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南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(論文)外文資料翻譯
系 部： 機(jī)械工程系
專 業(yè)： 機(jī)械工程及自動化
姓 名： 徐昕晏
學(xué) 號： 05010244
外文出處： Michael Montemerlo and
Sebastian Thrun
附 件： 1.外文資料翻譯譯文；2.外文原文。
指導(dǎo)教師評語：
翻譯與外文資料的內(nèi)容基本相符，結(jié)構(gòu)基本完整，語言也比較通順，沒有大的語法錯誤。
簽名：
年 月 日
注：請將該封面與附件裝訂成冊。
附件1：外文資料翻譯譯文
高速撞擊：局部映射問題的解決方法
摘要
局部同步以及對地圖中周圍環(huán)境的檢測能力是自動機(jī)器人的首要考慮條件。然而，少數(shù)類似的問題增大了在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中所要處理的陸標(biāo)數(shù)目。以克爾曼過濾器為基礎(chǔ)的算法，比如，需要時間來綜合處理每個檢測傳感器上所傳達(dá)的二次陸標(biāo)。這個報告中的快速撞擊，一種循環(huán)估算機(jī)械手姿勢以及陸標(biāo)位置次序的算法。以對數(shù)形式在地圖上顯示具體坐標(biāo)。這一算法通過對產(chǎn)品要求的精確分析來規(guī)劃機(jī)械手的工作路徑。該算法已經(jīng)成功地在多達(dá) 50,000個陸標(biāo)上運(yùn)行，客觀條件遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于以前。實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較了快速撞擊運(yùn)算法則分別在模擬和真是世界中里的優(yōu)勢和局限性。
介紹
同步局限影射的問題，比如撞擊，已經(jīng)在機(jī)械可動裝置技術(shù)中引起廣泛的注意。撞擊處理諸如利用機(jī)械手測量地圖中的建筑陸標(biāo)問題。因?yàn)闄C(jī)械手運(yùn)動受制于誤差，映射問題必然導(dǎo)致機(jī)械手的局部問題—撞擊。一個同步本土化機(jī)械手的能力以及對外界環(huán)境的反映是機(jī)械手自動化的關(guān)鍵問題。
撞擊問題算法的優(yōu)勢被介紹到鍛造工序報告中，我的以及基斯曼。這份報告介紹了廣泛卡曼過濾器估算機(jī)械手位置坐標(biāo)的方法。在后來的十年里，這種方法被廣泛運(yùn)用于農(nóng)業(yè)機(jī)械中，作為最近的指導(dǎo)報告。最近的研究已經(jīng)把重心集中在增大這種方法的運(yùn)用規(guī)模上，超過幾百個坐標(biāo)和運(yùn)算法則來處理這些數(shù)據(jù)。
EFK方法的主要瓶頸問題是它復(fù)雜的運(yùn)算。感應(yīng)器更新需要時間二次的坐標(biāo)數(shù)字的計算。這一個復(fù)雜事實(shí)的桿共分散基地維護(hù)藉著克爾曼過濾器有機(jī)械要素，全部定即使只是一個陸標(biāo)被觀察被更新。二次方程式的復(fù)雜行限制了陸標(biāo)的數(shù)目。這種方式只能處理少數(shù)的含有數(shù)百萬特征的自然環(huán)境模型。研究所對這一缺點(diǎn)進(jìn)行了長期的研究。
在這個報告中，我們從一貝斯定理觀點(diǎn)來研究撞擊問題。圖 1舉例說明一生長于蓋然性的模型（活動區(qū)網(wǎng)絡(luò)之下的撞擊實(shí)驗(yàn)的大量合集。在個別項(xiàng)目中，機(jī)械手姿勢，指示.機(jī)械手隨著時間進(jìn)行功能控制,指示. 每一個陸測量,指示.是那個位置的功能 陸標(biāo)測量和機(jī)械手姿勢當(dāng)測量被采取的時候從這一個線圖顯示撞擊問題展現(xiàn)重要的獨(dú)立條件. 尤其，機(jī)械手的指導(dǎo)路徑.客觀的坐標(biāo)測量.舉例來說, 如果給我們提供了機(jī)械手的精確路徑，坐標(biāo)的問題就可以解決，而每個坐標(biāo). 這個觀察先前被墨菲［12］ 研究過，他發(fā)明了一個有效的粒子過濾算法映射技術(shù)。
基于這篇觀察報告，這篇論文描述了一個被稱作高速撞擊的有效撞擊運(yùn)動規(guī)律。高速撞擊實(shí)驗(yàn)把撞擊問題簡化為一個局部的機(jī)器撞擊問題。由裝在機(jī)器手上的儀器來進(jìn)行標(biāo)記的收集估算。正如在參考文獻(xiàn)[12]中所評論的那樣，這些現(xiàn)象是直觀的，因?yàn)樽匀粭l件下的撞擊問題的緣故。高速撞擊通過使用一個改裝過的粒子加速器來測量機(jī)械手的后部路徑。每個粒子控制克爾曼加速器來測量K粒子在一定條件路徑下的位置陸標(biāo)。如參考文獻(xiàn)[5, 13]Rao-Blackwellized粒子加速器的例子就是所呈現(xiàn)現(xiàn)象的規(guī)律。落實(shí)這個天真想法的計算機(jī)算法需要MK的時間。M是下圖中的粒子數(shù)。
圖1 撞擊問題
機(jī)械手從姿勢S1按照U1，U2。。。。UX的序列開始運(yùn)動。當(dāng)它移動時，它檢測周圍的陸標(biāo)，在時間t=1時，它檢測到了兩個陸標(biāo)中的。測量代號Z（范圍或方位）。在時間t=1時，它檢測到了另一個陸標(biāo)，而在時間t=3時，它再一次檢測到了陸標(biāo)。撞擊問題的核心是通過控制U和測量Z來估算陸標(biāo)的位置和機(jī)械手的路徑。陰影部分闡述了在這一獨(dú)立條件下他們之間的關(guān)系。
粒子加速器和K粒子是陸標(biāo)的數(shù)字符號。我們建立了一種以數(shù)枝模型為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來放慢高速撞擊的時間，使它比現(xiàn)在基于撞擊算法的EKF更快。我們同樣可以擴(kuò)充高速撞擊的算放來適應(yīng)新的數(shù)據(jù)協(xié)會和未知的陸標(biāo)符號，這意味著我們的方法可以被推廣到所有學(xué)術(shù)討論的撞擊問題。
實(shí)驗(yàn)通過使用物理機(jī)器人和模擬機(jī)器人來表明高速撞擊算法能比現(xiàn)今的方法更好地處理量的大小次序問題。我們同樣發(fā)現(xiàn)在特定的情況下，陸標(biāo)K數(shù)目的增長導(dǎo)致了粒子M樹目的輕微減少，需要產(chǎn)生精確的地圖——然而在其他情況下，由于粒子數(shù)目的關(guān)系，對精確
地圖的要求數(shù)量可能大到難以想象的地步。
撞擊問題的定義
撞擊問題，正如學(xué)術(shù)界對撞擊的定義那樣，被很好的描述成一個Markov鏈概率問題。機(jī)械手在時間t的姿勢將被表示成符號。因?yàn)闄C(jī)械手在平臺上的操作——所有我們實(shí)驗(yàn)的工作箱，姿勢包括機(jī)械手在平臺上的XY軸方向和頭部方向的協(xié)調(diào)。
姿勢按照一定的規(guī)則改變，通常依照以下的運(yùn)動模型。
（1）
這里，ST是機(jī)械手控制UT以及先前姿勢ST-1的功能狀態(tài)。在可動機(jī)械手裝置中，這個運(yùn)動規(guī)律屬于無時間變化的一般化的機(jī)械運(yùn)動學(xué)。
機(jī)械手環(huán)境控制著K粒子的固定陸標(biāo)。沒個陸標(biāo)由它的空間位置所表示，例如是K=1，2，3，4…..K. 沒有損失的概率,我們可以想象在平面上陸標(biāo)的點(diǎn)的方式存在,所以位置有固定的兩個數(shù)字所確定.
為了反映環(huán)境,機(jī)械手能檢測陸標(biāo).比如,它可以檢測一個陸標(biāo)的范圍和方位,與圖表上的XY坐標(biāo)想聯(lián)系.對時間t的測量被表示成ZT.在時間t的測量結(jié)果將被標(biāo)記成Zt。機(jī)械手通常能同時檢測到多個陸標(biāo)，我們假設(shè)測量傳感器能精確檢測每個陸標(biāo)并給每個陸標(biāo)以標(biāo)記符號。為了數(shù)學(xué)上的便利這個慣例被獨(dú)立地繼承下來。它沒有移動的限制，因?yàn)楸粰z測多重陸標(biāo)每個階段可按一定次序進(jìn)行處理。測量感應(yīng)器由概率定理所規(guī)范，通常依照以下的測量模式：。這里是所有陸標(biāo)中的一組，而
是在時間t檢測到的復(fù)式陸標(biāo)。例如，在圖1中，當(dāng)N1=1，N2=2而N3=1時，機(jī)械手檢測到第一個陸標(biāo)，然后第二個陸標(biāo)，最后再檢測第一個陸標(biāo)。許多測量模式都假設(shè)機(jī)械手能檢測陸標(biāo)的范圍和方位，被測量噪音所限制。變量Nt通常被認(rèn)為是常量。大多數(shù)學(xué)術(shù)上的理論研究都假設(shè)信息是統(tǒng)一或者不一致的，陸標(biāo)是可以獨(dú)立確定下來的。實(shí)際方法是使用最大可能性測量方法來檢測空中的通信信息，當(dāng)每個陸標(biāo)之間有足夠的距離時工作良好。通過這篇報告我們可以簡單推測出陸標(biāo)是可以確定的，但我們?nèi)詫⒂懻摐y量通信數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展。
我們現(xiàn)在準(zhǔn)備將撞擊問題公式化。多數(shù)時候，撞擊問題就是從檢測結(jié)果和控制過程中確定陸標(biāo)的位置和機(jī)械手的位置?？赡艿脑?，這些由后部所表示，我們使用手寫體t來表示時間變量。如果條件是已知的，撞擊問題就簡單明了了：。
正如介紹中所討論的那樣，當(dāng)明確了機(jī)械手的路徑和變量條件后，所有獨(dú)立陸標(biāo)是可以確定下來的。這個獨(dú)立條件是高速撞擊算法的基礎(chǔ)。
高速撞擊的相似性
我們從一個重要的被我們熟知的粒子開始我們的討論。砰然聲問題的有條件獨(dú)立特性暗示，在后的者能依下列各項(xiàng)被因素：按照一定順序排列，問題能被分解進(jìn)入之內(nèi)估計問題，一個結(jié)束估計后部的問題機(jī)械手小徑之中。
和估計定線的問題也是K粒子的路標(biāo)符號。砰然聲問題：機(jī)械手從姿勢移動透過一個控制的順序，因?yàn)樗苿?，它觀察附近的陸標(biāo)。在時間, 它觀察陸標(biāo)在二個陸標(biāo)中，測量被指示（范圍和橋承）.在時間, 它觀察另一個陸標(biāo)，，而且在時間, 它觀察再次。砰然聲問題是與估計陸標(biāo)的定線有關(guān)和那控制的機(jī)械手的小徑而且測量灰色蔭影舉例說明一個有條件的獨(dú)立關(guān)系。顆粒過濾器和陸標(biāo)的數(shù)目是。我們發(fā)展減少轉(zhuǎn)動的一個以樹枝狀模型為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)高速的時候到制造它重要地比存在 EKF 建立的砰然聲運(yùn)算法則快速。我們也和未知者把運(yùn)算法則擴(kuò)充到情形數(shù)據(jù)公會和陸標(biāo)的未知數(shù)目，成績我們的引橋能被延長到那完全類型的砰然聲問題在文學(xué)中討論。
實(shí)驗(yàn)的結(jié)果使用一個實(shí)際的機(jī)械手和一個機(jī)械手模擬計舉例說明，運(yùn)算法則能處理大小等級型較多的陸標(biāo)超過現(xiàn)今引橋。我們也可以在特定的情形中找那，一個
陸標(biāo)的數(shù)目對一個軟的還原導(dǎo)線顆粒的數(shù)目需要發(fā)生正確地圖－然而在其他者里面顆粒的數(shù)目必需的因?yàn)檎_映射。
結(jié)論
我們正在討論的高速撞擊算法，是一個全新解決地圖檢測以及定位的有效手段。這個算法利用Rao-Blackwellized來表示次序，整合了粒子加速器以及克爾曼加速器的理論。類似于Murphy 的工作，高速撞擊是建立在撞擊問題內(nèi)部固有特性的基礎(chǔ)上的。然而，Murphy的方法堅持使用不連續(xù)的數(shù)值標(biāo)記地圖上的坐標(biāo)方格，因此極大地限制了地圖的尺寸。他的方法也沒有處理好數(shù)據(jù)的整合問題，并沒有使之在地圖上以方格形式呈現(xiàn)出來。
在高速撞擊問題中，陸標(biāo)估算利用樹枝狀模型來表示。對較后次序的時間進(jìn)行了更新，M是粒子的數(shù)目而K是陸標(biāo)的符號。這與較復(fù)雜且普遍的克爾曼過濾器對撞擊問題的解決方法是有差異的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明相比于以前的方法高速撞擊能在地圖上建立天文數(shù)量級的陸標(biāo)數(shù)量。同時他們也表明在某種情況下，無論路標(biāo)數(shù)目的多少，少量粒子仍可運(yùn)轉(zhuǎn)良好。
本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 28 頁 共28 頁
1 緒論
1.1 引言
什么是機(jī)器人呢?在國際上，關(guān)于機(jī)器人的定義很多，出發(fā)點(diǎn)各不相同，有的強(qiáng)調(diào)工業(yè)機(jī)器人特征，有的側(cè)重于智能機(jī)器人。美國機(jī)器人協(xié)會認(rèn)為“機(jī)器人是一種用于移動各種材料、零件的工具或?qū)Ｓ醚b置；是通過程序動作來執(zhí)行各種任務(wù)，并具有編程能力的多功能操作機(jī)”，顯然該定義指的是工業(yè)機(jī)器人，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)也有類似的定義。日本工業(yè)機(jī)器人協(xié)會(JIRA)定義機(jī)器人是一種裝備有記憶裝置和末端執(zhí)行裝置的且能夠完成各種移動來代替人類勞動的通用機(jī)器。有些定義直接把機(jī)器人分為工業(yè)機(jī)器人和智能機(jī)器人兩種情況來解釋，認(rèn)為工業(yè)機(jī)器人是“一種能夠執(zhí)行與人的上肢(手和臂)類似動作的多功能機(jī)器”，智能機(jī)器人是“一種具有感覺和識別能力，并能夠控制自身行為的機(jī)器”。我國的蔣新松院士曾建議把機(jī)器人定義為“一種擬人功能的機(jī)械電子裝置”。盡管定義各不相同，但有共同之處，即認(rèn)為機(jī)器人應(yīng)具有下列特征:
（1）像人或人的上肢，并能模仿人的動作；
（2）具有智力或感覺與識別能力；
（3）是人造的機(jī)械或機(jī)械電子裝置。
當(dāng)然，隨著機(jī)器人的進(jìn)化和其智能的發(fā)展，這些定義很難涵蓋其本質(zhì)，有必要修改[1]。
1.2 機(jī)器人的發(fā)展及技術(shù)
1.2.1 機(jī)器人的發(fā)展
20世紀(jì)40年代，伴隨著遙控操縱器和數(shù)控制造技術(shù)的出現(xiàn)，關(guān)于機(jī)器人技術(shù)的研究開始出現(xiàn)。60年代美國的 Consolidatedcontry公司研制出第一臺機(jī)器人樣機(jī)，并成立了Unimation公司，定型生產(chǎn)了Unimate機(jī)器人。20世紀(jì)70年代以來，工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)蓬勃興起，機(jī)器人技術(shù)逐漸發(fā)展為專門學(xué)科。1970年，第一次國際機(jī)器人會議在美國舉行。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，數(shù)百種不同結(jié)構(gòu)、不同控制系統(tǒng)、不同用途的機(jī)器人已進(jìn)入了實(shí)用化階段。目前，盡管關(guān)于機(jī)器人的定義還未統(tǒng)一，但一般認(rèn)為機(jī)器人的發(fā)展按照從低級到高級經(jīng)歷了三代。第一代機(jī)器人，主要指只能以“示教一再現(xiàn)”方式工作的機(jī)器人，其只能依靠人們給定的程序，重復(fù)進(jìn)行各種操作。目前的各類工業(yè)機(jī)器人大都屬于第一代機(jī)器人。第二代機(jī)器人是具有一定傳感器反饋功能的機(jī)器人，其能獲取作業(yè)環(huán)境、操作對象的簡單信息，通過計算機(jī)處理、分析，機(jī)器人按照己編好的程序做出一定推理，對動作進(jìn)行反饋控制，表現(xiàn)出低級的智能。當(dāng)前，對第二代機(jī)器人的研究著重于實(shí)際應(yīng)用與普及推廣上。第三代機(jī)器人是指具有環(huán)境感知能力，并能做出自主決策的自治機(jī)器人。它具有多種感知功能，可進(jìn)行復(fù)雜的邏輯思維，判斷決策，在作業(yè)環(huán)境中可獨(dú)立行動。第三代機(jī)器人又稱為智能機(jī)器人，并己成為機(jī)器人學(xué)科的研究重點(diǎn)，但目前還處于實(shí)驗(yàn)室探索階段。機(jī)器人技術(shù)己成為當(dāng)前科技研究和應(yīng)用的焦點(diǎn)與重心，并逐漸在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)等方面發(fā)揮巨大作用?？梢灶A(yù)見到，機(jī)器人將在21世紀(jì)人類社會生產(chǎn)和生活中扮演更加重要的角色。
1.2.2 機(jī)器人技術(shù)
機(jī)器人學(xué)是一門發(fā)展迅速的且具有高度綜合性的前沿學(xué)科，該學(xué)科涉及領(lǐng)域廣泛，集中了機(jī)械工程、電氣與電子工程、計算機(jī)工程、自動控制工程、生物科學(xué)以及人工智能等多種學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī)電一體化的最新成就。機(jī)器人充分體現(xiàn)了人和機(jī)器的各自特長，它比傳統(tǒng)機(jī)器具有更大的靈活性和更廣泛的應(yīng)用范圍。機(jī)器人的出現(xiàn)和應(yīng)用是人類生產(chǎn)和社會進(jìn)步的需要，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展和生產(chǎn)工具進(jìn)化的必然。目前，機(jī)器人及其自動化成套裝備己成為國內(nèi)外備受重視的高新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，與此同時它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農(nóng)業(yè)、服務(wù)、娛樂等各個領(lǐng)域滲透。目前，雖然機(jī)器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發(fā)展。隨著各學(xué)科的發(fā)展和社會需要的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)出現(xiàn)了許多新的發(fā)展方向和趨勢，如網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人技術(shù)、虛擬機(jī)器人技術(shù)、協(xié)作機(jī)器人技術(shù)、微型機(jī)器人技術(shù)和雙足步行機(jī)器人技術(shù)等。人們普遍認(rèn)為，機(jī)器人技術(shù)將成為緊隨計算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之后的又一次重大的技術(shù)革命，它很可能將世界推向科學(xué)技術(shù)的新時代[2]。
1.3 雙足機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)及國內(nèi)外研究概況
1.3.1 雙足步行機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)
機(jī)器人是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然產(chǎn)物，因?yàn)槿藗兛偸窃O(shè)法讓機(jī)器來代替人的繁重工作，從而發(fā)明了各種各樣的機(jī)器。機(jī)器的發(fā)展和其它事物一樣，遵循著由低級到高級的發(fā)展規(guī)律，機(jī)器發(fā)展的最高形式必然是機(jī)器人。而機(jī)器人發(fā)展的最高目標(biāo)是制造出像人一樣可以行走和作業(yè)的機(jī)器人，也就是擬人機(jī)器人。因?yàn)樗哂辛己玫沫h(huán)境適應(yīng)性，并且這種優(yōu)秀品質(zhì)在高低不平的路面上以及具有障礙物的空間里更加突出，所以與之相關(guān)的問題己經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。擬人機(jī)器人的研制工作開始于20世紀(jì)60年代，短短的幾十年時間內(nèi)，其研制工作進(jìn)展迅速。步行機(jī)器人的研制工作是其中一項(xiàng)重要內(nèi)容。目前，機(jī)器人的移動方式主要包括輪式、履帶式、爬行式、蠕動式以及步行等方式。對輪式和履帶式移動機(jī)器人的研究主要集中在自主運(yùn)動控制上，如避障路徑規(guī)劃等。這兩種機(jī)器人過分依賴于周圍環(huán)境，應(yīng)用范圍受限。爬行和蠕動式機(jī)器人主要用于管道作業(yè)，具有良好的靜動態(tài)穩(wěn)定性，但速度較低。常見的步行機(jī)器人有雙足、四足和六足等情況。自然界事實(shí)、仿生學(xué)以及力學(xué)分析表明:在具有許多優(yōu)點(diǎn)的步行機(jī)器人中，雙足步行機(jī)器人因其體積相對較小，對非結(jié)構(gòu)性環(huán)境具有較好的適應(yīng)性，避障能力強(qiáng)，移動盲區(qū)很小等優(yōu)良的移動品質(zhì)，格外引人注目。首先，對于支撐路面，雙足步行機(jī)器人的要求很低，理論上只需要分散的、孤立的支撐點(diǎn)，就可以通過機(jī)器人自行選擇最佳的支撐點(diǎn)，獲得最佳的移動性能。而輪式移動機(jī)器人通常要求連續(xù)的、硬質(zhì)的支撐路面，對于惡劣的支撐路面，它只能被動的適應(yīng)。其次，在存在障礙物的情況下，雙足步行機(jī)器人能夠跨越與自身腿長相當(dāng)?shù)恼系K物，甚至跳越障礙，而輪式移動機(jī)器人僅能滾越尺寸小于輪子半徑的障礙物。機(jī)器人力學(xué)計算表明，足式步行機(jī)器人的能耗通常低于輪式和履帶式[7]。
1.3.2 雙足步行機(jī)器人的步行特點(diǎn)及研究意義
世界著名機(jī)器人專家，日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授曾經(jīng)指出“機(jī)器人應(yīng)當(dāng)具有的最大的特征之一是步行功能”。一般說來，機(jī)器人的步行方式有兩種，即靜態(tài)步行與動態(tài)步行。靜態(tài)步行是指低速步行，不考慮慣性力，機(jī)器人在行走過程中只需要滿足靜力平衡條件，即重心要始終保持在支撐腳區(qū)域內(nèi):動態(tài)步行與之不同，必須考慮慣性力的影響，行走過程中要滿足動態(tài)平衡，即控制系統(tǒng)的零力矩點(diǎn)(zMP)始終在支撐腳的穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。動態(tài)步行具有速度快效率高等優(yōu)點(diǎn)。靜態(tài)步行可以看作動態(tài)步行的特例。和輪式、履帶式、爬行式、蠕動式等機(jī)器人相比，雙足步行機(jī)器人在具有上述難以取代的優(yōu)越性的同時，也存在很多的技術(shù)難關(guān)，穩(wěn)定步行和高速運(yùn)動都困難的。雙足步行機(jī)器人系統(tǒng)存在著高階、強(qiáng)耦合、多變量及非線性等特性，這些特性使得雙足步行機(jī)器人的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的精確求解非常困難，而且也沒有十分理想的理論或方法來求解逆運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)解析解，只有外加一些限制條件，如能量消耗最小，峰值力矩最小來求解運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的近似解，這往往導(dǎo)致了機(jī)器人的規(guī)劃運(yùn)動與實(shí)際運(yùn)動有較大的出入。所以，迄今為止雙足步行機(jī)器人還是以“靜步行”為主，特點(diǎn)是步速較低、步幅較小，其運(yùn)動性能與人類相比還相距甚遠(yuǎn)。由于步行機(jī)器人的發(fā)展受到機(jī)構(gòu)學(xué)、材料學(xué)、計算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、微電子技術(shù)、通訊技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能、數(shù)學(xué)方法、仿生學(xué)等學(xué)科發(fā)展程度的制約，還處于實(shí)驗(yàn)室研制階段，距離真正意義上的擬人機(jī)器人還有相當(dāng)?shù)木嚯x[10]。在這一領(lǐng)域內(nèi)還有許多的問題等待我們?nèi)ソ鉀Q。雙足步行是生物界最難的動作，它的完美實(shí)現(xiàn)必然要求機(jī)器人在結(jié)構(gòu)設(shè)計方面產(chǎn)生巨大的變革和創(chuàng)新，從而有力地推動相關(guān)學(xué)科的發(fā)展。同時，雙足步行機(jī)器人具有多關(guān)節(jié)、多驅(qū)動、多傳感器，而且具有冗余自由度，這給控制研究帶來很大困難，也相應(yīng)的給各種控制策略和優(yōu)化方法提供了理想的試驗(yàn)平臺，因此，對雙足步行機(jī)器人的研究具有很高的理論價值，引起國內(nèi)外無數(shù)專家學(xué)者的矚目[4]。為了促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)在我國的發(fā)展，全國各地尤其是部分高校舉辦了各種類型的機(jī)器人大賽。中國機(jī)器人大賽是由中國自動化學(xué)會機(jī)器人競賽工作委員會和科技部高技術(shù)研究發(fā)展中心主辦的一個全國性的賽事。其中最為引人矚目的舞蹈機(jī)器人項(xiàng)目就是為了促進(jìn)雙足步行機(jī)器人的發(fā)展而設(shè)立的。由于步行機(jī)器人的實(shí)現(xiàn)目前還存在很多技術(shù)難題，前幾屆由中國科技大學(xué)主辦的舞蹈機(jī)器人大賽基本上是以輪式機(jī)器人為主，還沒有出現(xiàn)步行機(jī)器人參賽。由此可見，雙足步行機(jī)器人的發(fā)展還有一段很長的路要走。研制雙足步行機(jī)器人的一項(xiàng)重要內(nèi)容就是步態(tài)規(guī)劃。所謂的步態(tài)，是指在步行過程中，步行本體的身體各部位在時序和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系;步態(tài)規(guī)劃就是給出機(jī)器人各關(guān)節(jié)位置與時間的關(guān)系，是雙足步行機(jī)器人研制中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也是難點(diǎn)之一。步態(tài)規(guī)劃的好壞將直接影響到雙足步行機(jī)器人的行走穩(wěn)定性、美觀性以及各關(guān)節(jié)所需驅(qū)動力矩的大小等多個方面，已經(jīng)成為雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)?；谏鲜鲈颍菊n題擬進(jìn)行雙足步行機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃研究，研制具有高度穩(wěn)定性的雙足步行機(jī)器人平臺，為進(jìn)一步的擬人機(jī)器人研制奠定基礎(chǔ)。
1.3.3 國外研究概況
擬人機(jī)器人的研究是一個很誘人、難度很大的研究課題。關(guān)于這方面的研究日本走在了世界的前列。早稻田大學(xué)理工學(xué)部1973年建立了“人格化機(jī)器人”研究室，曾開發(fā)出不少擬人機(jī)器人系統(tǒng)。例如會演奏鋼琴的機(jī)器人、雙足步行機(jī)器人以及電動假肢等。該研究室的帶頭人高西淳夫教授說:“人格化機(jī)器人的一個很大特征就是它具有與人類相近的結(jié)構(gòu)。機(jī)器人與人類的共存是我們研究開發(fā)的課題之一”。當(dāng)今世界，有“機(jī)器人王國”之稱的日本在雙足步行機(jī)器人研究領(lǐng)域處于絕對領(lǐng)先地位，具有代表性的研究機(jī)構(gòu)有加藤實(shí)驗(yàn)室、日本早稻田大學(xué)、日本東京大學(xué)、日本東京理工學(xué)院、日本機(jī)械學(xué)院、松下電工、本田公司和索尼公司等。日本早稻田大學(xué)的加藤一郎教授于1968年率先展開了雙足步行機(jī)器人的研制工作，并先后研制出場系列樣機(jī)若干年研制出P-1平面自由度步行機(jī)器人，該機(jī)器人具有六個自由度，每條腿有骼、膝、踩三個關(guān)節(jié)；關(guān)節(jié)處使用人造橡膠肌肉，通過充氣、排氣引起肌肉收縮，肌肉的收縮牽引關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動從而實(shí)現(xiàn)步行。1971年，研制出WAP-3型雙足機(jī)器人，仍采用人工肌肉，具有11個自由度，能在平地、斜坡和階梯上行走。該機(jī)器人重130kg高0.9m，實(shí)現(xiàn)步幅15cm，每步455的靜態(tài)步行；同年又研制出WL-5雙足步行機(jī)器人，該機(jī)器人采用液壓驅(qū)動，具有11個自由度，下肢作三維運(yùn)動，上軀體左右擺動以實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人重心的左右移動。1973年，在WAP-5的基礎(chǔ)上配置機(jī)械手及人工視覺、聽覺等裝置組成自主式WAROT-1。1980年，推出WL-9DR(Dynam Refined)雙足機(jī)器人，該機(jī)器人采用預(yù)先設(shè)計步行方式的程序控制方法，通過對步行運(yùn)動的分析及重復(fù)實(shí)驗(yàn)設(shè)計步態(tài)軌跡，用設(shè)計出的步態(tài)控制機(jī)器人的步行運(yùn)動，該機(jī)器人采用了以單腳支撐期為靜態(tài)，雙腳切換期為動態(tài)的準(zhǔn)動態(tài)步行方案，實(shí)現(xiàn)了步幅45cm，每步95的準(zhǔn)動態(tài)步行。1984年，研制出采用踝關(guān)節(jié)力矩控制的WL-10DR雙足機(jī)器人，增加了踝關(guān)節(jié)力矩控制，將一個步行周期分為單腳支撐期和轉(zhuǎn)換期。1986年，又成功研制了wL- 12(R)雙足機(jī)器人，該機(jī)器人通過軀體運(yùn)動來補(bǔ)償下肢的任意運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)了步行周期23秒，步幅30cm的平地動態(tài)步行。代表雙足步行機(jī)器人和擬人機(jī)器人研究最高水平的是本田公司和索尼公司。本田公司從1986年至今已經(jīng)推出了Pl，PZ，P3系列機(jī)器人，在PZ和P3中，使用了大量的傳感器：陀螺儀(測定上體偏轉(zhuǎn)的角度和角速度)、重力傳感器、六維力/力矩傳感器和視覺傳感器等，利用這些傳感器感受機(jī)器人的當(dāng)前狀態(tài)和外界環(huán)境的變化，并基于這些傳感器對下肢各關(guān)節(jié)的運(yùn)動做出調(diào)整，實(shí)現(xiàn)動態(tài)步行。并且于2000年11月20日，推出了新型雙足步行機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了與人一樣自然行走的新姿態(tài)控制技術(shù)，自律連續(xù)移動技術(shù)以及可順暢地與人同步動作的技術(shù)等，使其更容易適應(yīng)人類的生活空間，通過提高雙腳步行技術(shù)使其更接近人類的步行方式。雙腳步行技術(shù)方面采用了新開發(fā)的技術(shù),雙腳步行技術(shù)的基礎(chǔ)上組合了新的“預(yù)測運(yùn)動控制功能”，它可以實(shí)時預(yù)測以后的動作，并且據(jù)此事先移動重心來改變步調(diào)。以往由于不能進(jìn)行“預(yù)測運(yùn)動控制”，當(dāng)從直行改為轉(zhuǎn)彎時，必須先停止直行動作，然后才可以轉(zhuǎn)彎。索尼公司于2000年11月21日推出了人形娛樂型機(jī)器人SDR-3X(Sony DreamRobot一3x)。SDR一3X：頭部2個、軀干2個、手臂 4×2個、下肢和足部6×2個，共計24個自由度。2001年7月，川田工業(yè)公司的航空機(jī)械業(yè)務(wù)部開發(fā)出了研究用類人型雙足步行機(jī)器人。該機(jī)器人身高146.8cm，體重55kg，關(guān)節(jié)自由度全身合計32個。通過使用具有搖桿(Joystick)的操作部件，可以令該機(jī)器人向任何方向自由步行。該產(chǎn)品在腳趾處安裝有關(guān)節(jié)，從而提高了步行的速度，并且能夠爬上最高階差為25cm的樓梯。2002年6月12日，機(jī)器人世界杯國際委員會宣布將從2002年6月20日起在日本的福岡與韓國的釜山舉行機(jī)器人世界杯大賽。從該屆起，將增設(shè)雙足步行機(jī)器人的足球賽事。這標(biāo)志著機(jī)器人選手參加的世界杯又向人類走近了一步。該大賽的目標(biāo)是“在2050年之前，制造出能夠戰(zhàn)勝當(dāng)時世界冠軍隊的自律型機(jī)器人隊伍”，這一夢想將由雙足步行機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)。2005年1月12日，由日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所的比留川博等人開發(fā)出一臺取名“H-2”擬人機(jī)器人亮相東京。該機(jī)器人身高154cm，體重 58kg。研究人員先請民間藝術(shù)家跳舞，用特殊攝像機(jī)拍攝后將畫面輸入電腦，并對手、腳、頭、腰等32個部位的動作進(jìn)行解析，然后把有關(guān)解析數(shù)據(jù)輸入給機(jī)器人，最后利用這些數(shù)據(jù)來控制機(jī)器人手的動作和腳步等，使“HRP-2”可以和人一樣動作連貫,翩翩起舞。除了日本之外，美國、英國、法國等也對步行機(jī)器人做了大量的基礎(chǔ)理論研究和樣機(jī)研制工作，并取得一定成就。美籍華人鄭元芳博士是美國雙足步行機(jī)器人研究者中一位非常杰出的人物。他基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研制出兩臺雙足步行機(jī)器人，分別命名為SD-1和SD-2，SD-1具有4個自由度，SD-2具有8個自由度，其中SD-2是美國第一臺真正類人的雙足步行機(jī)器人。他利用SDR-2于 1986年實(shí)現(xiàn)了平地上的前進(jìn)、后退以及左、右側(cè)行；1987年，又成功地實(shí)現(xiàn)了動態(tài)步行。1971年至1986年間，英國牛津大學(xué)的Witt等人制造并完善了一個雙足步行機(jī)器人，該機(jī)器人在平地上行走良好，步速達(dá)0.23m/s。前面所述的研究主要是關(guān)于主動式步行機(jī)器人(靠關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動)。加拿大的d·McGeer主要研究被動式雙足步行機(jī)器人，即在無任何外界輸入的情況下，靠重力和慣性力實(shí)現(xiàn)步行運(yùn)動。1989年，他建立了平面型的雙足步行機(jī)構(gòu)，兩腿為直桿機(jī)構(gòu)，沒有膝關(guān)節(jié)，每條腿上各有一個小電機(jī)來控制腿的伸縮，無任何主動控制和能量供給，放在斜坡上，可依靠重力實(shí)現(xiàn)動態(tài)步行。目前，主動和被動式雙足步行機(jī)器人在研究上很少互相借鑒。
1.3.4 國內(nèi)研究概況
國內(nèi)雙足步行機(jī)器人的研制工作起步較晚，我國是從20世紀(jì)80年代開始雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域的研究和應(yīng)用的。1986年，我國開展了“七五”機(jī)器人攻關(guān)計劃，1987年，我國的“863”高技術(shù)計劃將機(jī)器人方面的研究開發(fā)列入其中。目前我國從事機(jī)器人研究與應(yīng)用開發(fā)的單位主要是高校和有關(guān)科研院所等。最初我國進(jìn)行機(jī)器人技術(shù)研究的主要目的是跟蹤國際先進(jìn)的機(jī)器人技術(shù)，隨后取得了一定的成就。自1985年以來，相繼有幾所高校進(jìn)行了這方面的研究并取得了一定的成果，其中以哈爾濱工業(yè)大學(xué)和國防科技大學(xué)較為成果顯著。在自然科學(xué)基金和國家“863”計劃的支持下，哈爾濱工業(yè)大學(xué)自1985年開始研制雙足步行機(jī)器人，迄今為止己經(jīng)完成三個型號的研制工作。1988年哈工大HIT-I型雙足步行機(jī)器人問世，HIT-I型雙足步行機(jī)器人具有10個自由度，重100kg，高1.2m，關(guān)節(jié)由直流伺服電機(jī)驅(qū)動，屬于靜步態(tài)行走。HIT-Ⅰ具有12個自由度，該機(jī)器人髖關(guān)節(jié)和腿部結(jié)構(gòu)采用了平行四邊形結(jié)構(gòu)。HIT-Ⅱ具有12個自由度，踝關(guān)節(jié)采用兩電機(jī)交叉結(jié)構(gòu)，同時實(shí)現(xiàn)了兩個自由度，腿部結(jié)構(gòu)采用了圓筒形結(jié)構(gòu)。HIT-Ⅲ實(shí)現(xiàn)了靜步態(tài)行和動步態(tài)步行，能夠完成前/后行、側(cè)行、轉(zhuǎn)彎、上下臺階及上斜坡等動作。1988年春，國防科技大學(xué)成功研制出我國第一臺平面型六自由度的雙足機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退和上下樓梯；1989年，他們又實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)動態(tài)步行。1990年，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下的全方位行走；2000年2月30日，國防科技大學(xué)在自1986年開始研制的雙足步行機(jī)器人的基礎(chǔ)上，成功研制出我國第一臺擬人機(jī)器人“先行者”，并通過國家“863”項(xiàng)目專家組驗(yàn)收。與該校1990年成功研制的雙足步行機(jī)器人相比，其行走頻率從過去的6秒每步提高到每秒兩步；從只能平地靜態(tài)步行，到能快速自如地動態(tài)步行;從只能在己知環(huán)境下步行，到可在小偏差、不確定環(huán)境下行走，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)突破。2003年1月取名為BRH-1的仿人機(jī)器人在北京理工大學(xué)通過國家“863”項(xiàng)目組的驗(yàn)收。這個機(jī)器人身高1.58m，體重76kg，具有32個自由度，每小時能夠行走1km，步幅0.33m。驗(yàn)收專家認(rèn)為該機(jī)器人在系統(tǒng)集成、步態(tài)規(guī)劃和控制系統(tǒng)等方面實(shí)現(xiàn)了重大的突破。仿人機(jī)器人課題組負(fù)責(zé)人、北京理工大學(xué)教授李科杰認(rèn)為:目前“BHR-1”仿人機(jī)器人己經(jīng)能夠根據(jù)自身力覺、平衡覺等感知機(jī)器人自身的平衡狀態(tài)和地面高度的變化，實(shí)現(xiàn)在未知地面上的穩(wěn)定行走和太極拳表演，使中國成為繼日本之后，第二個研制出無外接電纜行走，集感知、控制、驅(qū)動、電源和機(jī)構(gòu)于一體的高水平仿人機(jī)器人國家。
2 雙足機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.1 引言
雙足步行機(jī)器人本體的機(jī)械結(jié)構(gòu)是研究機(jī)器人的基礎(chǔ)，結(jié)構(gòu)的好壞直接影響到機(jī)器人后續(xù)的研究工作。以雙足類人結(jié)構(gòu)特征為基礎(chǔ)，各研究結(jié)構(gòu)研制的雙足機(jī)器人在自由度，驅(qū)動方式，重量，高度與結(jié)構(gòu)特征等方面都存在很大的差異。機(jī)器人結(jié)構(gòu)的不同，其控制的方式也有所不同。
2.2 兩足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析
兩足步行機(jī)器人是對人類自身的模仿，但是人類總共有上肢52對，下肢62對，背部112對，胸部52對，腰部8對，頸部16對，頭部25對之多的肌肉。從目前的科學(xué)發(fā)展情況來看，要控制具有400個雙作用式促進(jìn)器的多變量系統(tǒng)是不可能的，因此，在設(shè)計步行機(jī)械時，人們只考慮移動的基本功能。例如，只考慮在平地或者具有已知障礙物的情況下的步行。鄭元芳博士從仿生學(xué)的角度對類人機(jī)器人的腿部自由度配置進(jìn)行了深入的研究，得出關(guān)節(jié)扭矩最小條件下兩足步行機(jī)器人的自由度配置。他認(rèn)為髖部和踝部設(shè)兩個自由度，可使機(jī)器人在不平地面上站立，骸部再加一個扭轉(zhuǎn)自由度，可改變行走方向，踝關(guān)節(jié)處加一個旋轉(zhuǎn)自由度可使腳板在不規(guī)則表面上落地，這樣機(jī)器人的腿部需要有7×2個自由度(骸關(guān)節(jié)3個，膝關(guān)節(jié)1個，踝關(guān)節(jié)3個)。但是，無論現(xiàn)在的兩足步行機(jī)器人還是擬人機(jī)器人都還只能在規(guī)則路面上行走，所以各研究機(jī)構(gòu)都選擇了6×2個自由度(踝關(guān)節(jié)3個，膝關(guān)節(jié)1個，踝關(guān)節(jié)2個)，如:哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HIT-m、國防科技大的“先行者”、本田公司的AsIMO和索尼公司的SDR和QRIO。具有6×2個自由度的機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制都特別的復(fù)雜。按照在能完成研究目標(biāo)的情況下，自由度最少的設(shè)計原則，在過去的四十年中，為了不同的研究目標(biāo)，人們設(shè)計了許多具有不同自由度的兩足步行機(jī)器人，按照行走過程中的穩(wěn)定方式，兩足步行機(jī)器人一般分為三類:
(1) 靜態(tài)機(jī)器人，這類步行機(jī)器人的COM(Censer of Mass)始終處于支撐多邊形(單腳支撐期為支撐腳的輪廓線，雙腳支撐期為兩只腳的外邊沿所圍成的凸多邊形)內(nèi)，所以只能實(shí)現(xiàn)靜態(tài)行走；
(2) 動態(tài)機(jī)器人，這類步行機(jī)器人有踝關(guān)節(jié)，依靠踝關(guān)節(jié)來保證它的ZMP點(diǎn)(Zero Momeni Censer)始終處于支撐多邊形內(nèi)，所以可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)行走和動態(tài)行走；
(3) 全動態(tài)機(jī)器人，這類步行機(jī)器人的踝關(guān)節(jié)沒有驅(qū)動，甚至沒有踝關(guān)節(jié)所以，支撐多邊形在單腳支撐期縮小成一個點(diǎn)，在雙腳支撐期縮小為一條線段，所以，這類機(jī)器人不能保持靜態(tài)平衡，只能實(shí)現(xiàn)動態(tài)行走[8， 9]。
自由度數(shù)最少的兩足步行機(jī)器人只有一個自由度，如圖2.1所示。這類機(jī)器人沒有軀干，兩條腿直接鉸鏈在一起。這類機(jī)器人理論上只有一個自由度，實(shí)際上，為了防止擺動腿擺動時和地面干涉，這兩條腿都必須是可以伸縮的。加上這兩個平移自由度，這個機(jī)器人實(shí)際上有3個自由度。它的運(yùn)動學(xué)模型是平面的，沒有側(cè)向運(yùn)動，在徑向平面內(nèi)的運(yùn)動象一個兩腳圓規(guī)。在雙腳支撐期，沒有冗余自由度。這類兩足步行機(jī)器人不能保持靜態(tài)平衡，屬于完全動態(tài)機(jī)器人，在僅受重力作用時，可以在斜面上行走。
圖2.1 一個自由度的兩足步行機(jī)器人
2.3 雙足機(jī)器人的自由度配置
我們設(shè)計了一個雙足步行機(jī)器人模型，如圖2.2所示。顯著的結(jié)構(gòu)特征就是采用多關(guān)節(jié)型結(jié)構(gòu)。行走機(jī)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)平地前后行、爬斜坡等功能。動力源采用舵機(jī)直接動，這樣不但可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)緊湊、傳動精度高以及大大增加關(guān)節(jié)所能達(dá)到的最大角度，而且驅(qū)動源全為電機(jī)，便于集中控制和程序化控制。
圖2.2 雙足步行機(jī)器人模型
圖2.2模仿人類，肩關(guān)節(jié)三個自由度，前向和側(cè)向自由度，一般不考慮轉(zhuǎn)動的自由度。肘關(guān)節(jié)兩個自由度前向和側(cè)向自由度，腕關(guān)節(jié)一個自由度。踝關(guān)節(jié)有兩個自由度，前向和側(cè)向自由度:膝關(guān)節(jié)只有一個前向自由度，髖關(guān)節(jié)處要模擬人類髖關(guān)節(jié)行為理論上要求有三個正交的自由度，但在機(jī)器人直線前進(jìn)時只需要正交的前向和側(cè)向自由度，同樣不考慮[5， 6]。
2.3.1 頭部及身體結(jié)構(gòu)規(guī)劃
在頭部裝有一個舵機(jī)，可實(shí)現(xiàn)Z軸一個自由度的轉(zhuǎn)動。身體內(nèi)部空心以降低重心，提高機(jī)器人步行的穩(wěn)定性。頭部結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。身體結(jié)構(gòu)如圖2.4，圖2.5所示。
圖2.3 頭部零件
圖2.4 機(jī)器人的身體結(jié)構(gòu)
圖2.5 機(jī)器人的身體結(jié)構(gòu)
2.4 驅(qū)動方式的選擇
驅(qū)動器用于驅(qū)動機(jī)構(gòu)本體各關(guān)節(jié)的運(yùn)動功率。目前驅(qū)動方式主要有氣動、液壓和伺服電機(jī)。驅(qū)動器在雙足步行機(jī)器人中的作用就相當(dāng)于人體的肌肉，如果把連桿以及關(guān)節(jié)想象為機(jī)器人的骨骼，那么驅(qū)動器就起到肌肉的作用，它通過移動或轉(zhuǎn)動連桿來改變機(jī)器人的構(gòu)型。驅(qū)動器必須有足夠的功率對負(fù)載加速或者減速。同時，驅(qū)動器本身要精確、靈敏、輕便、經(jīng)濟(jì)、使用方便可靠且易于維護(hù)[11 ，12]。
目前己經(jīng)有很多種驅(qū)動器，常用的有以下幾種:(1)電動機(jī):舵機(jī)、伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、直接驅(qū)動電機(jī)；(2)液壓驅(qū)動器；(3)氣壓驅(qū)動器；(4)形狀記憶合金驅(qū)動器；(5)磁致伸縮驅(qū)動器等。液壓驅(qū)動是由高精度的剛體和活塞一起完成的。活塞和剛體采用滑動配合，壓力油從液壓缸的一端進(jìn)入，把活塞推向液壓缸的另一端，調(diào)節(jié)液壓缸內(nèi)部活塞兩端的液體壓力和進(jìn)入液壓缸的油量即可控制活塞的運(yùn)動。以前在大型的工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)中，液壓系統(tǒng)使用非常普遍，它具有驅(qū)動力矩大，功率重量比較高，工作平穩(wěn)可靠，系統(tǒng)響應(yīng)速度快以及傳動中的力、速度、易于實(shí)現(xiàn)自動控制等特點(diǎn)；但是也存在成本高、重量大、工藝復(fù)雜以及可能發(fā)生泄漏甚至高溫爆炸等缺點(diǎn)，同時因其固有的笨重性，不宜用作雙足步行機(jī)器人的驅(qū)動器。
氣動具有成本低、控制簡單的特點(diǎn)。氣動裝置在原理上和液壓系統(tǒng)非常相似，它以壓縮空氣為氣源驅(qū)動氣缸做直線或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并用人工或電磁閥進(jìn)行控制。氣動調(diào)節(jié)閥的制造精度要求沒有液壓元件高，易于高速控制，無污染，但由于位置控制困難，只能用于1/2自由度(受限的關(guān)節(jié)，被限定為幾個可能的值)的開關(guān)類型關(guān)節(jié)，實(shí)現(xiàn)插入、點(diǎn)位搬運(yùn)等簡單操作，并且其工作穩(wěn)定性差，壓縮空氣需要除水。液壓驅(qū)動與氣壓驅(qū)動不能實(shí)現(xiàn)自帶能源，更直接決定了其難于應(yīng)用到雙足步行機(jī)器人系統(tǒng)中。步行機(jī)器人各個關(guān)節(jié)都是旋轉(zhuǎn)副。在廉價的計算機(jī)問世之前，控制旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的主要困難是計算量大，所以當(dāng)時認(rèn)為采用直線驅(qū)動方式比較好。今天，電機(jī)驅(qū)動和控制的費(fèi)用已經(jīng)大大降低，大功率晶體管己經(jīng)廣泛使用，只需要采用幾個晶體管就可以驅(qū)動一臺大功率伺服電機(jī)。同樣，微型計算機(jī)的價格也越來越便宜，計算機(jī)費(fèi)用在機(jī)器人總費(fèi)用中所占的比例大大降低。甚至在每個關(guān)節(jié)或自由度中都采用一個微處理器?；谏鲜龇治隹梢钥闯觯姍C(jī)驅(qū)動具有成本低、精度高、易于控制、可靠且維修方便等特點(diǎn)，是最常用的機(jī)器人驅(qū)動器。直接驅(qū)動電動機(jī)，形狀—記憶合金等驅(qū)動器目前還處于研究和開發(fā)階段，在不遠(yuǎn)的將來會變得非常有用。
本雙足步行機(jī)器人采用舵機(jī)直接驅(qū)動。舵機(jī)是一種最早應(yīng)用在航模運(yùn)動中的動力裝置，它的控制信號是一個脈寬調(diào)制信號，所以很方便和數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行接口。只要能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的控制信號的數(shù)字設(shè)備都可以用來控制舵機(jī)，比如PLC、單片機(jī)等。而且舵機(jī)體積緊湊，便于安裝，輸出力矩大，穩(wěn)定性好，控制簡單，所以舵機(jī)己經(jīng)廣泛地應(yīng)用于機(jī)器人領(lǐng)域[15 ，16]。
3 雙足步行機(jī)器人的3D圖
3.1 整體結(jié)構(gòu)圖
機(jī)器人全身一共裝有17個舵機(jī)，控制包括頭部，手臂，手肘，大腿，小腿，腳踝等部分的一共17個自由度。在頭部以下的舵機(jī)控制Z軸的自由度，使機(jī)器人人具有搖頭功能。手臂部分一共有3×2個舵機(jī)，控制手臂擺動，手肘的內(nèi)外擺動，小手臂的轉(zhuǎn)動。大腿部分一共有5×2個舵機(jī)，主要控制機(jī)器人的步行動作。如圖3.1，圖3.2所示。
圖3.1 機(jī)器人的正面
圖3.2 機(jī)器人的背面
3．2 頭部零件圖
頭部材料采用鋁制合金板，圖3.3角鐵部分和小孔方便與頸部連接。圖3.4空隙處方便安裝舵機(jī)，角鐵處可與身體部分連接。
圖3.3 頭部部件圖
圖3.4 頸部部件圖
3．3 身體零件圖
身體兩側(cè)的空隙處方便安裝舵機(jī)，中下側(cè)的兩塊鐵板將前后兩塊身體主板相連接以提高結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。最下側(cè)的鐵條作為身體與腿部的連接點(diǎn)。身體內(nèi)部安裝控制系統(tǒng)。如圖3.5,圖3.6所示。身體主板上一共設(shè)有2×5個小孔。身體上側(cè)的小孔用于連接身體前后兩塊主板。中間兩側(cè)的2×2個小孔用于安裝舵機(jī)并加大身體主板連接的穩(wěn)定性。身體主板下側(cè)一共有10個小孔，分上下兩排排列。上排4×2個小孔用于安裝腿部的兩個舵機(jī)并作為身體主板于腿部的連接點(diǎn)。下排2個小孔用于安裝連接前后兩個身體主板的鐵片，以提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。身體主體板塊的設(shè)計盡可能使用較少材料，不僅減少上身材料，降低機(jī)器人的整體重心，也節(jié)省材料。使用鋁合金材料，因?yàn)殇X的密度較小而強(qiáng)度較高。使用普通的工具就能容易的實(shí)現(xiàn)切割和彎曲。鋁材料一般可以做成各種形狀。在原計劃中，要實(shí)現(xiàn)身體的轉(zhuǎn)身功能，但在實(shí)際操作過程中，我們發(fā)現(xiàn)對支撐點(diǎn)的技術(shù)難度較高，在結(jié)構(gòu)上難以支持上身的重量。希望可以在以后的研究可以解決這些問題。
圖3.5 身體部件圖
圖3.6 身體部件圖
4 液晶顯示
4.1 引言
在嵌入式系統(tǒng)的應(yīng)用中，為系統(tǒng)擴(kuò)充外部設(shè)備一直是用戶所關(guān)注的問題。LCD屏幕就是相當(dāng)重要的外圍設(shè)備之一。本節(jié)將對LCD系統(tǒng)如何實(shí)現(xiàn)進(jìn)行研究。選擇液晶顯示的原因是基于它友好的人機(jī)交互界面，能夠進(jìn)行良好人機(jī)信息交互。它是以ARM920T處理器為核心研發(fā)的。能夠顯示文字，例如：
熱烈慶祝南京理工大學(xué)泰州科技學(xué)院建校5周年
4.2 LCD系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
4.2.1 STN型彩色LCD模塊介紹
STN液晶顯示器與液晶材料、光線的干涉現(xiàn)象有關(guān)，因此顯示的色調(diào)以淡綠色與橘色為主。STN液晶顯示器中，使用X、Y軸交叉的單純電極驅(qū)動方式，即X、Y軸由垂直與水平方向的驅(qū)動電極構(gòu)成，水平方向驅(qū)動電壓控制顯示部分為亮或暗，垂直方向的電極則負(fù)責(zé)驅(qū)動液晶分子的顯示。STN液晶顯示屏加上彩色濾光片，并將單色顯示矩陣中的每一像素分成三個子像素，分別通過彩色濾光片顯示紅、綠、藍(lán)三原色，也可以顯示出色彩。單色液晶屏及灰度液晶屏都是STN液晶屏。研究課題中使用液晶顯示屏主要考慮的參數(shù)有外形尺寸、分辨率、點(diǎn)寬、色彩模式等。以下是EmbestEdukit2實(shí)驗(yàn)板所選用的液晶屏為LRH9J515XA STN/BW型，可視屏幕的尺寸及參數(shù)示意如圖4.1所示[17]。
圖4.1 液晶屏參數(shù)示意圖
4.2.2 LCD系統(tǒng)的組成與結(jié)構(gòu)
LCD控制器主要提供液晶屏顯示數(shù)據(jù)的傳送、時鐘和各種信號的產(chǎn)生與控制功能。S3C2410處理器的LCD控制器主要部分框圖如圖4.2所示。
圖4.2 LCD控制器框圖
S3C2410 LCD控制器用于傳輸顯示數(shù)據(jù)和產(chǎn)生控制信號。除了控制信號之外，S3C2410還提供數(shù)據(jù)端口供顯示數(shù)據(jù)傳輸，也就是VD[23:0]。LCD控制器包含REGBANK、LCDCDMA、VIDPRCS、TIMEGEN和LPC3600等控制模塊。REGBANK中有17個可編程的寄存器組和256×16調(diào)色板內(nèi)存用于配置LCD控制器。LCDCDMA是一個專用的DMA，它負(fù)責(zé)自動地將幀緩沖區(qū)中的顯示數(shù)據(jù)發(fā)往LCD驅(qū)動器。通過特定的DMA，顯示數(shù)據(jù)可以不需要CPU的干涉，自動地發(fā)送到屏幕上。VIDPRCS將LCDCDMA發(fā)送過來的數(shù)據(jù)變換為合適的格式之后通過VD[23:0]發(fā)送到LCD驅(qū)動器。TMIEGEN包含可編程邏輯用于支持不同LCD驅(qū)動器對時序以及速率的需求。VFRAME、VLINE、VCLK、VM等控制信號由TIMEGEN產(chǎn)生。在LCD控制的33個輸出接口中有24個負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)輸出，9個用于控制[18]。
4.2.3 LCD系統(tǒng)電路設(shè)計
進(jìn)行液晶屏控制電路設(shè)計時必須提供電源驅(qū)動、偏壓驅(qū)動以及LCD顯示控制器。由于S3C2410處理器本身自帶LCD控制器，而且可以驅(qū)動本課題所選用的液晶屏，所以控制電路的設(shè)計可以省去顯示控制電路，只需進(jìn)行電源驅(qū)動和偏壓驅(qū)動的電路設(shè)計即可。具體電路設(shè)計圖及液晶管腳說明如圖4.3所示。電源驅(qū)動與偏壓驅(qū)動如圖4.4所示。
圖4.3 液晶電路結(jié)構(gòu)框圖
圖4.4 電源驅(qū)動與偏壓驅(qū)動電路
4.3 觸摸屏控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)
4.3.1 觸摸屏的特性
觸摸屏(TSP:Touch Screen Panel)由于其體積小、輕便和接口簡單等特點(diǎn)，成為一種在嵌入式系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的輸入設(shè)備。按技術(shù)原理可分為五類：矢量壓力傳感式、電阻式、電容式、紅外線式和表面聲波式，其中電阻式觸摸屏在嵌入式系統(tǒng)中用的較多[20]。常用的觸摸屏由于實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不同，導(dǎo)致特性各異。
4.3.2 觸摸屏工作原理
TSP由觸摸檢測部件和觸摸屏控制器組成。觸摸檢測部件安裝在顯示器前端，用于檢測用戶觸摸位置，接受信息后傳送至觸摸屏控制器；控制器的主要作用是接收觸摸信息并轉(zhuǎn)換成觸點(diǎn)坐標(biāo)傳至CPU，并接收和執(zhí)行CPU下達(dá)的命令。Embest EduKit III采用四線式電阻觸摸屏，點(diǎn)數(shù)為320×240，其被按下的狀態(tài)如圖4.5所示
圖4.5 觸摸屏按下時示意圖
圖4.6 本實(shí)驗(yàn)臺所使用的觸摸屏外觀圖
如圖4.6所示，電阻觸摸屏采用一塊帶有統(tǒng)一電阻外表面的玻璃板。聚酯表層緊貼在玻璃面上，通過小的透明絕緣顆粒與玻璃面分開。聚酯層外表面堅硬耐用，內(nèi)表面有一個傳導(dǎo)層。當(dāng)觸摸屏幕時，傳導(dǎo)層與玻璃面表層電子接觸，產(chǎn)生的電壓就是觸摸位置的模擬表示[20]。等效電路示意圖如圖4.7，圖4.8所示。
\
圖4.7 等效電路示意圖
圖4.8 觸摸屏的等效電路
4.3.3 S3C2410處理器TS控制器
處理器集成的TSP只使用到3個寄存器，即ADC控制寄存器(ADCCON)、觸摸屏控制寄存器(ADCTSC)和ADC數(shù)據(jù)寄存器(ADCDAT)。
ADC控制寄存器(ADCCON)
ADCCON[15]：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束標(biāo)志
0：A/D轉(zhuǎn)換正在進(jìn)行 1：A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束
ADCCON[14]：A/D轉(zhuǎn)換預(yù)分頻允許
0：不允許預(yù)分頻 1：允許預(yù)分頻
ADCCON[13:6]：預(yù)分頻值PRSCVL
PRSCVL在0到255之間，實(shí)際的分頻值為PRSCVL+1
ADCCON[5:3]：模擬信道輸入選擇
000 = AIN0 001 = AIN1 010 = AIN2 011 = AIN3
100 = AIN4 101 = AIN5 110 = AIN6 111 = AIN7
ADCCON[2]：待機(jī)模式選擇位
0：正常模式 1：待機(jī)模式
ADCCON[1]：A/D轉(zhuǎn)換讀－啟動選擇位
0：禁止Start-by-read 1：允許Start-by-read
ADCCON[0]：A/D轉(zhuǎn)換器啟動
0：A/D轉(zhuǎn)換器不工作 1：A/D轉(zhuǎn)換器開始工作
觸摸屏控制寄存器(ADCTSC)
ADCTSC[8]：保留，必須為0
ADCTSC[7]：選擇YMON輸出值
0：輸出為0 1：輸出為1
ADCTSC[6]：選擇YPON輸出值
0：輸出為0 1：輸出為1
ADCTSC[5]：選擇XMON輸出值
0：輸出為0 1：輸出為1
ADCTSC[4]：選擇XPON輸出值
0：輸出為0 1：輸出為1
ADCTSC[3]：上拉開關(guān)使能
0：上拉使能 1：上拉禁止
ADCTSC[2]：自動按順序轉(zhuǎn)換X、Y坐標(biāo)選擇位
0：正常模式 1：自動按順序轉(zhuǎn)換X、Y坐標(biāo)使能
ADCTSC[1:0]：手工設(shè)置X、Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
00：無操作 01：X坐標(biāo)轉(zhuǎn)換
10：Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換 11：等待中斷模式
ADC數(shù)據(jù)寄存器(ADCDAT0,ADCDAT1)
ADCDAT0[15]：等待中斷模式，Stylus電平選擇
0：低電平 1：高電平
ADCDAT0[14]:自動按照先后順序轉(zhuǎn)換X、Y坐標(biāo)
0：正常ADC順序 1：按照先后順序轉(zhuǎn)換
ADCDAT0[13:12]：自定義X、Y位置
00：無操作模式 01：測量X位置
10：測量Y位置 11：等待中斷模式
ADCDAT0[11:10]：保留
ADCDAT0[9:0]：X坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)值
ADCDAT1[15:10]與ADCDAT0[15:10]功能相同
ADCDAT0[9:0]:Y坐標(biāo)轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)值
A/D轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換時間計算
例如PCLK為50MHz，PRESCALER=49；所有10位轉(zhuǎn)換時間為：
50MHz/(49+1)=1MHz
轉(zhuǎn)換時間為1/(1M/5 cycles)＝5us
A/D轉(zhuǎn)換器的最大工作時鐘為2.5MHz，最大的采樣率可以達(dá)到500ksps。
4.3.4 觸摸屏的電路設(shè)計
當(dāng)手指觸摸屏幕時，平常絕緣的兩層導(dǎo)電層在觸摸點(diǎn)位置產(chǎn)生一個接觸，控制器檢測到這個接通后，產(chǎn)生中斷通知CPU進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；具體原理：當(dāng)觸摸屏被按下時，首先導(dǎo)通FET管組Q602和Q604，X軸回路加上+5V電源，同時將FET管組Q1和Q3關(guān)閉；再啟動處理器的A/D轉(zhuǎn)換通AIN7，電路電阻與觸摸屏按下產(chǎn)生的電阻輸出分量電壓，并由A/D轉(zhuǎn)換器將電壓值數(shù)字化，計算出X軸的坐標(biāo)。中斷處理程序通過導(dǎo)通不同MOS管組，使接觸部分與控制器電路構(gòu)成電阻電路，并產(chǎn)生一個電壓降作為坐標(biāo)值輸出。其電路如圖4.9所示。
圖4.9 觸摸屏坐標(biāo)轉(zhuǎn)換控制電路
顯示模塊選用的是周立功SmartARM 3250通用教學(xué)/競賽/工控開發(fā)平臺,它全面深入地支持μC/OS-II、WinCE和Linux操作系統(tǒng)，它完全按照工業(yè)級標(biāo)準(zhǔn)（EMC/EMI）設(shè)計，精心設(shè)計的電路提供多達(dá)7路串口、IrDA接口、USB OTG接口、帶電氣隔離的CAN-bus接口、CF卡接口、SD/MMC卡接口、I2S音頻接口、以太網(wǎng)接口等，滿足各種應(yīng)用要求。
由于這款芯片是新款,到畢業(yè)設(shè)計結(jié)束,芯片還沒有到位,所以沒有完成液晶顯示的調(diào)試過程,希望在以后的設(shè)計中完善。
結(jié)束語
本論文是關(guān)于機(jī)器人頭部身體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。從了解機(jī)器人開始，到對機(jī)器人總體結(jié)構(gòu)的認(rèn)識，對機(jī)器人人步行過程中的平穩(wěn)性研究，是對我所學(xué)四年知識的一個綜合檢查，也是對我獨(dú)立思考和解決問題的一次考驗(yàn)。在此次畢業(yè)設(shè)計中，我們團(tuán)隊不僅在書面上對機(jī)器人進(jìn)行了結(jié)構(gòu)的分析，控制程序的編排，更是通過大家的實(shí)踐做出了成品。通過這3個月的設(shè)計，使我對自己所學(xué)的知識有了更深入了解；在指導(dǎo)老師幫助下，通過收集各種有關(guān)資料所解決的畢業(yè)設(shè)計問題。在這次畢業(yè)設(shè)計當(dāng)中，了解到了機(jī)器人的發(fā)展歷史，發(fā)展前景以及國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，初步完成了對機(jī)器人身體結(jié)構(gòu)的設(shè)計。通過查找資料以及老師的指導(dǎo)，初步了解了液晶顯示的相關(guān)理論。但是對機(jī)器人步行穩(wěn)定性的研究仍停留在初步，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一些不合理性，對液晶顯示方面的相關(guān)較深入的理論仍理解不夠。整個畢業(yè)設(shè)計對機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了初步規(guī)劃并做成實(shí)體，對全身自由度特別是手部以及腿部做到了合理分配，使機(jī)器人基本實(shí)現(xiàn)行走功能。但在行走穩(wěn)定連續(xù)性方面仍顯不足，在液晶顯示方面也只是停止與簡單文字的顯示，沒有更多的人機(jī)交互功能。在身體結(jié)構(gòu)設(shè)計中，原本計劃的轉(zhuǎn)身功能也沒有實(shí)現(xiàn)，其原因主要是支撐點(diǎn)的建構(gòu)難度過高。希望下一屆能夠彌補(bǔ)我們這一屆的遺憾。
不過正是這些遺憾讓我認(rèn)識到了自己的不足，深深感到對知識的追求是沒有止境的，這些遺憾更是激勵我以后努力工作，認(rèn)真學(xué)習(xí)。從實(shí)踐中總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，在學(xué)習(xí)中收獲知識。
由于自身經(jīng)驗(yàn)不足，這次畢業(yè)設(shè)計一定很多不足之處。希望老師們多多指教，對老師們的指導(dǎo)表示深深的感謝。
致 謝
在此，我對指導(dǎo)老師劉艷老師對我的嚴(yán)格要求和對我在設(shè)計上的幫助，表示衷心的感謝！他們在繁忙的工作期間，對我畢業(yè)設(shè)計的完成付出了大量的心血，多次給我提出深刻而具有指導(dǎo)性的意見，讓我能夠很好的按時完成畢業(yè)設(shè)任務(wù)。在畢業(yè)設(shè)計完成之時，謹(jǐn)向恩師們表示最衷心的感謝，并致以崇高的敬意。此外，還要衷心感謝機(jī)械工程系的其他曾經(jīng)給予我指導(dǎo)、問題解答的老師，以及與我朝夕相處、共同研討解決設(shè)計中碰到疑難的同窗學(xué)友。我還要以我的畢業(yè)設(shè)計成果，真誠地、深深地感謝一直對我關(guān)心、支持、并寄予厚望的父母！同時也對我的團(tuán)隊，徐超，許峰，吳玉坤，黃俊表示衷心的感謝，通過我們共同的努力，完成了整個工程，這些離不開他們的熱情幫助。
參 考 文 獻(xiàn)
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