本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第1頁共28頁1緒論1.1引言什么是機器人呢?在國際上，關(guān)于機器人的定義很多，出發(fā)點各不相同，有的強調(diào)工業(yè)機器人特征，有的側(cè)重于智能機器人。美國機器人協(xié)會認為“機器人是一種用于移動各種材料、零件的工具或?qū)Ｓ醚b置；是通過程序動作來執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能操作機”，顯然該定義指的是工業(yè)機器人，國際標準化組織(ISO)也有類似的定義。日本工業(yè)機器人協(xié)會(JIRA)定義機器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行裝置的且能夠完成各種移動來代替人類勞動的通用機器。有些定義直接把機器人分為工業(yè)機器人和智能機器人兩種情況來解釋，認為工業(yè)機器人是“一種能夠執(zhí)行與人的上肢(手和臂)類似動作的多功能機器”，智能機器人是“一種具有感覺和識別能力，并能夠控制自身行為的機器”。我國的蔣新松院士曾建議把機器人定義為“一種擬人功能的機械電子裝置”。盡管定義各不相同，但有共同之處，即認為機器人應(yīng)具有下列特征:（1）像人或人的上肢，并能模仿人的動作；（2）具有智力或感覺與識別能力；（3）是人造的機械或機械電子裝置。當(dāng)然，隨著機器人的進化和其智能的發(fā)展，這些定義很難涵蓋其本質(zhì)，有必要修改1。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Consolidatedcontry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“示教一再現(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。目前的各本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第2頁共28頁類工業(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(dāng)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。機器人技術(shù)己成為當(dāng)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?？梢灶A(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。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2。1.3雙足機器人的優(yōu)點及國內(nèi)外研究概況1.3.1雙足步行機器人的優(yōu)點機器人是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物，因為人們總是設(shè)法讓機器來代替人的繁重工作，從而發(fā)明了各種各樣的機器。機器的發(fā)展和其它事物一樣，遵循著由低級到高級的發(fā)展規(guī)律，機器發(fā)展的最高形式必然是機器人。而機器人發(fā)展的最高目標是制造出像人一樣可以行走和作業(yè)的機器人，也就是擬人機器人。因為它具有良好的環(huán)境適應(yīng)性，并且這種優(yōu)秀品質(zhì)在高低不平的路面上以及具有障礙物的空間里更加突出，所以與之相關(guān)的問題己經(jīng)成為研究熱點。擬人機器人的研制工作開始于20世紀60年本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第3頁共28頁代，短短的幾十年時間內(nèi)，其研制工作進展迅速。步行機器人的研制工作是其中一項重要內(nèi)容。目前，機器人的移動方式主要包括輪式、履帶式、爬行式、蠕動式以及步行等方式。對輪式和履帶式移動機器人的研究主要集中在自主運動控制上，如避障路徑規(guī)劃等。這兩種機器人過分依賴于周圍環(huán)境，應(yīng)用范圍受限。爬行和蠕動式機器人主要用于管道作業(yè)，具有良好的靜動態(tài)穩(wěn)定性，但速度較低。常見的步行機器人有雙足、四足和六足等情況。自然界事實、仿生學(xué)以及力學(xué)分析表明:在具有許多優(yōu)點的步行機器人中，雙足步行機器人因其體積相對較小，對非結(jié)構(gòu)性環(huán)境具有較好的適應(yīng)性，避障能力強，移動盲區(qū)很小等優(yōu)良的移動品質(zhì)，格外引人注目。首先，對于支撐路面，雙足步行機器人的要求很低，理論上只需要分散的、孤立的支撐點，就可以通過機器人自行選擇最佳的支撐點，獲得最佳的移動性能。而輪式移動機器人通常要求連續(xù)的、硬質(zhì)的支撐路面，對于惡劣的支撐路面，它只能被動的適應(yīng)。其次，在存在障礙物的情況下，雙足步行機器人能夠跨越與自身腿長相當(dāng)?shù)恼系K物，甚至跳越障礙，而輪式移動機器人僅能滾越尺寸小于輪子半徑的障礙物。機器人力學(xué)計算表明，足式步行機器人的能耗通常低于輪式和履帶式7。1.3.2雙足步行機器人的步行特點及研究意義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(dāng)具有的最大的特征之一是步行功能”。一般說來，機器人的步行方式有兩種，即靜態(tài)步行與動態(tài)步行。靜態(tài)步行是指低速步行，不考慮慣性力，機器人在行走過程中只需要滿足靜力平衡條件，即重心要始終保持在支撐腳區(qū)域內(nèi):動態(tài)步行與之不同，必須考慮慣性力的影響，行走過程中要滿足動態(tài)平衡，即控制系統(tǒng)的零力矩點(zMP)始終在支撐腳的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。動態(tài)步行具有速度快效率高等優(yōu)點。靜態(tài)步行可以看作動態(tài)步行的特例。和輪式、履帶式、爬行式、蠕動式等機器人相比，雙足步行機器人在具有上述難以取代的優(yōu)越性的同時，也存在很多的技術(shù)難關(guān)，穩(wěn)定步行和高速運動都困難的。雙足步行機器人系統(tǒng)存在著高階、強耦合、多變量及非線性等特性，這些特性使得雙足步行機器人的運動學(xué)和動力學(xué)的精確求解非常困難，而且也沒有十分理想的理論或方法來求解逆運動學(xué)和動力學(xué)解析解，只有外加一些限制條件，如能量消耗最小，峰值力矩最小來求解運動學(xué)和動力學(xué)的近似解，這往往導(dǎo)致了機器人的規(guī)劃運動與實際運動有較大的出入。所以，迄今為止雙足步行機器人還是以“靜步行”為主，特點是步速較低、步幅較小，其運動性能與人類相比還相距甚遠。由于步行機器人的發(fā)展受到機構(gòu)學(xué)、材料學(xué)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文）第4頁共28頁人工智能、數(shù)學(xué)方法、仿生學(xué)等學(xué)科發(fā)展程度的制約，還處于實驗室研制階段，距離真正意義上的擬人機器人還有相當(dāng)?shù)木嚯x10。在這一領(lǐng)域內(nèi)還有許多的問題等待我們?nèi)ソ鉀Q。雙足步行是生物界最難的動作，它的完美實現(xiàn)必然要求機器人在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面產(chǎn)生巨大的變革和創(chuàng)新，從而有力地推動相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。同時，雙足步行機器人具有多關(guān)節(jié)、多驅(qū)動、多傳感器，而且具有冗余自由度，這給控制研究帶來很大困難，也相應(yīng)的給各種控制策略和優(yōu)化方法提供了理想的試驗平臺，因此，對雙足步行機器人的研究具有很高的理論價值，引起國內(nèi)外無數(shù)專家學(xué)者的矚目4。為了促進機器人技術(shù)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(xué)會機器人競賽工作委員會和科技部高技術(shù)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就是為了促進雙足步行機器人的發(fā)展而設(shè)立的。由于步行機器人的實現(xiàn)目前還存在很多技術(shù)難題，前幾屆由中國科技大學(xué)主辦的舞蹈機器人大賽基本上是以輪式機器人為主，還沒有出現(xiàn)步行機器人參賽。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一項重要內(nèi)容就是步態(tài)規(guī)劃。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?；谏鲜鲈?，本課題擬進行雙足步行機器人的步態(tài)規(guī)劃研究，研制具有高度穩(wěn)定性的雙足步行機器人平臺，為進一步的擬人機器人研制奠定基礎(chǔ)。1.3.3國外研究概況擬人機器人的研究是一個很誘人、難度很大的研究課題。關(guān)于這方面的研究日本走在了世界的前列。早稻田大學(xué)理工學(xué)部1973年建立了“人格化機器人”研究室，曾開發(fā)出不少擬人機器人系統(tǒng)。例如會演奏鋼琴的機器人、雙足步行機器人以及電動假肢等。該研究室的帶頭人高西淳夫教授說: