学士论文文献综述

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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

2、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

3、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 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

4、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,

5、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

6、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 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 MDTWR12,13 .2003 年

7、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11990 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AMBLERS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

8、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.19962000 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，

9、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 BiobotZ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

10、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

11、 mmx9.3 mmx7.2 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

12、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 足步行机器人实现

13、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.参考文献雷景涛，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

14、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1500014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038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.2008047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，200

15、3，24(3):297-3019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.20060210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 42913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):11-1514Greiner H.Shectman A Auto

16、nomous legged underwater vehicles for near land warfare 外文会 议 1996(06)15Bares J E.Whittaker W L Configuration of autonomous walkers for extreme terrain1993(0616Wettergreen D.Pangels H.Bares J Behavior-based gait execution for the Dante-II walking robot 199517福岡.木村4足口朮审卜生物規範型不整地適応動歩行2003(05)18Delcomyn F.Nelson M EArchitectures for a biomimetic hexapod robot 外文期刊 200019長久保.広濑4足壁面歩行口朮审卜基準步容1992