行走機器人設計實(shí)習報告
隨著(zhù)個(gè)人素質(zhì)的提升，越來(lái)越多的事務(wù)都會(huì )使用到報告，不同的報告內容同樣也是不同的。我敢肯定，大部分人都對寫(xiě)報告很是頭疼的，以下是小編為大家整理的行走機器人設計實(shí)習報告，歡迎大家借鑒與參考，希望對大家有所幫助。
一．緒論
1.1機器人的發(fā)展背景與前瞻與課程設計內容
近年來(lái)，隨著(zhù)社會(huì )飛速發(fā)展，機器人的研究及應用得到迅速發(fā)展，因其在教育，醫療，軍事，工業(yè)等領(lǐng)域的巨大應用，因此得到許多國內外科學(xué)家的關(guān)注。
機器人在以后社會(huì )快速發(fā)展的過(guò)程中會(huì )起著(zhù)越來(lái)越重要的作用。相信在不久的將來(lái)機器人將會(huì )取代繁重的人力勞動(dòng)，使勞動(dòng)者的人身安全得到保障。同時(shí)機器人的發(fā)展也將為以后的社會(huì )發(fā)展奠定良好的基礎。
雙足機器人不僅具有廣闊的工作空間，而且對步行環(huán)境要求很低，能適應各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，其步行性能是其它步行結構無(wú)法比擬的。研究雙足行走機器人具有重要的意義。
1、主要內容：
1）、控制系統軟硬件設計與仿真；
2）、六自由度機器人運動(dòng)控制。
2、訓練形式
學(xué)生以小組為單位，集體討論確定整體方案；指導教師給出實(shí)訓方向，技術(shù)指標等，協(xié)助學(xué)生完成訓練任務(wù)。
二.實(shí)習任務(wù)
這次機電一體化綜合訓練Ⅲ包含兩部分內容。一是分組選題完成實(shí)習要求；二是開(kāi)發(fā)性設計。本報告書(shū)將從整體上分為兩部分對本次實(shí)習的要求進(jìn)行匯報。完成對六自由度機器人的組裝、調試以及實(shí)現預定的功能。
三.實(shí)習要求
要使六自由度機器人實(shí)現人類(lèi)的一些動(dòng)作，那么六自由度機器人必須有它的獨特性。事實(shí)上，關(guān)于運動(dòng)靈活性，人類(lèi)大約擁有四百個(gè)左右的自由度。因此，機器人的關(guān)節的選擇、自由度的確定是很必要的，步行機器人自由度的配置對其結構有很大影響。自由度越少，結構越簡(jiǎn)單，可實(shí)現功能越少，控制起來(lái)相對簡(jiǎn)單；自由度越多，結構越復雜，可實(shí)現功能越多，控制過(guò)程相對復雜。
自由度的配置必須合理:首先分析一下步行機器人的運動(dòng)過(guò)程(向前)和行走步驟:重心右移(先右腿支撐)、左腿抬起、左腿放下、重心移到雙腿中間、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到雙腿間，共分8個(gè)階段。從機器人步行過(guò)程可以看出:機器人向前邁步時(shí)，髖關(guān)節與踝關(guān)節必須各自配置有1個(gè)自由度以配合實(shí)現支撐腿、上軀體的移動(dòng)和實(shí)現重心轉移。另外膝關(guān)節處配置1個(gè)俯仰自由度能夠調整擺動(dòng)腿的著(zhù)地高度，保證步行時(shí)落足平穩。這樣最終決定髖關(guān)節配置1個(gè)自由度，膝關(guān)節配置1個(gè)俯仰自由度，踝關(guān)節配置有1個(gè)偏轉自由度。這樣，每條腿配置3個(gè)自由度，兩條腿共6個(gè)自由度。髖關(guān)節和膝關(guān)節俯仰自由度共同協(xié)調動(dòng)作可完成機器人的在縱向平面(前進(jìn)方向)內的直線(xiàn)行走功能；踝關(guān)節的偏轉自由度協(xié)調動(dòng)作可實(shí)現在橫向平面內的重心轉移功能。步行運動(dòng)中普遍存在結構對稱(chēng)性。運動(dòng)的對稱(chēng)性和腿機構的對稱(chēng)性之間存在相互關(guān)系。在單足支撐階段，對稱(chēng)性的機身運動(dòng)要求腿部機構也是對稱(chēng)的。根據這點(diǎn)，在結構設計時(shí)也采用對稱(chēng)性布置。
四．工作原理
4.1六自由度機器人的工作原理
六自由度運動(dòng)平臺是由六支作動(dòng)筒，上、下各六只萬(wàn)向鉸鏈和上、下兩個(gè)平臺組成，下平臺固定在基礎上，借助六支作動(dòng)筒的伸縮運動(dòng)，完成上平臺在空間六個(gè)自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運動(dòng)，.從而可以模擬出各種空間運動(dòng)姿態(tài)�？蓮V泛應用到各種訓練模擬器如飛行模擬器、艦艇模擬器、海軍直升機起降模擬平臺、坦克模擬器、汽車(chē)駕駛模擬器、火車(chē)駕駛模擬器、地震模擬器以及動(dòng)感電影、娛樂(lè )設備等領(lǐng)域，甚至可用到空間宇宙飛船的對接，空中加油機的加油對接中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動(dòng)機床、靈巧機器人等。由于六自由度運動(dòng)平臺的研制，涉及機械、液壓、電氣、控制、計算機、傳感器，空間運動(dòng)數學(xué)模型、實(shí)時(shí)信號傳輸處理、圖形顯示、動(dòng)態(tài)仿真等等一系列高科技領(lǐng)域，因而六自由度運動(dòng)平臺的.研制變成了高等院校、研究院所在液壓和控制領(lǐng)域水平的標志性象征。六自由度運動(dòng)平臺是傳動(dòng)及控制技術(shù)領(lǐng)域的皇冠級產(chǎn)品，掌握了它，在傳動(dòng)和控制領(lǐng)域基本上就沒(méi)有了難題。
4.2機器人的工作原理
按照目前最寬泛的定義，如果某樣東西被許多人認為是機器人，那么它就是機器人。許多機器人專(zhuān)家（制造機器人的人）使用的是一種更為精確的定義。他們規定，機器人應具有可重新編程的大腦（一臺計算機），用來(lái)移動(dòng)身體。
根據這一定義，機器人與其他可移動(dòng)的機器（如汽車(chē)）的不同之處在于它們的計算機要素。許多新型汽車(chē)都有一臺車(chē)載計算機，但只是用它來(lái)做微小的調整。駕駛員通過(guò)各種機械裝置直接控制車(chē)輛的大多數部件。而機器人在物理特性方面與普通的計算機不同，它們各自連接著(zhù)一個(gè)身體，而普通的計算機則不然。
大多數機器人確實(shí)擁有一些共同的特性。首先，幾乎所有機器人都有一個(gè)可以移動(dòng)的身體。有些擁有的只是機動(dòng)化的輪子，而有些則擁有大量可移動(dòng)的部件，這些部件一般是由金屬或塑料制成的。與人體骨骼類(lèi)似，這些獨立的部件是用關(guān)節連接起來(lái)的。
工業(yè)機器人專(zhuān)門(mén)用來(lái)在受控環(huán)境下反復執行完全相同的工作。例如，某部機器人可能會(huì )負責給裝配線(xiàn)上傳送的花生醬罐子擰上蓋子。為了教機器人如何做這項工作，程序員會(huì )用一只手持控制器來(lái)引導機器臂完成整套動(dòng)作。機器人將動(dòng)作序列準確地存儲在內存中，此后每當裝配線(xiàn)上有新的罐子傳送過(guò)來(lái)時(shí)，它就會(huì )反復地做這套動(dòng)作。
大多數工業(yè)機器人在汽車(chē)裝配線(xiàn)上工作，負責組裝汽車(chē)。在進(jìn)行大量的此類(lèi)工作時(shí)，機器人的效率比人類(lèi)高得多，因為它們非常精確。無(wú)論它們已經(jīng)工作了多少小時(shí)，它們仍能在相同的位置鉆孔，用相同的力度擰螺釘。制造類(lèi)機器人在計算機產(chǎn)業(yè)中也發(fā)揮著(zhù)十分重要的作用。它們無(wú)比精確的巧手可以將一塊極小的微型芯片組裝起來(lái)。
4.3舵機的驅動(dòng)原理
舵機的工作原理。舵機常用的控制信號是一個(gè)周期為20毫秒左右，寬度為1毫秒到2毫秒的脈沖信號。當舵機收到該信號后，會(huì )馬上激發(fā)出一個(gè)與之相同的，寬度為1.5毫秒的負向標準的中位脈沖。之后二個(gè)脈沖在一個(gè)加法器中進(jìn)行相加得到了所謂的差值脈沖。輸入信號脈沖如果寬于負向的標準脈沖，得到的就是正的差值脈沖。如果輸入脈沖比標準脈沖窄，相加后得到的肯定是負的脈沖。此差值脈沖放大后就是驅動(dòng)舵機正反轉動(dòng)的動(dòng)力信號。舵機電機的轉動(dòng)，通過(guò)齒輪組減速后，同時(shí)驅動(dòng)轉盤(pán)和標準脈沖寬度調節電位器轉動(dòng)。直到標準脈沖與輸入脈沖寬度完全相同時(shí)，差值脈沖消失時(shí)才會(huì )停止轉動(dòng)！，這就是舵機的工作原理。
五．機器人行走的實(shí)現
雙足機器人的行走要取決于步態(tài)規劃，步態(tài)規劃的好壞將直接影響到機器人行走過(guò)程中的穩定性、所需驅動(dòng)力矩的大小以及姿態(tài)的美觀(guān)性等多個(gè)方面，同時(shí)它也直接影響到控制方法及其實(shí)現的難易程度。
5.1步態(tài)規劃的概念
雙足步行機器人的步態(tài)規劃，是指機器人行走過(guò)程中其各組成部分運動(dòng)軌跡的規劃，比如說(shuō)，腳掌何時(shí)離開(kāi)地面、擺動(dòng)中整個(gè)腳掌在空中的軌跡、何時(shí)落地等。步態(tài)規劃要解決的問(wèn)題主要是保證機器人的穩定性。
5.2步態(tài)規劃的方法
現在使用的步態(tài)規劃方法主要有如下幾種：
1、基于實(shí)驗的規劃方法
這種規劃方法基于力學(xué)的相似原理，基本過(guò)程如下：讓人模仿機器人行走(如果機器人有幾個(gè)自由度，那么人在模仿行走的時(shí)候也盡量只動(dòng)相應的關(guān)節)，同時(shí)對此人的行走過(guò)程進(jìn)行正面和側面的錄像，然后對這些錄像進(jìn)行分析，得到此人在步行過(guò)程各個(gè)主要關(guān)節的角度變化，然后根據力學(xué)相似原理把這些角度相似地推廣到機器人的關(guān)節變化上。
2、基于能量原理的規劃方法
這種方法來(lái)源于一個(gè)生物學(xué)假設：人經(jīng)過(guò)千百萬(wàn)年的進(jìn)化，其行走方式是能量消耗最低的，而且還能保持步行的穩定性。如果機器人也能滿(mǎn)足這個(gè)假設，則其行走方式將與人一樣或很接近。根據能耗最小原則可以建立一個(gè)變分方程，并最終得到機器人的軌跡方程。
3、基于力學(xué)穩定性的規劃方法
在機器人行走過(guò)程中，其ZMP點(diǎn)必須落在某個(gè)區域范圍之內，只有這樣才能保證步行機器人穩定地行走。實(shí)現方法有兩種：‘
a．計算出理想的ZMP軌跡，然后推導出各個(gè)關(guān)節的運動(dòng)函數以實(shí)現理想行走。
b．先大致規劃出雙足和軀干的運動(dòng)軌跡，然后進(jìn)行ZMP計算，最后選出穩定性最好的結果作為控制方程。
相比后兩種方法，第一種方法更易于理解及掌握。所以本文將采用第一種方法，結合人體行走過(guò)程規劃機器人步態(tài)的參數化設計。
5.3步態(tài)設計
進(jìn)行雙足機器人行走動(dòng)作設計。首先分析一下步行機器人的運動(dòng)過(guò)程和行走步驟：
1）行走前進(jìn)：重心右移（右腿支撐）、左腿抬起、邁步左腿放下、重心左移、右腿抬起、邁步右腿放下。依次循環(huán)。
2）停止：將重心移到雙腿之間，雙腿放下。
從機器人步行過(guò)程分析得出：機器人向前邁步時(shí)，髖關(guān)節與踝關(guān)節必須各自配置有1個(gè)自由度以配合實(shí)現支撐腿、上軀體的移動(dòng)和重心轉移。膝關(guān)節處配置一個(gè)自由度能夠調整擺動(dòng)腿的著(zhù)地高度，保證步行時(shí)落足平穩。這樣，最終確定每條腿配置3個(gè)自由度，踝關(guān)節配置1個(gè)偏轉自由度、膝關(guān)節和髖關(guān)節各配置1個(gè)俯仰自由度。步行運動(dòng)中存在結構對稱(chēng)性。運動(dòng)的對稱(chēng)性和腿機構的對稱(chēng)性之間存在相互關(guān)系。步行前進(jìn)時(shí)，對稱(chēng)的機身運動(dòng)要求腿部機構也是對稱(chēng)的，兩條腿共6個(gè)自由度。髖關(guān)節和膝關(guān)節俯仰自由度共同協(xié)調動(dòng)作可完成機器人在縱向平面（前進(jìn)方向）的直線(xiàn)行走功能，踝關(guān)節的偏轉自由度協(xié)調動(dòng)作可實(shí)現在橫向平面內的重心轉移功能。
機器人的前翻跟頭過(guò)程和步驟分析：低頭（髖關(guān)節）、俯身（膝關(guān)節）使頭腳面板同時(shí)著(zhù)地、左腿離地、右腿離地使倒立、兩腿同時(shí)彎膝（膝關(guān)節）、兩腳同時(shí)著(zhù)地（髖關(guān)節），頭離地使重新直立。
小組在調試動(dòng)作中，最后一步機器人頭離地使重新直立這一步，經(jīng)過(guò)小組組員間協(xié)商，找出了解決方法。使一只腳稍微向內側傾斜一點(diǎn)角度，施力幫助機器人的頭部離地，配合兩個(gè)髖關(guān)節的舵機轉動(dòng)角度，最終使得機器人重新站立。
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