本科畢業設計說明書（論文）第1頁共26頁1緒論1.1引言機器人是一種典型的機電一體化產品，仿人型機器人是機器人研究領域的熱點。研究仿人型機器人需要結合機械、電子、信息論、人工智能、生物學以及計算機等諸多學科知識，同時其自身的發展也促進了這些學科的發展。雙足步行機器人是仿人型機器人的一種。1959年，世界上誕生了第一臺工業機器人，開創了機器人發展的新紀元。隨著科學技術的發展，仿人型機器人的研究與應用迅猛發展。世界著名機器人專家、日本早稻田大學的加藤一郎教授說過：“機器人應當具有的最大特征之一是步行功能”。其中雙足行走是步行方式中自動化程度最高、最為復雜的動態系統。偉大的發明家愛迪生也曾說過這樣一句話：“上帝創造人類，兩條腿是最美妙的杰作”。雙足步行系統具有非常豐富的動力學特性，對步行的環境要求很低，既能在平地上行走，也能在非結構性的復雜地面上行走，對環境有很好的適應性。步行功能的具備為擴大機器人的應用領域開辟了無限廣闊的前景。研究雙足步行機器人的原因和目的，主要有以下幾個方面：希望研制出雙足步行機構，使它們能在許多結構和非結構環境中行走，以代替人進行作業或延伸和擴大人類的活動領域；希望更多得了解和掌握人類得步行特性，并利用這些特性為人類服務，例如：人造假肢。雙足步行系統具有豐富的動力學特性，在這方面的研究可以拓寬力學及機器人的研究方向；雙足步行機器人可以作為一種智能機器人在人工智能中發揮重要的作用。科幻小說和電影作品中，人們將像人一樣行走、思考、行為的機器人作為機器人研究的最高境界。科學工作者也一直將實現類人行為的機器人作為工作的最高目標去追求。步行機器人特別是雙足步行機器人的研究是整個類人機器人研究的前奏，是實現類人機器人的必不可少的一個環節。在具有許多優點的步行機器人中，由于雙足步行機器人體積較小，所以他們對環境有最好的適應性。這種機器人除結構較簡單外，在靜、動態穩定步行方面，都是最困難的，但這種困難并不是不能克服。實用的雙足步行機器人由兩條腿和平臺（腰部）組成。腿的作用是為平臺提供移動能力，而平臺的作用則是提供一個基礎，以便安裝機械手、CCD攝像機、機載計算機控制系統和電池等。顯然，這種帶機械手的雙足步行機器人外形上更像人，能非常靈活地從事較多本科畢業設計說明書（論文）第2頁共26頁的工作。但是，對于這種雙足步行機器人來說，平臺的穩定性對于有效地控制機械手末端操作器的位置和姿態是至關重要的，而兩條腿的步態又對平臺的穩定性起決定作用。因此，如何規劃好腿的步態，協調地控制兩條腿的運動以保持平臺及整個雙足步行機器人的穩定就成為一個主要問題。雙足步行機器人可以是很復雜的系統，當然也可以是構造簡單的系統。1.2機器人的發展及技術1.2.1機器人的發展20世紀40年代，伴隨著遙控操縱器和數控制造技術的出現，關于機器人技術的研究開始出現。60年代美國的ConsolidatedContr01公司研制出第一臺機器人樣機，并成立了Unimation公司，定型生產了Unimate機器人。20世紀70年代以來，工業機器人產業蓬勃興起，機器人技術逐漸發展為專門學哈爾濱工程大學碩十學位論文。1970年，第一次國際機器人會議在美國舉行。經過幾十年的發展，數百種不同結構、不同控制系統、不同用途的機器人已進入了實用化階段。目前，盡管關于機器人的定義還未統一，但一般認為機器人的發展按照從低級到高級經歷了三代。第一代機器人，主要指只能以“示教-再現”方式工作的機器人，其只能依靠人們給定的程序，重復進行各種操作。目前的各類工業機器人大都屬于第一代機器人。第二代機器人是具有一定傳感器反饋功能的機器人，其能獲取作業環境、操作對象的簡單信息，通過計算機處理、分析，機器人按照己編好的程序做出一定推理，對動作進行反饋控制，表現出低級的智能。當前，對第二代機器人的研究著重于實際應用與普及推廣上。第三代機器人是指具有環境感知能力，并能做出自主決策的自治機器人。它具有多種感知功能，可進行復雜的邏輯思維，判斷決策，在作業環境中可獨立行動。第三代機器人又稱為智能機器人，并己成為機器人學科的研究重點，但目前還處于實驗室探索階段。機器人技術己成為當前科技研究和應用的焦點與重心，并逐漸在工農業生產和國防建設等方面發揮巨大作用。可以預見到，機器人將在21世紀人類社會生產和生活中扮演更加重要的角色。1.2.2機器人技術機器人學是一門發展迅速的且具有高度綜合性的前沿學科，該學科涉及領域廣泛，集中了機械工程、電氣與電子工程、計算機工程、自動控制工程、生物科學以及人工智能等多種學科的最新科研成果，代表了機電一體化的最新成就。機器人充分體現了人和機器的各自特長，它比傳統機器具有更大的靈活性和更廣泛的應用范圍。機本科畢業設計說明書（論文）第3頁共26頁器人的出現和應用是人類生產和社會進步的需要，是科學技術發展和生產工具進化的必然。目前，機器人及其自動化成套裝備己成為國內外備受重視的高新技術應用領域，與此同時它正以驚人的速度向海洋、航空、航天、軍事、農業、服務、娛樂等各個領域滲透。目前，雖然機器人的能力還是非常有限的，但是它正在迅速發展。隨著各學科的發展和社會需要的發展，機器人技術出現了許多新的發展方向和趨勢，如網絡機器人技術、虛擬機器人技術、協作機器人技術、微型機器人技術和雙足步行機器人技術等。1.3雙足步行機器人研究概況1.3.1國外研究現狀分析最早系統地研究人類和動物運動原理的是Muybridge，他發明了電影用的獨特攝像機，即一組電動式觸發照相機，并在1877年成功地拍攝了許多四足動物步行和奔跑的連續照片。后來這種采用攝像機的方法又被Demeny用來研究人類的步行運動。從本世紀30年代到50年代，蘇聯的Bernstein從生物動力學的角度也對人類和動物的步行機理進行深入的研究，并就步行運動作了非常形象化的描述。真正全面、系統地開展兩足步行機器人的研究是始于本世紀60年代迄今，不僅形成了兩足步行機器人一整套較為完善的理論體系，而且在一些國家，如日本、美國和蘇聯等都已研制成功了能靜態或動態步行的兩足步行機器人樣機。這一部分，我們主要介紹隊60年代到1985年這一時期，在兩足步行機器人領域所取得的最重要進展。在60年代和70年代，對步行機器人控制理論的研究產生了3種非常重要的控制方法，即有限狀態控制、模型參考控制和算法控制。這3種控制方法對各種類型的步行機器人都是適用的。有限狀態控制是由南斯拉夫的Tomovic在1961年提出來的，模型參考控制是由美國的Farnsworth在1975年提出來的，而算法控制則是由南斯拉夫米哈依羅鮑賓研究所著名的機器人學專家Vukobratovic博士在1969年至1972年問提出來的。這3種控制方法之間有一定的內在聯系。有限狀態控制實質上是一種采樣化的模型參考控制，而算法控制則是一種居中的情況1。在兩足步行機器人的發展史上，Vukobratovic博士是一個非常突出的人物。他在整個70年代就兩足步行機器人的理論研究和假肢的設計發表了很多有影響的論文。他提出了用歐拉角描述兩足步行系統的通用數學模型；指出了由于步行系統的動態性能和控制性能的特殊性，用一般控制理論不能滿意地解決人工實現步行的問題，并相應地提出了算法控制的概念；研究了類人型兩足步行系統在單腳和雙腳支撐期機構的特本科畢業設計說明書（論文）第4頁共26頁點，并建立了從運動副組合到關節力矩計算等各項運算的KINPAIR算法，分析了類人型兩足步行系統的姿態穩定性，并提出了相應的姿態控制算法；對類人型兩足步行系統進行了能量分析和頻率分析此外，他還與合作者一起為截癱病人和小兒麻痹癥患者設計了一系列半動力型和動力型輔助行走裝置。特別重要的是，他和Stepanenko博士一起在1972年提出了“零力矩點ZMP”的概念ZMP概念的提出對兩足步行機器人控制產生了非常重要的影響，為有效地控制兩足步行機器人的運動開辟了一條嶄新的途徑2。在步態研究方面，蘇聯的Bessonov和Umnov定義了“最優步態”，Kugushev和Jaro-shevskij定義了自由步態。這兩種步態不僅適應于兩足而且也適應于多足步行機器人。其中，自由步態是相對于規則步態而言的。如果地面非常粗糙不平，那么步行機器人在行走時，下一步腳應放在什么地方，就不能根據固定的步序來考慮，而是應該象登山運動員那樣走一步看一步，通過某一優化準則來確定，這就是所謂的自由步態。在兩足步行機器人的穩定性研究方面，美國的Hemami等人曾提出將兩足步行系統的穩定性和控制的簡化模型看作是一個倒立振子(倒擺)，從而可以將兩足步行的前進運動解釋為使振子直立移動的問題。此外，從減小控制的復雜性考慮，Hemami等人還曾就兩足步行機器人的“降階模型”問題進行了研究。在步行模式這方面的研究中，日本加藤一郎教授及其合作者1980年提出了“準動態步行的概念，這是一種介于靜態步行和動態步行之間的步行方式。它既具有靜態步行的特點又具有動態步行的特點，其步速要比靜態步行快，而實現起來又不象動態步行那樣困難。最早采用最優理論來研究類人型兩足步行系統是美國的Chow和Jacobson。他們在1971年發表的論文中，具有約束條件的力學模型和性能最優準則作為兩足步行優化問題的核心，而以一種簡化模型作為研究對象。但最后，他們僅是以局部耗能最少為基礎得出了一個優化結果。前面我們曾指出Vukobrat