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先进制造技术论文
新疆农业大学机械交通学院
课程论文
题目
行走机器人
学院
机械交通学院
专业
机械设计制造及其自动化
班级
机制104班
姓名
袁万杰
学号
103731433
指导教师
刘小勇
职称
教授
2013年6月20日
行走机器人
袁万杰
摘要:
行走机器人是机器人学中的一个重要分支。
能适应地上、地下、水中、空中、宇宙等作业环境的各种移动机构。
本文从国内外的研究状况着手,介绍了行走机器人技术特点、结构组成、关键部件、工作原理及应用分析,以及行走机器人的发展历史,研究现状和发展趋势。
本文还介绍了国内最新的研究成果,仿真机器人等等。
关键字:
机器人行走机构;发展;现状;应用;仿真
walkingrobot
YUANWan-jie
Abstract:
thewalkingrobotisanimportantbranchofrobotics.Cantoadapttotheground,underground,water,air,space,etc.Theworkingenvironmentofallkindsofmobilemechanism.Thistextsetaboutfromthedomesticandforeignresearchsituation,thetechnicalcharacteristicsofthewalkingrobotispresentedinthepaper,thestructurecomposition,keycomponents,Thispaperalsointroducesthelatestresearchachievementsofdomestic,thesimulationrobotandsoon.
Keyword:
robottravellingmechanism;developing;currentsituation;application;thesimulation
前言
行走机器人是机器人学中的一个重要分支。
关于行走机器人的研究涉及许多方面,首先,要考虑移动方式,可以是轮式的、履带式的和腿式的等;其次,必须考虑驱动器的控制,以使机器人达到期望的行为;第三,必须考虑导航或路径规划。
因此,行走机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。
机器人的机械结构形式的选型和设计,应该根据实际需要进行。
在机器人机构方面,应当结合机器人在各个领域及各种场合的应用,开展丰富而富有创造性的工作。
对于行走机器人,研究能适应地上、地下、水中、空中、宇宙等作业环境的各种移动机构。
当前,对足式步行机器人、履带式和特种机器人研究较多,但大多数仍处于实验阶段,而轮式移动机器人由于其控制简单,运动稳定和能源利用率高等特点,正在向实用化迅速发展,从阿波罗登月计划中的月球车到美国最近推出的NASA行星漫游计划中的六轮采样车,从西方各国正在加紧研制的战场巡逻机器人、侦察车到新近研制的管道清洗检测机器人,都有力地显示出行走机器人正在以其使用价值和广阔的应用前景而成为智能机器人发展的方向之一。
1技术特点以及结构组成
轮式行走机器人在平地上行驶不计较方便,履带式行走机器人可以在泥泞道路上和沙漠中行驶。
但与人类十分相似的步行机器人具有他们无可比拟的优点,如上下楼,跨越沟渠和障碍,能上陡坡,立地旋转.
步行机器人与工业机器人的最大区别就是步行机器人移动自由,工业机器人的位置相对比较固定,即使有移动也是靠导轨来移动的。
1.1步行机器人可以足的多少来分类
二足步行机器人
四足,六足及多足机器人(如图1)
图1多足机器人
1.2静平衡与动平衡
二动物行走时,总是在不停地调整平衡点以保证不跌到,这称之为动平衡,此时控制器必须不断的将机器人的平衡状态反馈回来。
然后机器人不停地改变加速度或者重心的位置以满足平衡或定位的要求。
静平衡的机器人的物理特性和行走方式都经过认真协调,因此在行走时不会发生严重偏离平衡位置的现象。
为了保证静平衡,机器人需要仔细考虑机器人足的配置,通常机器人的脚做得相当大。
两种保持平衡的方法:
(1)三脚布局,能保证至少同时有三条腿着地;
(2)的机器足,使机器人中心能通过足的着地平面,易于
制平衡。
1.3四足机器人
观察一下猫和狗的运动,也可以注意一下人类手足并用爬行样子。
注意四肢是如何连贯起来运动的。
膝关节向前,肘关向后。
这就意味着机器人向前运动的主力来自后腿,前腿之是向前伸展着地。
行走时,大腿和小腿的运动(如图2)
图2四足机器人运动
1.4直立行走
凡是脚推进躯体前进时,都是始于发力点终于结速点。
在复原过程中,腿重新回到发力点准备开始下一次运动。
图3直立行走步态图
这种步行运动方式最困难的地方在于如何调整腿之间的运动。
如果机器人的身体很短,在后腿完成复原之前,同侧的前腿尚未完成它的发力过程,两条腿就会相撞。
以下是四足步行机器人的行进过程(如图4),前提是机器人的一组腿已经开始运动:
图4四足步行机器人行进
(1)按要求的前行速度移动机器人处于对角的一组腿,控制大腿和小腿张开的角度。
一组中的两条腿运动时必须保持同步。
(2)同时,调整处于对角的另一组腿的小腿,的角度,使之摆脱地面的约束,并摆动到下一次前行的发力点,为迈出下一步做好准备。
(3)一旦第一步中的一组腿到达推进过程的结束点,将第2步的一组的小腿伸开。
(4)调换两组腿的角色,回到第1步,开始下一次循环。
1.5六足机器人
要完整地讨论多足机器人,就不能不提到昆虫。
节肢动物可以算是地球上最成功的动物,它一定有值得借鉴的地方。
大部分商用步行机器人都是昆虫类的,因为昆虫是制作静态平衡机器人的一个稳定的平台,并且昆虫的步态又最容易实现。
上述协调过程使机器俄向前运动。
反方向运动时,可颠倒以上执行过程,即提腿不向前运动,而是提腿向后运动转弯时,使一侧向前运动,另一侧向后运动(使机器人绕中心转动)。
慢速转动时,两侧腿同时向前运动,但使一侧腿比另一侧腿前移的距离短一些。
如果每条腿都有三个自由度,那么机器人就能够做出更神奇的动作,例如,摆出跃起或坐下的姿态。
1.6六足步态的机器人
与三足步态的区别是前腿和后腿只能前后移动,中腿只能上下移动。
这个机器人行走时躯体会有摇摆,因为某一侧前腿的前腿和另一侧的后腿向前运动的时候,机器人会围绕着地的中腿发生摆动。
(如图5、图6)
图5六足步态
图6八足步态
2国内外现状
(1)多足步行机器人是一种具有冗余驱动、多支链、时变拓扑运动机构,是模仿多足动物运动形式的特种机器人,是一种足式移动机构。
所谓多足一般指四足及四足其以上,常见的多足步行机器人包括四足步行机器人、六足步行机器人、八足步行机器人等。
(2)步行机器人历经百年的发展,取得了长足的进步,归纳起来主要经历以下几个阶段:
第一阶段,以机械和液压控制实现运动的机器人。
第二阶段,以电子计算机技术控制的机器人。
第三阶段,多功能性和自主性的要求使得机器人技术进入新的发展阶段。
3应用举例、国外国内的研究成果
3.1国外多足步行机器人的研究成果
1990年,美国卡内基-梅隆大学研制出用于外星探测的六足步行机器人AMBLER。
该机器人采用了新型的腿机构,由一个在水平面内运动的旋转杆和在垂直平面内作直线运动的伸展杆组成,两杆正交。
该机器人由一台32位的处理机来规划系统运动路线、控制运动和监视系统的状态,所用传感器包括激光测距扫描仪、彩色摄像机、惯性基准装置和触觉传感器。
总质量为3180kg,由于体积和质量太大,最终没被用于行星探测计划。
1993年,美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人DANTE,用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察,其改进型DANTE-II也在实际中得到了应用。
1994年,DANTE-II对距离安克雷奇145km的斯伯火山进行了考察,传回了各种数据及图像。
1996~2000年,美国罗克威尔公司在DARPA资助下,研制自主水下步行机ALUV(AutonomousLeggedUnderwaterVehicle)。
该步行机模仿螃蟹的外形,每条腿有两个自由度,具有两栖运动性能,可以隐藏在海浪下面,在水中步行,当风浪太大时,将脚埋入沙中。
它的脚底装有传感器,用于探测岸边的地雷,当它遇到水雷时,自己爆炸同时引爆水雷。
在对昆虫步态进行研究的基础上,2000年美国研制出六足仿生步行机器人。
为了像昆虫那样在凸凹不平地面上仍能高速和灵活步行,采用气动人工肌肉的方式,压缩空气由步行机上部的管子传输,并由气动作动器驱动各关节,使用独特的机构来模仿肌肉的特性。
与电机驱动相比,该作动器能提供更大的力和更高的速度。
日本对多足步行机的研究从20世纪80年代开始,并不断进行着技术创新,随着计算机和控制技术的发展,其机械结构由复杂到简单,其功能由单一功能到组合功能,并已研究出各种类型的步行机。
主要有四足步行机、爬壁机器人、腿轮分离型步行机器人和手脚统一型步行机器人。
1994年,日本电气通信大学的木村浩(HiroshiKimura)等研制成功四足步行机器人Patrush-II。
该机器人用两个微处理机控制,采用直流伺服电机驱动,每个关节安装了一个光电码盘,每只脚安装了两个微开关,采用基于神经振荡子模型CPG(CentralPatternGenerator)的控制策略,能够实现不规则地面的自适应动态步行,显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的特点。
2000~2003年,日本的木村浩等又研制成功四足步行机器人Tekken[2],如图8所示。
该机器人用一台PC机系统控制,采用瑞士Maxon直流伺服电机驱动,每个关节安装了一个光电码盘,并安装了陀螺仪、倾角计和触觉传感器。
采用基于神经振荡子模型的CPG控制器和反射机制构成的控制系统,其中CPG用于生成机体和四条腿的节律运动,而反射机制通过传感器信号的反馈,来改变CPG的周期和相位输出,Tekken能适应中等不规则表面的自适应步行。
3.2国内多足步行机器人的研究成果:
1991年,上海交通大学马培荪等研制出JTUWM系列四足步行机器人。
JTUWM-III是模仿马等四足哺乳动物的腿外形制成,每条腿有3个自由度,由直流伺服电机分别驱动。
在进行步态研究的基础上,通过对3个自由度的协调控制,可完成单腿在空间的移动。
该机器人采用计算机模拟电路两级分布式控制系统,JTUWM-III以对角步态行走,脚底装有PVDF测力传感器,利用人工神经网络和模糊算法相结合,采用力和位置混合控制,实现了四足步行机器人JTUWM-III的慢速动态行走,极限步速为1.7km/h。
为了提高步行速度,将弹性步行机构应用于该四足步行机器人,产生缓冲和储能效果。
2000年,上海交通大学马培荪等对第一代形状记忆合金SMA驱动的微型六足机器人进行改进,开发出具有全方位运动能力的微型双三足步行机器人MDTWR。
其第一代的每条腿只有2个自由度,无法实现机器人的转向,只能进行直线式静态步行,平均行走速度为1mm/s。
将机体的主体部分进行改进设计,由上下两层相互平行的三叉支架组成,将六足改进为双三足,引入身体转动关节,采用新型的组合偏动SMA驱动器,使新一代的微型双三足步行机器人MDTWR具有全方位运动能力。
2002年,上海交通大学的颜国正、徐小云等进行微型六足仿生机器人的研究[1],如图2所示。
该步行机器人外形尺寸为:
长30mm,宽40mm,高20mm,质量仅为6.3kg,步行速度为3mm/s。
他们在分析六足昆虫运动机理的基础上,利用连杆曲线图谱确定行走机构的尺寸,采用微型直流电机、蜗轮蜗杆减速机构和皮带传动机构,在步态和稳定性分析的基础上,进行控制系统软、硬件设计,步行实验结果表明,该机器人具有较好的机动性。
2003年哈尔滨工程大学的孟庆鑫、袁鹏等进行了两栖仿生机器蟹的研究,从两栖仿生机器蟹的方案设计到控制框架构建,研究了多足步行机的单足周期运动规律,提出适合于两栖仿生机器蟹的单足运动路线规划方法,并从仿生学角度研究了周期性节律性的多足步行运动的控制问题,建立了生成周期运动的神经振荡子模型。
4行走机器人发展趋势分析
首先,在国家知识产权局专利检索平台对相关专利进行了检索。
以专利的申请时间为横坐标,申请数量为纵坐标,统计了行走机器人专利的发展趋势。
(如图7)
图7行走机器人专利发展趋势图
从图7可以看出,自1990年开始到2000年,行走机器人的研究近乎空白,2001到2003年,行走机器人的研究很少,从2005年至今,行走机器人的研究数量虽然有所增加,但最多也限于5件,今后,人们将逐渐关注到行走机器人的优势,并将其应用到生活及其它方面。
下面就行走机器人研究的最新进展进行介绍和说明。
5行走机器人的最新进展
5.1一种扶杖行走机器人。
包括本体与扶杖。
本体包括头部、肩膀、躯干、手部、大腿、小腿、与脚板。
头部与肩膀共轴并套设在肩膀上,且可左右转动。
肩膀下依次连接躯干、大腿、小腿及脚板。
手部连接于躯干上;扶杖连接于手部。
扶杖的底部装设万向轮。
上述机器人可以利用扶杖支撑机器人行走时的部分重量,避免全部重量集中到机器人的双腿上引起其对地面冲击过大而易发生失去平衡的问题。
(如图8)
图8扶仗行走机器人
5.2一种螺旋型驱动管道行走机器人。
由动力驱动装置、行走导向装置以及连接这两部分的万向节(8)组成,动力驱动装置由电机
(1)驱动圆形转子(5)构成,圆形转子(5)的外壁上分别安装有三组呈对称布置的轮架
(2),每组轮架
(2)上再安装二个轮子(3),其转动轴线与转子(5)的轴线呈一锐角倾斜角;而行走导向装置由一圆柱或圆筒形体(11)的外壁上安装有三组呈对称布置的导向轮架(12)组成,每组导向轮架(12)上再安装二个轮子(10),其转动轴线与圆柱或圆筒形体(11)的轴线相互垂直。
动力驱动装置的转子(5)上的轮架
(2)和行走导向装置上圆柱或圆筒形体(11)的导向轮架(12)均为浮动体,且用弹簧(9)来产生一定的经向涨缩量使轮架
(2)和导向轮架(12)上的所有轮子始终贴紧于管道的内壁。
电机驱动后能使管道行走机器人沿管道轴线方向前进或后退。
(如图9)
图9螺旋型驱动管道行走机器人
5.3一种管道外行走机器人。
由动力驱动装置、行走导向装置及其连接弹性元件组合体(11)组成,动力驱动装置由筒形体
(1)和筒形驱动主体(4)通过滚动轴承(3)构成一个回转体,而筒形体
(1)的内壁上固定安装有一个以上的电机
(2),电机轴与筒形体
(1)的轴线平行并安装有齿轮(6);而筒形驱动主体(4)内壁的一端固定安装有一个内齿圈(5)并与齿轮(6)相啮合,在其内壁上安装一组驱动轮(8),且其转动轴线与筒形驱动主体(4)的转动轴线呈一锐角;而行走导向装置的筒形导向主体(12)的内壁上安装有至少二组以上的导向轮(14),其转动轴线与筒形导向主体(12)的轴线相互垂直。
安装架(7)和导向轮架(13)均为浮动体,且用弹性元件(15)来产生一定的径向涨缩量,使驱动轮(8)和导向轮(14)始终贴紧于管道(10)的外壁。
(如图10)
图10管道外行走机器人
6总结
作为机械设计制造及其自动化专业的一名学生,有必要学习一些机器人学方面的知识。
机器人是现代一种典型的光机电一体化产品,机器人学也是当今世界极为活跃的研究领域之一,它涉及计算机学、机械学、电子学、自动控制学、人工智能等多个学科。
机器人从出现到现在的短短几十年中,已经广泛应用于国民经济的各个领域,在现代工业生产中,机器人已成为人类不可或缺的好帮手;在航空航天、海底探险中,机器人更是能完成人类所难以完成的工作,随着计算机、人工智能和光机电一体化技术的迅速发展,机器人已经不仅仅局限于在工业领域的应用,它还将发展成具有人类智能的智能型机器人,具有一定感觉思维能力和自主决策能力。
我国工业机器人的发展一直不尽如人意。
我想如果我们整个社会对机器人的应用没有正确认识的话,机器人真正实现产业化是很困难的,无论是本文讲的行走机器人,还是机器人的其他应用,我们的国家都会是很落后的。
我想只有我们的教育对于机器人方面的知识普及下去,我们国家的机器人的研究一定会上升一个层次的。
只要我们大家共同努力、中国的机器人事业就大有希望。
参考文献:
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北京航空航天大学
车工程系,2006.9.
[7]徐轶群,万隆君.四足步行机器人.腿机构及其稳定性步态控制[M].机械
科学与技术.2012.
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