【文章內(nèi)容簡介】 人的定義和基本組成 機器人的定義由于研究的側(cè)重點不同，對于機器人的定義，國際上目前尚未有明確的統(tǒng)一標準。通常情況下，可將機器人理解為：機器人是一種在計算機控制下的可編程的自動機器，根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)需要，它具有至少一項或多項擬人功能，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)境中代替人進行作業(yè)。 機器人的基本組成：1. 機械本體機器人的機械本體機構(gòu)基本上分為兩大類：一類是操作本體機構(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行各種抓取動作和操作作業(yè)，工業(yè)機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、變形運動等機構(gòu)。壁面爬行、水下推動等機構(gòu)也可歸于這一類。 2. 驅(qū)動伺服單元機器人本體機械結(jié)構(gòu)的動作是依靠關(guān)節(jié)機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動，而大多數(shù)機器人是基于閉環(huán)控制原理進行的。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、電機伺服驅(qū)動，近年來氣動伺服驅(qū)動技術(shù)也有一定進展。3. 計算機控制系統(tǒng)各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動的指令值由主計算機計算后，在各采樣周期給出。主計算機根據(jù)示教點參考坐標的空間位置、方位及速度，通過運動學(xué)逆運算把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)節(jié)的指令值。3通常的機器人采用主計算機與關(guān)節(jié)驅(qū)動伺服計算機兩級計算機控制，有時為了實現(xiàn)智能控制，還需對包括視覺等各種傳感器信號進行采集、處理并進行模式識別、問題求解、任務(wù)規(guī)劃、判斷決策等，這時空間的示教點將由另一臺計算機上級計算機根據(jù)傳感信號產(chǎn)生，形成三級計算機系統(tǒng)。4. 傳感系統(tǒng)為了是機器人正常工作，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)操作進行聯(lián)系與應(yīng)答，還應(yīng)有各種通訊接口和人機通信裝置。工業(yè)機器人提供一內(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、遠程控制及離線編程、雙機器人協(xié)調(diào)等工作。一些新型機器人還包括語音合成和識別技術(shù)以及多媒體系統(tǒng)，實現(xiàn)人機對話。 移動機器人概述移動機器人是機器人學(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器人也研制成功，從而開始了機器人步行機構(gòu)方面的研究，以解決機器人在不平整地域的運動問題，設(shè)計并研制出了多足機器人。70年代末，隨著計算機的應(yīng)用和傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動機器人研究又出現(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器人平臺，這些移動機器人主要作為大學(xué)實驗室及研究機構(gòu)的移動機器人實驗平臺，從而促進了移動機器人學(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)性的移動機器人控制技術(shù)，真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標志，高科技學(xué)科，涉及到機械、計算機、自動控制、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)場使用的移動機器人作為重要的研究內(nèi)容。而以自主移動機器人為對象或應(yīng)用領(lǐng)域的，基于自適應(yīng)、學(xué)習、進化機理，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 移動機器人分類移動機器人是機器人的一個重要分支，早期的移動機器人無論是控制方法或智能水平都較低，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，特別是計算機技術(shù)的發(fā)展，機器人領(lǐng)域的研究取得了長足的進步，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。當前 ，由于生產(chǎn)自動化程度的提高，對機器人提出了各種各樣的需求，要求能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能，其中移動機器人成為機器人研究領(lǐng)域的熱門方向。對于移動機器人來說，它有多種不同的分類方法，按不同的分類方法可將移動機器人分為不同的種類:(一) 按自主水平來分:遙控式移動機器人移動機器人的執(zhí)行動作和運行軌跡完全由人通過遙控來控制，機器人不進行任何判斷和決策，只是執(zhí)行人發(fā)出的命令。不具備任何自主性。半自主式移動機器人智能水平介于遙控和自主式移動機器人之間，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)境信息進行路徑規(guī)劃，同時在行進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)整移動機器人的運行路徑并執(zhí)行相應(yīng)的動作和操作。整個過程不需人為參與，由機器人自主進行。(二)按移動方式來分:輪式移動機器人:輪式機器人動作穩(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. 履帶式移動機器人:履帶式移動機器人的移動機構(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，對路況具有較強的適應(yīng)性，同時具有較強的爬坡能力和負載能力。多足移動機器人: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是離散的，可以在可能到達的地面上選擇最優(yōu)支撐點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。足式移動方式具有主動隔振能力，允許機身運動軌跡和足運動軌跡解禍，足式步行機器人的研究已成為機器人學(xué)中一個引人注目的研究領(lǐng)域。5 特種移動機器人:根據(jù)具體的應(yīng)用目的，還有其他種類的移動機器人，如墻壁清洗機器人、爬纜索機器人以及管內(nèi)移動機器人等，這些機器人是根據(jù)某種特殊目的設(shè)計的機器人。(三)按控制體系結(jié)構(gòu)來分:功能式(水平式)結(jié)構(gòu)機器人。行為式(垂直式)結(jié)構(gòu)機器人。3. 混合式機器人。(四)按功能和用途來分:醫(yī)療機器人，軍用機器人，助殘機器人，清潔機器人等。(五) 按作業(yè)空間來分:陸地移動機器人，水下機器人，無人飛機和空間機器人等。 多足機器人的發(fā)展現(xiàn)狀早在上世紀80年代，美國的著名機器人學(xué)家McGhee開始著手研發(fā)四足仿生機器人以來，多足仿生機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器人的模型和樣機，并一步步攻關(guān)一個個難題。 [4]多足機器人六足仿生機器人的一個最大的優(yōu)點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,并且機器人的足所具有的大量自由度可以使機器人的運動更加靈活,對凹凸不平的地形的適應(yīng)能力更強。于是以McGhee等人為代表的對多足機器人的遠動步態(tài)進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器人的運動步態(tài)和控制。最后在Lee設(shè)計了具有獨特獨特結(jié)構(gòu)的SERO六足仿生機器人，它把整個機器人的步態(tài)進行了規(guī)劃，實現(xiàn)了機器人的前進、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器人的研究，并取得了較大的成果。6圖11Fred Delyn六足仿生機器人圖11是模仿美國的一種叫Perip laa Americana的蟑螂而設(shè)計的仿生機器人，機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機器人Fred Delyn的參數(shù)參數(shù)機器人名稱國別尺寸（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隨著機器人技術(shù)的不斷完善，多足機器人也別運用到各個領(lǐng)域里面，圖12為MIT的仿生機器人，這個名為Gengh的機器人是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系列高級機器人產(chǎn)品 [5]。該機器人以1個曲柄搖桿機構(gòu)和連桿機構(gòu)作為腿部和六足，以12個直流伺服電機作為驅(qū)動元件。利用德普施科技有限公司的六足機器人包搭接出的六足機器人如圖13所示。7圖13 DRROB系列高級機器人 本設(shè)計的主要工作機器人系統(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)有的機器人分析機械結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，進行該機器人運動步態(tài)的研究，分析其步態(tài)穩(wěn)定性，給出不同步態(tài)下的機器人落足點的位置矢量表達式，按照計算機控制系統(tǒng)的特點，根據(jù)六足步行機器人的機械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運動的協(xié)調(diào)性、準確性的控制要求，確定六足仿生機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)不同步態(tài)的控制策略。對六足仿生機器人控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件流程給出詳細介紹，并進行相關(guān)測試，驗證整體設(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)計的六足仿生機器人為研究對象，分析其機械結(jié)構(gòu)，按照“六足綱”昆蟲的運動原理，進行步態(tài)分析，確定機器人的步態(tài)規(guī)劃。分析適合機器人行走的運動步態(tài)形式，規(guī)劃典型直線行走步態(tài)和定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)，確定步態(tài)規(guī)劃中每種狀態(tài)的機器人足端位置矢量，進行機器人穩(wěn)定性分析，根據(jù)六足步行機器人的機械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運動的協(xié)調(diào)性、準確性的控制要求，設(shè)計六足仿生機器人控制系統(tǒng)，確定對機器人腿部十二個舵機的控制方案，使機器人根據(jù)目的地的方位，實現(xiàn)不同步態(tài)的控制策略。完成六足仿生機器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。 本章小結(jié)本章主要是對機器人有一各概況，著重介紹了機器人的發(fā)展及國內(nèi)外的一些機器人的發(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 六足仿生機器人的結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計“六足綱”昆蟲(蟑螂,螞蟻等等) 在平坦無阻的地面上快速行進時,多以交替的三角步態(tài)運動[1],即在步行時把六條足分為兩組,以身體一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足作為一組,形成一個穩(wěn)定的三角架支撐蟲體,因此在同一時間內(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蟲體前進,中足用以支撐并舉起所屬一側(cè)的身體,后足則推動蟲體前進,同時使蟲體轉(zhuǎn)向,行走時蟲體向前并稍向外轉(zhuǎn),三條足同時行動,然后再與另一組的三條足交替進行,兩組足如此交替地擺動和支撐,從而實現(xiàn)昆蟲的快速運動 ，我們將這種步態(tài)定義為“三角步態(tài)” [6]?！傲憔V”昆蟲的運動原理 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機體向前運動的階段，支撐相的狀態(tài)記為“0”。運動周期T指周期步態(tài)中某一腿運動一個完整循環(huán)所需要的時間。周期步態(tài)指各腿的運動周期相同，且任一腿的運動周期不隨時間而變化.“六足綱”昆蟲在運動過程中，可以以不同的周期 (dutyf actor)指腿i支撐在地面上的時間占整個運動周期的比例: 以下有荷因數(shù)用Q表示，Q=腿i的支撐相時間/腿i的周期；Qi=腿i的支撐時間/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的相對相位，9指第i足的觸地時刻相對于第一足的延時在一個運動周期中的比例Si=(tit1) /T 0≤Si≤l。步距 ( stride length)，指一個完整的腿循環(huán)中機體重心移動的位置。腿行程 (leg stroke)，指支撐相時足端相對于機體移動的距離。腿節(jié)距 (leg pitch)，指橫向運動時，機體同一端上相鄰?fù)冗\動主平面之間的距離。行程節(jié)距(stroke pitch)，指縱向運動時，體同一端上相鄰?fù)刃谐讨悬c的間距。行間距，指橫向運動時，機體前后足對行程中點的間距。推程時間tp，指腿在支撐相的持續(xù)時間?；爻虝r間tr，指腿在懸空相的持續(xù)時間。平均速度 ，指機體的平均運動速度。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，度范圍內(nèi)都采用波形步態(tài). 三角步態(tài)運動原理 “六足綱”昆蟲的三角步態(tài)運動原理機體運動根據(jù)有荷因數(shù)(dutyf actor)的大小可分為3種情況:(1 )Q = 1 /2 : 在三擺動腿著地的同時，另外三支撐腿立即抬起，即任意時刻同時具有支撐相和擺動相。(2 )Q 1 / 2: 機體移動較慢時，擺動相與支撐相有一短暫的重疊過程，即機體有六條腿同時著地的狀態(tài)。(3 )Q 1/ 2: 機體移