【正文】 逐中的速度對比發(fā)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)器提速的效果。 通過傳感器對地面灰點(diǎn)的感應(yīng)，傳回數(shù)據(jù)，根據(jù)需要自動轉(zhuǎn)向行動的控制方法。 關(guān)鍵詞 機(jī)器人，競走速度，傳感器，機(jī)器人控制 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） ABSTRACT II ABSTRACT The robot is as an important symbol of the modern new and high technology and development result, has been widely applied in various fields of national production, and is to the human the traditional production pattern brings revolutionary change, affect all aspects of people39。自從本世紀(jì) 50年代美國人發(fā)明第一臺工業(yè)機(jī)器人以來，機(jī)器人的發(fā)展已近半個世紀(jì)了。當(dāng)下，國際上工業(yè)機(jī)器人已是成熟的產(chǎn)業(yè)。我國著名的機(jī)器人專家蔣新松給出的定義就相對簡潔：“機(jī)器人是一種具有擬人功能的機(jī)械電子裝置”。 正常人所能完成的基本動作一步行走，其實(shí)是一種非常復(fù)雜的運(yùn)動，它需要對人全身的骨骼和肌肉進(jìn)行復(fù)雜而巧妙的協(xié)調(diào)，而人的骨骼系統(tǒng)是由 206塊骨頭組成，肌肉系統(tǒng)則包括 327對肌肉，這是一個相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)，但在大腦的指揮下，人不但能完成步行，而且還能輕而易的舉完成其他 高難度的動作。 世界著名機(jī)器人專家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說過：“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能。 雙足機(jī)器人不僅具有廣闊的工作空間，而且對步行的環(huán)境要求很低，能適應(yīng)各種各樣地面且具有較高的逾越障礙的能力，其步行的性能是其它步行結(jié)構(gòu)無法比擬的。 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 緒論 2 雙足步行機(jī)器人的意義 運(yùn)動方式的優(yōu)越性 移動機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中非?；钴S的領(lǐng)域，移動方式有輪式、履帶式、步行等方式 [2]。足式運(yùn)動系統(tǒng)卻可以通過松軟地面 (如沼澤、沙漠等 )以及跨越較大的障礙 (如溝、坎等 )。這就給人們一種啟示，即足式運(yùn)動方式具有其它地面推進(jìn)方式所不具備的獨(dú)特優(yōu)越性能。實(shí)驗(yàn)和觀察研究表明，在崎嶇不平的堅(jiān)硬地面上行駛 (行走 )的平均速度，履帶車輛為8~16 公里／小時；輪式車輛為 5～ 8 公里／ d,時；而足式運(yùn)動的奔跑速度最高可達(dá) 56 公里／小時。由此可以看出步行是大多數(shù)高等動物共同采用的移動方式，對環(huán)境具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，既可以進(jìn)入相對狹窄的空間，也可以跨越障礙、上下臺階、上下斜坡、甚至在不平整地面上運(yùn)動，與其它各種移動方式相比，具有更廣闊的應(yīng)用前景。與其它足式機(jī)器人相比，雙足機(jī)器人具有更高的靈活性和獨(dú)特的優(yōu)勢，主要特點(diǎn)如下 [3]： ① 雙足機(jī)器人對步行環(huán)境 要求很低，能適應(yīng)各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，不僅能夠在平面行走，而且能夠方便的上下臺階及通過不平整、不規(guī)則或較窄的路面，它的移動“盲區(qū)”很小。 ③雙足行走是生物界難度最高的步行動作，但其步行性能卻是其它步行結(jié)構(gòu)所無法比擬的。雙足機(jī)器人能在人類的生活和工作環(huán)境中與人類協(xié)同工作，而 不需要專門為其對環(huán)境進(jìn)行大規(guī)模改造。從長遠(yuǎn)來看，雙足機(jī)器人在無人工廠、核電站、海底開發(fā)、宇宙探索、康復(fù)醫(yī)學(xué)以及教育、藝術(shù)和大眾服務(wù)行業(yè)等領(lǐng)域都有著潛在而廣闊的應(yīng)用前景。因此，是集機(jī)構(gòu)學(xué)、機(jī)械設(shè)計、傳感技術(shù)、控制理論與技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)為一體的綜合性技術(shù)。它是智能機(jī)器人理論和技術(shù)的集中體現(xiàn)，能夠帶動許多相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的交叉發(fā)展和進(jìn)步。 生物科學(xué)、仿生工程學(xué)的研究需要 研究開發(fā)雙足步行機(jī)器人的另一重要意義是為了更好的了解人類和其 他動物的行走機(jī)理，并為下肢癱瘓者提供較理想的假肢。探討動物運(yùn)動控制機(jī)理的一種方法是研究步行機(jī)器人。通過研究步行機(jī)器人，我們能夠更好地分析這些問題，得到真正的答案。一旦對動物行走機(jī)理有了正確的理解，可以反過來更有效地指導(dǎo)步行機(jī)器人的研究和開發(fā)。 雙足機(jī) 器人的應(yīng)用場所 雙足步行機(jī)器人能在與人類的生活和工作環(huán)境中與人類協(xié)同工作，而不需要專門為其對環(huán)境進(jìn)行大規(guī)模改造。利用人工假腿、腿椅或步行座椅盡可能使殘疾人恢復(fù)正常行走功能 (平地行走、坡地行走、跨越溝坎、爬越階梯 )，減少對他人的依賴。 ③ 在教育、藝術(shù)和大眾服務(wù)行業(yè)等領(lǐng)域都有著潛在而廣闊的應(yīng)用前景。 機(jī)器人技術(shù)研究熱點(diǎn) 機(jī)器人技術(shù)雖然已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，但是在很多方面還是有待完善。 機(jī)器人控制技術(shù) —— 目前重點(diǎn)研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)，努力使人機(jī)界面更加友好，使機(jī)器人操作系統(tǒng)具有良好的語言及圖形編輯界面，同時機(jī)器人的控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化以及基于 PC 機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器也成為研究熱點(diǎn)。同時利用現(xiàn)場總線（ FILDBUS）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)分布式控制。 機(jī)器人應(yīng)用技術(shù) —— 機(jī)器人應(yīng)用技術(shù)主要包括機(jī)器人工作環(huán)境的優(yōu)化設(shè)計和智能作業(yè)。目前用于實(shí)踐的機(jī)器人作 業(yè)主要靠人的參與實(shí)現(xiàn)示教，缺乏自我學(xué)習(xí)和自我完善的能力。 機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)化技術(shù) —— 網(wǎng)絡(luò)化使機(jī)器人由獨(dú)立的系統(tǒng)向群體系統(tǒng)發(fā)展，使遠(yuǎn)距離操作監(jiān)控、維護(hù)及遙控腦型工廠成為可能，這是機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的一個里程碑。 機(jī)器人靈巧化和智能化發(fā)展 —— 機(jī)器人結(jié)構(gòu)越來越靈巧，控制系統(tǒng)愈來愈小，其智能也越來越高，并正朝著一體化方向發(fā)展。該機(jī)器人只有踝和靛兩個關(guān)節(jié)，操縱者靠力反饋感覺來保持機(jī)器人平衡。雙足機(jī)器人的攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 緒論 5 研制成功，促進(jìn)了康復(fù)機(jī)器人的研制。這款機(jī)器人在平地上走得很好，步速達(dá) 0． 23 米／秒。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。這種設(shè)計的最大挑戰(zhàn)是要讓機(jī)器人在布滿家具的房間中來去自如，而且還要能上下樓梯。 ASIMO 高 120 厘米，體重鈣千克，使用個人電腦或便攜式控制器操作步行方向和關(guān)節(jié)及手的動作。應(yīng)用該技術(shù)， ASIMO 能夠改變它的行走坡度，并通過平滑地改變調(diào)節(jié)步幅來改變行走的快慢。通過改善數(shù)據(jù)處理速度和軟件，早期的 ASIMO 已經(jīng)做 到無需預(yù)編程就能夠上下樓梯。這使 ASIMO 的功能更加完善。它還能夠通過內(nèi)置無線 LAN 模塊訪問企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)或因特網(wǎng)，為用戶找出所需要的信息。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。 SDR4X可以實(shí)現(xiàn)如下 7 種動作：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)過程中左右轉(zhuǎn)身；單腿站立 (在斜面上也可作這個動作 )；在凹凸不平的路面上行走；踢球；舞蹈。這款機(jī)器人可以白行充電，幾乎達(dá)到了投產(chǎn)水平。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。目攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（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。而美國在機(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。比如：美國最近研制成功的 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)_擊時也能保持很好的系統(tǒng)穩(wěn)定性。 國內(nèi)雙足機(jī)器人研究狀況 國內(nèi)雙足機(jī)器人的研制工作起步較晚。 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)完成了三個型號的研制工作。 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 個自由度。在 1989 年研制成功了一臺雙足行走機(jī)器人，這臺機(jī)器人具有 10 個自由度，能完成靜態(tài)步行和動態(tài)步行。值得一提的是，北京理工大學(xué)研制成功我國首例擬人機(jī)器人BRH． 01，該機(jī)器人身高 1． 58 米，體重 76 公斤，具有 32 個自由度，每小時能夠行走 l 公里，步幅 O． 33 米。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)志著我國雙足機(jī)器人研究已經(jīng)跨入世界先進(jìn)行列。隨著我國門戶 的逐漸開放，國內(nèi)的機(jī)器人產(chǎn)業(yè)將面對越來越大的競爭與沖擊，因此，掌握國內(nèi)機(jī)器人市場的實(shí)際情況，把握我國機(jī)器人 與智能裝備 研究的相關(guān)進(jìn)展，顯得十分重要。在國內(nèi)，機(jī)器人產(chǎn)業(yè)剛剛起步，但增長的勢頭非常強(qiáng)勁，我國機(jī)器人經(jīng)過 20 多年的發(fā)展已在產(chǎn)業(yè)化的道路上邁開了步伐。 雙足步行機(jī)器人研究的發(fā)展趨勢 概括起來，雙足步行機(jī)器人的發(fā)展趨勢包括如下十個方面：能動態(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；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 (安裝一個或多個機(jī)械手 )。其他國家，尤其是歐洲的一些國家，步行機(jī)器人的研究水平也很高。 雙足步行機(jī)器人理論研究狀況 最 早系統(tǒng)地研究人類和動物運(yùn)動原理的是 Muybridge[18]，他發(fā)明了電影用的獨(dú)特攝像機(jī)，即一組電動式觸發(fā)照相機(jī)，并在 1877 年成功地拍攝了許多四足動物步行和奔跑的連續(xù)照片。 1960 年，蘇聯(lián)學(xué)者頓斯科依 [20]表了著作“運(yùn)動生物學(xué)”，從生物力學(xué)的角度，對人體運(yùn)動學(xué)、動力學(xué)、能量特征和力學(xué)特征進(jìn)行了一個詳細(xì)的描述。在 60 年代和 70 年代，對步行機(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。有限狀態(tài)控制是由南斯拉夫的 Tomovic[21]在 1961 年提出來的，模型參考控制是由美國的 Farnsworth[22][23]在 1975 年提出來的，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 年間提出來的。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。他在整個 70 年代就雙足步行機(jī)器人的理論研究和假肢的設(shè)計發(fā)表了很多有影響的論文。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]。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]”。其中，自由步態(tài)是相對于規(guī)則步態(tài)而言的。在雙足步行機(jī)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(jìn)運(yùn)動解釋為使振子直立移動的問題 [28]。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。 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]。但最后，他們僅是以局部耗能最少為基礎(chǔ)得出了一個優(yōu)化 結(jié)果。 Vukobratovie 得出了一個有用的結(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。 1990 年，美國 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)器人動態(tài)步行的觀點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了雙足機(jī)器人的動態(tài)學(xué)習(xí)。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。所以研究如何提高機(jī)器人的行走速度對于機(jī)器人學(xué)的發(fā)展和進(jìn)步具有重大的意義。本文也旨在這些方面能略盡微薄之力，為以后的相關(guān)研究提供一些咨詢和參考。也能到達(dá)本文探討的效果。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(jī)器人，并能通過流程圖或 C 代碼給設(shè)計的機(jī)器人編寫控制程序，在仿真環(huán)境中觀察機(jī)器人運(yùn)行，給用戶親臨其境的感覺。 單機(jī)版只能在單個計算機(jī)上進(jìn)行仿真。 客戶端除了能在單臺計算機(jī)上仿真，還能將設(shè)計好的場地和機(jī)器人上傳到服務(wù)器上與其它機(jī)器人進(jìn)行比賽，同時能在本地觀看服務(wù)器上比賽實(shí)況。 圖 ASVROBOT能力風(fēng)暴虛擬機(jī)器人仿真系統(tǒng) 攀枝花學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 能力暴風(fēng)機(jī)器人開發(fā)環(huán)境的簡介 11 主要功能 1) 可以采用 VJC流程圖編程，操作簡單，零起步學(xué)習(xí)軟件編程。 3) 3D仿真環(huán)境，仿真比賽身臨其境。 5) 提供有豐富的場地對象，比賽場地快速搭建。 7) 場地對象自由拖放、旋轉(zhuǎn)及修改。 9) 執(zhí)行機(jī)構(gòu)和傳感器類型、數(shù)量、方位、參數(shù)任意設(shè)定，可自由設(shè)計自己的機(jī)器人。 11) 自定義規(guī)則，規(guī)則能任意增加、修改。 13) 自由設(shè)計比賽項(xiàng)目。 15) 支持網(wǎng)絡(luò)功能，用戶通過網(wǎng)絡(luò)將機(jī)器人上載到服務(wù)器上同場競技 (網(wǎng)絡(luò)版 )。 17) 支持版本更新提示和在線升級功能 。