学士论文文献综述

六足机器人

1 六足机器人

摘 要：机器人是目前国内外研究的热点课题,它综合了机械、电子、传感器、材料、控制理论、计算机、信息处理等多门学科.机器人的研究无疑对促进科技的发展和人类的进程有重大的现实意义.将单片机与机器人技术的结合,是当今科技的一种必然趋势,为机电产品的研究提供一种新的途径.特别是机器人技术的发展往往代表一个国家的科技实力和机电一体化的最新产品.而机器人中多足机器人更是如此,多足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.所谓多足一般是指四足及四足其以上,常见的多足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[4]

关键词：六足机器人 单片机 机电一体化 仿生

1课题国内外现状

步行机器人经历百年发展,取得了长足进步,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,多功能和自主性的要求使得机器人技术进入新的发展阶段[5].

苏军等[6]研究六足步行机器人全方位行走步态,分析其静态稳定性;规划了典型直线行走步态和定点转弯步态,确定了直线行走步态最大跨步和定点转弯步态最大转角;进行了步态控制算法模拟仿真及实地步行实验,结果表明研究工作正确、有效.

王刚等在文献[3]中详细介绍了一种新型多足仿生机器人步行足的关节结构.新型多足仿生机器人步行足关节采用谐波减速器作为传动部件, 其传动比大、可靠性高、结构紧凑,特别适合应用于微小型机器人的关节设计中, 在一定程度上解决了以往传动方式传动效率低, 传动比小, 且没有自锁能力等问题.采用新型多足仿生机器人步行足关节完成了3 个自由度的仿生机器人步行足和八足仿生机器人的设计,验证了关节应用的可行性.

雷静桃等在文献[1]中对美国、日本等机器人研究大国及我国的多足步行机六足机器人

2 器人研究发展进行了综述,对多足步行机器人急需解决的问题进行了论述,并对未来可能的研究发展方向进行了展望.

郭鸿勋等在文献[8]中针对一种自主研制的具有全方位运动功能的六足步行机器人原型机,介绍了该机器人的运动功能要求,对比分析了不同腿机构形式和整体布局模式对机器人的影响,确定合理腿机构和布局模式;在理论上描述了机器人机械系统结构原理,验算了整机的运动自由度并描述腿机构静力学极限力的求解规则;结构上详细描述了模块化腿臂融合机构的部件组成、功能特性和传动形式;最后通过实验和数据验证了该机械系统满足机械强度和步行运动功能的要求.

安丽桥等在文献[9]中介绍了一种应用两个电机驱动的六脚足式步行机器人,并对该机器人的运动机理与步态进行了分析,经样机实验,所设计的机器人可实现前进、后退、遇障转弯等功能,具有结构简单,控制便捷,行走稳定的特点.

冯巍等在文献[2]中在仿生学原理的基础上,对六足步行机器人三角步态的行走原理和稳定性进行了分析.采用慧鱼仿生机器人包搭接出六足步行机器人,进行了一系列步行的实验.并对机器人腿部机构中的足端轨迹进行了仿真与分析.结果表明该机器人能够严格按三角步态进行行走,实现诸如直线、转弯、躲避障碍物等行走功能,具有较好的机动性.

陈伟等在文献[10]中提出了一种基于AVR单片机Atmega8为核心控制器的比赛机器人控制系统,通过比赛机器人的特征分析,阐述了构成控制系统所需的主控单元、电机驱动单元、传感检测单元及LCD显示单元,其中详细分析了以MCBL3006S为核心的伺服电机驱动单元,以及关系比赛机器人基本功能实现的循线传感系统及避障传感系统,并给出部分程序.

2 研究主要成果

2.1国内多足步行机器人的研究成果

我国对于步行车辆的研究起步较晚,但对松软土壤上的车辆通过性能的研究还是较早的.吉林工业大学著名的地面-车辆系统力学专家陈秉聪在20 世纪50

年代开始研究,先后研制出塑料镶齿、高花纹、半步行轮、步行轮等非常规行走机构,进行了运动学和动力学分析及田间试验.我国从20 世纪80年代开始研究步行机,并取得了一系列的成果.

2000 年,上海交通大学马培荪等对第一代形状记忆合金SMA 驱动的微型六六足机器人

3 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MDTWR[12,13 ] .

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[7] ,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

2.2 国外多足步行机器人的研究成果[1]

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[1].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3180 kg,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[1],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145 km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 [1](Autonomous Legged UnderwaterVehicle).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Biobot[1].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.

3 发展趋势 六足机器人

4 未来多足步行机器人的研究方向有如下几个方面：

(1)腿轮组合式步行机器人[1].腿式移动机器人地形适应能力强,能越过大的壕沟和台阶,其缺点是速度和效率均比较低.目前,腿式移动机器人系统应用行星探测仍然是很困难的.腿轮组合式步行机器人综合了腿式和轮式机器人的优点,具有较强的地形适应能力、较好的稳定性和较高的能量效率.特别适合用于行星探测,在无法确定待探测地表状态的情况下,采用腿轮组合式步行机器人可提高步行速度和效率.在松软或者崎岖不平的行星地表,采用腿轮组合式显示出优越性,在坚硬且较平坦的地表,由于没有土壤变形引起的阻力,采用轮式结构可有效提高其运动速度.

(2)微小型步行机器人[5].微型化是工业发展的必然趋势之一,是高技术成果的结晶.日本已研制出外形为：8.6 mm×9.3 mm×7.2 mm的微型行走机器人.微型步行机器人有广阔的应用前景,如可将数以千计的微型步行机器人散布在星球上进行探测;在考古研究中,该种机器人可步行进入狭小的空间内采集样品等;可在狭小的空间如管道内行走、作业和维修等.

(3)仿生步行机器人[10].在步行机的腿上安装弹性装置或采用人工肌肉等柔性腿,就是结构仿生的体现,采用形状记忆合金驱动是材料仿生的体现.目前的步行机器人还远未达到像多足昆虫那样的步行机动性和灵活性,存在步行速度低,效率差等问题.进一步深入研究功能、控制和群体仿生,提高步行机器人的速度和灵活性,充分实现多足步行机器人的优点,是今后研究步行机器人的重点之一.

3 存在问题

黄俊军等在文献[4]中通过对文献[14 ][15 ][16][ 17]总结,得出当今四足步行机器人面临待解决的问题：

(1) 有些四足步行机器人的体积和重量很大[15].在实际应用中未必有足够大的空间能够容纳它们或者根本不允许体积较大的机器人出现.从实用化角度出发,

这类多足步行机器人在小型化方面还需要进行更深入的研究和改进.尤其是机械结构、控制系统硬件电路、电源系统、传感器等, 需要寻找体积更小、效率更高的替代品.

(2) 大多数四足步行机器人研究平台的承载能力不强, 从而导致它们没有能力承载视觉设备[16].而且四足步行机器人的视觉研究也不太成熟, 而视觉正是多六足机器人

5 足步行机器人实现自主化和智能化的关键之一.要解决这个问题, 首先还需改进现有四足步行机器人的机械机构设计, 使其能够承受更大的负载; 其次是改进视觉图像处理的算法, 增强图像处理的实时性、快速性和准确性.

(3) 步行敏捷性方面[17].四足步行机器人有很好的地面适应能力, 但在某些地貌, 其行走效率很低,而且在机器人动步态步行方面的研究比较缺乏.这就提出机器人动步行步态规划问题.因此四足步行机器人对地面的适应性和运动的灵活性需要进一步提高.

六足机器人

6 参考文献

[1]雷景涛,高峰,崔莹,多足步行机器人研究状况及展望[D].北京：北京航空航天大学汽车工程系,200609.

[2]冯巍,杨洋;慧鱼 六足仿生机器人步态研究与实现[J];机械设计与研究;2005年03期

[3]王刚,孟庆鑫,陈东良季宝峰,刘德峰,一种新型多足仿生机器人步行足关节结构研究.哈尔滨工程大学机电工程学院,哈尔滨150001

[4]黄俊军,葛世荣,曹为,多足步行机器人研究状况及展望[D].江苏徐州：中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所,221008

[5]陈学东,多足步行机器人规划与控制[M].中科技大学出版社,2006121

[6]苏军,陈学东,田文罡;六足步行机器人全方位步态的研究[J];机械与电子;2004年03

[8]郭鸿勋,陈学东,六足机械人步行机械系统[D].武汉：华中科技大学.200804

[7]袁鹏,孟庆鑫,王沫楠,两栖仿生机器蟹的单足路径规划和生成[J]哈尔滨工程大学学报,2003,24(3):297-301

[9]安丽桥,朱磊,六脚足式步行机器人的设计与制作[D].上海:上海交通大学.200602

[10]王文斌 陈伟 基于AVR的比赛机器人控制系统研究《电气传动》 2010年07期

[11]马东兴,王延华,岳林.新型四足机器人步态仿真与实现[J].南京航空航天大学机电学院,江苏南京,210016.

[12]李明东,程君实,马培荪,一种形状记忆合金驱动的微小型六足机器人[J]上海交通大学学报,2000,34(10):1 426-1 429

[13]祝捷,曹志奎,马培荪,SMA驱动的微型双三足步行机器人作全

方位运动的研究[J],传动技术,2002(4):11-15

[14]Greiner H.Shectman A Autonomous legged underwater vehicles for near land warfare [外文会议] 1996(06)