外骨骼机器人设计、控制机理研究
第二十一届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛项目论文
外骨骼机器人设计、控制机理研究
院（系）名称自动化科学与电气工程学院
专业名称自动化
学生姓名刘旭郑博文徐健伟
学号刘旭38030410
郑博文38030423
徐健伟38030518
指导教师刘正华副教授
2011年4月1日
摘要
外骨骼，类似某些动物的外壳，是一种能穿在人身上,提供额外的动力的机械装备，能够实现行动障碍人士的康复训练以及负重行走等功能。它主要分为三个部分：机械部分，软件部分，电气部分。其中机械部分的主要作用是承担负重，保证系统能实现运动的功能；软件部分主要用于整个系统的数据采集、控制信号的发出；电气部分主要用于给系统供电、完成信号采集、发送和运动的功能。我们设计制作了一种外骨骼机器人。本文针对此项作品主要介绍了当前外骨骼机器人的研究现状和本作品的制作背景，阐述了一种负重型外骨骼机器人的设计过程及相关结构。本文是对“外骨骼机器人设计、控制机理研究”作品的比较全面的介绍。
关键词外骨骼，机器人，PID控制，电机控制，虚拟样机
Abstract
Exoskeletons, like the shells of some sorts of animals, are a kind of mechanical equipment that can help the disabled to learn to move normally and provide the users with extra strength to bear more than he can actually do walking or running. In general, it can be divided into three parts, mechanical part, software part and electrical t part. Among these, the mechanical part is used to bear the weight, the software part is to get state data and send out control signal and the electrical part is to power the system, pick signal and move. We have already made a sort of this, and with regard to it, this article is mainly about the previous studying condition and the background of this work. In addition, the procedure of our designing and working with the kind of exoskeletons is specifically described. This article is a comprehensive introduction to our work …The design of a sort of exoskeletons and study of how to control it?.
Abstract Exoskeletons, Robort , PID Control, Motor control, Virtual prototype
目录
1 外骨骼机械结构设计 (2)
2外骨骼电气控制部分设计 (5)
2.1传感器 (5)
2.2动力部件 (5)
2.3能源 (5)
3 软件部分设计 (6)
4 结论 (8)
5参考文献 (9)
1绪论
外骨骼机器人是一种可以穿戴的助力型机器人，主要结构是用于承重的仿人型四肢，通过其特殊结构可以使穿戴它的使用者完成一些仅靠人体自身无法完成的任务，在搬运、救灾、士兵负重行军、医疗等领域都具有广泛的应用前景。通常包括负重型外骨骼机器人和医疗康复型外骨骼机器人。前者用于辅助人的负重，比如在救灾和战争条件下辅助使用者携带重负荷装备以正常速度行进，后者用于医疗，比如卒中及瘫痪病人的标准步态康复训练和辅助残疾人的正常行走。按结构可分为上肢外骨骼系统、下肢外骨骼系统或者两者兼有。
20世纪60年代美国通用电气公司曾经开发出一种名为“Hardiman”的机器手臂，可以使戴上它的使用者轻易举起100千克以上的重物。之后对外骨骼机器人的研制取得了一些进展。近几年，随着相关技术的发展，外骨骼在军事、医疗等方面的应用越来越广泛。日本筑波大学开发出一种能辅助残疾人以4km/h速度自如行走和上下楼梯的商业外骨骼机器人“Hybrid Assistive Limb”；美国“国防远景研究计划署”在加州大学伯克利分校研制出能通过计算将士兵的载荷分配到一对金属钢架仿生腿上的外骨骼机器人“BLEEX”，使穿戴者在行动过程中自身负荷最小；美国洛克希德-马丁公司新型人类外骨骼负重系统“HULC”可以使士兵负重91kg并以正常状态前进。类似的产品还有用于瘫痪病人康复训练的外骨骼系统“Locomat”、“Hapticwalker”等，日本神奈川工科大学、韩国西江大学、新加坡南洋理工大学等地高校也在进行相关研究。
目前该项目的国内的研究状况与国外相比差距较大，只有少数科研院所开展过相关研究工作：如北京航空航天大学研制出用于外科手术的机器人遥操系统；中国科学院研制出一种下肢外骨骼机器人；浙江大学研制出一种气动驱动外骨骼机器人；哈尔滨工业大学、上海交通大学等学校也进行了外骨骼机器人的相关研究。
目前外骨骼研制所要解决的主要内容包括：建立基于生物力学的外骨骼机械结构使人体负重能通过骨架传递到地面并且适于使用者行动；外骨骼软硬件控制平台的实现，包括用于人体步态识别的采样系统、实时控制系统及人机交互的传感器；针对人体步态特征设计高密度能量输出、抗冲击、低能耗的关节力驱动系
统；小型高密度能量供给系统的研制等。
针对目前外骨骼机器人的研究现状我们选择此题目为我们竞赛的对象。本项目的总体思路是：针对负重型的下肢外骨骼系统，设计仿人型机械腿与人体固联，在使用时通过分布于外骨骼的足底力传感器和膝部角度传感器数据获得人体步态参数，将数值通过A/D转换传递至控制系统PC104进行处理，输出控制信号经过D/A转换，驱动两个分别位于左右两腿部的电动机，带动机械腿的运动，从而实现外骨骼对人体步态的跟随。
在本项目的具体技术方案设计中，主要进行了如下四个方面的工作：机械结构设计、电气部分设计、控制算法及控制部件设计、系统调试与完善。本文作为该项目的项目研究论文，从这几个方面比较详细地阐述了此项目的设计方法和制作过程。
2 外骨骼机械结构设计
外骨骼机器人的整体机械结构如图。为使人机在运动中始终保持紧密贴合，完成对人体步态的跟随，我们选择了仿人形结构设计方法，各个部件形式和连接方式和人体腿部结构和关节类似，使其在运动过程中更贴合人体肢体运动形式。其承重部件是机械大腿、机械小腿和机械脚掌。该结构在末端（腰部与足部）进行固联，在大、小腿处采用柔性绑带连接，实现人机间的协同。该方法可以允许人和外骨骼之间具有一定的运动位置误差，避免在运动过程中，由于过度的刚性连接，导致较大的作用力施加在操作者的身上，保证在人与外骨骼运动自由度并不完全吻合的情况下，实现最佳接触效果，维持了人机间合适的连接刚度。在大腿和小腿上都设置了可以调整长度的孔，能通过销钉伸缩；在背架部位设置了可以调节两腿间距离的孔，这两个机构可以根据使用者的体型调节外骨骼使其适合人体运动。在每条腿的足部脚掌、膝关节设置机构为安装力传感器和角度传感器提供空间。大腿上方设计了相关机构，使电机减速器可以和大腿固连。背架后方设置一个箱体，内置PC104及其附属控制电路。具体实物照片如下。整个机械结构采用铝制造并打了减轻孔，以减轻机械重量。本套外骨骼机器人，机械结构设计由本小组成员亲自完成，机械结构预想图和最终实物如图所示。
整体上，本套外骨骼机器人的接卸结构可以分为如下几个部分：大腿（左右），小腿（左右），足底，背架。整体机械结构采用铝合金制造，需要由电机驱动部分（小腿）重量为498克，整体结构（不包含控制箱）总重量约为5千克。
在各个部分的设计中，为了人机在运动过程中始终能保持紧密贴合，同时外骨骼机械结构能实现良好、无干涉的随动运动效果，故此我们选择了仿人形结构设计方法。对于主要关节、弯曲点的选择和设计，都参照着人体真实测量数据；最终的组装和实体穿戴、无干涉的运动效果证实了本套机械结构具有一定的合理性。
对于结构各个部件的功能和连接方式，做如下介绍：
背架
背架的主要起到放置控制箱，固定背带的作用。背
架下端设计有嵌入式的伸长轴，同大腿结构以键连接的
方式连接，并且并排的键孔保证了高度的调节和灵活。
腿部结构
腿部结构由大腿和小腿构成，并且承担着负重和传导力的功能。大腿同背架以可插拔键的形式连接；大腿同小腿在保证转动无干涉的情况下，用螺栓联结；同时考虑到人和外骨骼机械结构之间存在有一定的运动位置误差，并且尽量避免在运动过程中由于过度的刚性联结而到导致的过大的作用力，大腿、小腿分别安装有弹性绷带，穿戴方便，并且同人体绑紧后，实现了人体和外骨骼运动自由度并不完全吻合的情况下，达到最佳接触的效果，维持了人机间合适的连接刚度，也满足了运动过程中的人体姿态动态变化的要求。
在小腿下方同足底连接的设计中，为了便于不同身高的穿戴者进行调整，采用了附加伸长轴的机构方式。该伸长轴上设计有不同高度的定位孔，通过可插拔的销钉同小腿连接，实现高度的调整，以增加穿戴的舒适度。
3外骨骼电气控制部分设计
3.1传感器
由于负重类下肢外骨骼的应用主要是针对户外环境条件下的减轻负重和长距离行走，针对不同的穿戴者和不同步态都要求有一定的适应性，所以本项目中通过设置若干传感器来采集人体行走过程中的相关数据，据此来判断人体运动步态。这些传感器分别是：位于每条腿的足部脚掌的力传感器，通过传感器测得的力的大小数据分析当前步态；分别位于两个膝关节的角度传感器，测量当前摆动期间运动状况。这4个传感器测得的数据是控制计算的数据来源。
3.2动力部件
本项目外骨骼机器人采取直流电动机驱动方式。此种方式成本较低，并且可以获得较好的控制精度以及较好的维护性能和可靠性。动力部件是2个带变速箱的直流电动机。电动机经减速器减速后带动一个滑轮，滑轮上缠绕有金属丝，电动机旋转带动金属丝伸缩，将旋转运动变为直线运动，滑轮金属丝的伸缩可以驱动机械结构中膝关节的旋转，实现外骨骼对人体运动的跟随。
2.3能源
下肢外骨骼机器人能源的可选方法，主要有燃料电池，锂电池，小型内燃机等。本项目采用锂电池。锂电池具有持续供电时间比较长，成本比较低，体积较小的特点。该电池给PC104、电机、力传感器、角度传感器供电。
4 软件部分设计
此项目中的PC104中安装了Windows XP系统，在该系统下利用Visual C++编写程序，上位机为一个综合界面，可进行数据处理并可以显示从角度传感器和足底力传感器传来的数据并实时显示，下位机即为PC104控制的两个直流电动机驱动器。两者之间通过A/D和D/A进行通信，PC104已经装好A/D和D/A的驱动程序，控制信号通过D/A转换为能控制驱动器驱动直流伺服电机的信号，而系统的运行情况通过A/D转换为PC104能够识别的信号。系统定时采集角度传感器的输出角度和足底力传感器显示的压力大小。在实际控制过程中，需将脚底压力的模拟量转换为判断接触与否的开关量，要设置阈值进行判断。由于实际运动过程中存在一些扰动，为避免电机的错误动作只有当压力大小大于一个数值才能认为实现了步态的转换。控制方法上通过状态预判，提前设定控制参数和控制算法，快速实现控制预期目标。人体步态可分为单脚支撑、双脚支撑、双脚支撑一脚冗余四个状态，每个状态对应不同的数据。下图对于其中一条腿的电机控制方法：
其中压力传感器和角度传感器的数据通过在在PC104中的程序里设置一个OnTime函数，定时采集数据，4路数据通过4路A/D输入到PC104进行阈值判断；如果达到阈值，则计算出相应的的角度输出，角度输出的数字量再通过2路A/D转化为相应的模拟量，分别驱动位于两侧的直流电机旋转，从而带动外骨骼机器人跟随人体运动并承担负载。在人匀速行走时电机输出地角位移为一有间隙
的梯形波，图示如下：
此即为两腿在此情况下相互协调时的电机角度输出信号波形。由于负重类下肢外骨骼的应用主要是针对户外环境条件下的减轻负重和长距离行走，针对不同的穿戴者和不同步态都要求有一定的适应性，所以本项目中波形的变化实际是由传感器传来的数据所触发的。综合上述因素，该系统总的控制算法如下：
5 结论
下图为本作品的整体结构图：
角度
力传感器
传感器
图
在上述每一个部分的工作完成之后，我们观察机械结构能否良好地跟随人体运动不产生妨碍，测试数据采集卡对力传感器和角度传感器的采集情况，在只用PC104而不使用传感器采集的数据情况下发送信号控制电机旋转，观察运转情况，确保各部分工作正常的条件下将各部分组装，进行下一步调试。经过调试，此作品能够实现采集人体运动参数、数据处理、发送信号、控制电机运动等功能，实现了外骨骼机器人对人体运动的跟随。
6参考文献
《人体下肢外骨骼设计与仿真分析》赵彦峻，徐诚，系统仿真学报，2008.9
基于云的机器人问答系统设计与实现
第五届“挑战杯，中国联通 安徽省大学生课外学术科技作品竞赛 研究报告 基于云的机器人问答系统设计与实现 薛建 2013年4月 目录 一、序言^ 1 1. 1研究背景^ 1 1.1.1人机交互技术^ 1 1.1.2自然语言识别技术^ 2 1.2国内外研究现状分析^ 3 二、系统设计^ 4 2^
1设计思路^ 4 2’ 1. 1机器人隱0 ^ 5 2‘ 1. 2讯飞语音云^ 5 2.1.3百度问答服务云 ^ 6 2.2详细设计^ 7 2.2^ 1机器人隱0模块^ 7 2.2.2讯飞语音云模 块^ 9 2.2.3百度问答服务云模块^ 10 三、系统性能分析^ 12 四、应用前景与展望未来^ 13 五、参考文献^ 14
一、序言 随着机器人技术和人工智能研究的发展，越来越多的智能机器人进入到人们的日常生活当中，但是目前人与机器人之间的交互仍然主要是通过按钮、开关等命令方式，这种交互方式显得很生硬，不够人性化。为了使得人与机器人的交互方式更加方便、自然、和谐，基于自然语义识别的人机交互系统的研究显得十分重要，这也是近年来人机交互技术的研究重点。基于云计算的机器人问答系统使用了讯飞语音云和百度知道问答服务云，实现了用户向机器人提出问题，机器人经过短暂“思考”回答出相应的答案并且在说话的同时做出相应行为的功能，该系统实现了一定程度的自然语义的识别，提供了一种更加人性化的人机交互方式。 基于云的机器人问答系统运用当前主流的云技术，将机器人技术、语音识别技术和网络查询技术结合在一起，建立一套机器人问答服务系统，提供了一种更加人性化的基于自然语言的人机交互方式。云技术的使用，提高了语音识别的效率和问题答案的准确率，为系统的可行性提供了保证。 1.1研究背景 1.1.1人机交互技术 人机交互技术是指通过计算机输入、输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话、交换信息的技术。人们可以借助键盘、鼠标、操作杆、位置跟踪器、数据手套等设备，用手、脚、声音、姿态和身体的动作、视线甚至脑电波等向计算机传递信息；计算机通过打印机，绘图仪、头盔式显示器、音频等输出设备或显示设备给人提供信息。 目前，人机交互技术正处于多通道、多媒体的智能人机交互阶段，已经取得了不少研究成果，不少产品已经问世。侧重多媒体技术的有:触摸式显示屏实现的“桌面”计算机，能够随意折叠的柔性显示屏制造的电子书，从电影院搬进客厅指日可待的30显示器，使用红绿蓝光激光二极管的视网膜成像显示器；侧重多通道技术的有：“汉王笔”手写汉字识别系统，结合在微软的了处16〖？0操作系统中数字墨水技术，广泛应用于0打1。60？的中文版等办公、应用软件中的181八匕^0106 连续中文语音识别系统，输入设备为摄像机、图像采集卡的手势识别技术，以1？只0肥手机为代表的可支持更复杂的姿势识别的多触点式触摸屏技术，以及1？只0肥中基于传感器的捕捉用户意图的隐式输入技术。 人机交互技术领域热点技术的应用潜力已经开始展现，比如智能手机配备的地理空间跟踪技术，应用于可穿戴式计算机、隐身技术、浸入式游戏等的动作识别技术，应用于虚拟现实、遥控机器人及远程医疗等的触觉交互技术，应用于呼叫路由、家庭自动化及语音拨号等场合的语音识别技术，对于有语言障碍的人士的无声语音识别，应用于广告、网站、产品目录、杂志效用测试的眼动跟踪技术，针对有语言和行动障
工业机器人研究综述
工业机器人研究综述 ） 摘要：介绍了工业机器人的三个组成部分——主体，控制系统，驱动系统。探讨了目前工业机器人技术的驱动系统，并且分析了工业机器人控制策略的种类 以及目前工业机器人控制系统的特点。同时，基于工业机器人的三个组成部分，提出了工业机器人的技术发展展望，最后总结了目前工业机器人技术的发展。 关键词：工业机器人控制系统驱动系统 Review of industrial robots Abstract:Three components of industrial robots - body, control systems and drive systems are introduced. Explores the current industrial robot technology drive system,and analyzed the type of industrial robot control strategies and the current industrial robot control system characteristics.At the same time, Based on the three components of industrial robots, Proposed Technical Development Prospect of industrial robots, and finally summarizes the current industrial robot technology. 1、工业机器人体系结构 工业机器人一般由主体、控制系统和驱动系统三个部分构成，如图1.1所示。 主体即工业机器人的执行机构，包括手部、腕部和臂部，有的机器人甚至还有
喷漆机器人控制系统方案设计
喷涂机器人控制系统初步方案 一、控制系统组成框图 本控制系统采用了以PC104为核心，以步进电机驱动网为低层控制通道的开放式控制器。下图是整个控制系统的组成框图。
二、PC104模块选型 采用PC104是因为它有如下特点：结构小巧紧凑, 仅96 mm ×90 mm面积内集成了PC 机所有功能；采用自栈接的母线结构，级联牢固，易于扩充；整机功耗低；兼容性好，可以借鉴PC机成熟技术；外设丰富，应用简单。 本控制系统PC104模块选用研华PCM-3343F。其组成如下：核心模块DM&P V ortex86DX 的高性能低功耗CPU 模块，CPU 速度1.0 GHz，带有浮点运算单元，在板集成了256MB DDR2 SDRAM（最大可支持512MB）、显示控制器（支持LCD显示，最高分辨率为1024×768），以太网控制器等。带有PA TA硬盘接口1个，PC104扩展插槽1个，KB/MS插槽1个，USB2.0接口4个，16位GPIO口，RS-232接口3个，RS-232/422/485接口1个。 选择该嵌入式主板时，应注意： 1）购买时，要求将系统内存升级到512MB； 2）购买时，要求配齐以下配件： ①键盘及鼠标的接口线共2根（编号及图片如下）； p/n: 1703060053p/n: 1700060202 ②VGA接口线1根（编号及图片如下）； p/n: 1700000898
③US B×2接口线1根（编号及图片如下）； p/n: 1703100260 ④RS-232×2接口线1根（编号及图片如下）； p/n: 1701200220 ⑤RS-422/485接口线1根（编号及图片如下）；p/n: 1703040157 ⑥IDE接口线1根（编号及图片如下）； p/n: 1701440350 ⑦外接Li电池1个（编号及图片如下）； p/n: 1750129010
六自由度工业机器人设计
六自由度工业机器人 对于工业机器人的设计与大多数机械设计过程相同;首先要知道为什么要设计机器人机器人能实现哪些功能活动空间（有效工作范围）有多大了解基本的要求后，接下来的工作就好作了。 首先是根据基本要求确定机器人的种类，是行走的提升（举升）机械臂、还是三轴的坐标机器人、还是六轴的机器人等。选定了机器人的种类也就确定了控制方式，也就有了在有限的空间内进行设计的指导方向。 接下来的要做的就是设计任务的确定。这是一个相对复杂的过程，在实现这一复杂过程的第一步是将设计要求明确的规定下来;第二步是按照设计要求制作机械传动简图，分析简图，制定动作流程表（图），初步确定传动功率、控制流程和方式;第三步是明确设计内容，设计步骤、攻克点、设计计算书、草图绘制，材料、加工工艺、控制程序、电路图绘制;第四步是综合审核各方面的内容，确认生产。 下面我将以六轴工业机器人作为设计对象来阐明这一设计过程： 在介绍机器人设计之前我先说一下机器人的应用领域。机器人的应用领域可以说是非常广泛的，在自动化生产线上的就有很多例子，如垛码机器人、包装机器人、转线机器人;在焊接方面也有很例子，如汽车生产线上的焊接机器人等等;现在机器人的发展是非常的迅速，机器人的应用也在民用企业的各个行业得以延伸。机器人的设计人才需求也越来越大。 六轴机器人的应用范筹不同，设计形式也各不相同。现在世界上生产机器人的公司也很多，结构各有特色。在中国应用最多的如：ABB、Panasonic、FANUK、莫托曼等国外进口的机器人。 既然机器人的应用那么广泛，在我国却没有知名的生产公司。对于作为中国机械工程技术人员来说是一个值得思考的问题！有关机器人技术方面探讨太少了从业人员还不能成群体虽然在很多地方可以看到机器的论术，可是却没有真正形成普及的东西。 即然是要说设计，那我就从头一点一点的说起。力求讲的通俗简明一些，讲得不对的地方还请各位指正！ 六轴机器人是多关节、多自由度的机器人，动作多，变化灵活;是一种柔性技术较高的工业机器人，应用面也最广泛。那么怎样去从头开始的设计它呢工作范围又怎样去确定动作怎样去编排呢位姿怎样去控制呢各部位的关节又是有怎么样的要求呢等等。。。。。。让我们带着众多的疑问慢慢的往下走吧！ 首先我们设定：机器人是六轴多自由度的机器人，手爪夹持二氧气体保护焊标准焊枪;完成点焊、连续焊等不同要求的焊接部件，工艺要求、工艺路线变化快的自动生线上。最大伸长量：1700mm;转动270度;底座与地平线水平固定;全电机驱动。 好了，有了这样的基本要求我们就可以做初步的方案的思考了。 首先是全电机驱动的，那么我们在考虑方案的时候就不要去考虑液压和气压的各种结构了，也就是传动机构只能用齿轮齿条、连杆机构等机械机构了。 机器人是用于焊接方面的，那么我们就去考察有人工行为下的各种焊接手法和方法。这里就有一个很复杂的东西在里面，那就是焊接工艺;即然焊艺定不下来，我们就给它区分一下，在常用焊接里有单点点焊、连续断点点焊、连续平缝焊接、填角焊接、立缝焊接、仰焊、环缝焊等等。。。。。。 搞清了各种焊方法，也就明白了要实现这些复杂的动作就要有一套可行的控制方式才行;在机械没有完全设计出来之前可以不做太多的控制方案思考，有一个大概的轮廓概念就行了，待机械结构做完，各方面的驱动功率确定下来之后再做详细的程序。 焊枪是用常用的标准的焊枪，也就是说焊枪是随时可以更换下来的，也就要求我们要做到对焊枪的夹持部分进行快速锁定与松开。
一种智能机器人系统设计和实现.
一种智能机器人系统设计和实现 我们从广泛意义上理解所谓的智能机器人，它给人的最深刻的印象是一个独特的进行自我控制的"活物".其实，这个自控"活物"的主要器官并没有像真正的人那样微妙而复杂。智能机器人具备形形色色的内部信息传感器和外部信息传感器，如视觉、听觉、触觉、嗅觉。除具有感受器外，它还有效应器，作为作用于周围环境的手段。这就是筋肉，或称自整步电动机，它们使手、脚、长鼻子、触角等动起来。我们称这种机器人为自控机器人，以便使它同前面谈到的机器人区分开来。它是控制论产生的结果，控制论主张这样的事实：生命和非生命有目的的行为在很多方面是一致的。正像一个智能机器人制造者所说的，机器人是一种系统的功能描述，这种系统过去只能从生命细胞生长的结果中得到，现在它们已经成了我们自己能够制造的东西了 嵌入式是一种专用的计算机系统，作为装置或设备的一部分。通常，嵌入式系统是一个控制程序存储在ROM中的嵌入式处理器控制板。事实上，所有带有数字接口的设备，如手表、微波炉、录像机、汽车等，都使用嵌入式系统，有些嵌入式系统还包含操作系统，但大多数嵌入式系统都是是由单个程序实现整个控制逻辑。嵌入式技术近年来得到了飞速的发展，但是嵌入式产业涉及的领域非常广泛，彼此之间的特点也相当明显。例如很多行业：手机、PDA、车载导航、工控、军工、多媒体终端、网关、数字电视…… 1 智能机器人系统机械平台的搭建 智能机器人需要有一个无轨道型的移动机构，以适应诸如平地、台阶、墙壁、楼梯、坡道等不同的地理环境。它们的功能可以借助轮子、履带、支脚、吸盘、气垫等移动机构来完成。在运动过程中要对移动机构进行实时控制，这种控制不仅要包括有位置控制，而且还要有力度控制、位置与力度混合控制、伸缩率控制等。智能机器人的思考要素是三个要素中的关键，也是人们要赋予机器人必备的要素。思考要素包括有判断、逻辑分析、理解等方面的智力活动。这些智力活动实质上是一个信息处理过程，而计算机则是完成这个处理过程的主要手段。 机器人前部为一四杆机构，使前轮能够在一定范围内调节其高度，主要功能是在机器人前部遇障碍时，前向连杆机构随车轮上抬，而遇到下凹障碍时前车轮先下降着地，以减小震动，提高整机平稳性。在主体的左右两侧，分别配置了平行四边形侧向被动适应机构，该平行四边形机构与主体之间通过铰链与其相连接，是小车行进的主要动力来源。利用两侧平行四边形可任意角度变形的特点，实现自适应各种障碍路面的效果。改变平行四边形机构的角度，可使左右两侧车轮充分与地面接触，使机器人的6个轮子受力尽量均匀，加强机器人对不同路面的适应能力，更加平稳地越过障碍，并且更好地保证整车的平衡性。主体机构主要起到支撑与连接机器人各个部分的作用，同时，整个机器人
机械手文献综述汇总
燕山大学 本科毕业设计（论文）文献综述 课题名称：顺序动作机械手 学院 （系）： 机械工程学院年级专 业： 机电控制 学生姓 名： 杨忠合 指导教 师： 郑晓军 完成日 期： 2014.03.25
一、课题国内外现状 目前国内机械于主要用于机床加工、铸锻、热处理等方面，数量、品种、性能方面都不能满足工业生产发展的需要。所以，在国内主要是逐步扩大应用范围，重点发展铸造、热处理方面的机械手，以减轻劳动强度，改善作业条件，在应用专用机械手的同时，相应的发展通用机械手，有条件的还要研制示教式机械手、计算机控制机械手和组合机械手等。同时要提高速度，减少冲击，正确定位，以便更好的发挥机械手的作用。此外还应大力研究伺服型、记忆再现型，以及具有触觉、视觉等性能的机械手，并考虑与计算机连用，逐步成为整个机械制造系统中的一个基本单元。 国外机械手在机械制造行业中应用较多，发展也很快。目前主要用于机床、横锻压力机的上下料，以及点焊、喷漆等作业，它可按照事先指定的作业程序来完成规定的操作。国外机械手的发展趋势是大力研制具有某种智能的机械手。使它具有一定的传感能力，能反馈外界条件的变化，作相应的变更。如位置发生稍许偏差时，即能更正并自行检测，重点是研究视觉功能和触觉功能。目前已经取得一定成绩。目前世界高端工业机械手均有高精化，高速化，多轴化，轻量化的发展趋势。定位精度可以满足微米及亚微米级要求，运行速度可以达到3M/S，量新产品达到6轴，负载2KG 的产品系统总重已突破100KG。更重要的是将机械手、柔性制造系统和柔性制造单元相结合，从而根本改变目前机械制造系统的人工操作状态。同时，随着机械手的小型化和微型化，其应用领域将会突破传统的机械领域，而向着电子信息、生物技术、生命科学及航空航天等高端行业发展。 二、研究主要成果 机械手通常用作机床或其他机器的附加装置，如在自动机床或自动生产线上装卸和传递工件，在加工中心中更换刀具等，一般没有独立的控制装置。有些操作装置需要由人直接操纵，如用于原子能部门操持危险物品的主从式操作手也常称为机械手。 搬运机械手仿真设计和制作，机械手的机械结构主要包括由两个电磁阀控制的气缸来实现机械手的上升下降运动及夹紧工件的动作，两个
外骨骼机器人设计、控制机理研究
第二十一届“冯如杯”学生课外学术科技作品竞赛项目论文 外骨骼机器人设计、控制机理研究 院（系）名称自动化科学与电气工程学院 专业名称自动化 学生姓名刘旭郑博文徐健伟 学号刘旭38030410 郑博文38030423 徐健伟38030518 指导教师刘正华副教授 2011年4月1日
摘要 外骨骼，类似某些动物的外壳，是一种能穿在人身上,提供额外的动力的机械装备，能够实现行动障碍人士的康复训练以及负重行走等功能。它主要分为三个部分：机械部分，软件部分，电气部分。其中机械部分的主要作用是承担负重，保证系统能实现运动的功能；软件部分主要用于整个系统的数据采集、控制信号的发出；电气部分主要用于给系统供电、完成信号采集、发送和运动的功能。我们设计制作了一种外骨骼机器人。本文针对此项作品主要介绍了当前外骨骼机器人的研究现状和本作品的制作背景，阐述了一种负重型外骨骼机器人的设计过程及相关结构。本文是对“外骨骼机器人设计、控制机理研究”作品的比较全面的介绍。 关键词外骨骼，机器人，PID控制，电机控制，虚拟样机 Abstract Exoskeletons, like the shells of some sorts of animals, are a kind of mechanical equipment that can help the disabled to learn to move normally and provide the users with extra strength to bear more than he can actually do walking or running. In general, it can be divided into three parts, mechanical part, software part and electrical t part. Among these, the mechanical part is used to bear the weight, the software part is to get state data and send out control signal and the electrical part is to power the system, pick signal and move. We have already made a sort of this, and with regard to it, this article is mainly about the previous studying condition and the background of this work. In addition, the procedure of our designing and working with the kind of exoskeletons is specifically described. This article is a comprehensive introduction to our work …The design of a sort of exoskeletons and study of how to control it?. Abstract Exoskeletons, Robort , PID Control, Motor control, Virtual prototype
机器人控制系统设计(毕业设计)文献综述
一、前言 1.课题研究的意义，国内外研究现状和发展趋势 1.1课题研究的意义 随着机器人在工业装配线的应用越来越广泛，工业环境对其控制系统的要求也越来越高，所以开放式机器人控制系统的设计具有工程实际意义。 课题以一四自由度关节型机器人研制为背景，设计机器人运动控制系统的硬件电路和软件结构，对机器人的运动控制电路进行设计，实现机器人按照预定轨迹或自主运动控制功能。 在机械工业中，应用机械手的意义可以概括如下： ①以提高生产过程中的自动化程度 应用机械手有利于实现材料的传送、工件的装卸、刀具的更换以及机器的装配等的自动化的程度，从而可以提高劳动生产率和降低生产成本。 ②以改善劳动条件，避免人身事故 在高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪声、臭味、有放射性或有其他毒性污染以及工作空间狭窄的场合中，用人手直接操作是有危险或根本不可能的，而应用机械手即可部分或全部代替人安全的完成作业，使劳动条件得以改善。 ③可以减轻人力，并便于有节奏的生产 应用机械手代替人进行工作，这是直接减少人力的一个侧面，同时由于应用机械手可以连续的工作，这是减少人力的另一个侧面。因此，在自动化机床的综合加工自动线上，目前几乎都没有机械手，以减少人力和更准确的控制生产的节拍，便于有节奏的进行工作生产 随着机器人技术的发展，机器人应用领域的不断扩大，对机器人的性能提出了更高的要求，因此，如何有效地将其他领域（如图像处理、声音识别、最优控制、人工智能等）的研究成果应用到机器人控制系统的实时操作中，是一项富有挑战性的研究工作。而具有开放式结构的模块化、标准化机器人，其控制系统的研究无疑对提高机器人性能和自主能力，推动机器人技术的发展具有重大意义。 1.2国内外研究现状和发展趋势 随着机器人控制技术的发展，针对结构封闭的机器人控制器的缺陷，开发“具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器”是当前机器人控制器的一个发展方向。近几年，日本、美国和欧洲一些国家都在开发具有开放式结构的机器人控制器，如日本安川公司基于PC开发的具有开放式结构、网络功能的机器人控制器。我国863计划智能机器人主题也已对这方面的研究立项。 由于适用于机器人控制的软、硬件种类繁多和现代技术的飞速发展，开发一个结构完全开放的标准化机器人控制器存在一定困难，但应用现有技术，如工业PC
工业机器人操作机的设计方法和步骤
工业机器人操作机的设计方法和步骤 （1）确定工作对象和工作任务开始设计操作机之前，首先要确定工作对象、工作任务。 1）焊接任务：如果工作对象是一辆汽车或是一个复杂曲面的物体，工作任务是对其进行弧焊或点焊，则要求机器人的制造精度很高，弧焊任务对机器人的轨迹精度和位姿精度及速度稳定性有很高的要求，点焊任务对机器人的位姿精度有很高的要求，两种任务都要求机器人具备摆弧的功能， 同时要能在狭小的空间内自由地运动，具备防碰撞功能，故机器人的自由度至少为六个。 2）喷漆任务：如果工作对象是一辆汽车或是一个复杂曲面的物体，工作任务是喷涂汽车的内部和车门或是复杂曲面物体的表面，则要求机器人手腕要灵活，能够在狭小的空间内自由地运动，具备防碰撞功能；要求机器人能够在长时间内连续稳定可靠地工作；同时要求机器人具备光滑的流线型外表面，漆、气管线最好能从其横臂和手腕内部通过，使机器人外表不易积漆积灰，不会污染已喷好的工作对象，且漆、气管线也不易损坏；因喷漆机器人是在易燃易爆的工作环境中工作，故要具备防爆的功能。同时对机器人的轨迹精度和位姿精度及速度稳定性也有较高的要求。机器人的自由度至少应为六个。 3）搬运任务：如果工作对象比较笨重，工作任务是定点搬运，定位精度要求高，则对机器人的承载能力和定位精度有高的要求。如果工作对象比较轻巧，工作任务也是定点搬运，但要求轻拿轻放，且定位精度要求高，则对机器人的速度稳定和定位精度有高的要求。 4）装配任务：对机器人的速度稳定密和位姿精度有很高的要求。 有些机器人能完成多种工作任务，如MOTOMAN - SKI20系列机器人，既可以用于搬运也可以用 于点焊，具有快速、精巧、强有力和安全性高的特点；另一种MOTOMAN—SK6/ SK16系列机器人， 可以完成弧焊、搬运、涂胶、喷釉和装配多种任务，具有高速、精巧和可靠性高的特点。 设计新型机器人时，要充分考虑以上诸多因素，并应多参考国内外同类产品的先进机型，参考其设计参数，经过反复研究和比较，确定出所要机械部分的特点，定出设计方案。下面以一台六自由度交流伺服通用机器人为例讲一下设计过程。 （2）确定设计要求 1 ）负载：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人 的负载。一般喷漆和弧焊机器人的负载为5?6kg。 2 ）精度：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人未端的最大复合速度和机器人各单轴的最大角速度。 3 ）精度：根据用户工作对象和工作任务的要求，参考国内外同类产品的先进机型，确定机器人 的重复定位精度、如弧焊机器人的重复定位精度为土0.4mm ABB公司开发的Model 5003型喷漆机器人的重复定位精度为土1mm同时要确定构成机器人的零件的精度、臂体的尺寸精度、形位精度和传动链的间隙，如齿轮的精度和传动间隙；还要确定机器人上所用的元器件的精度，如减速器的传动精度、轴承的精度等等。
仿生机器人的研究现状及其发展方向
第36卷第6期 上海师范大学学报(自然科学版)Vol.36,No.6 2007年12月 Journal of Shanghai Nor mal University(Natural Sciences)2007,Dec. 仿生机器人的研究现状及其发展方向 王丽慧,周 华 (上海师范大学机械与电子工程学院,上海201418) 摘 要:随着机器人智能化技术的进步,机器人应用领域的拓展,仿生机器人的研究正在引起世界各国研究者的关注.主要对仿生机器人的国内外研究状况进行了综述并对其未来的发展趋势作了展望. 关键词:仿生机器人;研究现状;发展方向 中图分类号:TP24 文献标识码:A 文章编号:100025137(2007)0620058205 人们对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史,人类希望制造一种像人一样的机器,以便代替人类完成各种工作.1959年,第一台工业机器人在美国诞生,近几十年,各种用途的机器人相继问世,使人类的许多梦想变成了现实.随着机器人工作环境和工作任务的复杂化,要求机器人具有更高的运动灵活性和在特殊未知环境的适应性,机器人简单的轮子和履带的移动机构已不能适应多变复杂的环境要求.在仿生技术、控制技术和制造技术不断发展的今天,仿人及仿生物机器人相继被研制出来,仿生机器人已经成为机器人家族中的重要成员. 1 仿生机器人的基本概念 仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状、运动原理和行为方式的系统,能从事生物特点工作的机器人.仿生机器人的类型很多,主要为仿人、仿生物和生物机器人3大类.仿生机器人的主要特点:一是多为冗余自由度或超冗余自由度的机器人,机构复杂;二是其驱动方式有些不同于常规的关节型机器人,通常采用绳索、人造肌肉或形状记忆合金等驱动. 2 仿生机器人的国内外研究现状 2.1 水下仿生机器人 水下机器人由于其所处的特殊环境,在机构设计上比陆地机器人难度大.在水下深度控制、深水压力、线路绝缘处理及防漏、驱动原理、周围模糊环境的识别等诸多方面的设计均需考虑.以往的水下机器人采用的都是鱼雷状的外形,用涡轮机驱动,具有坚硬的外壳以抵抗水压.由于传统的操纵与推进装置的体积大、重量大、效率低、噪音大和机动性差等问题一直限制了微小型无人水下探测器和自主式水下机器人的发展.鱼类在水下的行进速度很快,金枪鱼速度可达105k m/h,而人类最快的潜艇速度只有84km/h.所以鱼的综合能力是人类目前所使用的传统推进和控制装置所无法比拟的,鱼类的推进方式已成为人们研制新型高速、低噪音、机动灵活的柔体潜水器模仿的对象.仿鱼推进器效率可达到70%～ 收稿日期:2007209222 基金项目:上海师范大学理工科校级项目(SK200733). 作者简介:王丽慧(1972-),女,上海师范大学机械与电子工程学院副教授.
基于单片机及传感器的机器人设计与实现
基于单片机及传感器的机器人设计与实现 摘要:本设计基于单片机及多种传感器，完成了一个自主式移动机器人的制作。单片机作为系统检测和控制的核心，实现对机器人小车的智能控制。反射式红外光电传感器检测引导线，使机器人沿轨道自主行走；使用霍尔集成片，通过计车轮转过的圈数完成机器人行走路程测量；接近开关可探测到轨道下埋藏的金属片，发出声光信息进行指示，并能实时显示金属片距起点的位置。 关键词：单片机; 机器人; 传感器 1前言 机器人技术是融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。一些发达国家已把机器人制作比赛作为创新教育的战略性手段。如日本每年都要举行诸如“NHK杯大学生机器人大赛”、“全日本机器人相扑大会”、“机器人足球赛”等各种类型的机器人制作比赛，参加者多为学生，旨在通过大赛全面培养学生的动手能力、创造能力、合作能力和进取精神，同时也普及智能机器人的知识.[1] 开展机器人的制作活动，是培养大学生的创新精神和实践能力的最佳实践活动之一，特别是机电专业学生开展综合知识训练的最佳平台。本文针对具有引导线环境下的路径跟踪这一热点问题，基于单片机控制及传感器原理，通过硬件电路制作和软件编程，制作了一个机器人，实现了机器人的路径跟踪和自动纠偏的功能，并能探测金属，实时显示距离。 2机器人要完成的功能 选取一块光滑地板或木板，上面铺设白纸，白纸上画任意黑色线条（线条不要交叉），作为机器人行走的轨迹，引导机器人自主行走。纸下沿黑线轨迹随机埋藏几片薄铁片，铁片厚度为0.5～1.0mm。机器人沿轨迹行走一周，探测出埋藏在纸下铁片，发出声光报警，并显示铁片距离起点的位置。 3 硬件设计方案 机器人总体构成
连续机器人的研究现状与展望
连续机器人的研究现状与展望 摘要：本文首先针对连续机器人的研究价值进行了阐述，接着从驱动方式、支撑结构和运动能力三个方面归纳了连续体操作单元的设计特点，然后总结了连续机器人的应用现状以及存在的问题，最后，从建模与控制理论、自主化运动以及信息融合技术三个方面对连续体机器人的未来研究的研究工作进行了展望。 1.引言 传统机器人通常由少数连杆和驱动关节串联而成，尽管这些机器人被证明对许多任务非常有效，但它们并非没有限制，主要表现在缺乏可操作性与总体自由度低两个方面。在作业空间狭窄或工作空间存在众多非结构化障碍物时，传统的由刚性构件组成的机器人难以灵活运作，该类应用领域己成为机械手臂发展的一个技术瓶颈，迫切需要研究新型的机械手臂的运动机理和操作方式用于该问题。 与传统的工业机器人相比，连续体机器人的机械部件不包含刚性连杆和可识别的旋转关节，能够依靠连续弯曲的核心结构或骨架使机器人主体弯曲成光滑连续曲线。连续机器人的设计灵感来自天然动物的柔顺运动，如象鼻[1]、章鱼臂[2]和舌头[3]等，其优异的柔顺性和灵活性使之在杂乱或非结构化的环境中也能成功完成任务。连续体机器人对工作空间狭小的环境和非结构化的现实环境具有独特的适应能力，除了末端可以安装执行器完成操作外，机器人本体也可以作为执行器完成抓取动作，并且其尺寸可做到比传统机器人更小，是对传统关节式机器人应用场景的良好补充。 2. 研究现状 基于动物柔顺器官的仿生设计，连续机器人不存在明显的关节，但通常是由单一操作单元或多段操作单元串联而成的，其操作单元按不同的分类方式可以归纳如下： 2.1按驱动方式分类 连续体机器人根据机械驱动方法和位置的不同，可以大致分为“内部驱动方式”、“外部驱动方式”和“混合驱动方式”。内部驱动方式的驱动器位于机构表层或者内部，对机器人直接驱动，常见的有气压和液压驱动；外部驱动方式是将驱动器置于机器人本体之外，通过拉丝等方式进行驱动，，有利于小型化的发展，是目前常见的设计方式；混合驱动方式为内部驱动与外部驱动的组合如图1所示。 2.2按支撑结构分类 为了保持整个机器人的整体形状并实现机器人的弯转，连续体机器人通常采用如下三种支撑形式：（1）流体支撑。向连续体机器人密封内腔注入一定压力的流体可以起到支撑与驱动的双重作用。（2）表面层支撑。在机器人圆柱形内表面或外表面通常覆盖弹性树脂层、硅胶层或其他具有一定弯曲刚度的弹性层来实现支撑作用。（3）轴心支撑。在机器人轴心固结弹性复合材料，例如弹簧、柔性管类和万向节支架等。对于不同的支撑方式，同样可以组合应用，如图2展示的是表层支撑和轴心支撑的混合应用形式。 2.3按运动能力分类 根据连续体机器人的运动能力，可以将其分为3种类型：（1）单自由度型。此类型操作单元主要实现单一指定平面内的弯曲运动，多节该类“仿生柔性手指”
工业机器人培养方案
工业机器人技术专业人才培养方案（2016级、三年制） 专业名称：工业机器人技术 专业代码： 招生对象：普通高中毕业生及同等学历者 学制与学历：三年制大专
一、制订人才培养方案的依据 为了适应社会经济建设的高速发展，满足社会对工业机器人技术应用高技能人才的需求，进一步推动高等职业教育体制改革，根据《国家中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》、《国民经济和社会发展第十三个五年规划》、《机械工业十三五规划》、《教育部关于加强高职高专教育人才培养工作的意见》（教高[2000]2号）、《教育部关于以就业为导向深化高等职业教育改革的意见》（教高[2004]1号）与《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干建议》（教高[2006]16号）、《教育部财政部关于支持高等职业学校提升专业服务产业发展能力的通知》（教职成[2011]11号）、《中国制造2025》及教育部关于发展高等职业教育相关文件精神，结合我公司实际情况，加强工业机器人技术专业的建设，制定了本专业人才培养方案。 二、培养目标与规格 培养目标：本专业培养拥护党的基本路线，德、智、体、美等全面发展，具有良好的科学文化素养、职业道德和扎实的文化基础知识。具有获取新知识、新技能的意识和能力，能适应不断变化的工作需求。熟悉企业生产流程，具有安全生产意识，严格按照行业安全工作规程进行操作，遵守各项工艺流程，重视环境保护，并具有独立解决非常规问题的基本能力。掌握现代工业机器人安装、调试、维护方面的专业知识和操作技能，具备机械结构设计、电气控制、传感技术、智能控制等专业技能，能从事工业机器人系统的模拟、编程、调试、操作、销售及工业机器人应用系统维护维修与管理、生产管理及服务于生产第一线工作的高素质高技能型人才。 （一）专业知识 1.具有常用电子元器件、集成器件、单片机的应用知识； 2.具有传感器应用的基本知识； 3.具有应用机械传动、液压与气动系统的基础知识； 4.具有PLC、变频器、触摸屏、组态软件控制技术的应用知识； 5.具有交流调速技术的应用知识； 6.具有机械系统绘图与设计的知识； 7.具有计算机接口、工业控制网络和自动化生产线系统的基础知识； 8.具有工业机器人原理、操作、编程与调试的知识； 9.具有检修工业机器人系统、自动化生产线系统故障的相关知识； 10.具有安全用电及救护常识。 （二）职业能力 1.读懂机器人应用系统的结构安装图和电气原理图的能力； 2.测绘简单机械部件生成零件图和装配图，跟进非标零件加工，完成装配工作的能力；
安防机器人的设计与制作
安防机器人的设计与制作 摘要 本设计是一台智能化的移动监控机器人，它主要包括移动机器人和主控台 两大部分，能够实现防盗监控，温度监视，火灾报警等功能。该机器人能够自主 移动，也可以通过主控台遥控机器人的动作。 本设计以单片机MTC89C52R为C中央控制核心，采用彩色CCD摄像头UM-800C 采集图像，反射型红外光电开关RMF-DU1检0 测障碍物，两个直流减速电机为 主要动力驱动，采用DF数据发射、接收模块实现数据的无线传输，采用四频道 无线微波影音传输模块无线传输视频，可以实现远程视频监控. 本设计的特色是改变了现有监控系统的单一固定形式，大大提高了监控的灵 活性和实时性，不存在监控死角。开启机器人的自动巡逻功能后，机器人可以自 动按照设定的路线巡逻，途中遇到障碍物时能够自动识别并绕过障碍物, 并且还 可以实时摄像。此外本机器人监控系统不需另外架设线路，适应性强，即投即 用，简单、方便、经济、可靠。
目录 安防机器人的设计与制作 (1) 2 设计任务 (3) 2.1 基本要求 (3) 2.2 发挥部分 (3) 3 可行性分析 (4) 3.1 机器人的可行性方案 (4) 3.2 障碍物检测 (4) 3.3 动力及转向系统 (5) 3.4 电源系统 (5) 4 总体设计 (5) 5 硬件设计 (6) 5.1STC89C52RC的最小系统电路图： (6) 5.2 带有红外光探照灯的CCD摄像头的设计 (7) 5.3 直流电机驱动设计 (7) 5.4 云台的控制 (10) 5.5 无线遥控发射接收模块 (15) 6 软件设计 (19) 6.1 机器人主程序控制流程图 (19) 6.2 自动避障算法及程序控制 (19) 6.3 串口通信参数设置 (20) 6.4 实时监控 (21) 6.5 实时报警 (21) 7 功能测试与性能调试 (22) 7.1 功能测试 (22) 7.2 性能调试 (22) 8 结束语 (22) 1 引言 近年来，随着智能机器人技术的迅速发展，智能机器人的应用领域正在不断 地扩大。并且，随着人们生活质量的日益提高，智能机器人已经开始进入了家庭 服务行业。由智能型家庭服务机器人代替人来完成清洁卫生、物品搬运、家电控制、家庭娱乐、病况监视、儿童教育、报时催醒、电话接听等各种家务劳动，不 仅是一项极具应用前景的高新技术行业，而且也是智能机器人目前研究的一个重 要热点。另一方面，世界各国的老龄化问题也更进一步地加剧了对智能型家庭服 务机器人的需求。例如，目前在加拿大已有3，800，000 以上人的年龄超过65 岁，在德国超过82，000，000 人的年龄在60 岁以上，分别占该国人口的12. 43% 和22%，而且近年来还有加重趋势。在中国专家预言到2010 年中国独生子女和老龄化问题将更加严重。国际上较早开展安防机器人研究的是美国与前苏联，稍后，英国、日本、法国、德国等国家也纷纷开始研究该类技术。我国大约有30 家左右的高等院校和研究院在从事各类机器人的研究工作，在40 多年来，已在
四足步行机器人文献综述
四足步行机器人文献综述 移动机器人按移动方式大体分为两大类；一是由现代车辆技术延伸进展成轮式移动机 器人（包括履带式）；二是基于仿生技术的运动仿生气器人。运动仿生气器人按移动方式分 为足式移动、蠕动、蛇行、游动及扑翼飞行等形式,其中足式机器人是研究最多的一类运动 仿生气器人。 自然环境中有约50％的地势，轮式或履带式车辆到达不了，而这些地点如森林，草地 湿地，山林地等地域中拥有庞大的资源，要探测和利用且要尽可能少的破坏环境，足式机器 人以其固有的移动优势成为野外探测工作的首选，另外，如海底和极地的科学考察和探究， 足式机器人也具有明显的优势，因而足式机器人的研究得到世界各国的广泛重视。现研制成 功的足式机器人有1足，2足，4足，6足，8足等系列，大于8足的研究专门少。曾长期作为人类要紧交通工具的马，牛，驴，骆驼等四足动物因其优越的野外行走能 力和负载能力自然是人们研究足式机器人的重点仿生对象。因而四足机器人在足式机器人中 占有专门大的比例。长期从事足式机器人研究的日本东京工业大学的広濑茂男等学者认为：从 稳固性和操纵难易程度及制造成本等方面综合考虑，四足机是最佳的足式机器人形式[1]，四 足机器人的研究深具社会意义和有用价值。
四足机器人的研究可分为早期探究和现代自主机器人研究两个 时期。中国古代的“木牛流马”以及国外十九世纪由Rygg 设计的“机械马”，是人类对足式行走行机器的早期探究。而Muybridge 在1899 年用连续摄影的方法研究动物的行走步态，则是人们研究足式机器人的开端。20世纪60年代，机器人进入了以机械和液压操纵实现运动的进展时期。美国学者Shigley（1960）和Baldwin（1966）都使用凸轮连杆机构设计了机动的步行车[2]。这一时期的研究成果最具代表性的是美国的Mosher于19 68 年设计的四足车“Walking Truck”[3]（图1）。 80年代，随着运算机技术和机器人操纵技术的广泛研究和应用，真正进入了具有自主行为的现代足式机器人的广泛研究时期。 2、现代自主机器人的研究状况 以微型运算机技术广泛应用为标志的现代四足机器人的研究和应用受到世界广泛的关 注。现代四足机器人研究最系统和取得研究成果最多的是日本东京工业大学的広濑茂男等领 导的広癞·福田机器人研究室（HIROSE·FUKUSHIMA ROBTICS L AB），该实验室从80年代 开始四足机的研究，连续研究20多年，共试制成功3个系列、12款四足机器人。发表有关研 究论文172篇[4]。其它如美国的 MIT,卡耐基梅隆大学，加拿大，德国，法国，新加坡，韩国 等国家均有四足机器人样机研制成功。国内也进行了四足机器人的基础研究和试验研究，如 吉林工业大学，北京航空航天大学、上海交通大学，哈尔滨工业大学，中国科技大学等单位。 表1列出了国内外要紧从事研究四足机的单位和其研制的典型样机型。
机器人分布式控制系统设计与实现
机器人分布式控制系统设计与实现 1引言 目前,机器人系统的特点是开放式机器人控制,强调结构化、模块化、 可扩展性、交互性,是对机器人设计结构单一、信息封闭、缺少交互性缺点的突破。分层分布式控制系统采用集中管理，分散控制方式，这种控制方法优点体 现在：集中监控和管理，管理和现场分离，管理更加综合化和系统化；实现分 散控制可使各功能模块的设计、装配、调试以及维护相互独立，系统控制的危 险性分散，可靠性提高，投资减小；采用网络通信技术，可根据需要增加以微 处理器为核心的功能模块，具有良好的系统开放性、扩展性和升级特性。 本论文详细介绍了一种分层分布式控制系统的设计方案，系统由上到下分 为主控中心决策层、车载PC运算层、下位机驱动子层以及位置反馈子层。主 控中心决策层是系统的主层，可以是台式机或笔记本电脑，基于VC++编译环 境设计的人机交互界面，满足友好、便于操作的要求，主控中心决策层的功能 是总体规划和分配任务，对机器人进行远程监控；车载PC运算层为一台笔记 本电脑，基于VC++编译环境设计了控制界面，通过无线网卡与主控中心决策 层进行数据传输，采用面向连接可靠的TCP传输控制协议，保证数据传输的可 靠性；下位机驱动子层和位置反馈子层是相互独立的功能模块，与车载PC运 算层之间通过串口进行通信；下位机驱动子层是一个完整的直流电 机闭环控制系统，包括CPU、控制芯片、驱动芯片以及增量式光电编码器；位置反馈子层通过CPU的I/O口和中断得到机器人车轮轴转角信息，结合机器 人机械系统的实际尺寸计算机器人中心的实际位置信息，处理好的位置信息通 过串口反馈给车载PC运算层。该控制系统应用在国家自然科学基金资助项目 和国家重点基础研究发展计划973项目的移动机器人平台上，运动控制测试结 果表明，分层分布式控制方式控制精度高，稳定性好，系统响应迅速；同时该 控制系统具有超强的计算能力和二次开发潜力，根据项目研究需要可在各个子 层进行分布式扩展，比如在下位机驱动子层和位置反馈子层的同级层中扩展传 感器功能子层，增加机器人的智能。该控制系统为项目的实验工作奠定基础。 2分层分布式控制系统设计 1. 基于VC++的主控中心决策层设计 主控中心决策层的作用是总体规划和分配任务，对机器人进行远程监控。 基于VC++编译环境，采用模块化方法对人机交互系统进行设计，分为网络数 据传输模块、运动参数输入模块、轨迹显示模块、视觉监控模块。如图
仿生机器人的研究综述
仿生机器人的研究综述 华明亚 （上海大学机电工程与自动化学院，上海200072） 摘要：在人类认识世界和改造世界的过程中，存在人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合，如星球探测、深海探测、减灾救援和反恐活动等，而仿生机器人为解决上述问题提供了一条有效途径。随着机器人技术和仿生学的发展，仿生机器人的研究正受到学者们的普遍关注。在对仿生机器人进行分类的基础上，从地面仿生机器人、水下仿生机器人以及空中仿生机器人3个方而简要介绍了国内外典型仿生机器人的研究进展，并介绍其发展趋势。 关键词：仿生机器人；机器人运动；发展趋势； Research review on bionic robot Hua Mingya (School of mechanical engineering and automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China) Abstract:: In the human understanding and transforming the world in the process, the existence of human beings can not reach the place and special occasions may endanger human life, such as planetary exploration, deep sea exploration,disaster relief and anti terrorist activities, and bionic robot provides an effective way for solving the above problems. With the development of robot technology and bionic, bionic robot research has received wide attention of scholars. In the classification based on bionic robot, bionic robot, bionic robot from air groundbionic robot, underwater 3 party and briefly introduced the research progress oftypical bionic robot at home and abroad, and introduces its development trend. Key words: Bionic robot; robot movement; development trend; 1 机器人的研究现状 1.1 机器人国外研究现状 由于仿生机器人所具有的灵巧动作对于人类的生产和科学研究活动有着极大的帮助，所以，自80年代中期以来，机器人科学家们就开始了有关仿生机器人的研究。 自1983年以来，美国Robotics Research Corporation以拟人臂组合化为设想，基于系列关节研制出K-1607等系列7自由度拟人单臂和K/ B 2017双臂一体机器人，其单臂K/ B 2017已用于空间站实验。