毕业设计（论文）-机器人设计

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1、绪论课题的背景和意义机器人是一门高度交叉的综合性学科，涉及到机械学、生物学、控制论与控制工程学、计算机科学与工程、信息科学、光学、电子工程学、传感技术、人工智能、人类学、社会学等诸多学科。因此，它本身的发展和进步在很大程度上依赖于相关学科的研究水平和技术成熟程度。这因为如此，渐渐的形成了一门独立的高科技学科—机器人学。而对于机器人的具体应用的情况，也反映了一个国家工业自动化的水平。随着计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能以及仿生学等学科的不断发展，机器人技术作为一类综合性的高新技术已经被广泛应用于人们的生产生活中，逐渐朝着替代人工作的方向发展。机器人技术集成了多学科的发展成果，代表

2、高技术的发展前沿，是当前科技研究的热点方向【2】。20世纪90年代以来，机器人的应用开始从制造领域向非制造领域(比如，军用、医疗、宇宙探测、服务、娱乐等方面)扩展，从而基于非结构环境、极限环境下的先进机器人技术及其应用研究己成为智能机器人技术研究和发展的重点。非结构环境下机器人的关键技术之一在于机器人系统对环境的适应性、相容性，从而基于仿生学原理及针对相应环境信息机器人的控制算法、行动策略和运动原理等的研究也就成为国际先进机器人技术研究的主要目标[1]。自然界的生物经过亿万年的自然选择和群体进化，使其各自具备了某种适应特定复杂多变环境的能力，而这些能力往往是人类不具备的，因此人类必须通过研究、

3、学习、模仿来复制和再造某些生物的特性和功能，以此提高人类对自然的适应和改造能力【3】，而通过对这些能力的研究、学习，模拟，复制和再制造生物系统的结构、功能、工作原理和控制模式，从而来该现有的系统，这个模式也被越来越多的应用到社会的各个领域中。轮式机器人和履带式移动机器人的操作都较为简单，其移动和控制都比较容易，应用也较为广泛，而履带式移动机器人又因为移动机构支撑面积大，接地比压小，更适合松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，对路况具有较强的适应性，同时具有较强的爬坡能力和负载能力。然而随着机器人应用领域的不断扩大，足式移动机器人相比移动机器人中的轮式或履带式机器人，体现出其优势。该类型机器

4、人具有较多的自由度，可以使其像昆虫一样灵巧地运动，并且对复杂多变的地形具有更强的适应能力。而且足式移动机器人的落足点是离散的，因而该机器人能够在足尖点可达范围内灵活调整行走姿态，并选择合理的支撑点，使得机器人具有更高的行走能力。因此足式步行机器人的研究已经成为机器人学中一个引人注目的研究领域，其广泛更为广泛。与一般的机器人相比(比如轮式机器人)，六足仿生机器人的一个最大的优点是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，因此可以用于工程探险勘测、反恐防爆、军事侦察等人类无法完成的或危险的工作，并且机器人的足所具有的大量自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形的适

5、应能力更强。本文中多足仿生机器人包含六足，每个脚具有3个灵活度，相对于轮式和履带式的机器人它具有不可比拟的优势，比如它的运动灵活性，腿部的自由度，多运动模式等，最终直接体现在复杂环境下的机器人很强的适应能力，能够在复杂恶劣的环境中稳定行走。本文主要围绕着多足机器人的驱动控制和实现展开的。国内外多足仿生机器人的研究现状自20世纪80年代机器人学开拓者、美国著名机器人学家R.B.McGhee等开始研究四足步行机器人以来,多足步行机器人的研究一直是众多学者关注的热点和难点,其研究状况正如加拿大著名机器人学家J1Angeles教授所言的:“步行机器人的基础理论研究步伐要远滞后于它的技术开发步伐”[5]

6、。那一时期，这类机器人都成功的实现了对机器人多自由度腿运动的计算机控制。此外，R.B.McGhee总结前人对动物步态研究成果,率先系统地比较，给出了一系列描述和分析步态的严格数学研究,为以后的步态研究奠定了数学理论基础。随着科技的发展，尤其是20世纪后期计算机技术、电子技术、生物工程、人工智能技术的飞速发展，多足仿生机器人的研究取得了很大的进步。日本的机器人技术在当今世界上已经居于领先地位，来自东京工业大学的ShigeoHirose教授研究的四足步行机器人最为深入。1976年他研制成功世界上第一代四足步行机器人，它的外形像蜘蛛，具有四条腿，能够做爬行等动作，而他的设计灵感来自蜘蛛。随后Shig

7、eoHirose等人对该机器人进行了不断的改造，一共研制成功8代机器人，其中，TITAN-III的脚上装有传感器和信号处理系统，可以自动检测与地面接触的状态，姿态传感器和姿态控制系统做出控制决策。TITAN-IV在TITAN-III基础上做了些改进，在半年多的时间里，共步行了40多公里。1994年Hirose研制的TITAN-VII，如图？所示，其能够在陡峭和不平的地方步行，能够自主避障，腿还能够