行走機器人設計實習報告
隨著個人素質的提升，越來越多的事務都會使用到報告，不同的報告內容同樣也是不同的。我敢肯定，大部分人都對寫報告很是頭疼的，以下是小編為大家整理的行走機器人設計實習報告，歡迎大家借鑒與參考，希望對大家有所幫助。
一．緒論
1.1機器人的發展背景與前瞻與課程設計內容
近年來，隨著社會飛速發展，機器人的研究及應用得到迅速發展，因其在教育，醫療，軍事，工業等領域的巨大應用，因此得到許多國內外科學家的關注。
機器人在以后社會快速發展的過程中會起著越來越重要的作用。相信在不久的將來機器人將會取代繁重的人力勞動，使勞動者的人身安全得到保障。同時機器人的發展也將為以后的社會發展奠定良好的基礎。
雙足機器人不僅具有廣闊的工作空間，而且對步行環境要求很低，能適應各種地面且具有較高的逾越障礙的能力，其步行性能是其它步行結構無法比擬的。研究雙足行走機器人具有重要的意義。
1、主要內容：
1）、控制系統軟硬件設計與仿真；
2）、六自由度機器人運動控制。
2、訓練形式
學生以小組為單位，集體討論確定整體方案；指導教師給出實訓方向，技術指標等，協助學生完成訓練任務。
二.實習任務
這次機電一體化綜合訓練Ⅲ包含兩部分內容。一是分組選題完成實習要求；二是開發性設計。本報告書將從整體上分為兩部分對本次實習的要求進行匯報。完成對六自由度機器人的組裝、調試以及實現預定的功能。
三.實習要求
要使六自由度機器人實現人類的一些動作，那么六自由度機器人必須有它的獨特性。事實上，關于運動靈活性，人類大約擁有四百個左右的自由度。因此，機器人的關節的選擇、自由度的確定是很必要的，步行機器人自由度的配置對其結構有很大影響。自由度越少，結構越簡單，可實現功能越少，控制起來相對簡單；自由度越多，結構越復雜，可實現功能越多，控制過程相對復雜。
自由度的配置必須合理:首先分析一下步行機器人的運動過程(向前)和行走步驟:重心右移(先右腿支撐)、左腿抬起、左腿放下、重心移到雙腿中間、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到雙腿間，共分8個階段。從機器人步行過程可以看出:機器人向前邁步時，髖關節與踝關節必須各自配置有1個自由度以配合實現支撐腿、上軀體的移動和實現重心轉移。另外膝關節處配置1個俯仰自由度能夠調整擺動腿的著地高度，保證步行時落足平穩。這樣最終決定髖關節配置1個自由度，膝關節配置1個俯仰自由度，踝關節配置有1個偏轉自由度。這樣，每條腿配置3個自由度，兩條腿共6個自由度。髖關節和膝關節俯仰自由度共同協調動作可完成機器人的在縱向平面(前進方向)內的直線行走功能；踝關節的偏轉自由度協調動作可實現在橫向平面內的重心轉移功能。步行運動中普遍存在結構對稱性。運動的對稱性和腿機構的對稱性之間存在相互關系。在單足支撐階段，對稱性的機身運動要求腿部機構也是對稱的。根據這點，在結構設計時也采用對稱性布置。
四．工作原理
4.1六自由度機器人的工作原理
六自由度運動平臺是由六支作動筒，上、下各六只萬向鉸鏈和上、下兩個平臺組成，下平臺固定在基礎上，借助六支作動筒的伸縮運動，完成上平臺在空間六個自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的運動，.從而可以模擬出各種空間運動姿態。可廣泛應用到各種訓練模擬器如飛行模擬器、艦艇模擬器、海軍直升機起降模擬平臺、坦克模擬器、汽車駕駛模擬器、火車駕駛模擬器、地震模擬器以及動感電影、娛樂設備等領域，甚至可用到空間宇宙飛船的對接，空中加油機的加油對接中。在加工業可制成六軸聯動機床、靈巧機器人等。由于六自由度運動平臺的研制，涉及機械、液壓、電氣、控制、計算機、傳感器，空間運動數學模型、實時信號傳輸處理、圖形顯示、動態仿真等等一系列高科技領域，因而六自由度運動平臺的.研制變成了高等院校、研究院所在液壓和控制領域水平的標志性象征。六自由度運動平臺是傳動及控制技術領域的皇冠級產品，掌握了它，在傳動和控制領域基本上就沒有了難題。
4.2機器人的工作原理
按照目前最寬泛的定義，如果某樣東西被許多人認為是機器人，那么它就是機器人。許多機器人專家（制造機器人的人）使用的是一種更為精確的定義。他們規定，機器人應具有可重新編程的大腦（一臺計算機），用來移動身體。
根據這一定義，機器人與其他可移動的機器（如汽車）的不同之處在于它們的計算機要素。許多新型汽車都有一臺車載計算機，但只是用它來做微小的調整。駕駛員通過各種機械裝置直接控制車輛的大多數部件。而機器人在物理特性方面與普通的計算機不同，它們各自連接著一個身體，而普通的計算機則不然。
大多數機器人確實擁有一些共同的特性。首先，幾乎所有機器人都有一個可以移動的身體。有些擁有的只是機動化的輪子，而有些則擁有大量可移動的部件，這些部件一般是由金屬或塑料制成的。與人體骨骼類似，這些獨立的部件是用關節連接起來的。
工業機器人專門用來在受控環境下反復執行完全相同的工作。例如，某部機器人可能會負責給裝配線上傳送的花生醬罐子擰上蓋子。為了教機器人如何做這項工作，程序員會用一只手持控制器來引導機器臂完成整套動作。機器人將動作序列準確地存儲在內存中，此后每當裝配線上有新的罐子傳送過來時，它就會反復地做這套動作。
大多數工業機器人在汽車裝配線上工作，負責組裝汽車。在進行大量的此類工作時，機器人的效率比人類高得多，因為它們非常精確。無論它們已經工作了多少小時，它們仍能在相同的位置鉆孔，用相同的力度擰螺釘。制造類機器人在計算機產業中也發揮著十分重要的作用。它們無比精確的巧手可以將一塊極小的微型芯片組裝起來。
4.3舵機的驅動原理
舵機的工作原理。舵機常用的控制信號是一個周期為20毫秒左右，寬度為1毫秒到2毫秒的脈沖信號。當舵機收到該信號后，會馬上激發出一個與之相同的，寬度為1.5毫秒的負向標準的中位脈沖。之后二個脈沖在一個加法器中進行相加得到了所謂的差值脈沖。輸入信號脈沖如果寬于負向的標準脈沖，得到的就是正的差值脈沖。如果輸入脈沖比標準脈沖窄，相加后得到的肯定是負的脈沖。此差值脈沖放大后就是驅動舵機正反轉動的動力信號。舵機電機的轉動，通過齒輪組減速后，同時驅動轉盤和標準脈沖寬度調節電位器轉動。直到標準脈沖與輸入脈沖寬度完全相同時，差值脈沖消失時才會停止轉動！，這就是舵機的工作原理。
五．機器人行走的實現
雙足機器人的行走要取決于步態規劃，步態規劃的好壞將直接影響到機器人行走過程中的穩定性、所需驅動力矩的大小以及姿態的美觀性等多個方面，同時它也直接影響到控制方法及其實現的難易程度。
5.1步態規劃的概念
雙足步行機器人的步態規劃，是指機器人行走過程中其各組成部分運動軌跡的規劃，比如說，腳掌何時離開地面、擺動中整個腳掌在空中的軌跡、何時落地等。步態規劃要解決的問題主要是保證機器人的穩定性。
5.2步態規劃的方法
現在使用的步態規劃方法主要有如下幾種：
1、基于實驗的規劃方法
這種規劃方法基于力學的相似原理，基本過程如下：讓人模仿機器人行走(如果機器人有幾個自由度，那么人在模仿行走的時候也盡量只動相應的關節)，同時對此人的行走過程進行正面和側面的錄像，然后對這些錄像進行分析，得到此人在步行過程各個主要關節的角度變化，然后根據力學相似原理把這些角度相似地推廣到機器人的關節變化上。
2、基于能量原理的規劃方法
這種方法來源于一個生物學假設：人經過千百萬年的進化，其行走方式是能量消耗最低的，而且還能保持步行的穩定性。如果機器人也能滿足這個假設，則其行走方式將與人一樣或很接近。根據能耗最小原則可以建立一個變分方程，并最終得到機器人的軌跡方程。
3、基于力學穩定性的規劃方法
在機器人行走過程中，其ZMP點必須落在某個區域范圍之內，只有這樣才能保證步行機器人穩定地行走。實現方法有兩種：‘
a．計算出理想的ZMP軌跡，然后推導出各個關節的運動函數以實現理想行走。
b．先大致規劃出雙足和軀干的運動軌跡，然后進行ZMP計算，最后選出穩定性最好的結果作為控制方程。
相比后兩種方法，第一種方法更易于理解及掌握。所以本文將采用第一種方法，結合人體行走過程規劃機器人步態的參數化設計。
5.3步態設計
進行雙足機器人行走動作設計。首先分析一下步行機器人的運動過程和行走步驟：
1）行走前進：重心右移（右腿支撐）、左腿抬起、邁步左腿放下、重心左移、右腿抬起、邁步右腿放下。依次循環。
2）停止：將重心移到雙腿之間，雙腿放下。
從機器人步行過程分析得出：機器人向前邁步時，髖關節與踝關節必須各自配置有1個自由度以配合實現支撐腿、上軀體的移動和重心轉移。膝關節處配置一個自由度能夠調整擺動腿的著地高度，保證步行時落足平穩。這樣，最終確定每條腿配置3個自由度，踝關節配置1個偏轉自由度、膝關節和髖關節各配置1個俯仰自由度。步行運動中存在結構對稱性。運動的對稱性和腿機構的對稱性之間存在相互關系。步行前進時，對稱的機身運動要求腿部機構也是對稱的，兩條腿共6個自由度。髖關節和膝關節俯仰自由度共同協調動作可完成機器人在縱向平面（前進方向）的直線行走功能，踝關節的偏轉自由度協調動作可實現在橫向平面內的重心轉移功能。
機器人的前翻跟頭過程和步驟分析：低頭（髖關節）、俯身（膝關節）使頭腳面板同時著地、左腿離地、右腿離地使倒立、兩腿同時彎膝（膝關節）、兩腳同時著地（髖關節），頭離地使重新直立。
小組在調試動作中，最后一步機器人頭離地使重新直立這一步，經過小組組員間協商，找出了解決方法。使一只腳稍微向內側傾斜一點角度，施力幫助機器人的頭部離地，配合兩個髖關節的舵機轉動角度，最終使得機器人重新站立。
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