雙足智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).doc

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1、431引言機(jī)器人是作為現(xiàn)代高新技術(shù)的重要象征和發(fā)展結(jié)果，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，并正在給人類傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式帶來革命性的變化，影響著人們生活的方方面面。對(duì)于步行機(jī)器人來說，它只需要模仿人在特殊情況下(平地或己知障礙物)完成步行動(dòng)作，這個(gè)條件雖然可以使機(jī)器人的骨骼機(jī)構(gòu)大大降低和簡(jiǎn)化，但也不是說這個(gè)系統(tǒng)就不復(fù)雜了，其步行動(dòng)作一樣是高度自動(dòng)化的運(yùn)動(dòng)，需要控制機(jī)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜而巧妙地協(xié)調(diào)各個(gè)關(guān)節(jié)上的動(dòng)作。雙足機(jī)器人的研究工作開始于上世紀(jì)60年代末，只有三十多年的歷史，然而成績(jī)斐然。如今已成為機(jī)器人領(lǐng)域主要研究方向之一。最早在1968年，英國(guó)的Mosher．R試制了一臺(tái)名為“Ri

2、g”的操縱型雙足步行機(jī)器人[1]，揭開了雙足機(jī)器人研究的序幕。該機(jī)器人只有踝和髖兩個(gè)關(guān)節(jié)，操縱者靠力反饋感覺來保持機(jī)器人平衡。1968~1969年間，南斯拉夫的M.Vukobratovic提出了一種重要的研究雙足機(jī)器人的理論方法，并研制出全世界第一臺(tái)真正的雙足機(jī)器人。雙足機(jī)器人的研制成功，促進(jìn)了康復(fù)機(jī)器人的研制。隨后，牛津大學(xué)的Witt等人也制造了一個(gè)雙足步行機(jī)器人，當(dāng)時(shí)他們的主要目的是為癱瘓者和下肢殘疾者設(shè)計(jì)使用的輔助行走裝置。這款機(jī)器人在平地上走得很好，步速達(dá)0.23米/秒。日本加藤一郎教授于1986年研制出WL－12型雙足機(jī)器人。該機(jī)器人通過軀體運(yùn)動(dòng)來補(bǔ)償下肢的任意運(yùn)

3、動(dòng),在軀體的平衡作用下，實(shí)現(xiàn)了步行周期1.3秒，步幅30厘米的平地動(dòng)態(tài)步行。法國(guó)Poitiers大學(xué)力學(xué)實(shí)驗(yàn)室和國(guó)立信息與自動(dòng)化研究所INRIA機(jī)構(gòu)共同開發(fā)了一種具有15個(gè)自由度的雙足步行機(jī)器人BIP2000，其目的是建立一整套具有適應(yīng)未知條件行走的雙足機(jī)器人系統(tǒng)。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。此外，英國(guó)、蘇聯(lián)、南斯拉夫、加拿大、意大利、德國(guó)、韓國(guó)等國(guó)家，許多學(xué)者在行走機(jī)器人方面也做出了許多工作。國(guó)內(nèi)雙足機(jī)器人的研制工作起步較晚。1985年以來，相繼有幾所高校進(jìn)行了這方面的研究并取得了一定的成果。哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1985年開始研制雙

4、足步行機(jī)器人，迄今為止已經(jīng)完成了三個(gè)型號(hào)的研制工作。其中HIT－Ⅲ為12個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)了靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行，能夠完成前／后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺(tái)階及上斜坡等動(dòng)作。目前，該校正致力于功能齊全的雙足機(jī)器人HIT－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(gè)自由度。國(guó)防科技大學(xué)也進(jìn)行了這方面的研究。在1989年研制成功了一臺(tái)雙足行走機(jī)器人，這臺(tái)機(jī)器人具有1043個(gè)自由度，能完成靜態(tài)步行和動(dòng)態(tài)步行。國(guó)防科技大學(xué)還將工業(yè)機(jī)器人的軌跡示教方法用到了兩足步行機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃中，形成了步行機(jī)器人的步態(tài)示教規(guī)劃技術(shù)。值得一提的是，北京理工大學(xué)研制成功我國(guó)首例擬人機(jī)器

5、人BRH-01，該機(jī)器人身高1.58米，體重76公斤，具有32個(gè)自由度，每小時(shí)能夠行走1公里，步幅0.33米。除了能打太極拳，這個(gè)機(jī)器人還會(huì)騰空行走，并能根據(jù)自身的平衡狀態(tài)和地面高度變化，實(shí)現(xiàn)未知路面的穩(wěn)定行走。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(guó)雙足機(jī)器人研究已經(jīng)跨入世界先進(jìn)行列。國(guó)內(nèi)其它院校如清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等高等院校也在近幾年投入了相當(dāng)?shù)娜肆Α⑽锪ΓM(jìn)行智能雙足機(jī)器人的研制工作。我校也開始了這方面的研究工作，不過我們的工作處于研究的初級(jí)階段。為了促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)在我國(guó)的發(fā)展，全國(guó)各地尤其是部分高校舉辦了各種類型的機(jī)器人

6、大賽。中國(guó)機(jī)器人大賽是由中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)機(jī)器人競(jìng)賽工作委員會(huì)和科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心主辦的一個(gè)全國(guó)性的賽事。其中最為引人矚目的舞蹈機(jī)器人項(xiàng)目，足球機(jī)器人項(xiàng)目就是為了促進(jìn)雙足步行機(jī)器人的發(fā)展而設(shè)立的。由于步行機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)目前還存在很多技術(shù)難題，前幾屆全國(guó)機(jī)器人大賽基本上是以輪式機(jī)器人為主，步行機(jī)器人參賽才被列入議程不久。由此可見，雙足步行機(jī)器人的發(fā)展還有一段很長(zhǎng)的路要走。研制雙足步行機(jī)器人的重要內(nèi)容是對(duì)其進(jìn)行建模分析、步態(tài)規(guī)劃、控制分析等?；谏鲜鲈?，本課題擬進(jìn)行雙足步行機(jī)器人的基本設(shè)計(jì)與研究，研制具有高度穩(wěn)定性的雙足步行機(jī)器人平臺(tái)，為研究得后續(xù)工作和進(jìn)一步的擬人機(jī)器人研制

7、奠定基礎(chǔ)，所設(shè)計(jì)的機(jī)器人以ATmega1280單片機(jī)微控制器為核心技術(shù)芯片，完成行走、下蹲、倒地、起身、前滾翻、后滾翻等簡(jiǎn)單動(dòng)作，同時(shí)通過一些必要的傳感器組件完成其對(duì)前方道路情況的探測(cè)和判斷,以達(dá)到避障效果。2雙足智能機(jī)器人總體分析要設(shè)計(jì)和開發(fā)一個(gè)步行機(jī)器人，首先應(yīng)該對(duì)其進(jìn)行總體分析和設(shè)計(jì)，確定步行機(jī)器人的功能、基本結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)配置等。2.1功能定位這款機(jī)器人不僅能夠滿足實(shí)驗(yàn)室科研的需要，而且應(yīng)該是一款很適合學(xué)生參與、研究、學(xué)習(xí)的機(jī)器人，能夠滿足互相學(xué)習(xí)的需要?，F(xiàn)在希望制作出一個(gè)成本相對(duì)較低的機(jī)器人，研制雙足步行機(jī)器