两足行走机器人身体及头部结构部分设计毕业论文.doc

本科毕业设计说明书（论文）第1页共28页1绪论1.1引言什么是机器人呢?在国际上，关于机器人的定义很多，出发点各不相同，有的强调工业机器人特征，有的侧重于智能机器人。美国机器人协会认为“机器人是一种用于移动各种材料、零件的工具或专用装置；是通过程序动作来执行各种任务，并具有编程能力的多功能操作机”，显然该定义指的是工业机器人，国际标准化组织(ISO)也有类似的定义。日本工业机器人协会(JIRA)定义机器人是一种装备有记忆装置和末端执行装置的且能够完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。有些定义直接把机器人分为工业机器人和智能机器人两种情况来解释，认为工业机器人是“一种能够执行与人的上肢(手和臂)类似动作的多功能机器”，智能机器人是“一种具有感觉和识别能力，并能够控制自身行为的机器”。我国的蒋新松院士曾建议把机器人定义为“一种拟人功能的机械电子装置”。尽管定义各不相同，但有共同之处，即认为机器人应具有下列特征:（1）像人或人的上肢，并能模仿人的动作；（2）具有智力或感觉与识别能力；（3）是人造的机械或机械电子装置。当然，随着机器人的进化和其智能的发展，这些定义很难涵盖其本质，有必要修改1。1.2机器人的发展及技术1.2.1机器人的发展20世纪40年代，伴随着遥控操纵器和数控制造技术的出现，关于机器人技术的研究开始出现。60年代美国的Consolidatedcontry公司研制出第一台机器人样机，并成立了Unimation公司，定型生产了Unimate机器人。20世纪70年代以来，工业机器人产业蓬勃兴起，机器人技术逐渐发展为专门学科。1970年，第一次国际机器人会议在美国举行。经过几十年的发展，数百种不同结构、不同控制系统、不同用途的机器人已进入了实用化阶段。目前，尽管关于机器人的定义还未统一，但一般认为机器人的发展按照从低级到高级经历了三代。第一代机器人，主要指只能以“示教一再现”方式工作的机器人，其只能依靠人们给定的程序，重复进行各种操作。目前的各本科毕业设计说明书（论文）第2页共28页类工业机器人大都属于第一代机器人。第二代机器人是具有一定传感器反馈功能的机器人，其能获取作业环境、操作对象的简单信息，通过计算机处理、分析，机器人按照己编好的程序做出一定推理，对动作进行反馈控制，表现出低级的智能。当前，对第二代机器人的研究着重于实际应用与普及推广上。第三代机器人是指具有环境感知能力，并能做出自主决策的自治机器人。它具有多种感知功能，可进行复杂的逻辑思维，判断决策，在作业环境中可独立行动。第三代机器人又称为智能机器人，并己成为机器人学科的研究重点，但目前还处于实验室探索阶段。机器人技术己成为当前科技研究和应用的焦点与重心，并逐渐在工农业生产和国防建设等方面发挥巨大作用。可以预见到，机器人将在21世纪人类社会生产和生活中扮演更加重要的角色。1.2.2机器人技术机器人学是一门发展迅速的且具有高度综合性的前沿学科，该学科涉及领域广泛，集中了机械工程、电气与电子工程、计算机工程、自动控制工程、生物科学以及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最新成就。机器人充分体现了人和机器的各自特长，它比传统机器具有更大的灵活性和更广泛的应用范围。机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化的必然。目前，机器人及其自动化成套装备己成为国内外备受重视的高新技术应用领域，与此同时它正以惊人的速度向海洋、航空、航天、军事、农业、服务、娱乐等各个领域渗透。目前，虽然机器人的能力还是非常有限的，但是它正在迅速发展。随着各学科的发展和社会需要的发展，机器人技术出现了许多新的发展方向和趋势，如网络机器人技术、虚拟机器人技术、协作机器人技术、微型机器人技术和双足步行机器人技术等。人们普遍认为，机器人技术将成为紧随计算机技术及网络技术之后的又一次重大的技术革命，它很可能将世界推向科学技术的新时代2。1.3双足机器人的优点及国内外研究概况1.3.1双足步行机器人的优点机器人是现代科学技术发展的必然产物，因为人们总是设法让机器来代替人的繁重工作，从而发明了各种各样的机器。机器的发展和其它事物一样，遵循着由低级到高级的发展规律，机器发展的最高形式必然是机器人。而机器人发展的最高目标是制造出像人一样可以行走和作业的机器人，也就是拟人机器人。因为它具有良好的环境适应性，并且这种优秀品质在高低不平的路面上以及具有障碍物的空间里更加突出，所以与之相关的问题己经成为研究热点。拟人机器人的研制工作开始于20世纪60年本科毕业设计说明书（论文）第3页共28页代，短短的几十年时间内，其研制工作进展迅速。步行机器人的研制工作是其中一项重要内容。目前，机器人的移动方式主要包括轮式、履带式、爬行式、蠕动式以及步行等方式。对轮式和履带式移动机器人的研究主要集中在自主运动控制上，如避障路径规划等。这两种机器人过分依赖于周围环境，应用范围受限。爬行和蠕动式机器人主要用于管道作业，具有良好的静动态稳定性，但速度较低。常见的步行机器人有双足、四足和六足等情况。自然界事实、仿生学以及力学分析表明:在具有许多优点的步行机器人中，双足步行机器人因其体积相对较小，对非结构性环境具有较好的适应性，避障能力强，移动盲区很小等优良的移动品质，格外引人注目。首先，对于支撑路面，双足步行机器人的要求很低，理论上只需要分散的、孤立的支撑点，就可以通过机器人自行选择最佳的支撑点，获得最佳的移动性能。而轮式移动机器人通常要求连续的、硬质的支撑路面，对于恶劣的支撑路面，它只能被动的适应。其次，在存在障碍物的情况下，双足步行机器人能够跨越与自身腿长相当的障碍物，甚至跳越障碍，而轮式移动机器人仅能滚越尺寸小于轮子半径的障碍物。机器人力学计算表明，足式步行机器人的能耗通常低于轮式和履带式7。1.3.2双足步行机器人的步行特点及研究意义世界著名机器人专家，日本早稻田大学的加藤一郎教授曾经指出“机器人应当具有的最大的特征之一是步行功能”。一般说来，机器人的步行方式有两种，即静态步行与动态步行。静态步行是指低速步行，不考虑惯性力，机器人在行走过程中只需要满足静力平衡条件，即重心要始终保持在支撑脚区域内:动态步行与之不同，必须考虑惯性力的影响，行走过程中要满足动态平衡，即控制系统的零力矩点(zMP)始终在支撑脚的稳定区域内。动态步行具有速度快效率高等优点。静态步行可以看作动态步行的特例。和轮式、履带式、爬行式、蠕动式等机器人相比，双足步行机器人在具有上述难以取代的优越性的同时，也存在很多的技术难关，稳定步行和高速运动都困难的。双足步行机器人系统存在着高阶、强耦合、多变量及非线性等特性，这些特性使得双足步行机器人的运动学和动力学的精确求解非常困难，而且也没有十分理想的理论或方法来求解逆运动学和动力学解析解，只有外加一些限制条件，如能量消耗最小，峰值力矩最小来求解运动学和动力学的近似解，这往往导致了机器人的规划运动与实际运动有较大的出入。所以，迄今为止双足步行机器人还是以“静步行”为主，特点是步速较低、步幅较小，其运动性能与人类相比还相距甚远。由于步行机器人的发展受到机构学、材料学、计算机技术、控制技术、微电子技术、通讯技术、传感技术、本科毕业设计说明书（论文）第4页共28页人工智能、数学方法、仿生学等学科发展程度的制约，还处于实验室研制阶段，距离真正意义上的拟人机器人还有相当的距离10。在这一领域内还有许多的问题等待我们去解决。双足步行是生物界最难的动作，它的完美实现必然要求机器人在结构设计方面产生巨大的变革和创新，从而有力地推动相关学科的发展。同时，双足步行机器人具有多关节、多驱动、多传感器，而且具有冗余自由度，这给控制研究带来很大困难，也相应的给各种控制策略和优化方法提供了理想的试验平台，因此，对双足步行机器人的研究具有很高的理论价值，引起国内外无数专家学者的瞩目4。为了促进机器人技术在我国的发展，全国各地尤其是部分高校举办了各种类型的机器人大赛。中国机器人大赛是由中国自动化学会机器人竞赛工作委员会和科技部高技术研究发展中心主办的一个全国性的赛事。其中最为引人瞩目的舞蹈机器人项目就是为了促进双足步行机器人的发展而设立的。由于步行机器人的实现目前还存在很多技术难题，前几届由中国科技大学主办的舞蹈机器人大赛基本上是以轮式机器人为主，还没有出现步行机器人参赛。由此可见，双足步行机器人的发展还有一段很长的路要走。研制双足步行机器人的一项重要内容就是步态规划。所谓的步态，是指在步行过程中，步行本体的身体各部位在时序和空间上的一种协调关系；步态规划就是给出机器人各关节位置与时间的关系，是双足步行机器人研制中的一项关键技术，也是难点之一。步态规划的好坏将直接影响到双足步行机器人的行走稳定性、美观性以及各关节所需驱动力矩的大小等多个方面，已经成为双足步行机器人领域的研究热点。基于上述原因，本课题拟进行双足步行机器人的步态规划研究，研制具有高度稳定性的双足步行机器人平台，为进一步的拟人机器人研制奠定基础。1.3.3国外研究概况拟人机器人的研究是一个很诱人、难度很大的研究课题。关于这方面的研究日本走在了世界的前列。早稻田大学理工学部1973年建立了“人格化机器人”研究室，曾开发出不少拟人机器人系统。例如会演奏钢琴的机器人、双足步行机器人以及电动假肢等。该研究室的带头人高西淳夫教授说: