畢業(yè)設計（論文）-雙足智能機器人的設計與實現(xiàn)

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1、1引言機器人是作為現(xiàn)代高新技術的重要象征和發(fā)展結果，已經(jīng)廣泛應用于國民生產(chǎn)的各個領域，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。對于步行機器人來說，它只需要模仿人在特殊情況下(平地或己知障礙物)完成步行動作，這個條件雖然可以使機器人的骨骼機構大大降低和簡化，但也不是說這個系統(tǒng)就不復雜了，其步行動作一樣是高度自動化的運動，需要控制機構進行復雜而巧妙地協(xié)調(diào)各個關節(jié)上的動作。雙足機器人的研究工作開始于上世紀60年代末，只有三十多年的歷史，然而成績斐然。如今已成為機器人領域主要研究方向之一。最早在1968年，英國的Mosher．R試制

2、了一臺名為“Rig”的操縱型雙足步行機器人[1]，揭開了雙足機器人研究的序幕。該機器人只有踝和髖兩個關節(jié)，操縱者靠力反饋感覺來保持機器人平衡。1968~1969年間，南斯拉夫的M.Vukobratovic提出了一種重要的研究雙足機器人的理論方法，并研制出全世界第一臺真正的雙足機器人。雙足機器人的研制成功，促進了康復機器人的研制。隨后，牛津大學的Witt等人也制造了一個雙足步行機器人，當時他們的主要目的是為癱瘓者和下肢殘疾者設計使用的輔助行走裝置。這款機器人在平地上走得很好，步速達0.23米/秒。日本加藤一郎教授于1986年研制出WL－12型雙足機器人。該

3、機器人通過軀體運動來補償下肢的任意運動,在軀體的平衡作用下，實現(xiàn)了步行周期1.3秒，步幅30厘米的平地動態(tài)步行。法國Poitiers大學力學實驗室和國立信息與自動化研究所INRIA機構共同開發(fā)了一種具有15個自由度的雙足步行機器人BIP2000，其目的是建立一整套具有適應未知條件行走的雙足機器人系統(tǒng)。它們采用分層遞解控制結構，使雙足機器人實現(xiàn)站立、行走、爬坡和上下樓梯等。此外，英國、蘇聯(lián)、南斯拉夫、加拿大、意大利、德國、韓國等國家，許多學者在行走機器人方面也做出了許多工作。國內(nèi)雙足機器人的研制工作起步較晚。1985年以來，相繼有幾所高校進行了這方面的研究

4、并取得了一定的成果。哈爾濱工業(yè)大學自1985年開始研制雙足步行機器人，迄今為止已經(jīng)完成了三個型號的研制工作。其中HIT－Ⅲ為12個自由度，實現(xiàn)了靜態(tài)步行和動態(tài)步行，能夠完成前／后行、側行、轉彎、上下臺階及上斜坡等動作。目前，該校正致力于功能齊全的雙足機器人HIT－Ⅳ的研制工作，新機器人包括行走機構、上身及髖部執(zhí)行機構，初步設定32個自由度。國防科技大學也進行了這方面的研究。在198944年研制成功了一臺雙足行走機器人，這臺機器人具有10個自由度，能完成靜態(tài)步行和動態(tài)步行。國防科技大學還將工業(yè)機器人的軌跡示教方法用到了兩足步行機器人的步態(tài)規(guī)劃中，形成了步行

5、機器人的步態(tài)示教規(guī)劃技術。值得一提的是，北京理工大學研制成功我國首例擬人機器人BRH-01，該機器人身高1.58米，體重76公斤，具有32個自由度，每小時能夠行走1公里，步幅0.33米。除了能打太極拳，這個機器人還會騰空行走，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)等方面實現(xiàn)了重大突破，標志著我國雙足機器人研究已經(jīng)跨入世界先進行列。國內(nèi)其它院校如清華大學、上海交通大學、北京航空航天大學等高等院校也在近幾年投入了相當?shù)娜肆?、物力，進行智能雙足機器人的研制工作。我校也開始了這方面的研究工作，不過我們的工作

6、處于研究的初級階段。為了促進機器人技術在我國的發(fā)展，全國各地尤其是部分高校舉辦了各種類型的機器人大賽。中國機器人大賽是由中國自動化學會機器人競賽工作委員會和科技部高技術研究發(fā)展中心主辦的一個全國性的賽事。其中最為引人矚目的舞蹈機器人項目，足球機器人項目就是為了促進雙足步行機器人的發(fā)展而設立的。由于步行機器人的實現(xiàn)目前還存在很多技術難題，前幾屆全國機器人大賽基本上是以輪式機器人為主，步行機器人參賽才被列入議程不久。由此可見，雙足步行機器人的發(fā)展還有一段很長的路要走。研制雙足步行機器人的重要內(nèi)容是對其進行建模分析、步態(tài)規(guī)劃、控制分析等?；谏鲜鲈?，本課題擬

7、進行雙足步行機器人的基本設計與研究，研制具有高度穩(wěn)定性的雙足步行機器人平臺，為研究得后續(xù)工作和進一步的擬人機器人研制奠定基礎，所設計的機器人以ATmega1280單片機微控制器為核心技術芯片，完成行走、下蹲、倒地、起身、前滾翻、后滾翻等簡單動作，同時通過一些必要的傳感器組件完成其對前方道路情況的探測和判斷,以達到避障效果。2雙足智能機器人總體分析要設計和開發(fā)一個步行機器人，首先應該對其進行總體分析和設計，確定步行機器人的功能、基本結構和系統(tǒng)配置等。2.1功能定位這款機器人不僅能夠滿足實驗室科研的需要，而且應該是一款很適合學生參與、研究、學習的機器人，能夠

8、滿足互相學習的需要?，F(xiàn)在希望制作出一個成本相對較低的機器人，研制雙足步行機器人能