两足行走机器人头部臂部控制部分设计.docVIP

1 绪论 1.1 课题来源 本课题源于“第一届全国大学生机械创新设计大赛”中两足行走机器人。目前，机器人大多以轮子的形式实现行走功能阶段。真正模仿人类用腿走路的机器人还不多，虽有一些六足、四足机器人涌现，但是两足机器人还是凤毛麟角。在机器人研究领域处于国际领先水平的日本，推出了诸如舞蹈机器人等双足行走机器人，但成千上万的传感器和复杂的控制系统使这类机器人造价非常昂贵。我们这个课题，探索设计仅靠巧妙的机械装置和简单的控制系统就能实现模拟人类行走的机器人。其分功能有：交替迈腿、转弯、摇头、摆大臂、摆小臂。 1.2 课题研究的背景和意义 机器人的出现和应用是人类生产和社会进步的需要，是科学技术发展和生产工具进化的必然。机器人一词最早出现于1920年捷克作家Karel Capek的剧本《罗萨姆的万能机器人》中，在该剧中，机器人“Robota”这个词的本意是指苦力，是剧作家笔下的一个具有人的外表、特征和功能的机器，是一种人造的劳动力。随着现代科技的发展，机器人技术已经广泛应用于人类生活领域，研制具有人类外观特征、可模拟人类行走和其他动作的仿人机器人一直是人类的梦想之一。 机器人是一门综合性很强的科学，有着极其广泛的研究和应用领域。机器人技术是综合了计算机技术、信息融合技术、机构学、传感技术、仿生科学以及人工智能等多学科而形成的高新技术，它不仅涉及到线性、非线性、基于多种传感器信息控制以及实时控制技术，而且还包括复杂机电系统的建模、数字仿真技术及混合系统的控制研究等方面的技术。 仿人机器人是机器人技术中的一个重要研究课题，而双足机器人是仿人机器人研究的前奏。步行技术是人与大多数动物所具有的移动方式，是一种高度自动化的运动，双足步行系统具有非常复杂的动力学特性，对于环境具有很强的适应性，它相对轮式、履带式机器人具有无可比拟的优越性，它可以进入狭窄的作业空间，也可跨越障碍、上下台阶、斜坡及在不平整地面上工作，可以护理老人、康复医学以及在一般家庭的家政服务都可以应用。它适应环境的能力更强，因此具有更加广泛的应用前景。 在机器人的研制中，机器人仿真是机器人研究的一项重要的内容，它涉及机器人机构学、机器人运动学、机器人零件建模、仿真机器人三维实现和机器人的运动控制，是一项综合性有创新意义和实用价值的研究课题。仿真利用计算机可视化和面向对象的手段，模拟机器人的动态特性，帮助研究人员了解机器人工作空间的形态及极限，提示机构的合理运动方案及有效的控制算法，从而解决在机器人设计、制造以及运行过程中的问题，避免了直接操作实体可能会造成的事故或者不必要的损失。仿真也为机器人本体结构方案设计提供参考依据，并在这台机器上模拟能都实现的功能，使用户直接看到设计效果，及时找出缺点和不足进行改进，避免了大量的物力、人力的浪费[1，2]。 1.3 国外仿人机器人的介绍 就机器人而言，美国是最早研究机器人的国家，但日本后来居上，巧妙地将半导体和机械技术结合，从而在机器人这一领域超过了美国，位居世界第一。目前，全世界的机器人80%是日本制造的。仿人机器的研制开始于本世纪60年代末，只有三四十年的历史。然而，仿人机器人的研究工作进展迅速。国内外许多学者正从事于这一领域的研究，如今已成为机器人技术领域的主要研究方向之一。国际上许多国家都在研究，但每个国家都有自己的特色：日本偏向于模拟人的动作，欧洲主要应用在医疗服务方面，美国则主要作军事用途。 1.3.1 HODON仿人机器人 最据有影响力的仿人机器人还是HONDA的仿人机器人。1996年，当HONDA对外界公布其历经10年秘密研制成功的第2代HONDA仿人机器人样机P2(图1.1a)（身高1820mm，体宽600mm，体重210kg，共30个自由度）时，国际机器人学界为之震惊。P2是世界上第一台无缆的仿人机器人，它能行走和上下楼梯。P2的问世将双足步行机器人的研究工作推向了高潮，使本田公司在此领域处于世界绝对的领先的地位。1997年12月本田公司又推出了P3型双足步行机器人（图1.1b），基本上与P2型相似，只是在重量和高度上有所降低(由原来的210kg降为130kg，高度由1800mm降为1600mm)，且使用了新型的镁材料[3]。 2000年，P2和P3的缩小版ASIMO（图1.1c）问世，它身高1200mm，体宽450mm，体重52kg，共26个自由度，不仅可以行走、爬楼梯，识别各种各样的声音，还能通过头部的照相机捕捉到的画面和事先设计好的程序识别人类的各种手势运动以及10种不同的脸型。 仿人机器人实现跑步是划时代的技术。因为跑步时机器人的两脚在某一时段会同时离开地面。目前新一代ASIMO两脚离地时间可达0.08s，跳跃距离达50mm。为控制离地悬空状态下的平衡，本田公司对上肢体控制结构进行了改良，同时身体的扭动