一种四足马机器人的结构模型及其步行控制
第26卷第3期2009年3月
机 电 工 程
M echan ical&E l ectrical Eng i nee ri ng M agazi ne V o.l 26N o .3M a r .2009
收稿日期:2008-09-23
作者简介:陶卫军(1975-),男,江苏南京人,主要从事智能机器人、精密仪器与测控工程方面研究.E m ai:l tao w eij un01@163.co m 通信联系人:冯虎田,男,教授,博士,硕士生导师.E m a i :l fenghu tian @m ai.l n j u st .edu .cn
一种四足马机器人的结构模型及其步行控制
陶卫军,余联庆,冯虎田
(南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094)
摘 要:参照马的生理结构,对四足马机器人的一种结构及其步行控制方法进行了研究。为验证该方法的有效性,首先,根据仿生原理设计出具有12个运动关节和4个球形脚部的四足马机器人结构模型,并求出了其运动学反解;其次,基于提出的结构模型,设计并实现了四足马机器人行走步态和对角小跑步态,并对步行稳定性进行了分析。步行实验表明,所提出的四足马机器人仿生结构及两种步态的实现方
法具有可行性。
关键词:结构模型;步态;步行稳定性;四足马机器人中图分类号:TP242 文献标识码:A
文章编号:1001-4551(2009)03-0094-05
A struct ure m odel of quadruped horse robot and its walki n g control
TAO W e i jun ,YU L i a n qi n g ,FENG H u tian
(Schoo l of M echanical Eng i neering ,N anjing Uni versity of Science&T echnology,N anj i ng 210094,China )
Abstrac t :R eferr i ng to the physi o log ica l structure o f ho rse ,the struc t ure and w a l k i ng controlm ethod o f a quadruped robot was re searched .In order t o check t he aceuracy of t h i s m ethod ,at first ,a structura l mode l of quadruped horse robo t ,wh i ch has 12jo i nts and four g l obose fee t ,w as desi gned acco rd i ng to t he bion ic theory ,and t he reverse ki ne m a ti cs o f th i s robot was acquired .A nd t hen ,based on the struc t ura lmode,l t he wa l k ga it and tro t ga it we re designed and realized .T he w a l k experi m ent results i n d i cate t he va lidity o f proposed structural model for quadruped horse robo t and realizati on m e t hod o f its t w o ga its .K ey word s :struc t ure mode;l ga it ;wa l k stab ility ;quadruped horse robo t
0 引 言
由于可选取合适的脚部着地点,四足机器人在其步行过程中可实现良好的地面适应性,非常适合用作各种复杂地面环境中的移动平台。基于这一特点,四足机器人在野外作业以及自动搬运等领域应用前景广
阔,多年来一直都是机器人领域的一大研究热点。在已报道的四足机器人中,日本研制的 TI TAN 系列和 铁犬 系列以及加拿大M c G ill 大学的 Scout 四足机
器人等最具有代表性[1 5]
。在国内,上海交通大学和华中科技大学也分别开发了不同结构的四足步行机器人,在四足机器人的机构设计和步行控制等方面取得了显著的研究成果[6 9]
。
本研究基于仿生原理给出四足马机器人的一种结构模型,在此基础上,参照马的步行过程实现该四足马机器人的稳定步行,并通过自制的小型四足马机器人步
行实验验证给出的结构模型和步行控制方法的有效性。
1 四足马机器人的仿生结构
1.1 基于仿生原理的结构模型
本研究首先对马腿的结构进行考察和分析,得到如图1所示的马腿骨骼和关节分布。
图1 马的主要骨骼和关节
从图1中可以看出,虽然马的前腿和后腿在外形上有所不同,但都可以看作由肩关节、膝关节和踝关节组成。其中,肩关节能绕马身长度方向和马身左右方向转动,分别实现马身左右晃动和马身前后运动,具有
2个运动自由度;膝关节能够绕马身左右方向转动,配合肩纵关节完成前进或后退的步行动作,具有1个运动自由度。而踝关节的3个关节自由度则用来保证马脚能平稳着地。
由此,在把马身简化为一个刚体的基础上得到了四足马机器人的新型结构模型,如图2所示。机器人的各腿都由具有2个转动自由度的肩关节和具有1个转动自由度的膝关节组成,分别与马腿的肩关节和膝关节相对应,来保证四足机器人能完成步行动作和躯干的左右调整动作。从简化运动关节出发,四足机器人腿部不设置踝关节,而用球形脚部来实现腿部的任意角度
着地。
图2 四足马机器人的结构模型
1.2 给定结构模型的运动学反解
在确定四足马机器人的结构模型后,进一步推导单腿的运动学反解。以机器人躯干和右前腿为对象,设定其坐标系如图3所示。基准坐标系
!
N
以地面上的
固定点N 为坐标原点,X N 轴和Y N 轴的正方向分别为机器人的前方向和左方向;刚体坐标系!B
以机器人躯
干中心点B 为坐标原点,X B 轴和Y B 轴正方向分别为躯
干的前方向和左方向。
图3 右前腿的结构和参考坐标系
肩横关节和肩纵关节的中心点分别用点H 和点M 表示,膝纵关节的中心点和脚部的位置点分别用点K
和点F 表示。腿部各连接的长度分别设为l 1、l 2和l 3,腿部的关节角向量设为 i =( i 1, i 2, i 3)T
。参照图3,躯干相对于基准坐标系!N 的Y a w 角、P itch 角和Ro ll 角分别用 、 和!表示,记号s 和c 分别表示正弦和余弦函数。这样,从刚体坐标系
!
B
到基准坐标系
!
N
的
旋转矩阵N
R B
用式(1)表示如下:
N
R B
=
c c
c s s y -s c !
c s c !+s s !
s c s s s !+c c !s s c !-c s !
-s
c s !
c c !
(1)
在这里,基准坐标系!
N
上的躯干中心点B 和脚
部的位置点F 可用向量(x b ,y b ,z b )T
和(x f ,y f ,z f )T
表示。设定机器人躯干的长度和宽度分别为d 和w,由图3可得刚体坐标系!
B
上的向量关系如下:
B
H F =B
HM +B
MK +B KF =
(N
R B
)
-1
-N
-N
-N
BH )(2)
式中 左上标N 和B ?基准坐标系!
N
和刚体坐标
系
!
B
上的向量。
将各向量代入式(2)并整理后可求出机器人右前腿的运动学反解如下:
i =
i 1
i 2 i 3
=
arctan
h 2
h 3
arc tan h 1l b
-a rcco s l 2
b +h 2
1+l 2
2-l 2
3
2#l 2b +h 2
1#l 2
arccos
l 2
b +h 2
1-l 2
2-l 2
3
2#l 2#l 3
(3)
其中,
h 1
h 2h 3
=(N
R B
)-1
x f -x b y f -y b z f -z b
-d /2-w /20
;l b =h 2
2+h 2
3-l 1。
同样,其他3条腿的运动学反解也可求出。在四足马机器人的步行过程中,可根据设定的脚部和躯干中心的运动轨迹,利用运动学反解来求解各关节的目标角度,进而对关节运动进行控制。
2 四足马机器人的步行控制
四足机器人的步态可以分为3种:行走步态(w alk
ga it)、小跑步态(tro t ga it)和跳跃步态(ga llop g ait)。在本研究中主要对四足马机器人的行走步态和小跑步态进行分析。
2.1 四足马机器人的行走步态2.1.1 腿部运动的确定
在行走步态的一个步行周期中,各腿按照给定的轨迹依次完成一个步行动作。设置步行周期为T,相邻两腿步行动作的时间间隔为?t(?t # 95#第3期陶卫军,等:一种四足马机器人的结构模型及其步行控制 图4 四足马机器人的行走步态 实线部分?脚部着地的状态;虚线部分?脚部没有着地 的状态。 由图4可见,在一个步行周期T 内,当t ?[kT /4+?t/2,(k +1)T /4-?t/2](其中k =0,1,2,3)的4个时间段内,各腿按照 右后腿?右前腿?左后腿?左前腿 的顺序依次完成步行动作。这里,从减少步行过程中脚部着地和离地时对地面的冲击力出发,步行动作轨道设定如下: x h =s 0# t h T h -sin (2##t h /T h ) 2# (4)z h =h 0#sin ##x h s 0 (5) 式中 x h ,z h ?机器人在t h 时刻在前进方向(X h 轴)和 竖直方向(Z h 轴)上的位移量;参数s 0,h 0?步距和脚部离地的最大高度;T h ?完成一个步行动作的总时间,且有T h =T /4-?t /2。 由式(4)和式(5)确定的腿部运动,在脚部离地和着地时的速度和加速度值均为0,可有效减少脚部对地面的冲击效应。2.1.2 躯干运动的确定 在四足马机器人的行走步态中,采用基于稳定余裕的四足机器人稳定性判别方法[10] 。由稳定余裕的定义可见,步行中的稳定余裕越大,机器人的步行稳定性越高。 由于四足马机器人的结构具有一定的对称性,可以把四足马机器人的躯干中心近似为重心来进行分析。假定四足马机器人躯干中心在步行面上的初始投影点为点C 0,可从保证步行中的稳定性出发,来设定四足马机器人躯干运动轨道,如图5所示。 图5 四足马机器人躯干运动的轨道计画 图5中的点P i (i =1,2,3,4)分别是四足马机器人右后脚、右前脚、左后脚和左前脚的着地点,点P 5和点P 6分别是右后脚和右前脚完成一次步行动作后新 着地点;图5中的弧C 0C 1为机器人在右后脚和右前脚 前进过程中躯干中心的运动轨迹。这样,在控制四足马机器人的躯干中心向前运动的同时,可通过控制肩横关节的转动来实现其躯干中心在左右方向的位置调整,让机器人在步行过程中始终具有更大的稳定余裕, 从而保证四足马机器人有更高的步行稳定性。这里,躯干中心运动轨道可设计为两段椭圆曲线如下:x c = s 0#sin (2#t/T )/2t ?[0,T /2]s 0#sin (2#t /T )/2+s 0/2 t ? [T /2,T ] (6) y c =y 0#cos (2#t/T )/2 t ? [0,T ] (7) 式中 x c ,y c ?机器人在t 时刻在前进方向(X h 轴)和左右方向(Y h 轴)上的位移量;y 0?躯干中心左右方向的 调整幅度;参数s 0和T ?前面设置的步距和步行周期。 由上面的分析可知,在给定行走步态的各步行参数后,根据设定的行走步态中腿部和躯干中心的运动轨道,就可实现四足马机器人的行走步态。2.2 四足马机器人的对角小跑步态2.2.1 腿部运动的确定 四足马机器人对角小跑步态的一个步行周期可以简单分解如下:首先右后腿和左前腿一起完成一个步行动作,然后左后腿和右前腿一起完成下一个步行动作;两个步行动作连续完成,中间无间隔时间。同样设置步行周期为T,用各时间段内对应的各脚着地情况来描述四足马机器人的对角小跑步态如图6所示。 图6 四足马机器人的小跑步态 由图6可见,在一个步行周期T 内,t ?[0,T /2]时间段为右后腿和左前腿的步行过程,t ?[T /2,T ]时间段为左后腿和右前腿的步行过程。同样从减少步行过程中脚部着地和离地时对地面的冲击力考虑,步行动 作的轨道计画可与行走步态一致,只是在式(4)和式(5)中取T h =T /2和?t =0即可。图7 对角小跑步态中的受力分析图 2.2.2 躯干运动的确定 由于对角小跑步态中的四足马机器人任一时刻都是对角两脚着地,不能形成地面支持多边形,其步行稳 定形评价方法与行走步态不同。四足马机器人在对角小跑步态中的受力分析图如图7所示。机器人在对角小跑中受到作用于重心G 的惯 性力F M =-m a 和竖直方向的重力F G =m g 。点G 0和点# 96#机 电 工 程第26卷 P i (i =1,2,3,4)分别为四足马机器人重心在步行面上的投影点和各脚着地点。 由图7可求出对角小跑步行过程中的转动角加速度?: ?= m gd G +(-m a )h G J (8) 式中 d G ,h G ?重心投影点G 0到支持对角线P 2P 3的距离和重心高度。 进一步对转动角加速度?进行积分,可得到机器人躯干绕支持对角线转过的角度 : = % t ?#d t (9) 在对角小跑步行中,转角 越小步行过程越稳定。由式(8)和式(9)可得,通过对躯干中心运动轨迹的合理规划,在保证对角小跑过程中机器人躯干转角 小于设定的允许值 0时,四足马机器人就能实现稳定步行。 0的取值和四足马机器人的转动惯量J 以及步行中的重心高度等参数相关。 3 基本步行实验 参照本研究中提出的仿生结构模型,自制的四足马 机器人主要参数如下:躯干长度和宽度分别为320mm 和200mm ,躯干中心的高度约为360mm,总重量约为4.2kg(包括电池);控制硬件采用S H 7045型控制板和12个小型伺服电机;机器人各脚底部安装有压力传感器,可检测步行中各脚所受压力。这里,以此自制四足马机器人为实验对象,针对前述的行走步态和对角小跑步态进行步行实验。3.1 行走步态实验 在行走步态实验中,各基本参数设定如下:步行周期T =10s ,步距s 0=80mm ,相邻两腿间的步行时间间隔?T =1s ,躯干中心左右调整幅度y 0=30mm ,抬脚最大高度h 0=40mm 。在一个步行周期内,机器人 右后腿?右前腿?左后腿?左前腿 的步行动作如图8所示,各脚压力传感器采集到的数据如图9 所示。 图8 行走步态实验中的步行动作 图9中脚底压力传感器的检测数据随步行过程而变化。当检测值为零时,对应着该腿正在进行步行动作。这样由图9可见,四足马机器人在一个步行周期中, 各腿按照设定顺序依次完成一次稳定的步行动作。 图9 一个周期行走过程中机器人各脚底的压力(T =10s) 3.2 对角小跑实验 在对角小跑实验中,四足马机器人的各运动参数设定如下:步行周期T =2s ,步距s 0=60mm ,抬脚最大高度h 0=30mm ,设定最大允许值 0=3&。对角小跑实验中的步行动作如图10所示。各脚压力传感器采集到的数据如图11 所示。 由图10以及图11中压力传感器的检测值可见,在一个步行周期中,四足马机器人左后腿和右前腿同 时完成一次步行动作后,右后腿与左前腿也同时完成了一个步行动作。 4 结束语 在对自然界中马的结构和步行进行分析的基础上,笔者从仿生的角度对四足马机器人的结构和步行法进行了研究;给出了各腿具有3个运动关节和球形脚部的四足马机器人仿生结构模型,并对其运动学反 # 97#第3期陶卫军,等:一种四足马机器人的结构模型及其步行控制 解进行了求解;在进行步行稳定性分析的基础上,设计并实现了该四足马机器人行走步态和对角小跑步态,并通过自制小型四足马机器人的步行实验验证了本研究中的仿生结构和步行控制方法的有效性。 从提高四足马机器人的运动性能和地面适应性出发,今后还需要进一步对四足马机器人的适应步行进行研究。 参考文献(Re feren ces):[1] AR I KAWA K,H I ROSE S .D ev elopment o f Quadruped W a l k i ng R obot T I TAN V III [C ]//P roc .IEEE /R SJ Int .Con.f on Inte lli gent R obo ts and System s O saka :[s .n .],1996:208-214. 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[编辑:罗向阳] (上接第56页) VREF+、VREF-:基准电压的正、负端。VZ1产生2.5V 电压,经R 4,W 1,R 5分压,得到100mV 基准电压。测量前应调整W 1,使基准电压V REF =100.0mV,加到 VREF+端; I N+、I N -:模拟电压输入端,R 3、C 5为输入端阻容滤波电路,以提高仪表的抗干扰能力; CREF:外接基准电容端,接C 3基准电容; CAZ :积分器和比较器的反相输入端,接自动调零电容C 8; B UF :缓冲放大器的输出端,接积分电阻R 7;I NT :积分输出端,接积分电容 C 7; COM:模拟信号公共端,简称 模拟地 。V +与COM 之间有2.8V 的稳压输出。电压测量时,应使COM 与I N -、VREF-相连; TEST :测试端,当它与V +短接后,LED 显示器全部笔划点亮,显示-1888。2.3 安装调试 (1)表头的简单判断:给表头供电端接上标准DC 5V 电压,信号输入端开路,这时显示数字是随机数字,用金属把表头+/-输入端短路,显示应该是"-001"~"000"~"001",>?2个字就要检查原因了。 (2)如果上述检查合格,可以给表头输入100mV 左右的DC 信号电压,显示应该是100.0?2个字,如果不对,可以微调印刷板上的基准电压电位器,让显示 合乎要求;最后输入反极性信号,其显示值应该与正极性输入时基本一致,不允许超出?2个字。 (3)测电路上几个重要工作点电压值,应与原理图所标接近,不应相差过多,否则应检查线路装配是否有误,短接二表棒,蜂鸣器应有报警声。 (4)取一标准电流表,进行整机精度效验,合格后方投入使用。 3 结束语 锂电池保护板漏电流测试仪在2006年初设计完成后,在杭州万马高能量电池有限公司投入使用。经过两年多的工程实践表明,该测试仪日测试量达到10000片/台以上,使用方便,能有效地对锂电池产品质量进行监控。 参考文献(Re feren ces): [1] 罗卫东,黄 克,邱望标.电动汽车蓄电池组智能均充管 理系统[J].机电工程,2008,25(4):78-79. [2] 马宏伟,李 彬.矿用锂电池充电保护电路的研制[J].工 矿自动化,2006(4):79-80. 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[编辑:张 翔] # 98#机 电 工 程第26卷 智能四足机器人结构设计 摘要 对于我们的未来生活，每个人有不同的构想，但大多数人都相信，在将来的社会，机器人将作为家庭的一员进入我们的生活，与我们每天朝夕相处。可现在普遍存在人们心中的疑问是：将来机器人将以何种身份进入我们的生活，是玩伴还是佣人，智能步行机器人的设计就是为了将来机器人能进入我们中国人的家庭生活，为我们的家庭生活带来欢乐。 本设计采用关节型结构，成功地设计了智能步行机器人的本体结构。本机器人具有前后行、平地侧行等基本行走功能。另外机器人头部还装有CD摄影机，胸腔内部可装备内置电源和智能设备。本设计参考了狗的结构组成，使得机器人结构尽量与狗的本体结构相似，尤其在长度配比方面。本设计的结构比较复杂，关节数目众多，为了力求优化设计，设计者兼顾了关键部件的互换性和结构紧凑的原则。所有的关节都用了2036型的直流伺服电机作为驱动源，充分利用伺服电机的特性。伺服电机的驱动都采用了谐波减速器机构，该减速方案减速比大、效率高，是比较理想的减速方案。 关键词：智能四足机器人；结构设计；谐波传动 Intelligent Four-Foot Robot Frame Design Abstract For our future life，everyone had different ideas，but most people believe that，in future society，the robot as a family into our lives，and we can now daily overnight with the common people's hearts Question is: what will be the future status of robot into our lives，playmates or servants，the design of intelligent walking robot is to the future robot can enter our Chinese people's family lives，for our happy family life. The design of a joint structure，the successful design of intelligent walking robot，the body structure. The robot has before and after the trip，the ground adjacent to the basic operating functions. Another robot is also equipped with CD camera head，chest internal equipment can be built-in power supply，and intelligent. The reference design of the structure of the robot，making the structure as the robot dog，the dog's body similar to the structure，particularly in the area ratio of length. The design of the structure is more complicated，the large number of joints，in an effort to optimize the design，designers take into account the interchangeability of key components of the compact structure and principles. All joints are composed of a 2036-type of DC servo motor as a driver and make full use of servo motor characteristics. Servo motor drives are used harmonic reducer，the slowdown in the programme reduction ratio，high efficiency，The ideal slowdown is a good programme. Keywords：intelligent four-foot robot ; structural design; harmonic drive 第21卷第1期1999年1月 机器人ROBO T V o l.21,N o.1 Jan.,1999机器人控制器的现状及展望α 范永谭民 (中国科学院自动化研究所北京100080 摘要机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一,它从一定程度上影响着机器人的发展.本文介绍了目前机器人控制器的现状,分析了它们各自的优点和不足,探讨了机器人控制器的发展方向和要着重解决的问题. 关键词机器人控制器,开放式结构,模块化 1引言 从世界上第一台遥控机械手的诞生至今已有50年了,在这短短的几年里,伴随着计算机、自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步,机器人的发展已经历了3代[1]: (1可编程的示教再现型机器人;(2基于传感器控制具有一定自主能力的机器人;(3智能机器人.作为机器人的核心部分,机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一.它从一定程度上影响着机器人的发展.目前,由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步,使得机器人的研究在高水平上进行,同时也为机器人控制器的性能提出更高的要求. 对于不同类型的机器人,如有腿的步行机器人与关节型工业机器人,控制系统的综合方法有较大差别,控制器的设计方案也不一样.本文仅讨论工业机器人控制器问题. 2机器人控制器类型 机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置,它是机器人的心脏,决定了机器人性能的优劣. 从机器人控制算法的处理方式来看,可分为串行、并行两种结构类型. 211串行处理结构 所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理.对于这种类型的控制器,从计算机结构、控制方式来划分,又可分为以下几种[2]. (1单CPU结构、集中控制方式 用一台功能较强的计算机实现全部控制功能.在早期的机器人中,如H ero2I,Robo t2I等,就采用这种结构,但控制过程中需要许多计算(如坐标变换,因此这种控制结构速度较慢. (2二级CPU结构、主从式控制方式 一级CPU为主机,担当系统管理、机器人语言编译和人机接口功能,同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补,并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存,供二级CPU读取;二级CPU完成全部关节位置数字控制.这类系统的两个CPU总线之间基本没有联系,仅通过公用内存交换数据,是一个松耦合的关系.对采用更多的CPU进一步分散 α1998-09-03收稿 67机器人1999年1月 功能是很困难的.日本于70年代生产的M o tom an机器人(5关节,直流电机驱动的计算机系统就属于这种主从式结构. (3多CPU结构、分布式控制方式 四足步行机器人研究现状及展望 (郑州轻工业学院机电工程学院河南郑州) 摘要：文章对国内外四足步行机器人研究现状进行了综述，归纳分析了四足机器人质心距离测量系统研究的关键技术，并展望了四足机器人的发展趋势。 关键词：四足步行机器人；研究现状；关键技术；发展趋势 引言：目前，常见的步行机器人以两足式、四足式、六足式应用较多。其中，四足步行机器人机构简单且灵活，承载能力强、稳定性好，在抢险救灾、探险、娱乐及军事等许多方面有很好的应用前景，其研制工作一直受到国内外的重视。1国内外研究四足步行机器人的历史和现状 20世纪60年代，四足步行机器人的研究工作开始起步。随着计算机技术和机器人控制技术的研究和应用，到了 20 世纪 80 年代，现代四足步行机器人的研制工作进入了广泛开展的阶段。 世界上第一台真正意义的四足步行机器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年制作的。该机器人具有较好的步态运动稳定性，但其缺点是，该机器人的关节是由逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的行为受到限制，只能呈现固定的运动形式[1]。 20 世纪 80、90 年代最具代表性的四足步行机器人是日本 Shigeo Hirose 实验室研制的 TITAN 系列。1981～1984年Hirose教授研制成功脚部装有传感和信号处理系统的TITAN-III[2]。它的脚底部由形状记忆合金组成，可自动检测与地面接触的状态。姿态传感器和姿态控制系统根据传感信息做出的控制决策，实现在不平整地面的自适应静态步行。 TITAN-Ⅵ[3]机器人采用新型的直动型腿机构，避免了上楼梯过程中各腿间的干涉，并采用两级变速驱动机构，对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。 机器人控制系统 一、工业机器人控制系统应具有的特点 工业机器人控制系统的主要任务是控制工业机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹、操作顺序及动作的时间等项。其中有些项目的控制是非常复杂的，这就决定了工业机器人的控制系统应具有以下特点： （1）工业机器人的控制与其机构运动学和动力学有着密不可分的关系，因而要使工业机器人的臂、腕及末端执行器等部位在空间具有准确无误的位姿，就必须在不同的坐标系中描述它们，并且随着基准坐标系的不同而要做适当的坐标变换，同时要经常求解运动学和动力学问题。 （2）描述工业机器人状态和运动的数学模型是一个非线性模型，随着工业机器人的运动及环境而改变。又因为工业机器人往往具有多个自由度，所以引起其运动变化的变量不止个，而且各个变量之间般都存在耦合问题。这就使得工业机器人的控制系统不仅是一个非线性系统，而且是一个多变量系统。 （3）对工业机器人的任一位姿都可以通过不同的方式和路径达到，因而工业机器人的控制系统还必须解决优化的问题。 二、对机器人控制系统的一般要求 机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下： ?记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。 ?示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。 ?与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。?坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 ?人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 ?传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。 ?位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。?故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障 机器人控制器的现状及展望 摘要机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一, 它从一定程度上影响着机器人的发展。本文介绍了目前机器人控制器的现状, 分析了它们各自的优点和不足, 探讨了机器人控制器的发展方向和要着重解决的问题。 1引言 从世界上第一台遥控机械手的诞生至今已有 50年了,在这短短的几年里,伴随着计算机、自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步,机器人的发展已经历了 3代:(1 可编程的示教再现型机器人; (2 基于传感器控制具有一定自主能力的机器人; (3 智能机器人。作为机器人的核心部分, 机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一。它从一定程度上影响着机器人的发展。目前,由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步, 使得机器人的研究在高水平上进行, 同时也为机器人控制器的性能提出更高的要求。 对于不同类型的机器人, 如有腿的步行机器人与关节型工业机器人, 控制系统的综合方法有较大差别,控制器的设计方案也不一样。本文仅讨论工业机器人控制器问题。 2机器人控制器类型 机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置, 它是机器人的心脏,决定了机器人性能的优劣。 从机器人控制算法的处理方式来看,可分为串行、并行两种结构类型。 2.1串行处理结构 所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理。对于这种类型的控制器, 从计算机结构、控制方式来划分,又可分为以下几种。 (1单 CPU 结构、集中控制方式 用一台功能较强的计算机实现全部控制功能。在早期的机器人中, 如 Hero-I, Robot-I等, 就采用这种结构, 但控制过程中需要许多计算 (如坐标变换 , 因此这种控制结构速度较慢。 (2二级 CPU 结构、主从式控制方式 一级 CPU 为主机,担当系统管理、机器人语言编译和人机接口功能,同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补, 并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存, 供二级 CPU 读取;二级 CPU 完成全部关节位置数字控制。 这类系统的两个 CPU 总线之间基本没有联系,仅通过公用内存交换数据,是一个松耦合的关系。对采用更多的 CPU 进一步分散功能是很困难的。日本于 70年代生产的 Motoman 机器人(5关节,直流电机驱动的计算机系统就属于这种主从式结构。 (3多 CPU 结构、分布式控制方式 目前, 普遍采用这种上、下位机二级分布式结构, 上位机负责整个系统管理以及运动学计算、轨迹规划等。下位机由多 CPU 组成,每个 CPU 控制一个关节运动,这些 CPU 和主控机联系是通过总线形式的紧耦合。这种结构的控制器工作速度和控制性能明显提高。但这些多 CPU 系统共有的特征都是针对具体问题而采用的功能分布式结构,即每个处理器承担固定任务。目前世界上大多数商品化机器人控制器都是这种结构。 控制器计算机控制系统中的位置控制部分,几乎无例外地采用数字式位置控制。 以上几种类型的控制器都是采用串行机来计算机器人控制算法。它们存在一个共同的弱点:计算负担重、实时性差。所以大多采用离线规划和前馈补偿解耦等方法来减轻实时控制 中的计算负担。当机器人在运行中受到干扰时其性能将受到影响, 更难以保证高速运动中所要求的精度指标。 工业机器人控制系统组成及典型结构 一、工业机器人控制系统所要达到的功能机器人控制系统是机器人的重要组成部分，用于对操作机的控制，以完成特定的工作任务，其基本功能如下： 1、记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度和与生产工艺有关的信息。 2、示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教两种。 3、与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。 4、坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。 5、人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。 6、传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。 7、位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。 8、故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障自诊断。 二、工业机器人控制系统的组成 1、控制计算机：控制系统的调度指挥机构。一般为微型机、微处理器有32 位、64 位等如奔腾系列CPU 以及其他类型CPU 。 2、示教盒：示教机器人的工作轨迹和参数设定，以及所有人机交互操作，拥有自己独立的 CPU 以及存储单元，与主计算机之间以串行通信方式实现信息交互。 3、操作面板：由各种操作按键、状态指示灯构成，只完成基本功能操作。 4、硬盘和软盘存储存：储机器人工作程序的外围存储器。 5、数字和模拟量输入输出：各种状态和控制命令的输入或输出。 6、打印机接口：记录需要输出的各种信息。 7、传感器接口：用于信息的自动检测，实现机器人柔顺控制，一般为力觉、触觉和视觉传感器。 8、轴控制器：完成机器人各关节位置、速度和加速度控制。 9、辅助设备控制：用于和机器人配合的辅助设备控制，如手爪变位器等。 10 、通信接口：实现机器人和其他设备的信息交换，一般有串行接口、并行接口等。 11 、网络接口 1) Ethernet 接口：可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC 通信，数据传输速率高达 10Mbit/s ，可直接在PC 上用windows 库函数进行应用程序编程之后，支持TCP/IP 通信协议，通过Ethernet 接口将数据及程序装入各个机器人控制器中。 浙江大学“海特杯”第十届大学生机械设计竞赛“四足机器人”设计方案书 “四足机器人”设计理论方案 自从人类发明机器人以来，各种各样的机器人日渐走入我们的生活。仿照生物的各种功能而发明的各种机器人越来越多。作为移动机器平台，步行机器人与轮式机器人相比较最大的优点就是步行机器人对行走路面的要求很低，它可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面，用于工程探险勘测或军事侦察等人类无法完成的或危险的工作；也可开发成娱乐机器人玩具或家用服务机器人。四足机器人在整个步行机器中占有很大大比重，因此对仿生四足步行机器人的研究具有很重要的意义。 所以，我们在选择设计题目时，我们选择了“四足机器人”，作为我们这次比赛的参赛作品。 一.装置的原理方案构思和拟定： 随着社会的发展，现代的机器人趋于自动化、高效化、和人性化发展，具有高性能的机器人已经被人们运用在多种领域里。特别是它可以替代人类完成在一些危险领域里完成工作。 科技来源于生活，生活可以为科技注入强大的生命力，基于此，我们在构思机器人的时候想到了动物，在仔细观察了猫.狗等之后我们找到了制作我们机器人的灵感，为什么我们不可以学习小动物的走路呢，于是我们有了我们机器人行走原理的灵感。 为了使我们所设计的机器人在运动过程中体现出特种机器人的性能及其运动机构的全面性，我们在构思机器人的同时也为它设计了一些任务： 1. 自动寻找地上的目标物。 2. 用机械手拾起地上的目标物。 3．把目标物放入回收箱中。 4. 能爬斜坡。 图一 如图一中虚线所示的机器人的行走路线，机器人爬过斜坡后就开始搜寻目 标物体，当它发现目标出现在它的感应范围时，它将自动走向目标，同时由于相关的感应器帮助，它将自动走进障碍物中取出物体。 二.原理方案的实现和传动方案的设计： 机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。 图二 图三 机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。 任务的实现主要是利用单片机来控制机器人的四条腿以及几个传感器的共同工作，并通过它们的协调工作来完成的。如图一中所示，让机器人爬过了斜坡之后，就先进行扫描，如果发现有目标出现在它的视野之内，它就会寻着目标前进。如果没有发现目标，机器人会原地转弯并搜寻在它视野之外的目标。由于目标物有可能正好被障碍物遮住，此时我们会设计相应的程序告诉机器人现在先向右行走一定的距离再进行扫描。又由于尽管已经扫描到了目标物，当机器人走向 目录 （一）、机器人运动系统的组成、基本结构 (1) 1、驱动系统 (2) 2、感受系统 (2) 3、机器人——环境交互系统 (3) 4、人机交互系统 (3) 5、控制系统 (3) 6、机械传动结构 (3) （二）、国内外机器人厂家的对比 (4) 1、技术差距 (4) 2、品牌厂家 (5) 3、产品系列 (5) 4、产品价格及成本 (8) （三）机器人控制的智能化、网络化发展 (9) 1、国产机器人的发展状况 (9) 2、应用市场和产品类型的变化 (10) 3、高端智能化机器人将成重点 (11) 智能机器人运动控制系统的综述及发展摘要：本文简述了机器人控制系统，讨论了该系统的分类。综述了机器人控制系统最新的研究内容和成果，调研了机器人控制系统的市场应用。发现，机器人在工业、国防、科研、教育以及人们的日常生活等诸多领域都已广泛应用，并向着标准化、模块化、智能化不展。 关键词：机器人控制系统研究市场 （一）、机器人运动系统的组成、基本结构如图1和图2所示，机器人由机械部分、传感部分、控制部分三大部分组成。这三大部分可以分成驱动系统、机械结构系统、感受系统、机器人—环境交互系统六个子系统。 图1 机器人的基本结构示意图 图2 机器人基本组成示意图 1、驱动系统 要使机器人运作起来，各需各个关节即每个运动自由度安置传动装置。这就是驱动系统。驱动系统可以是液压传动、气压传动、电动传动、或者把它们结合起来应用综合系统，可以是直接驱动或者通过同步带、链条、轮系、谐波齿轮等机械传动机构进行间接传动。 2、感受系统 它由内部传感器模块和外部传感器模块组成，获取内部和外部环境状态中有意义的信息。智能化传感器的使用提高了机器人的机动性、适应性和智能化水准。人类的感受系统对感知外部世界信息是极其灵巧 成绩 采用ADAMS和MATLAB建立机械装置或机电装置虚拟样机 ——四足机器人建模与仿真 实验报告 院（系）名称自动化科学与电气工程 专业名称控制工程 学生学号0 学生姓名0 指导教师0 2016年4月 一、实验背景 1. 参照自然界四足哺乳动物如猫狗的运动形式，对四足机器人进行建模，结合虚拟样机技术软件ADAMS，对四足机器人进行步态规划、运动学和动力学分析，使四足机器人模型良好运行。 2. 利用拉格朗日能量法建立四足机器人坐标系并对四足机器人进行运动学分析。 3.在Solidworks中建立四足机器人三维模型，之后将三维模型导入至虚拟样机软件ADAMS中，在ADAMS中建立虚拟样机模型，并利用样条曲线来规划机器人的运动轨迹，进行仿真，实现机器人的直线行走。 二、实验原理 2.1 研究对象背景分析 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发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机器人。运动仿生机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机器人。 自然环境中有约50％的地形，轮式或履带式车辆到达不了，而这些地方如森林，草地湿地，山林地等地域中拥有巨大的资源，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索，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足的研究很少。 曾长期作为人类主要交通工具的马，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很大的比例，四足机器人的研究深具社会意义和实用价值。 2.2 研究对象数学模型分析 四足机器人整体结构由躯体、左前腿、右前腿、左后腿、右后腿五部分组成。 第21卷第1期1999年1月 机器人 ROBOT V ol.21,No.1 J a n.,1999机器人控制器的现状及展望⒇ 范 永 谭 民 (中国科学院自动化研究所 北京 100080) 摘 要 机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一,它从一定程度上影响着机器人的发展.本文介绍了目前机器人控制器的现状,分析了它们各自的优点和不足,探讨了机器人控制器的发展方向和要着重解决的问题. 关键词 机器人控制器,开放式结构,模块化 1 引言 从世界上第一台遥控机械手的诞生至今已有50年了,在这短短的几年里,伴随着计算机、自动控制理论的发展和工业生产的需要及相关技术的进步,机器人的发展已经历了3代[1]: (1)可编程的示教再现型机器人;(2)基于传感器控制具有一定自主能力的机器人;(3)智能机器人.作为机器人的核心部分,机器人控制器是影响机器人性能的关键部分之一.它从一定程度上影响着机器人的发展.目前,由于人工智能、计算机科学、传感器技术及其它相关学科的长足进步,使得机器人的研究在高水平上进行,同时也为机器人控制器的性能提出更高的要求. 对于不同类型的机器人,如有腿的步行机器人与关节型工业机器人,控制系统的综合方法有较大差别,控制器的设计方案也不一样.本文仅讨论工业机器人控制器问题. 2 机器人控制器类型 机器人控制器是根据指令以及传感信息控制机器人完成一定的动作或作业任务的装置,它是机器人的心脏,决定了机器人性能的优劣. 从机器人控制算法的处理方式来看,可分为串行、并行两种结构类型. 2.1 串行处理结构 所谓的串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理.对于这种类型的控制器,从计算机结构、控制方式来划分,又可分为以下几种[2]. (1)单CPU结构、集中控制方式 用一台功能较强的计算机实现全部控制功能.在早期的机器人中,如Hero-I,Robo t-I等,就采用这种结构,但控制过程中需要许多计算(如坐标变换),因此这种控制结构速度较慢. (2)二级CPU结构、主从式控制方式 一级CPU为主机,担当系统管理、机器人语言编译和人机接口功能,同时也利用它的运算能力完成坐标变换、轨迹插补,并定时地把运算结果作为关节运动的增量送到公用内存,供二级CPU读取;二级CPU完成全部关节位置数字控制.这类系统的两个C PU总线之间基本没有联系,仅通过公用内存交换数据,是一个松耦合的关系.对采用更多的CPU进一步分散 ⒇1998-09-03收稿 DOI:10.13973/https://www.wendangku.net/doc/883780313.html, k i.rob ot.1999.01.014 附件 B： 毕业设计（论文）开题报告 1、课题的目的及意义 1.1课题研究背景目前，机器人的移动主要是轮式、履带式、步行、爬行、蠕动等。然而，地球上大多数的地面都是崎岖的，不能为传统的轮式或履带式到达，而自然界的很多动物却可以在这些地面行走自如、跨越障碍。它们经历了自然界数百万年间的选择，已经进化出适应各种环境的生理特征，给了研究人员很大的启发。步行是大多哺乳动物的移动方式，对环境有很强的适应性，可以灵活的进入相对狭小的空间，可以自由跨越障碍、上下台阶等等。以此，研究步行机器人有着较强的实际意义。现在的步行机器人的足数分别为单足、二足、四足、六足等等。足的数目多时，机器人比较适合重载和慢速运动；二足或者四足机构的机构相对简单，更加灵活。与二足相比，四足机器人的承载能力强、稳定性能更好，在抢险救灾、探险、娱乐及军事等多个领域有很好的应用前景，其研究工作也备受重视[1]。 2005 年，Boston Dynamics 公司首次公开了其历经十余载研究而成的仿生四足机器人Big Dog[2]，在互联网上引起了全球公众的热议。Big Dog 灵活的机动性、强大的抗干扰能力以及优异的环境适应能力成为当今各国四足机器人研究的典型代表。尽管如此，从生物进化的角度来说，四足动物的体型结构和运动方式产生了以载重-适应性和高速-灵活性两大功能异化的分支[3]。Big Dog 则是环境适应能力和运动稳定性方面世界最高水平，然而，对高速运动方面的四足机器人却鲜见研究。高速运动的哺乳动物（尤其是猎豹）以独特的骨骼结构、步态特征、高效的能量转化效率成了仿生四足机器人高速灵活性研究的新方向。在DARPA 的M3 计划支持下4，Boston Dynamics 公司和MIT 仿生机器人实验室均进行了仿猎豹式机器人的研究，并推出了两款样机。尤其Boston Dynamics 公司的机器人还一举打破了足式机器人奔跑的纪录，达46km/h，使仿猎豹机器人成为新的研究热点。 1.2四足机器人研究现状 1.2.1国外研究现状 早在1899 年，Muybridge 最早借助影像设备，进行了有关家猫、狗、骆驼和马等动物的高速运动研究。然而之后的一个世纪人们对四足机器人的研究都仅仅停留在静稳定步态行走的水平上。从早期的GE 四足电控步行车[5]（图1.1）到具有脊柱环节的BISAM 机器人[6]（图1.2），这些机器人在任 摘要：对四足机器人研究应用的历史与现状做了介绍，列举出国内外主要研究机构及其主要研究成果，对四足机器人研究的热点和难点问题进行了归纳总结，并展望了四足机器人的发展趋势。 关键词：四足机器人；研究与应用；历史与现状；难点与热点；发展趋势 1. 引言 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发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机器人。运动仿生机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机器人。 自然环境中有约50％的地形，轮式或履带式车辆到达不了，而这些地方如森林，草地湿地，山林地等地域中拥有巨大的资源，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索，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足的研究很少。 曾长期作为人类主要交通工具的马，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很大的比例。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：从稳定性和控制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实用价值。 2. 国内外四足机器人研究历史与现状 四足机器人的研究可分为早期探索和现代自主机器人研究两个阶段。 2.1 四足机器的早期探索 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索。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控制实现运动的发展阶段。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]。这一阶段的研究成果最具代表性的是美国的Mosher于1968年设计的四足车“Walking Truck” [3]（图1）。 图1 Walking truck 80年代，随着计算机技术和机器人控制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阶段。 大学“海特杯”第十届大学生机械设计竞赛“四足机器人”设计方案书 “四足机器人”设计理论方案 自从人类发明机器人以来，各种各样的机器人日渐走入我们的生活。仿照生物的各种功能而发明的各种机器人越来越多。作为移动机器平台，步行机器人与轮式机器人相比较最大的优点就是步行机器人对行走路面的要求很低，它可以跨越障碍物，走过沙地、沼泽等特殊路面，用于工程探险勘测或军事侦察等人类无法完成的或危险的工作；也可开发成娱乐机器人玩具或家用服务机器人。四足机器人在整个步行机器中占有很大大比重，因此对仿生四足步行机器人的研究具有很重要的意义。 所以，我们在选择设计题目时，我们选择了“四足机器人”，作为我们这次比赛的参赛作品。 一.装置的原理方案构思和拟定： 随着社会的发展，现代的机器人趋于自动化、高效化、和人性化发展，具有高性能的机器人已经被人们运用在多种领域里。特别是它可以替代人类完成在一些危险领域里完成工作。 科技来源于生活，生活可以为科技注入强大的生命力，基于此，我们在构思机器人的时候想到了动物，在仔细观察了猫.狗等之后我们找到了制作我们机器人的灵感，为什么我们不可以学习小动物的走路呢，于是我们有了我们机器人行走原理的灵感。 为了使我们所设计的机器人在运动过程中体现出特种机器人的性能及其运动机构的全面性，我们在构思机器人的同时也为它设计了一些任务： 1. 自动寻找地上的目标物。 2. 用机械手拾起地上的目标物。 3．把目标物放入回收箱中。 4. 能爬斜坡。 图一 如图一中虚线所示的机器人的行走路线，机器人爬过斜坡后就开始搜寻目 标物体，当它发现目标出现在它的感应围时，它将自动走向目标，同时由于相关的感应器帮助，它将自动走进障碍物中取出物体。 二.原理方案的实现和传动方案的设计： 机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。 图二 图三 机器人初步整体构思如上的图二和图三，四只腿分别各有一个电机控制它的转动，用一个电机驱动两条腿的抬伸。根据每只腿的迈步先后实现机器人的前进，后退，左转和右转，在机器人腿迈出的同时，它也会相应地进行抬伸，具体实现情况会在下文详细说明。 任务的实现主要是利用单片机来控制机器人的四条腿以及几个传感器的共同工作，并通过它们的协调工作来完成的。如图一中所示，让机器人爬过了斜坡之后，就先进行扫描，如果发现有目标出现在它的视野之，它就会寻着目标前进。如果没有发现目标，机器人会原地转弯并搜寻在它视野之外的目标。由于目标物 摘要 为使机器人完成各种任务和动作所执行的各种控制手段。作为计算机系统中的关键技术，计算机控制技术包括范围十分广泛，从机器人智能、任务描述到运动控制和伺服控制等技术。既包括实现控制所需的各种硬件系统，又包括各种软件系统。最早的机器人采用顺序控制方式，随着计算机的发展，机器人采用计算机系统来综合实现机电装置的功能，并采用示教再现的控制方式。随着信息技术和控制技术的发展，以及机器人应用范围的扩大，机器人控制技术正朝着智能化的方向发展，出现了离线编程、任务级语言、多传感器信息融合、智能行为控制等新技术。多种技术的发展将促进智能机器人的实现。 当今的自动控制技术都是基于反馈的概念。反馈理论的要素包括三个部分：测量、比较和执行。测量关心的变量，与期望值相比较，用这个误差纠正调节控制系统的响应。这个理论和应用自动控制的关键是，做出正确的测量和比较后，如何才能更好地纠正系统。 PID（比例-积分-微分）控制器作为最早实用化的控制器已有50多年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。PID控制器简单易懂，使用中不需精确的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。 它由于用途广泛、使用灵活，已有系列化产品，使用中只需设定三个参数（Kp，Ti 和Td）即可。在很多情况下，并不一定需要全部三个单元，可以取其中的一到两个单元，但比例控制单元是必不可少的。 关键词：机器人，机器人控制，PID，自动控制 目录 摘要.......................................................... I 第1章绪论................................................ - 1 - 1.1机器人控制系统 (1) 1.2机器人控制的关键技术 (1) 第2章机器人PID控制...................................... - 2 - 2.1PID控制器的组成 (2) 2.2PID控制器的研究现状 (2) 2.3PID控制器的不足 (3) 第3章 PID控制的原理和特点 ................................ - 4 - 3.1PID控制的原理 (4) 3.2PID控制的特点 (5) 第4章 PID控制器的参数整定 ................................ - 5 -后记...................................................... - 6 - 龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/883780313.html, 四足机器人的结构设计 作者：王丽君 来源：《中国新技术新产品》2016年第18期 摘要：随着机器人技术的不断发展，我国发明的步行机器人的应用得到了广泛地应用， 步行机器人属于一种集仿生学、机械工程学以及控制工程学等多种学科为一体的一项研究实体，是一个典型的多变量、飞翔性以及结构复杂的动力学系统，在四足机器人的研究过程中，姿态结构的不稳定以及产生稳定步行的运动已经成为了必须解决的动态平衡问题。本文首先对四足机器人的本体结构设计进行了分析；其次针对现有的步行机器人在实际研究和应用中存在的一些问题进行了分析。 关键词：四足；步行机器人；结构设计 中图分类号：TP391 文献标识码：A 在现阶段中，机器人的主要的移动方式包括轮式、履带式和足式，其中采用轮式和履带式的机器人在穿越障碍的能力方面是相对较弱的，因此运动方面的灵活性也就不能进行充分地展示。在此基础上，四足机器人的步行腿就可以具有多个自由度的特点，在落足点方面是比较分散的，因此可以在足尖点可以控制的范围之内进行灵活调整行走的步态，在穿越障碍和规避障碍的能力方面是相对较强的。 一、四足机器人的本体结构设计 1.机构模型的建立和简化 在四足哺乳动物中，腿部是由5个部分来共同组成的，利用和躯干之间的有效连接，实现对腿部的控制，从而完成行走的活动，在每一个关节当中都拥有1～3个之间的自由度，可以使其在运动的时候进行灵活和敏捷地运行。在机械的控制和复杂方面，要想完全模仿四足生物来进行机器人的行走，是有一定程度的难度的。只能在保证机器人可以灵活运动的前提下，最大程度地降低机械控制的复杂程度。四足机器人由步行腿和侧摆、大腿和小腿3个部分构成，躯体和侧摆、侧摆和大腿、大腿和小腿之间由于需要转动进而形成关节的连接，在每一个关节处都需要有一个自由度。 2.自由度的确定 四足机器人在进行的过程中，步行腿的运行可以分为两种状态，分别是摆动状态和支撑状态。在进行摆动状态的时候，步行腿就和连杆之间就会形成一种在串联基础上的空间开链式的结构，此时的步行腿的自由度和关节数量是一致的。在支撑状态中，地面就成为了并联机构的机架，可以简单地认为是和地面组成的一种球关节的状态。 毕业设计说明书 作者：学号： 系：机械工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 题目：四足仿生移动机器人结构设计 指导者：副教授 评阅者： 目次 1 概述 ................................................ 错误！未定义书签。 1.1 绪论........................................... 错误！未定义书签。 1.2 国内外研究现状及关键技术....................... 错误！未定义书签。 1.3 本课题主要研究内容............................. 错误！未定义书签。 2 四足仿生移动机器人的结构设计原则及要求 ............... 错误！未定义书签。 2.1 四足仿生移动机器人的总体方案确定............... 错误！未定义书签。 2.2 机器人机械结构及传动设计....................... 错误！未定义书签。 3 电机的确定 .......................................... 错误！未定义书签。 3.1 各关节最大负载转矩计算......................... 错误！未定义书签。 3.2 机器人驱动方案的对比分析及选择................. 错误！未定义书签。 3.3 驱动电机的选择................................. 错误！未定义书签。 4. 带传动设计 .......................................... 错误！未定义书签。 4.1 各参数设计及计算............................... 错误！未定义书签。 4.2 带型选择及带轮设计............................. 错误！未定义书签。5工作装置的强度校核.................................... 错误！未定义书签。 5.1 轴的强度校核................................... 错误！未定义书签。 5.2 轴承的选型..................................... 错误！未定义书签。结论 ................................................. 错误！未定义书签。参考文献 ............................................ 错误！未定义书签。致谢 ................................................. 错误！未定义书签。 移动机器人控制系统的发展方向 摘要随着计算机技术、传感器技术的不断发展，对于机器人领域的发展具有一定的促进作用。而由于移动机器人具有能够自治与移动的特征，在机器人领域处于核心地位。在复杂、危险的环境中，移动机器人所发挥的作用是有目共睹的。对此，对当前国内外较为常见的移动机器人控制系统进行剖析，并在此基础上论述了该领域的未来发展方向。 【关键词】移动机器人控制系统发展方向 移动机器人属于能够自动执行工作任务的机器，不但能够按照事先编译的程序运行，同时人类还可对其指挥。当前主要被运用在生产业、建筑业以及航空航天领域，而该领域的发展情况直接关系到国家综合实力的提升速度，对此加强对移动机器人控制系统的发展情况，以及未来发展方向的研究势在必行。 1 国内外常见的移动机器人控制系统 相对于国内在移动机器人的研究状况，能够看出国外在该领域的研究是较早的，其中具有代表性的有Saphira、TeamBots以及ISR。而在国内方面，代表性的有OSMOR、ZJMR以及Agent。下面，便对较为常用的控制系统进行介 绍： 1.1 国外移动机器人控制系统 1.1.1 Saphira控制系统 Saphira控制系统是移动机器人领域中最早的系统，是有SRI国际人工智能中心在1990年所研发的，此系统是基于本地感知空间的共享内存与黑板，来实现协调与通信进程。由于Saphira是采用C语言来进行开发的，同时支持Windows 与Unix系统，因此具有文档资料相对完整、系统资源占用少等特征。但是需注意的是，由于Saphira系统在定位方面无法达到当前的实际需求，因此运用是相对较少的。 1.1.2 TeamBots控制系统 本系统是基于Java包与Java应用程序而构建的，经过20余年的发展后，此系统截止到目前已经被运用到多种类型的机器人平台当中。除此之外，在适用的操作系统方面，其中具有代表性的有Windows、MacOS以及Linux等，因此其运用的范围是更加广泛的。 1.1.3 ISR控制系统 ISR是基于行为的控制模式，其中是有任务执行层、反映层以及推理层所构成的，是有CAS研究中心所研发的。其中，任务执行层的作用是执行推理层所传输的指令；反映层其中包含资源、控制器以及行为；推理层的功能是根据用户的指令来对决策进行制定。此外，ISR控制系统仅能够在智能四足机器人结构设计
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