滚动步行复合运动机器人的设计.docx

1、课题名称：滚动步行复合运动机器人的设计部位的转移。这种被动行走的概念被应用于这篇文章介绍的复合攀爬机器人的设计当中，作为一种设计准静态滚动机器人的方法，机器人骨架外部的每一个构件是作为整个圆的一部分，作为一个整体，这些构件为滚动步行复合运动机器人形成一个稳定圆形滚动平面，这和被动行走的腿功能是相似的。这种机器人通过各构件位置的变化，达到质量的重新分布，是重心改变，在重力的作用下，机器人不同的外表面点步路面接触，实现机器人的运动。我们的准静态滚动方法和被动动态行走机构的势能变化方法是相似的，我们通过小幅度的改变机器人的重心从而增加系统的势能，但是这用方法也有所不同，他不像被动动态行走机构只是动态

2、稳定的，滚动步行复合运动机器人和球形六足机器人允许他们被动的稳定，此为，我们限制控制定律来适应低速，我们避免了对滚动运动的深入的理论研究，例如动态、冲击、接触机构。1.4本课题的基本设计思路致力于使机器人获得更快的移动速度、更高的机械效率和使机器人在攀爬和行走过程中对环境更具有适应性，我们开发了一系列具有攀爬、行走、和滚动的复合运动机器人，这机器人是基于形态学设计的，他可以在不添加额外构建的情况下实现攀爬和行走运动，这用机器人具有多种运动形式，他可以根据不同得路面变换不同的运动形式，所以这用机器人更具有环境适应性，在复杂，不平整的路面上，足式运动更有优势，而在平整光滑的路面上，滚动则可以提供更

3、快的移动速度和更高的机械效率。此外，我们利用所设计的滚动步行复合运动机器人研究得到滚动和步行更具有机械效率，这就意味着滚动比步行更节能，基于此实验开发的准静态滚动控制装置，证明了盘式滚动步行复合机器人的滚动比步行的功率因数之比为5.5.盘式滚动步行复合机器人是三自由度的平面机器人，这种机器人在二维的平面上做攀爬、翻滚测试，这个实验可以在未来开发球形六足机器人提供思路，如图1,演示了盘式步行复合运动机器人如何实现攀爬、行走、滚动，以及为实现不同的运动形式，各构件进行的变换。攀爬行走变换滚动图1滚动步行复合机器人不同形式的运动及变化图我们基于滚动步行复合运动机器人开发了的准静态滚动控制装置，他通过

4、各构件间的运动改变滚动步行复合运动机器人的工作重心，使其偏移几何中心，这种准静态滚动控制装置的优点在于他应用了自然力学的知识，重心始终指向地面，通过重心相对于几何中心的偏移，他不需要除饺链控制电位计以为的其他传感器，仅利用重心的变化实现滚动步行复合机器人的运动。未来的将集中在如何实现动态滚动反馈的控制装置的研究上，以实现更快的移位和更强环境适应性上。向前移动的关节轨迹通过独立计算和静态最优化轨迹处理找到需要的关节角，通过关节角的变化实现滚动步行复合运动机器人重心跟随预订轨迹的几何中心变化而变化，以达到确定运动的目的，同时我们在机器人运动的过程中估计能量消耗和轨迹路径的特征，我们还比较滚动和行走

5、两种不同运动模式下的数据，并对数据进行分析。我们这里用的滚动控制装置是在以往控制装置的的基础上改进上得到的，以往的控制装置没有重新产生想要的结果的能力，以往的控制装置通过给便多关节的运动轨迹实现滚动步行复合运动机器人重心位置的变化，同时仿真技术用于手动调整多关节的位置，从而变换滚动步行复合运动机器人的运动方式。这种方式也有一个弊端，存在粘滞摩擦系数这可影响因数，他可能使模拟中产生的预期结果与实际的结果不一样，从而引起失效。我们将会展示我们改进的准静态滚动运动控制器将具有使滚动步行复合运动机器人完成整个运动的能力，同时具有跟踪预订的滚动角的能力，我们将进一步的展示滚动的运动方法比步行的运动方法能

6、够提高机械。整个论文我们将会分阶段的叙述滚动步行复合运动机器人，在第二部分我们将介绍机器人的研究背景和已经取得研究成果，在第三部分我们将详述滚动步行复合运动机器人的结构设计，第四部分我们将描述滚动步行复合运动机器人的运动模式，第五部分我们将详细介绍准静态滚动运动控制器。为提供预期的重心位置变化而进行的关节运动路径优化将会在第六部分介绍，我们将在第七部分讨论实验结果，我们将在第九章中讨论未来机器人的研究方向和重点，我们将在第九部分做出总结。2盘式滚动步行复合运动机器人设计2.1介绍总体方案是设计一个双足攀爬行走机器人，同时他具有变换构件位置，形成圆形，实现滚动，仅利用攀爬、步行的驱动，不需要添加

7、额外的驱动，就可以实现滚动，我们同圆形骨架的引入解决这一问题，机器人的每一个构件是圆形骨架的一部分，所以当用于攀爬的机构的两足的脚掌面和在一起,就构成了一个圆形,所以圆形骨架在和其他的形式外形如轮子、添加附加物的方法相比，更具有优势,这也使我们选择圆形骨架的原因，这种装置额外的重量可以达到相反的效果，同时限制了攀爬能力，圆形骨架可以增加整个机器人的直径，例如构件高度，通过环境的限制环境的限制电机2"电机2"电机2“电机M图2机器人设计的装备图2.2运动结构设计根据图2展示机器人的外轮廓，我们可有看到，这个机器人是用四个构件由钗链连接而成的平面连杆机构，在横向截面区域机器人被

8、四个构件均匀的分为几个部分，构件1、构件2分别占机器人横向截面的三分之一，机器人的两个脚占据机器人剩下横向截面的三分之一，一个创造性的腰部钗链把机器人的两个腿构件连接在一起，两个踝关节钗链则把机器人的腿构件和脚构件连接在一起。为使整个机构能够对称滚动，构成机器人的四个构件的质量必须平衡，这样在机器人整个封闭的机构内，机器人的重心就一直接近于几何形心。电雌，图3钗链的分解图2.3铉链设计这一部分我们将介绍钗链设计的驱动原理，如图3,钗链这样设计的目的在于，既保证了钗链的直径尽量小，同时允许传递尽可能大的转矩，在传动末端，每一个钗链轴被一个涡轮蜗杆机构驱动，这样做有一些明显设计优势，电机被安装在垂

9、直于钗链轴的位置，这样做，可以使构件的长度减小，同时可以直接驱动钗链，涡轮蜗杆机构结构紧凑，占有空间小，但可以实现大转动比转动，可以实现很大的减速，这样设计同样允许在涡轮蜗杆机构前端装一个齿轮箱，得到较小的传动比，实现较小的减速，这样做可以减少齿轮的级数，电机的大小和降低整个机构的重量。每一个饺链用一个型号RE-MAX17的微型电机驱动，这种电机装备了GP16A的行星轮齿轮箱，整个齿轮减速系统实现传动比为1264:1的减速，这种减速机构实现这样大的减速有很多优点，因为电机的动态特征和其余的整个机器人其他构件间的动态特征是孤立的，所以皎链的动态特征就成了机器人动态特征的主要影响因素，这样就可以实

10、现简单的控制，此外，因为高传动比的齿轮、涡轮蜗杆、都是不反馈的，这就在机器人攀爬过程中有了优势，这就不需要电机在一个位置保持不动。这用选择电机齿轮箱的联合运用的目的是为了当剩下的构件以20°/s的角速度在水平方向伸展时，电机齿轮箱联合运用可以使踝关节脚部构件拥有静态转矩，选择这种电机的原因在于可输出的功率在这种运行点可以达到最大值，对于滚动来说，更大的较链转动速度是我么想要得到的，而这用电机齿轮箱联合运用可以提供无负载情况下5(T/s的钗链转动角速度。校链的位置反馈是有安装在钗链轴端的电位计来完成的，用来提供钗链位置的直接测量结果，机器人其他皎链的位置反馈装置都运用了同样的设计，这样

11、就降低了整个系统的复杂性。图4对于钗链和抓手的最坏负载2.4脚设计机器人脚的设计思路出发点简单易行，但同时要就求机器人脚的设计能够让机器人在不给滚动运动造成影响的情况下能够完成完成攀爬，因为在完成滚动时，要求机器人的脚能够彼此接触的很紧密，脚的尺寸要求保持最小，以保证机器人有最大的运动幅度，电磁吸盘的质量也要被考虑进来，防止引起机器人整个机构的质量的分配不均，这样在滚动中就可以得到理想的质量平衡分配。在当前设计的滚动步行复合运动机器人中我们选择电磁吸盘作为脚部与路面间的固定装置，因为电磁吸盘相对其他机构来说易于驱动，同时他的质量可以用来平衡电动机和电池的质量，但是这种设计也有一定的局限性，限制

12、了攀爬表面只能是用铁材料制成的墙面，这用脚构件设计也具有灵活性的优点，可以用其他构件代替电磁吸盘，例如机械抓、吸盘、钩子。我们的机器人脚机构设计充分利用了滚动骨架去提升脆弱的断开的构件设计，同时提升了整个机构的运动特征，每一个电磁铁都安装在脚掌中心的位置，让足构件能够大幅度的运动，这样就可以提供更高效率的运动，这种电磁吸盘设计可以上机器人悬在墙壁上。如图43盘式滚动双足步行的运动学分析盘式滚动步行复合运动机器人的整体的重心是由各构件的相对位置决定的，标准Denavit-Hartenberg转换用来进行盘式滚动步行复合运动机器人的运动参数确定，如图5,标注了Denavit-Hartenberg参

13、数在盘式滚动步行复合运动机器人的运动图上，框架的中心c位于滚动圆的中心，这和滚动圆表面和地面的接触点、各构件的位置同时确定，框架上的点g是地面与机器人框架表面的接触点,界定义为滚动平面的参考方向，Zg则指向平面内部，滚动角6是旋转的中框架中心c与Zg的夹角。倒重心。倒重心。°2Joint1Rcllinc'殒3就3/图5滚动步行复合运动机器人滚动运动分析的运动模型表一图5中参数确定.1(znm)(deg)(g)(mm)-148-90NaNa084*182-51-231T1167*363-84-211T2167*376-90-181T384*209-36-211T448-90Na

14、Na在框架C上的重心的位置Cr可以用以下齐次坐标表示m0°Z?0+m.°7；,/?1+m2°7；2b.+m.°7；for0<。<60°mt1-'Jcr+捋+叫7%2+叫1%3for60<(/)<180mtL'J2T()%+m；T'b+m22b2+气for180<(/)<3003Tq%+37j%+m23T22b2+3m3%for300<(/)<360(3-1)这里Z是齐次转换矩阵，代表坐标从框架j向i和/的坐标转换，是调整重心位置的构件j和i的齐次坐标，构件i的质量用叫表示，

15、机构整体的质量用mj=m+m2+m3+m4,表1为在前面的方程和图5中持续出现的状态提供数值。在这篇文章后面的论述中大量用到的重心偏移距离L可以用以下公式得到(3-2)和重心偏置角的计算公式(p=atan2(。弓crx)+90(3-3)在公式中参数言和M是C,的第一、第二元素,4准静态滚动控制假设滚动阻力和惯性对整个机器人机构的影响被忽略，滚动步行复合运动机器人达到平衡时重心的方向垂直指向与地面的接触点，当重心位置发生变化时，滚动步行复合运动机器人要重新回到词状态，那么一定的重心变化，滚动步行复合运动机器人就有一个确定的运动方向，所以重心位置的变化以及其重新回到平衡的过程，重心的变化的位置起着

16、确定运动方向的作用，所以重心位置慢慢的变动，滚动步行复合运动机器人将会通过滚动重新达到平衡，这种运动原理如图6,对于所有的重心偏距L>0的重心偏置角W,当重心偏移角巾在0360°慢慢变化,将会是滚动步行复合运动机器人旋转，实际上，重心的偏距L越大，滚动控制装置的控制能力越强，定向越平稳。平衡平衡重心偏置通过滚动恢复平衡5通过重心偏距的优化产生关节轨迹5.1介绍这一部分集中介绍为产生需要的重心偏距设计皎链路径，首先我们介绍拱形的优化，然后介绍各个方面必须满足的物理约束。5.2过程优化我们的准静态控制方法的目的在于产生钗链路径，这样就可以重心偏置角W在0360°变化的过程

17、中产生重心大于零的重心偏距L。车交链路径被用于向前反馈控制输入到钗链上的伺服电机上，以不同的速率运动，我们把这些路径的产生作为处理一系列限制优化问题的一部分，我们的目的在于在最大重心偏距、在分散的旋转角路径中得到钗链角劣，参数K的引入是为表示k次优化问题，MATLAB的fmincon功能就是用来循序的解决每一个K优化问题，从优化K得到的皎链的位置被用来评估优化K+1,关于驱动优化的问题只简单的叙述。5.3限制优化5.3.1最大重心偏距重心的偏移长度为L”用公式2进行重心偏移长度计算，但是不能超过最大国民经济和现代工业技术的发展使机器人在几乎所有技术领域中日益广泛应用，已成为实现自动化的主要技术

18、手段。机电一体化技术，控制技术，计算机技术的发展，使机器人技术与计算机技术大大的结合起来，从而使机器人技术技术进入了一个新的发展阶段。致力于获得更快速度、更高的机械效率、更具有适应性的攀爬行走机器人，我们开发一种两足步行机器人，他可以完成行走、攀爬、滚动，这种机器人通过形态学设计，使其在不需要添加额外的构件的情况下就可以实现滚动，此外，我们在开发这种机器人的同时，为其开发了一种准静态滚动控制装置，可以实现盘式滚动步行复合运动机器人重心的变化，从而实现其滚动，同时，我们做了一系列的实验，证明滚动比两足运动更具有机械效率，功率因素可以达到5.5,我们掩饰了这种机器人具有在地坡度的斜坡上滚动和翻滚越

19、障的能力，我们设计这款机器人时要求这种机器人更节能，能够适应不同的路面环境，在复杂的路面可以实现双足行走，当路面平坦时，可以变换运动方式，实现滚动，这种滚动不是依靠传统的轮子来实现的，而是依靠整个机器人形态上的设计形成一个圆形，依靠各构件间的运动，改变重心位置，实现机器人的运动。关键词：滚动运动；攀爬运动；双足步行；运动机器人；运动控制中重心偏移长度Lmax。我们选择把重心偏移距离限制在最大值以内，这样就就可以取不同重心偏距的滚动下评估不同的结果。这用约束不等式完成。02。（5-D5.3.2重心偏置角对于任何想要的滚动角巾k、重心偏置角Wk,这些参数用公式3计算，但是必须符合以下公式°

20、;=由Wk（5-2）5.3.3滚动平面的连续性为保证滚动步行复合运动机器人的滚动平面具有连续性，当滚动角靠近钗链运动对应的角度和构件运动终端即6滚动=0°,6°,180°,300°,360°时，皎链转动的变化限制在他们允许的范围内，那个相切双曲线函数用来限制钗链的运动范围内，如图7,限制函数为mooth.ncritmooth.ncrit°=Q-m+A.|tanh-180。一|，一二n7)(5-3)enom=120°是适合于所有饺链定义皎链角，AOk,j是定义值的偏差，因为钗链j限制在-0allowWZOk,jWZOallow

21、,这里。allow=60°是皎链的物理限制，能够变化的（l>k是我们需要得到的滚动角，-smooth=巾crit-30°是滚动角在整个机构变窄达到4）crito我们选择了30°是因为这是这个机构能够张开到最大程度是滚动角达到的最大值，在6crit=0。和60°之间，等同于6crit在300°和360°之间，指数n的取值取决于想要的滚动角在以下情况的取值for0°<<30°(5-4)1, for30°<<120°n=3,for120°<(/)k<

22、240°for240°<<330°4, for330°<<360°FootTwoFootTwoFootOnea”,图8脚碰撞的定义5.4足之间的干涉对于任何想要的滚动角，滚动步行复合运动机器人的钗链的运动限制在给定的范围内，这样就可以避免滚动步行复合运动机器人脚跟脚之间的干涉，实验证明滚动步行复合运动机器人其他构件之间不存在干涉现象，也就不再我们讨论的范围内，滚动步行复合运动机器人脚跟脚之间干涉的大小的可以用脚10一2和W和脚2。3和0J边缘的距离衡量。在以下情况下干涉将会发生0八0and0<°x3-%(

23、5.5)这里°（1订血框架i对于j内部影响因素，通过应用仅限于共同配置那就做不成了角度入手，这一原理见图8.相关的参数在表一中进行了列举，这些数据将会确定代表脚边缘的滚动步行复合运动机器人各部分运动的协调。滚动步行复合运动机器人的脚表面和另外一个脚表面形成一个闭合的部分，这一动作，可以用以下数值描述if。<°x3-%Ujj=<°x3Qdjj,if0<（5-6）°x0-"du+°与-,else在这里Ui,j取负值表示滚动步行复合运动机器人的脚不会发生碰撞，当Ui,j取正值表示滚动步行复合运动机器人脚存在碰撞，这个结果可

24、以用以下不等值进行限制(5-7)(5-7)0>沪fori=L2"j=3,4皎链轨迹生成的结果图样在图9中进行了描述，图9描述了在允许的最大重心偏距2mm和8mm时，饺链和机器人重心的轨迹，为便于对照观察，单一的最大重心偏距轨迹在图10中进行了描述，从图中可以清楚的看出，我们实验中钗链轨迹产生的路径成功的产生钗链连续的运动，这样重心偏距轨迹在达到最大重心偏距时就是一个连续的数值。在重心偏置角接近/，时是一个例外，由于滚动平面持续性的约束，引起重心偏距降到零，虽然我们在研究我们开发的准静态控制程序时忽略了惯性的影响，我们假设有足够的动量和重力影响，引起整个系统的滞后，在实验中将会使

25、滚动步行复合运动机器人通过O滚动平面持续性的限制可能引起钗链1和3的位置快速的接近外,，这样就在系统中引入了我们不想看到的动态影响，但是，通过观察，他们的加速度几乎相等，而且方向相反，这样就可以消除了整个系统动态影响，快速的皎链位置移动同样受限于钗链轨迹如何作用于机器人，他限制了钗链角的变化快慢，在完成攀爬运动是要求大传动比的齿轮，当速度变化时受限于电机的功率。JointAnglePaths(deg)(6(dp)<li-6u<mo(6(dp)<li-6u<mo100:p.r.、<V.4人50060180300360CGOffsetAngle(deg)(a)0601

26、80300360(b)(lu)E5UQ-JEsttoDuCGOffsetLengthPath(m)0.010.0080.0060.0040.0020060180300360CGOffsetAngle(deg)(c)(d)CGPathAboutGeometricCenter1801802100.01330(e)(f)铉链路径生成图10相对几何中心的最大重心偏距同样需要注意的是，对于不同的最大重心偏距，钗链轨迹有相识的形状，彼此之间有大小接近的版本，大一些最大重心偏距需要大一些的饺链偏移，这也表明在最大重心偏距轨迹下需要消耗更多的能量，因为这需要更大的铉链结合。6本课程未来的研究方向因为盘式滚动步

27、行复合运动机器人的一个主要运动是攀爬，所以电机和齿轮要基于完成攀爬运动所需要的条件进行选择，基于攀爬运动选择电机、齿轮要求能够给铉链提供高的转矩，这和完成滚动要求钗链有很大的转速，能够为滚动提供更多的动态模式，这两点是矛盾的。因为减速齿轮系统本身所固有的低效率，使得用来完成减速的大传动比的齿轮系统同样会对不同形式的运动造成影响。未来将研究如何优化电机和齿轮系统，从而在允许滚动步行复合运动机器人攀爬各种不用的路面的同时具有高的钗链转速和高的齿轮转动效率。未来研究同样包括开发能够适应更动态方法滚动的控制系统，这些方法包括用腿踏开地面，通过饺链的结合为系统提供动量，用重心的偏移维持大的转矩，我们将会

28、开发能够完成状态评估和地形特征识别的传感器用来完成反馈控制，嵌入式控制系统将会代替分离式控制系统，我们将会研究根据不同运动模式和地形特征的转换方法，用来是以后研发的机器人能够更好的适应不同的环境。最后我们将利用在盘式滚动步行复合运动机器人上的研究成果，用来开发球型六足机器人和下一代盘式滚动步行复合运动机器人。7设计总结7.1本文的主要内容小结经过几个月的学习与努力，终于完成了滚动步行复合运动机器人这一毕业设计课题，在这一课题中，我的主要内容是如何设计方案达到运动目的，如何进行结构设计，运动分析和结构运动的优化处理。(1) 在系统方案设计中，我阅读了大量的关于机器人设计方面的书籍，如何比较已有方

29、案的的不同点，了解他们的设计思路，把他们的设计亮点运动的自得的设计中去，滚动、步行、攀爬，这每一种运动形式都有个大量的研究，我们设计的目的就是如何把这三种不同的运动形式结合在一起，那么必定要参考己有的设计方案，但是在设计过程中还有一些创新性的东西，那就是运动圆形骨架把这些不同的运动形式结合在一起。(2) 运动分析，在这一节的分析中我们要解决已经确定了结构的情况下，如何实现特定的运动，确定主要构件的支撑，和一些细节设计，使滚动步行复合运动机器人能实现滚动、步行、攀爬这三种运动，同时又可以轻松的实现三种运动形式的变换，在这里面重点要解决的是如何通过重心位置的变化，使机器人能够顺利实现所需的滚动。(

30、3) 优化处理，在这一部分中我们要解决滚动步行复合运动机器人运动过程遇到的特殊问题，比如如何对重心偏距L、重心偏置角进行限制，找出限制不等式，为了使滚动步行复合运动机器人能搞得到连续性的运动平面，又要对一些条件进行限制，最终的目的是为了得到理想的运动形式。(4) 最后是图纸的绘制，这一过程中结合设计和工艺要求，对各零部件进行了标准绘图，得到了的具体图纸，并锻炼了CAD软件的运用能力。7.2设计心得实践，是一面很亮的镜子，能够通过它看出我们自身的缺点，能够通过它查找出自身缺乏的知识。通过这次设计，我明显感觉到“书到用时方恨少”。大学四年的学习虽让我们具备了一定的机械设计基础知识，但总的来说我们的

31、知识缺乏实践的检验，还是相当的零散，所进行的设计很粗糙，在以后的生活中我会不断地学习充实自己。另外，设计行业是一个需要时间积累的行业，工程师往往需要大量的时间去磨砺。成功等99%的勤奋+1%的天赋。在今后的工作学习中我会更加坚定自己的目标，勇往无前而奋斗！参考文献朱世强等。机器人技术及其应用。浙江大学出版社。2001.71 平伟等。助行机器人研究发展和展望，机器人技术与应用，2009年第一期。2 张炜。机器人服务sulartpaL机器人技术与应用。2007年第四期鲁涛。智能轮椅研究现状及其发展趋势。机器人技术与应用。2008年的第二期。51王立权等。机器人创新设计与制作。清华大学出版社。200

32、7.6 万家福，张文菲，张占松。网络监控技术与应用。北京：机械工业出版社，2003.4美）泰勒Tayler.A）,美）莱曼Layman.R）,美）布格Buege.B）著；张伟，张华平，赵含译，J2EE&Java黑客大曝光：开发安全的应用程序，北京：清华大学出版社。20037 朱世强，王宣银，机器人技术及其应用，杭州：浙江大学出版社。2001.7宗光华，张慧慧。机器人设计与控制。华中科技大学出版社，2004.5【10】杨晓兰等。机械设计基础课程设计。华中科技大学出版社。2006.1【11】吴美芳主编，机器人控制基础，北京，中国铁道出版社，1992.4【12】马香封主编，机器人原理及其应用

33、，机械工业出版社，198.8【13】蔡自新编著，机器人原理及其应用，机械工业出版社，1988.8【14】吴广玉，江复兴编，机器人工程导论，哈尔滨工业大学出版社，1988.8【15】重庆大学梁锡昌主编，机械创造方法与专利实例，国防工业出版社，2005.2【16】陈与平，周兆元主编，互换性与测量技术基础，机械工业出版社，2005.10【17】朱张校主编，工程材料，清华大学出版社。2007.3【18】陈雪华，廖志勇，王光建，过功能教学机器人。重庆大学报。2004【19】朱辉，唐保宁，陈大复编著，画法几何与工程制图，上海科学技术出版社，198220Goradia,A,NingXi,Internetba

34、sedrobots:applications,impacts,challengesandfuturedirectionAdvancedRoboticsanditsSocialimpacts,2005,IEEEWorkshopon.21ZengDehui,Xiecunxi,LiXuemeidesignandImplementionofInternetBasedHealthcare22RivinEugeneI,MechanicalDesignofRobot,McGraw-Hill,1988【23】MathewT.Mason,RobotHandsandthemechanicsofManipulati

35、on,theMITpress,198524Miller,Rex,FungamentalsofOndustrialRobotsanRObotics,RSW-Kentpublishingcompany,1988【25】Korenyoram,computercontrolofmanufacturingsystems,McGraw-Hill,Inc-1989【26】Burr,A,H,MechanicalAnalysisandDesign,Elevier,NewYork1982外文资料RobotsTheindustrialrobotisusedinthemanufacturingenvironmentt

36、oincreaseproductivity.Itcanbeusedtodoroutineandtediousassemblylinejobs,oritcanperformjobsthatmightbehazardoustodoroutineandtediousassemblylinejobs,oritcanperformjobsthatmightbehazardoustothehumanworker.Forexample,oneofthefirstindustrialrobotswasusedtoreplacethenuclearfuelrodsinnuclearpowerplants,Ahu

37、mandoingthisjobmightbeexposedtoharmfulamountsofradiation.Theindustrialrobotcanalsooperateontheassemblyline,puttingtogethersmallcomponents,suchasplacingelectroniccomponentsonaprintedcircuitboard.Thus,thehumanworkercanberelievedoftheroutineoperationofthistedioustask.Robotscanalsobeprogrammedtodefusebo

38、mbs,toservethehandicapped,andtoperformfunctionsinnumerousapplicationsinoursociety.Therobotcanbethoughtofasamachinethatwillmoveanend-of-armtool,sensor,andgrippertoapreprogrammedlocation.Whentherobotarrivesatthislocation,itwillperformsomesortoftask.Thistaskcouldbewelding,sealing,machineloading,machine

39、unloading,orahostofassemblyjobs.Generally,thisworkcanbeaccomplishedwithouttheinvolvementofahumanbeing,exceptforprogrammingandforturningthesystemonandoff.Thebasicterminologyofroboticsystemsisintroducedinthefollowing:1. Arobotisareprogrammable,multifunctionalmanipulatordesignedtomoveparts,materials,to

40、ols,orspecialdevicesthroughvariableprogrammedmotionsfortheperformanceofavarietyofdifferenttask.Thisbasicdefinitionleadstootherdefinitions,presentedinthefollowingparagraphs,thatgiveacompletepictureofaroboticsystem.2. Preprogrammedlocationsarepathsthattherobotmustfollowtoaccomplishwork,Atsomeoftheselo

41、cations,therobotwillstopandperformsomeoperation,suchasassemblyofparts,spraypainting,orwelding.Thesepreprogrammedlocationsarestoredintherobot'smemoryandarerecalledlaterforcontinuousoperation.Furthermore,thesepreprogrammedlocations,aswellasotherprogramdata,canbechangedlaterastheworkrequirementscha

42、nge.Thus,withregardtothisprogrammingfeature,anindustrialrobotisverymuchlikeacomputer,wheredatacanbestoredandlaterrecalledandedited.3. Themanipulatoristhearmoftherobot.Itallowstherobottobend,reach,andtwist.Thismovementisprovidedbythemanipulator'saxes,alsocalledthedegreesoffreedomoftherobot,Arobot

43、canhavefrom3to16axes.Thetermdegreesoffreedomoffreedomwillalwaysrelatetothenumberofaxesfoundonarobot.4. Thetoolingandgrippersarenotpartoftheroboticsystemitself;rather,theyareattachmentsthatfitontheendoftherobot'sarm.Theseattachmentsconnectedtotheendoftherobot'sarmallowtherobottoliftparts,spot

44、-weld,paint,arc-weld,drill,deburr,anddoavarietyoftasks,dependingonwhatisrequiredoftherobot.5. Theroboticsystemcanalsocontroltheworkcelloftheoperatingrobot.theworkcelloftherobotisthetotalenvironmentinwhichtherobotmustperformitstask.Includedwithinthiscellmaybethecontroller,therobotmanipulator,aworktab

45、le,safetyfeatures,oraconveyor.Alltheequipmentthatisrequiredinorderfortherobottodoitsjobisincludedintheworkcell.Inaddition,signalsfromoutsidedevicescancommunicatewiththerobotinordertotelltherobotwhenitshouldassembleparts,pickupparts,orunloadpartstoaconveyor.Theroboticsystemhasthreebasiccomponents:the

46、manipulator,thecontroller,andthepowersource.A,ManipulatorThemanipulator,whichdoesthephysicalworkoftheroboticsystem,consistsoftwosections:themechanicalsectionandtheattachedappendage.Themanipulatoralsohasabasetowhichtheappendagesareattached.Fig.lillustratestheconnectionofthebaseandtheappendageofarobot

47、.ThebaseofthemanipulatorisusuallyfixedtotheflooroftheworkareaSometimes,though,thebasemaybemovable.Inthiscase,thebaseisattachedtoeitherarailoratrack,allowingthemanipulatortobemovedfromonelocationtoanother.AbstractWiththedevelopmentofnationaleconomyandmodernindustrialtechnologies,therobottechnologyhas

48、becomewidelyusedinalmostallfieldsoftechnology.Ithasbecomethemaintechnologyaboutautomation.Withthedevelopmentofmechanicalandelectricalintegrationtechnologycomputertechnology,robottechnologyhasbeencombinedwithmicroelectronicsandcomputergreatly.Andtherobottechnologycomeintoanewstageofdevelopment.Motiva

49、tedbytheneedforgreaterspeed,efficiencyandadaptabilityinclimbingandwalkingrobots,wehavedevelopedabipedalplanarrobotthatcomplementsitswalkingandclimbingcapabilitieswithrolling.Rollingcapabilitiesareprovidedbyaninnovativemorphology,withouttheneedforadditionalresourcesbeyondthoserequiredbywalkingandclim

50、bing.Herein,wepresentthedesignofthisrobot,thedevelopmentofaquasi-staticrollingcontroller,andacomparisonofexperimentallyobtainedspeedandenergydataforwalkingversusrollinglocomotion.Weshowthatrollingcansignificantlyimproveenergyefficiencyoverwalking一asmuchasafactorof5.5.Wealsodemonstratetheabilitytorol

51、lupslopesandrolloverobstacles.IndexTerms：Leggedlocomotionmobile；robots；motionControlAsmentionedpreviously,theappendageextendsfromthebaseoftherobot.Theappendageisthearmoftherobot.Itcanbeeitherastraight,movablearmorajointedarm.thejointedarmisalsoknownasanarticulatedarm.Theappendagesoftherobotmanipulat

52、orgivethemanipulatoritsvariousaxesofmotion,Theseaxesareattachedtoafixedbase,which,inturn,issecuredtoamounting.ThismountingensuresthatthemanipulatorwillremaininonelocationoAttheendofthearm,awristisconnected.Thewristismadeupofadditionalaxesandawristflange.Thewristflangeallowstherobotusertoconnectdiffe

53、renttoolingtothewristfordifferentjobs.Themanipulator'saxesallowittoperformworkwithinacertainarea.Thisareaiscalledtheworkcelloftherobot,anditssizecorrespondstothesizeofthemanipulator.Fig.2illustratestheworkcellofatypicalassemblyrobot.Astherobot'sphysicalsizeincreases,thesizeoftheworkcellmusta

54、lsoincrease.Themovementofthemanipulatoriscontrolledbyactuators,ordrivesystems.Theactuators,ordrivesystem,allowsthevariousaxestomovewithintheworkcell.Thedrivesystemcanuseelectric,hydraulic,orpneumaticpower.Theenergydevelopedbythedrivesystemisconvertedtomechanicalpowerbyvariousmechanicaldrivesystems.T

55、hedrivesystemsarecoupledthroughmechanicallinkages.Theselinkages,inturn,drivethedifferentaxesoftherobot.Themechanicallinkagesmaybecomposedofchains,gears,andballscrews.B.ControllerThecontrollerintheroboticsystemistheheartoftheoperation.Thecontrollerstorespreprogrammedinformationforlaterrecall,controlp

56、eripheraldevices,andcommunicateswithcomputerswithintheplantforconstantupdatesinproductionThecontrollersisusedtocontroltherobotmanipulator'smovementsaswellastocontrolperipheralcomponentswithintheworkcell.Theusercanprogramthemovementsofthemanipulatorintothecontrollerthroughtheuseofahand-heldteachp

57、endent.Thisinformationisstoredinthememoryofthecontrollerforlaterrecall.Thecontrollerstoresallprogramdataoftheroboticsystem.Itcanstoreseveraldifferentprograms,andanyoftheseprogramscanbeedited.Thecontrollerisalsorequiredtocommunicatewithperipheralequipmentwithintheworkcell.Forexample,thecontrollerhasa

58、ninputlinethatidentifieswhenamachiningoperationiscompleted.Whenthemachinecycleiscompleted,theinputlineturnson,tellingthecontrollertopositionthemanipulatorsothatitcanpickupthefinishedpart.Then,anewpartispickedupbythemanipulatorandplacedintothemachine.Next,thecontrollersignalsthemachinetostartoperatio

59、n.Thecontrollercanbemadefrommechanicallyoperateddrumsthatstepthroughasequenceofevents.Thistypeofcontrolleroperateswithaverysimpleroboticsystem.Thecontrollersfoundonthemajorityofroboticsystemsaremorecomplexdevicesandrepresentstate-of-the-artelectronics.Thatis,theyaremicroprocessor-operated.Thesemicroprocessorsareeither8-bit,16-bit,or32-bitprocessors.Thispo