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雙足行走機(jī)器人相關(guān)研究
（作者未知） 2009/10/14
摘要：雙足步行機(jī)器人具有仿人的外形和步行方式、廣泛的社會(huì)應(yīng)用前景和多學(xué)科的融合等特點(diǎn)，是機(jī)器人研究中的一個(gè)熱門(mén)領(lǐng)域。針對(duì)雙足機(jī)器人簡(jiǎn)單步行的設(shè)計(jì)要求，提出了一組步態(tài)公式；基于雙足步行機(jī)器人在平面上靜態(tài)行走的特點(diǎn)，并結(jié)合仿生學(xué)的原理設(shè)計(jì)制作了機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)。在力學(xué)分析時(shí)，將步行機(jī)器人簡(jiǎn)化為非閉鏈回轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)相聯(lián)的多桿系統(tǒng)，根據(jù)雙足機(jī)器人靜態(tài)行走的特點(diǎn)，對(duì)機(jī)器人的力學(xué)分析作了簡(jiǎn)化；在控制上采用了以MCS-51單片機(jī)為核心的主從分布式控制；運(yùn)用KeilC設(shè)計(jì)了以C語(yǔ)言為主體內(nèi)嵌入?yún)R編語(yǔ)言的編程結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：雙足步行機(jī)器人,平衡穩(wěn)定性,Pro/ENGINEER虛擬裝配,C51
第一章 緒論
1.1 引言
機(jī)器人是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，仿人型機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。研究仿人型機(jī)器人需要結(jié)合機(jī)械、電子、信息論、人工智能、生物學(xué)以及計(jì)算機(jī)等諸多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)其自身的發(fā)展也促進(jìn)了這些學(xué)科的發(fā)展。雙足步行機(jī)器人是仿人型機(jī)器人的一種。
1959年，世界上誕生了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人，開(kāi)創(chuàng)了機(jī)器人發(fā)展的新紀(jì)元。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，仿人型機(jī)器人的研究與應(yīng)用迅猛發(fā)展。世界著名機(jī)器人專家、日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授說(shuō)過(guò)：“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大特征之一是步行功能”。其中雙足行走是步行方式中自動(dòng)化程度最高、最為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)。偉大的發(fā)明家愛(ài)迪生也曾說(shuō)過(guò)這樣一句話：“上帝創(chuàng)造人類，兩條腿是最美妙的杰作”。雙足步行系統(tǒng)具有非常豐富的動(dòng)力學(xué)特性，對(duì)步行的環(huán)境要求很低，既能在平地上行走，也能在非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜地面上行走，對(duì)環(huán)境有很好的適應(yīng)性。步行功能的具備為擴(kuò)大機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)辟了無(wú)限廣闊的前景。
研究雙足步行機(jī)器人的原因和目的，主要有以下幾個(gè)方面：希望研制出雙足步行機(jī)構(gòu)，使它們能在許多結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)環(huán)境中行走，以代替人進(jìn)行作業(yè)或延伸和擴(kuò)大人類的活動(dòng)領(lǐng)域；希望更多得了解和掌握人類得步行特性，并利用這些特性為人類服務(wù)，例如：人造假肢。雙足步行系統(tǒng)具有豐富的動(dòng)力學(xué)特性，在這方面的研究可以拓寬力學(xué)及機(jī)器人的研究方向；雙足步行機(jī)器人可以作為一種智能機(jī)器人在人工智能中發(fā)揮重要的作用。
科幻小說(shuō)和電影作品中，人們將像人一樣行走、思考、行為的機(jī)器人作為機(jī)器人研究的最高境界�？茖W(xué)工作者也一直將實(shí)現(xiàn)類人行為的機(jī)器人作為工作的最高目標(biāo)去追求。步行機(jī)器人特別是雙足步行機(jī)器人的研究是整個(gè)類人機(jī)器人研究的前奏，是實(shí)現(xiàn)類人機(jī)器人的必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。在具有許多優(yōu)點(diǎn)的步行機(jī)器人中，由于雙足步行機(jī)器人體積較小，所以他們對(duì)環(huán)境有最好的適應(yīng)性。這種機(jī)器人除結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單外，在靜、動(dòng)態(tài)穩(wěn)定步行方面，都是最困難的，但這種困難并不是不能克服。實(shí)用的雙足步行機(jī)器人由兩條腿和平臺(tái)（腰部）組成。腿的作用是為平臺(tái)提供移動(dòng)能力，而平臺(tái)的作用則是提供一個(gè)基礎(chǔ)，以便安裝機(jī)械手、CCD攝像機(jī)、機(jī)載計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和電池等。顯然，這種帶機(jī)械手的雙足步行機(jī)器人外形上更像人，能非常靈活地從事較多的工作。但是，對(duì)于這種雙足步行機(jī)器人來(lái)說(shuō)，平臺(tái)的穩(wěn)定性對(duì)于有效地控制機(jī)械手末端操作器的位置和姿態(tài)是至關(guān)重要的，而兩條腿的步態(tài)又對(duì)平臺(tái)的穩(wěn)定性起決定作用。因此，如何規(guī)劃好腿的步態(tài)，協(xié)調(diào)地控制兩條腿的運(yùn)動(dòng)以保持平臺(tái)及整個(gè)雙足步行機(jī)器人的穩(wěn)定就成為一個(gè)主要問(wèn)題。
雙足步行機(jī)器人可以是很復(fù)雜的系統(tǒng)，當(dāng)然也可以是構(gòu)造簡(jiǎn)單的系統(tǒng)。在這方面，日本的玩具機(jī)器人是很好的例子。例如，日本SONY公司的雙足步行機(jī)器人SDR-3X，身長(zhǎng)只有五十厘米高，但是能實(shí)現(xiàn)比較逼真的類人步行，也可以比較協(xié)調(diào)地跳舞，甚至踢足球(見(jiàn)圖1-1)。日本Tsukuda-original公司地“機(jī)器人朋友PINO”也是一種能抬腿步行地機(jī)器人玩具。在這些機(jī)器人的啟發(fā)下以及所能搜集到的有限資料的基礎(chǔ)上，本文嘗試性地制作了一種類似積木“搭建”而成的雙足步行機(jī)器人，并以之為平臺(tái)進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)、研究，試驗(yàn)用的雙足步行機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)絕大部分采用了模塊的設(shè)計(jì)思想，關(guān)節(jié)之間的連接采用相對(duì)簡(jiǎn)易的形式，電機(jī)采用高力矩伺服舵機(jī)，控制采用單片機(jī)，可以實(shí)現(xiàn)平面上的靜態(tài)行走。
1.2 機(jī)器人的定義和發(fā)展
機(jī)器人的歷史源遠(yuǎn)流長(zhǎng)。我國(guó)西周時(shí)期一名叫偃師的能工巧匠就制造了一個(gè)能歌善舞的木人，這是有據(jù)可考的第一個(gè)“機(jī)器人”。在1800年前的漢朝，張衡造出了舉世聞名的地動(dòng)儀和計(jì)里鼓車。三國(guó)時(shí)期的諸葛亮發(fā)明了木牛流馬。在國(guó)外，公元前2世紀(jì)亞歷山大時(shí)期，古希臘人造出了“自動(dòng)機(jī)”——以水、空氣、蒸氣機(jī)為動(dòng)力源的會(huì)動(dòng)的雕像。[2]
1.2.1 機(jī)器人的定義
雖然機(jī)器人的歷史如此悠久，但直到現(xiàn)在仍無(wú)一個(gè)統(tǒng)一的機(jī)器人定義。其中有兩個(gè)主要原因：一，機(jī)器人學(xué)正在飛速地發(fā)展；二，也是（未完，下一頁(yè)）
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