duì)于移動(dòng)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(dòng)機(jī)器人分為不同的種類:(一) 按自主水平來分:遙控式移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行動(dòng)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(dòng)機(jī)器人智能水平介于遙控和自主式移動(dòng)機(jī)器人之間，具備一定的感知、判斷和決策功能，但對(duì)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(dòng)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(shí)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(shí)調(diào)整移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行路徑并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作和操作。整個(gè)過程不需人為參與，由機(jī)器人自主進(jìn)行。(二)按移動(dòng)方式來分:輪式移動(dòng)機(jī)器人:輪式機(jī)器人動(dòng)作穩(wěn)定，操縱簡(jiǎn)單，其移動(dòng)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(dòng)機(jī)器人:履帶式移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐面積大，接地比壓小，適合松軟或泥濘場(chǎng)地作業(yè)，下陷度小，滾動(dòng)阻力小，對(duì)路況具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，同時(shí)具有較強(qiáng)的爬坡能力和負(fù)載能力。多足移動(dòng)機(jī)器人:足式移動(dòng)對(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，足式移動(dòng)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(dòng)方式具有主動(dòng)隔振能力，允許機(jī)身運(yùn)動(dòng)軌跡和足運(yùn)動(dòng)軌跡解禍，足式步行機(jī)器人的研究已成為機(jī)器人學(xué)中一個(gè)引人注目的研究領(lǐng)域。5 特種移動(dòng)機(jī)器人:根據(jù)具體的應(yīng)用目的，還有其他種類的移動(dòng)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(dòng)機(jī)器人等，這些機(jī)器人是根據(jù)某種特殊目的設(shè)計(jì)的機(jī)器人。(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(dòng)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(duì)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(gè)個(gè)難題。 [4]多足機(jī)器人六足仿生機(jī)器人的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)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(xiǎn)勘測(cè)、反恐防爆、軍事偵察等人類無法完成的或危險(xiǎn)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(dòng)更加靈活,對(duì)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(duì)多足機(jī)器人的遠(yuǎn)動(dòng)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(dòng)步態(tài)和控制。最后在Lee設(shè)計(jì)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(gè)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(shí)，在國內(nèi)，中科院沈陽自動(dòng)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。6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(jì)的仿生機(jī)器人，機(jī)器人的整個(gè)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(zhǎng)*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(gè)領(lǐng)域里面，圖12為MIT的仿生機(jī)器人，這個(gè)名為Gengh的機(jī)器人是MIT于1989年設(shè)計(jì)并制作的，主要用于火星的不規(guī)則地面的探測(cè)。圖12Gengh機(jī)器人同樣，在國內(nèi)也漸漸出現(xiàn)了一批設(shè)計(jì)和生產(chǎn)仿生機(jī)器人公司和個(gè)人，圖13是德普施科技有限公司的DRROB系列高級(jí)機(jī)器人產(chǎn)品 [5]。該機(jī)器人以1個(gè)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(gè)直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)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。7圖13 DRROB系列高級(jí)機(jī)器人 本設(shè)計(jì)的主要工作機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)跨學(xué)科的綜合系統(tǒng)，涉及很多學(xué)科的知識(shí)。本文對(duì)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(dòng)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(jì)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(dòng)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(jì)和實(shí)現(xiàn)不同步態(tài)的控制策略。對(duì)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(cè)試，驗(yàn)證整體設(shè)計(jì)方案的正確性和可靠性.論文主要內(nèi)容有:以自行設(shè)計(jì)的六足仿生機(jī)器人為研究對(duì)象，分析其機(jī)械結(jié)構(gòu)，按照“六足綱”昆蟲的運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)的協(xié)調(diào)性、準(zhǔn)確性的控制要求，設(shè)計(jì)六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)，確定對(duì)機(jī)器人腿部十二個(gè)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(jì)和軟件設(shè)計(jì)。 本章小結(jié)本章主要是對(duì)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(jì)的設(shè)計(jì)背景，為后續(xù)的設(shè)計(jì)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(jì)“六足綱”昆蟲(蟑螂,螞蟻等等) 在平坦無阻的地面上快速行進(jìn)時(shí),多以交替的三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)[1],即在步行時(shí)把六條足分為兩組,以身體一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足作為一組,形成一個(gè)穩(wěn)定的三角架支撐蟲體,因此在同一時(shí)間內(nèi)只有一組的三條足起行走作用:前足用爪固定物體后拉動(dòng)蟲體前進(jìn),中足用以支撐并舉起所屬一側(cè)的身體,后足則推動(dòng)蟲體前進(jìn),同時(shí)使蟲體轉(zhuǎn)向,行走時(shí)蟲體向前并稍向外轉(zhuǎn),三條足同時(shí)行動(dòng),然后再與另一組的三條足交替進(jìn)行,兩組足如此交替地?cái)[動(dòng)和支撐,從而實(shí)現(xiàn)昆蟲的快速運(yùn)動(dòng) ，我們將這種步態(tài)定義為“三角步態(tài)” [6]?！傲憔V”昆蟲的運(yùn)動(dòng)原理 步態(tài)的參數(shù)描述“六足綱”昆蟲體的腿可以看作兩狀態(tài)器件:腿的懸空相和腿的支撐相。腿的懸空相(Transfer phase)指腿抬離地面的階段，懸空相狀態(tài)記為“1”。腿的支撐相(support phase)指腿支撐在地并推動(dòng)機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)的階段，支撐相的狀態(tài)記為“0”。運(yùn)動(dòng)周期T指周期步態(tài)中某一腿運(yùn)動(dòng)一個(gè)完整循環(huán)所需要的時(shí)間。周期步態(tài)指各腿的運(yùn)動(dòng)周期相同，且任一腿的運(yùn)動(dòng)周期不隨時(shí)間而變化.“六足綱”昆蟲在運(yùn)動(dòng)過程中，可以以不同的周期 (dutyf actor)指腿i支撐在地面上的時(shí)間占整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的比例: 以下有荷因數(shù)用Q表示，Q=腿i的支撐相時(shí)間/腿i的周期；Qi=腿i的支撐時(shí)間/腿i的周期若Qi=0,i=1,2，…，2k(2k為總足數(shù))，則步態(tài)稱為規(guī)則步態(tài)(regular)腿i的相對(duì)相位，9指第i足的觸地時(shí)刻相對(duì)于第一足的延時(shí)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中的比例Si=(tit1) /T 0≤Si≤l。步距 ( stride length)，指一個(gè)完整的腿循環(huán)中機(jī)體重心移動(dòng)的位置。腿行程 (leg stroke)，指支撐相時(shí)足端相對(duì)于機(jī)體移動(dòng)的距離。腿節(jié)距 (leg pitch)，指橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)體同一端上相鄰?fù)冗\(yùn)動(dòng)主平面之間的距離。行程節(jié)距(stroke pitch)，指縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)，體同一端上相鄰?fù)刃谐讨悬c(diǎn)的間距。行間距，指橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)體前后足對(duì)行程中點(diǎn)的間距。推程時(shí)間tp，指腿在支撐相的持續(xù)時(shí)間?；爻虝r(shí)間tr，指腿在懸空相的持續(xù)時(shí)間。平均速度 ，指機(jī)體的平均運(yùn)動(dòng)速度。由此可以導(dǎo)出行程R、步距a和有荷因數(shù)Q之間的關(guān)系式是R=a*器人，由于要求Q1/2，所以tr≤tp ，即平均速度上限取決于tr。行走系統(tǒng)采用波形步態(tài)時(shí)，度范圍內(nèi)都采用波形步態(tài). 三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)原理 “六足綱”昆蟲的三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)原理機(jī)體運(yùn)動(dòng)根據(jù)有荷因數(shù)(dutyf actor)的大小可分為3種情況:(1 )Q = 1 /2 : 在三擺動(dòng)腿著地的同時(shí)，另外三支撐腿立即抬起，即任意時(shí)刻同時(shí)具有支撐相和擺動(dòng)相。(2 )Q 1 / 2: 機(jī)體移動(dòng)較慢時(shí)，擺動(dòng)相與支撐相有一短暫的重疊過程，即機(jī)體有六條腿同時(shí)著地的狀態(tài)。(3 )Q 1/ 2: 機(jī)體移