行走機(jī)器人設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)報(bào)告
隨著個(gè)人素質(zhì)的提升，越來越多的事務(wù)都會(huì)使用到報(bào)告，不同的報(bào)告內(nèi)容同樣也是不同的。我敢肯定，大部分人都對寫報(bào)告很是頭疼的，以下是小編為大家整理的行走機(jī)器人設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)報(bào)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(jī)器人的發(fā)展背景與前瞻與課程設(shè)計(jì)內(nèi)容
近年來，隨著社會(huì)飛速發(fā)展，機(jī)器人的研究及應(yīng)用得到迅速發(fā)展，因其在教育，醫(yī)療，軍事，工業(yè)等領(lǐng)域的巨大應(yīng)用，因此得到許多國內(nèi)外科學(xué)家的關(guān)注。
機(jī)器人在以后社會(huì)快速發(fā)展的過程中會(huì)起著越來越重要的作用。相信在不久的將來機(jī)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(jī)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(chǔ)。
雙足機(jī)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(yīng)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(jié)構(gòu)無法比擬的。研究雙足行走機(jī)器人具有重要的意義。
1、主要內(nèi)容：
1）、控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)與仿真；
2）、六自由度機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制。
2、訓(xùn)練形式
學(xué)生以小組為單位，集體討論確定整體方案；指導(dǎo)教師給出實(shí)訓(xùn)方向，技術(shù)指標(biāo)等，協(xié)助學(xué)生完成訓(xùn)練任務(wù)。
二.實(shí)習(xí)任務(wù)
這次機(jī)電一體化綜合訓(xùn)練Ⅲ包含兩部分內(nèi)容。一是分組選題完成實(shí)習(xí)要求；二是開發(fā)性設(shè)計(jì)。本報(bào)告書將從整體上分為兩部分對本次實(shí)習(xí)的要求進(jìn)行匯報(bào)。完成對六自由度機(jī)器人的組裝、調(diào)試以及實(shí)現(xiàn)預(yù)定的功能。
三.實(shí)習(xí)要求
要使六自由度機(jī)器人實(shí)現(xiàn)人類的一些動(dòng)作，那么六自由度機(jī)器人必須有它的獨(dú)特性。事實(shí)上，關(guān)于運(yùn)動(dòng)靈活性，人類大約擁有四百個(gè)左右的自由度。因此，機(jī)器人的關(guān)節(jié)的選擇、自由度的確定是很必要的，步行機(jī)器人自由度的配置對其結(jié)構(gòu)有很大影響。自由度越少，結(jié)構(gòu)越簡單，可實(shí)現(xiàn)功能越少，控制起來相對簡單；自由度越多，結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，可實(shí)現(xiàn)功能越多，控制過程相對復(fù)雜。
自由度的配置必須合理:首先分析一下步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程(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(jī)器人步行過程可以看出:機(jī)器人向前邁步時(shí)，髖關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)必須各自配置有1個(gè)自由度以配合實(shí)現(xiàn)支撐腿、上軀體的移動(dòng)和實(shí)現(xiàn)重心轉(zhuǎn)移。另外膝關(guān)節(jié)處配置1個(gè)俯仰自由度能夠調(diào)整擺動(dòng)腿的著地高度，保證步行時(shí)落足平穩(wěn)。這樣最終決定髖關(guān)節(jié)配置1個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)配置1個(gè)俯仰自由度，踝關(guān)節(jié)配置有1個(gè)偏轉(zhuǎn)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(jié)和膝關(guān)節(jié)俯仰自由度共同協(xié)調(diào)動(dòng)作可完成機(jī)器人的在縱向平面(前進(jìn)方向)內(nèi)的直線行走功能；踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)調(diào)動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)在橫向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移功能。步行運(yùn)動(dòng)中普遍存在結(jié)構(gòu)對稱性。運(yùn)動(dòng)的對稱性和腿機(jī)構(gòu)的對稱性之間存在相互關(guān)系。在單足支撐階段，對稱性的機(jī)身運(yùn)動(dòng)要求腿部機(jī)構(gòu)也是對稱的。根據(jù)這點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)也采用對稱性布置。
四．工作原理
4.1六自由度機(jī)器人的工作原理
六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是由六支作動(dòng)筒，上、下各六只萬向鉸鏈和上、下兩個(gè)平臺(tái)組成，下平臺(tái)固定在基礎(chǔ)上，借助六支作動(dòng)筒的伸縮運(yùn)動(dòng)，完成上平臺(tái)在空間六個(gè)自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運(yùn)動(dòng)，.從而可以模擬出各種空間運(yùn)動(dòng)姿態(tài)�？蓮V泛應(yīng)用到各種訓(xùn)練模擬器如飛行模擬器、艦艇模擬器、海軍直升機(jī)起降模擬平臺(tái)、坦克模擬器、汽車駕駛模擬器、火車駕駛模擬器、地震模擬器以及動(dòng)感電影、娛樂設(shè)備等領(lǐng)域，甚至可用到空間宇宙飛船的對接，空中加油機(jī)的加油對接中。在加工業(yè)可制成六軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床、靈巧機(jī)器人等。由于六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的研制，涉及機(jī)械、液壓、電氣、控制、計(jì)算機(jī)、傳感器，空間運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型、實(shí)時(shí)信號(hào)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)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(biāo)志性象征。六自由度運(yùn)動(dòng)平臺(tái)是傳動(dòng)及控制技術(shù)領(lǐng)域的皇冠級(jí)產(chǎn)品，掌握了它，在傳動(dòng)和控制領(lǐng)域基本上就沒有了難題。
4.2機(jī)器人的工作原理
按照目前最寬泛的定義，如果某樣?xùn)|西被許多人認(rèn)為是機(jī)器人，那么它就是機(jī)器人。許多機(jī)器人專家（制造機(jī)器人的人）使用的是一種更為精確的定義。他們規(guī)定，機(jī)器人應(yīng)具有可重新編程的大腦（一臺(tái)計(jì)算機(jī)），用來移動(dòng)身體。
根據(jù)這一定義，機(jī)器人與其他可移動(dòng)的機(jī)器（如汽車）的不同之處在于它們的計(jì)算機(jī)要素。許多新型汽車都有一臺(tái)車載計(jì)算機(jī)，但只是用它來做微小的調(diào)整。駕駛員通過各種機(jī)械裝置直接控制車輛的大多數(shù)部件。而機(jī)器人在物理特性方面與普通的計(jì)算機(jī)不同，它們各自連接著一個(gè)身體，而普通的計(jì)算機(jī)則不然。
大多數(shù)機(jī)器人確實(shí)擁有一些共同的特性。首先，幾乎所有機(jī)器人都有一個(gè)可以移動(dòng)的身體。有些擁有的只是機(jī)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。與人體骨骼類似，這些獨(dú)立的部件是用關(guān)節(jié)連接起來的。
工業(yè)機(jī)器人專門用來在受控環(huán)境下反復(fù)執(zhí)行完全相同的工作。例如，某部機(jī)器人可能會(huì)負(fù)責(zé)給裝配線上傳送的花生醬罐子擰上蓋子。為了教機(jī)器人如何做這項(xiàng)工作，程序員會(huì)用一只手持控制器來引導(dǎo)機(jī)器臂完成整套動(dòng)作。機(jī)器人將動(dòng)作序列準(zhǔn)確地存儲(chǔ)在內(nèi)存中，此后每當(dāng)裝配線上有新的罐子傳送過來時(shí)，它就會(huì)反復(fù)地做這套動(dòng)作。
大多數(shù)工業(yè)機(jī)器人在汽車裝配線上工作，負(fù)責(zé)組裝汽車。在進(jìn)行大量的此類工作時(shí)，機(jī)器人的效率比人類高得多，因?yàn)樗鼈兎浅＞_。無論它們已經(jīng)工作了多少小時(shí)，它們?nèi)阅茉谙嗤奈恢勉@孔，用相同的力度擰螺釘。制造類機(jī)器人在計(jì)算機(jī)產(chǎn)業(yè)中也發(fā)揮著十分重要的作用。它們無比精確的巧手可以將一塊極小的微型芯片組裝起來。
4.3舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理
舵機(jī)的工作原理。舵機(jī)常用的控制信號(hào)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(hào)。當(dāng)舵機(jī)收到該信號(hào)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(fù)向標(biāo)準(zhǔn)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(hào)脈沖如果寬于負(fù)向的標(biāo)準(zhǔn)脈沖，得到的就是正的差值脈沖。如果輸入脈沖比標(biāo)準(zhǔn)脈沖窄，相加后得到的肯定是負(fù)的脈沖。此差值脈沖放大后就是驅(qū)動(dòng)舵機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力信號(hào)。舵機(jī)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪組減速后，同時(shí)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤和標(biāo)準(zhǔn)脈沖寬度調(diào)節(jié)電位器轉(zhuǎn)動(dòng)。直到標(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)動(dòng)！，這就是舵機(jī)的工作原理。
五．機(jī)器人行走的實(shí)現(xiàn)
雙足機(jī)器人的行走要取決于步態(tài)規(guī)劃，步態(tài)規(guī)劃的好壞將直接影響到機(jī)器人行走過程中的穩(wěn)定性、所需驅(qū)動(dòng)力矩的大小以及姿態(tài)的美觀性等多個(gè)方面，同時(shí)它也直接影響到控制方法及其實(shí)現(xiàn)的難易程度。
5.1步態(tài)規(guī)劃的概念
雙足步行機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃，是指機(jī)器人行走過程中其各組成部分運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃，比如說，腳掌何時(shí)離開地面、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(guī)劃要解決的問題主要是保證機(jī)器人的穩(wěn)定性。
5.2步態(tài)規(guī)劃的方法
現(xiàn)在使用的步態(tài)規(guī)劃方法主要有如下幾種：
1、基于實(shí)驗(yàn)的規(guī)劃方法
這種規(guī)劃方法基于力學(xué)的相似原理，基本過程如下：讓人模仿機(jī)器人行走(如果機(jī)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(yīng)的關(guān)節(jié))，同時(shí)對此人的行走過程進(jìn)行正面和側(cè)面的錄像，然后對這些錄像進(jìn)行分析，得到此人在步行過程各個(gè)主要關(guān)節(jié)的角度變化，然后根據(jù)力學(xué)相似原理把這些角度相似地推廣到機(jī)器人的關(guān)節(jié)變化上。
2、基于能量原理的規(guī)劃方法
這種方法來源于一個(gè)生物學(xué)假設(shè)：人經(jīng)過千百萬年的進(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(wěn)定性。如果機(jī)器人也能滿足這個(gè)假設(shè)，則其行走方式將與人一樣或很接近。根據(jù)能耗最小原則可以建立一個(gè)變分方程，并最終得到機(jī)器人的軌跡方程。
3、基于力學(xué)穩(wěn)定性的規(guī)劃方法
在機(jī)器人行走過程中，其ZMP點(diǎn)必須落在某個(gè)區(qū)域范圍之內(nèi)，只有這樣才能保證步行機(jī)器人穩(wěn)定地行走。實(shí)現(xiàn)方法有兩種：‘
a．計(jì)算出理想的ZMP軌跡，然后推導(dǎo)出各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)以實(shí)現(xiàn)理想行走。
b．先大致規(guī)劃出雙足和軀干的運(yùn)動(dòng)軌跡，然后進(jìn)行ZMP計(jì)算，最后選出穩(wěn)定性最好的結(jié)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(jié)合人體行走過程規(guī)劃機(jī)器人步態(tài)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。
5.3步態(tài)設(shè)計(jì)
進(jìn)行雙足機(jī)器人行走動(dòng)作設(shè)計(jì)。首先分析一下步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程和行走步驟：
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(jī)器人步行過程分析得出：機(jī)器人向前邁步時(shí)，髖關(guān)節(jié)與踝關(guān)節(jié)必須各自配置有1個(gè)自由度以配合實(shí)現(xiàn)支撐腿、上軀體的移動(dòng)和重心轉(zhuǎn)移。膝關(guān)節(jié)處配置一個(gè)自由度能夠調(diào)整擺動(dòng)腿的著地高度，保證步行時(shí)落足平穩(wěn)。這樣，最終確定每條腿配置3個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)配置1個(gè)偏轉(zhuǎn)自由度、膝關(guān)節(jié)和髖關(guān)節(jié)各配置1個(gè)俯仰自由度。步行運(yùn)動(dòng)中存在結(jié)構(gòu)對稱性。運(yùn)動(dòng)的對稱性和腿機(jī)構(gòu)的對稱性之間存在相互關(guān)系。步行前進(jìn)時(shí)，對稱的機(jī)身運(yùn)動(dòng)要求腿部機(jī)構(gòu)也是對稱的，兩條腿共6個(gè)自由度。髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)俯仰自由度共同協(xié)調(diào)動(dòng)作可完成機(jī)器人在縱向平面（前進(jìn)方向）的直線行走功能，踝關(guān)節(jié)的偏轉(zhuǎn)自由度協(xié)調(diào)動(dòng)作可實(shí)現(xiàn)在橫向平面內(nèi)的重心轉(zhuǎn)移功能。
機(jī)器人的前翻跟頭過程和步驟分析：低頭（髖關(guān)節(jié)）、俯身（膝關(guān)節(jié)）使頭腳面板同時(shí)著地、左腿離地、右腿離地使倒立、兩腿同時(shí)彎膝（膝關(guān)節(jié)）、兩腳同時(shí)著地（髖關(guān)節(jié)），頭離地使重新直立。
小組在調(diào)試動(dòng)作中，最后一步機(jī)器人頭離地使重新直立這一步，經(jīng)過小組組員間協(xié)商，找出了解決方法。使一只腳稍微向內(nèi)側(cè)傾斜一點(diǎn)角度，施力幫助機(jī)器人的頭部離地，配合兩個(gè)髖關(guān)節(jié)的舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，最終使得機(jī)器人重新站立。
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