提高机器人竞走速度的研究毕业设计论文(编辑修改稿)

提高机器人竞走速度的研究毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

1 绪论 5 研制成功，促进了康复机器人的研制。 随后，牛津大学的 Witt 等人也制造了一个双足步行机器人，当时他们的主要目的是为瘫痪者和下肢残疾者设计使用的辅助行走装置。 这款机器人在平地上走得很好，步速达 0． 23 米／秒。 日本加藤一郎教授于 1986 年研制出 wL 一 12 型双足机器人 [9]，该机器人通过躯体运动来补偿下肢的任意运动，在躯体的平衡作用下，实现了步行周期 1． 3 秒，步幅 30厘米的平地动态步行。 日本本田公司 [10]从 1986 年至今已经推出了 P 系列 1， 2，3 型机器人。 本田公司的计划着重设计一般家用的机器人，而非针对特殊任务。 这种设计的最大挑战是要让机器人在布满家具的房间中来去自如，而且还要能上下楼梯。 本田的研究工作，尤其是“ P3”和“ ASIMO”的推出，将拟人机器人的研制工作推上了一个新的台阶，使拟人机器人的研制和生产正式走向实用化、工程化和市 场化。 ASIMO 高 120 厘米，体重钙千克，使用个人电脑或便携式控制器操作步行方向和关节及手的动作。 双脚步行方面，采用了新开发的技术IWALK[11](Intelligent Realtime FlexibleWandng)智能实时柔性行走技术，其预测移动控制功能使机器人能够实时预测下一步运动，并按照预测来移动重心。 应用该技术， ASIMO 能够改变它的行走坡度，并通过平滑地改变调节步幅来改变行走的快慢。 Hirose 介绍说，只有 ASIMO 拥有这种动态行走能力。 通过改善数据处理速度和软件，早期的 ASIMO 已经做 到无需预编程就能够上下楼梯。 2020年 1 月本田又推出了新款的 ASIMO，它增加了两个功能：一是识别人的状况动作、姿势、面容、声音；另一种是网络接入功能。 这使 ASIMO 的功能更加完善。 例如，它能够根据用户手指所指的地方，推断出应该去的地方并自己走到那儿。 它还能够通过内置无线 LAN 模块访问企业内部网或因特网，为用户找出所需要的信息。 目前大约有 20 部 ASIMO 可以出租，其中大约 8 部正在博物馆和其它公司用作向导机器人和接待员。 索尼公司的第二代机器人 SDR_4X[12]展示了更为复杂的行走控制和更为丰富的通讯功能。 SDR． 4X 的集成实时自适应运动控制系统使它能够在不规则的地形和斜坡上行走，即使受到外部压力也能够保持行走姿态。 SDR4X可以实现如下 7 种动作：最高速度为 15 米／分钟的前进／后退／左右横行；由伏卧／仰卧状态起立；在前进过程中左右转身；单腿站立 (在斜面上也可作这个动作 )；在凹凸不平的路面上行走；踢球；舞蹈。 最近，索尼公司又推出了改进版的 SDR4XIl[13]，它身高 50 厘米，重量为 5 千克。 这款机器人可以白行充电，几乎达到了投产水平。 法国 Poitiers 大学力学实验室和国立信息与自动化研究所 INRIA 机构共同 开发了一种具有 15 个自由度的双足步行机器人 BIP2020[14]，其目的是建立一整套具有适应未知条件行走的双足机器人系统。 它们采用分层递解控制结构，使双足机器人实现站立、行走、爬坡和上下楼梯等。 美国和日本多年来引领国际机器人的发展方向，代表着国际上机器人领域的最高科技水平。 目攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论 6 前，日本除了比较关注特种机器人和服务机器人以外，还注重中间件的研制。 然而，近年来日本基本上在做模仿性的工作，突破性技术比较少。 而美国在机器人领域的技术开发方面，一直保持着世界领先地位。 再有，美国主要做高附加值的产业，比如军用机器人，目前 世界销售的 9000 台军用机器人之中，有 60%来自美国。 比如：美国最近研制成功的 Big Dog 军用机器人，能负重 100 公斤，行进速度跟人相当，每小时达到五公里，还能适应各种地形，即使是在侧面受到冲击时也能保持很好的系统稳定性。 此外，英国、苏联、南斯拉夫、加拿大、意大利，德国、韩国等国家，许多学者在行走机器人方面也做出了许多工作。 国内双足机器人研究状况 国内双足机器人的研制工作起步较晚。 1985 年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成果。 哈尔滨工业大学 [15]自 1985 年开始研制 双足步行机器人，迄今为止已经完成了三个型号的研制工作。 其中 HIT 一Ⅱ I 为 12 个自由度，实现了静态步行和动态步行，能够完成前／后行、侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作。 目前，该校正致力于功能齐全的双足机器人 HIT 一Ⅳ的研制工作，新机器人包括行走机构、上身及髋部执行机构，初步设定 32 个自由度。 国防科技大学 [16]也进行了这方面的研究。 在 1989 年研制成功了一台双足行走机器人，这台机器人具有 10 个自由度，能完成静态步行和动态步行。 国防科技大学还将工业机器人的轨迹示教方法用到了两足步行机器人的步态规划中，形成了步 行机器人的步态示教规划技术。 值得一提的是，北京理工大学研制成功我国首例拟人机器人BRH． 01，该机器人身高 1． 58 米，体重 76 公斤，具有 32 个自由度，每小时能够行走 l 公里，步幅 O． 33 米。 除了能打太极拳，这个机器人还会腾空行走，并能根据自身的平衡状态和地面高度变化，实现未知路面的稳定行走。 它在系统集成、步态规划和控制系统等方面实现了重大突破，标志着我国双足机器人研究已经跨入世界先进行列。 在我国，机器人的真正使用到现在已经 20 多年，已基本实现了试验、引进到自主开发的转变，促进了我国制造业的发展。 随着我国门户 的逐渐开放，国内的机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击，因此，掌握国内机器人市场的实际情况，把握我国机器人 与智能装备 研究的相关进展，显得十分重要。 我国的机器人从上世纪 80 年代 “ 七五 ” 科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过 “ 十五 ” 、 “ 十一五 ” 科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有 130 多台套喷攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论 7 漆机器人在二十余家企业的近 30 条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器人已应 用在汽车制造厂的焊装线上，我国现有机器人研究开发和应用工程单位200 多家，其中从事机器人研究和应用的有 75 家，共开发生产各类机器人约 3000多台， 90%以上用于生产，引进机器人做应用工程的约 1000 多台。 在国内，机器人产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲，我国机器人经过 20 多年的发展已在产业化的道路上迈开了步伐。 近几年，我国 应用于制造业的 机器人及自动化生产线和工程项目、相关产品的年产销额已近五亿元。 双足步行机器人研究的发展趋势 概括起来，双足步行机器人的发展趋势包括如下十个方面：能动态稳定地高速步 行能以自由步态全方位灵活行走；具有良好的地形适应性；具有极强的越障和避障能力；具有很高的载重／自重比；可靠性高、工作寿命长；具有丰富的内感知和外感知系统；控制系统和能源装置机载化；具有完全的自律能力；具有灵活的操作能力 (安装一个或多个机械手 )。 目前，日本和美国对双足步行机器人的研究已经达到了相当高的水平，研制出了能静态或动态行走的多种样机 [17]。 其他国家，尤其是欧洲的一些国家，步行机器人的研究水平也很高。 国内由于起步较晚，与国际最高水平还有一段差距，需要迎头赶上。 双足步行机器人理论研究状况 最 早系统地研究人类和动物运动原理的是 Muybridge[18]，他发明了电影用的独特摄像机，即一组电动式触发照相机，并在 1877 年成功地拍摄了许多四足动物步行和奔跑的连续照片。 后来这种采用摄像机的方法又被 Demenyt[19]悃来研究人类的步行运动。 1960 年，苏联学者顿斯科依 [20]表了著作“运动生物学”，从生物力学的角度，对人体运动学、动力学、能量特征和力学特征进行了一个详细的描述。 真正全面、系统地开展两足步行机器人的研究始于上世纪 60 年代，现已形成了一整套较为完整的理论体系，一些国家如日本、美国等己研制 成功可动态步行的双足步行机器人。 在 60 年代和 70 年代，对步行机器人控制理论的研究产生了三种非常重要的控制方法，即有限状态控制、模型参考控制和算法控制。 这三种控制方法对各种类型的步行机器人都是适用的。 有限状态控制是由南斯拉夫的 Tomovic[21]在 1961 年提出来的，模型参考控制是由美国的 Farnsworth[22][23]在 1975 年提出来的，而算法控制是由南斯拉夫米哈依罗．鲍宾研究所著名的机器入学专家 Vukobratovic[24]博士在 1969 年至 1972 年间提出来的。 这三种控制攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论 8 方法之间有一定的内在 联系。 有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制，而算法控制则是一种居中的情况。 在双足步行机器人的发展史上，Vukobratovic 博士是一个非常突出的人物。 他在整个 70 年代就双足步行机器人的理论研究和假肢的设计发表了很多有影响的论文。 他提出了用欧拉角描述双足步行系统的通用数学模型；指出了由于步行系统的动态性能和控制性能的特殊性，用一般控制理论不能满意地解决人工实现步行的问题，并由此提出了算法控制的概念；研究了拟人双足步行系统在单脚和双脚支撑期间机构的特点，建立了从运动副组合到关节力矩计算等各项运算的 K1NPAIR 算法，分析了拟人双足步行系统的姿态稳定性，并提出了相应的姿态控制算法；对拟人双足步行系统进行了能量分析和频率分析。 特别重要的是，他和 Stcpaako 博士一起在 1972 年提出了“零力矩点 ZMP 的概念 [25]。 ZMP 概念的提出对双足步行机器人控制产生了非常重要的影响，为有效地控制双足步行机器人的运动开辟了一条崭新的途径。 在步态研究方面，苏联的 Bessonov 和 Umnov 定义了“最优步态 [26]Kugushev 和Jaroshc、 skij 定义了“自由步态 [27]”。 这两种步态不仅适应于双足而且也适应 于多足步行机器人。 其中，自由步态是相对于规则步态而言的。 如果地面非常粗糙不平，那么步行机器人在行走时，下一步脚应放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该像登山运动员那样走一步看一步，通过某一优化准则来确定，这就是所谓的自由步态。 在双足步行机器人的稳定性研究方面，美国的Hcmami 等人曾提出将双足步行系统的稳定性和控制的简化模型看作是一个倒立振子 (倒摆 )，从而可以将双足步行的前进运动解释为使振子直立移动的问题 [28]。 为了减小控制的复杂性考虑 Hemami 等人还曾就双足步行机器人的“降阶模型”问题进行 了研究。 在步行模式这方面的研究中，日本加藤一郎教授及其它作者1980 年提出了准动态步行的概念 [29]，这是一种介于静态步行和动态步行之间的步行方式。 它既具有静态步行的特点又具有动态步行的特点，其步速要比静态步行快，而实现起来又不象动态步行那样困难。 最早采用最优理论来研究类人型双足步行系统的是美国的 Jacobson 和Chow[30]。 他们在 1971 年发表的论文中，以具有约束条件的力学模型和性能最优准则作为两足步行优化问题的核心，而以一种简化模型作为研究对象。 但最后，他们仅是以局部耗能最少为基础得出了一个优化 结果。 Vukobratovic 也曾对类人型双足步行系统进行了能量分析，但他仅限于导出各关节及整个步行系统的功率随时问的变化关系，并没有过多地涉及能耗最优这个问题。 Vukobratovie 得出了一个有用的结论：步行姿态越平滑，双足步行系统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 双足机器人的控制中采用了虚模型控制策略，避免了繁琐的机器人逆运动学和动力攀枝花学院本科毕业设计（论文） 1 绪论 9 学计算。 1990 年，美国 Ohio 大学的 Y． F． Zheng[32]等人提 出了用神经网络实现双足步行机器人动态步行的观点，实现了双足机器人的动态学习。 本课题研究的意义 虽然当下机器人的研究发展日趋成熟，但是机器人的行走速度相对的还是比较慢，离人们的预期还有着不小的差距。 而机器人行走速度的提速在工业、军事、航空、医疗、及人道主义救援方面都有着重大的意义。 例如，在工业方面可以提高工业生产的效率；在军事方面可以快速的代替人力进行侦查和弹药运输等方面的工作；特别是在人道主义救援方面，可以极大的提高急救和灾害响应的速度和效率，可以快速救出受灾的群众，也可以快速的帮助救灾 人员抢救物资和运输必须的补给品。 所以研究如何提高机器人的行走速度对于机器人学的发展和进步具有重大的意义。 本文将通过程序修改与调试，对机器人的行走速度进行提升的尝试与实验。 本文也旨在这些方面能略尽微薄之力，为以后的相关研究。