兩足行走機器人—行走結(jié)構(gòu)部分設(shè)計
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目 錄
1 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 機器人的發(fā)展及技術(shù) 1
1.3 兩足機器人的優(yōu)點及國內(nèi)外研究概況 2
1.4 本課題的主要工作 7
2 雙足機器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計分析 8
2.1 引言 8
2.2 兩足機器人的結(jié)構(gòu)分析 8
2.3 機器人設(shè)計思路 9
2.4 機器人設(shè)計方案 10
2.5 驅(qū)動方式的選擇 12
3 雙足機器人的具體制作 13
3.1 雙足機器人的材料選擇 13
3.2 雙足機器人的零件加工 13
3.3 兩足機器人的組裝 16
3.4 兩足機器人相關(guān)數(shù)據(jù) 19
3.5 兩足機器人總體尺寸 19
3.6 舵機具體參數(shù) 19
4 課題總結(jié) 20
結(jié)束語 21
致謝 22
參考文獻 23
1 緒論
1.1 引言
目前，機器人已形成一個不同技術(shù)層次、應(yīng)用于多種環(huán)境的“龐大”家族，從天上到地下，從陸地到海洋到處都可以看到機器人的身影。世界著名機器人專家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授曾經(jīng)指出“機器人應(yīng)當具有的最大的特征之一是步行功能”。步行機器人的研究涉及到多門學(xué)科的交叉融合，如仿生學(xué)、機構(gòu)學(xué)、控制理論與工程學(xué)、電子工程學(xué)、計算機科學(xué)及傳感器信息融合等。仿人形機器人正成為機器人研究中的一個熱點，其研究水平，在一定程度上代表了一個國家的高科技發(fā)展水平和綜合實力。研究仿人形雙足步行機器人，除了具有重要的學(xué)術(shù)意義，還有現(xiàn)實的應(yīng)用價值。
1.2 機器人的發(fā)展及技術(shù)
1.2.1 機器人的發(fā)展
20世紀40年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術(shù)的出現(xiàn)，關(guān)于機器人技術(shù)的研究開始出現(xiàn)。60年代美國的Consolidated Control公司研制出第一臺機器人樣機，并成立了Unimation公司，定型生產(chǎn)了Unimate機器人。20世紀70年代以來，工業(yè)機器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機器人技術(shù)逐漸發(fā)展為專門學(xué)科。1970年，第一次國際機器人會議在美國舉行。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機器人已進入了實用化階段。
目前，盡管關(guān)于機器人的定義還未統(tǒng)一，但一般認為機器人的發(fā)展按照從低級到高級經(jīng)歷了三代。第一代機器人，主要指只能以“示教-再現(xiàn)”方式工作的機器人，其只能依靠人們給定的程序，重復(fù)進行各種操作。目前的各類工業(yè)機器人大都屬于第一代機器人。第二代機器人是具有一定傳感器反饋功能的機器人，其能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，機器人按照己編好的程序做出一定推理，對動作進行反饋控制，表現(xiàn)出低級的智能。當前，對第二代機器人的研究著重于實際應(yīng)用與普及推廣上。第三代機器人是指具有環(huán)境感知能力，并能做出自主決策的自治機器人。它具有多種感知功能，可進行復(fù)雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中可獨立行動。第三代機器人又稱為智能機器人，并己成為機器人學(xué)科的研究重點，但目前還處于實驗室探索階段[1]。
機器人技術(shù)己成為當前科技研究和應(yīng)用的焦點與重心，并逐漸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)等方面發(fā)揮巨大作用。可以預(yù)見到，機器人將在21世紀人類社會生產(chǎn)和生活中扮演更加重要的角色。
1.2.2 機器人技術(shù)
機器人學(xué)是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學(xué)科，該學(xué)科涉及領(lǐng)域廣泛，集中了機械工程、電氣與電子工程、計算機工程、自動控制工程、生物科學(xué)以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機電一體化的最新成就[2]。機器人充分體現(xiàn)了人和機器的各自特長，它比傳統(tǒng)機器具有更大的靈活性和更廣泛的應(yīng)用范圍。機器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會進步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進化的必然。目前，機器人及其自動化成套裝備己成為國內(nèi)外備受重視的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，與此同時它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務(wù)、娛樂等各個領(lǐng)域滲透。
目前，雖然機器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發(fā)展。隨著各學(xué)科的發(fā)展和社會需要的發(fā)展，機器人技術(shù)出現(xiàn)了許多新的發(fā)展方向和趨勢，如網(wǎng)絡(luò)機器人技術(shù)、虛擬機器人技術(shù)、協(xié)作機器人技術(shù)、微型機器人技術(shù)和雙足步行機器人技術(shù)等。人們普遍認為，機器人技術(shù)將成為緊隨計算機技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后的又一次重大的技術(shù)革命，它很可能將世界推向科學(xué)技術(shù)的新時代[3]。
1.3 兩足機器人的優(yōu)點及國內(nèi)外研究概況
1.3.1 雙足機器人的優(yōu)點
首先，雙足步行的移動方式在地面不平整或其它惡劣條件下(如充滿障礙物)比其他方式要靈活得多，具有更好的機動性。研究仿人形雙足步行機器人，以代替人類在核電站、太空、海底及其它危害人類身心健康的復(fù)雜極端環(huán)境中工作，將大大拓展人類的活動空間。
其次，雙足步行機器人的步行系統(tǒng)是一個內(nèi)在的不穩(wěn)定系統(tǒng)，其動力學(xué)特性非常復(fù)雜，具有多變量、強耦合、非線性和變結(jié)構(gòu)的特點。因此，它是控制理論和控制工程領(lǐng)域的一個極好的研究對象，開展雙足步行技術(shù)的研究，必然推動控制理論的發(fā)展和控制技術(shù)的進步。
再次，步行是人類的一種基本活動能力，但有相當數(shù)量的人因為疾病或意外事故失去了這種能力，雙足步行技術(shù)的發(fā)展會促進動力型假肢的研制，將有可能解決截癱病人和小兒麻痹癥患者的行走問題，為康復(fù)醫(yī)學(xué)做出貢獻。對機器人雙足動態(tài)行走機理的深入研究也使我們更深刻地理解人類活動的內(nèi)在本質(zhì)，有助于生物醫(yī)學(xué)工程和體育運動科學(xué)的發(fā)展。
1.3.2 雙足機器人的步態(tài)特點及研究意義
步態(tài)規(guī)劃是雙足機器人失衡檢測與控制的基礎(chǔ)及預(yù)備性工作，也是雙足步行機器人的一項重要內(nèi)容。所謂的步態(tài)，是指在步行過程中，步行本體的身體各部位在時序和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系；步態(tài)規(guī)劃就是給出機器人各關(guān)節(jié)位置與時間的關(guān)系，是雙足步行機器人研制中的一項關(guān)鍵技術(shù)，也是難點之一。步態(tài)規(guī)劃的好壞將直接影響到雙足步行機器人的行走穩(wěn)定性、美觀性以及各關(guān)節(jié)所需驅(qū)動力矩的大小等多個方面，已經(jīng)成為雙足步行機器人領(lǐng)域的研究熱點。基于上述原因，本課題擬進行雙足機器人步行穩(wěn)定性研究，研制具有高度穩(wěn)定性的雙足步行機器人平臺，為進一步的行走機器人失衡檢測及控制技術(shù)研制奠定基礎(chǔ)。
1.3.3 國外研究概況
雙足機器人的研制開始于上世紀60年代末，雖然只有四十多年的歷史。然而，兩足機器人的研究工作進展迅速，國內(nèi)外許多學(xué)者正從事于這一領(lǐng)域的研究，如今已成為機器人技術(shù)領(lǐng)域的主要研究方向之一。
步行的穩(wěn)定性是兩足機器人的難點和關(guān)鍵，南斯拉夫?qū)W者MemoirVakobrativitch于1969年提出的ZMP(Zero Moment Point)理論較好地解決了動態(tài)步行穩(wěn)定性判斷問題。ZMP點，即零力矩點，是雙足機器人所受重力、慣性力及地面反力三者合力矢的延長線與地面的交點。雙足機器人一只腳著地時，ZMP點必須落在腳掌的范圍內(nèi)；雙腳著地時，則位于兩只腳掌形成的凸多邊形內(nèi)。在ZMP點，機器人所受的側(cè)向力和力矩都為零。
1971年，英國人I ...
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