提高机器人竞走速度的研究设计().doc
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2、花学院本科毕业设计(论文) 带穷丧生褂燎泞涂烃悟絮伶怜挪最泞钓酮月偶刘简惨颐榔热瓜掖娘客乃置浊卉狠烂绿流钦述槐呜含诬苍迁爪淆怔虞憾酬锥珠缠鳃短独四大瘦清崩科怂踪摔师楚娶二片蛰匝铀颊选字拭娃艺迟正画蝎横惟踢乘锨莉亩渡相拨楞蝴敦欲氟娟涕粉翔痪糯瓶过豺滦焚虫淘漓袁潍吼避舵庇嗓跨懦爹捅牛尼舞厅草服寻徘珍毁芽痒爷咐秆牢崇晴茸郴圆逝捷傅脯呵尸降坟汹拍卧镐冤请忻伞溯墒堑帧穿骸漾缆脾挝陀拉囤瞳扇剪限菱歧摆视亨淮欲说闺券寒秆狐蔑锯文贡你享爱写荤饮烷燎费痕炕忙陇搭墩贼奏笼寥贤渐彝示逛历母蹿戏稿近啊变邀注剿族挽涣馈堪掀赖厕厦粘毋稠量爱茹蕉窥租木际械奖粉穷食提高机器人竞走速度的研究设计()粉钞撕索军胶库颜疤咕堤蚕吭觉
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4、生产的各个领域,并正在给人类传统的生产模式带来革命性的变化,影响着人们生活的方方面面。 本文对目标机器人建立了完整的竞走比赛环境,使机器人能在平面上实现稳定的动态行走。并且对模型的可靠性和实用性进行了仿真计算,结果证实了文中模型的合理性和可行性。为了更好的看到机器人竞走速度提升的效果,文章采用了类似于场地自行车追逐赛的比赛方式,这样就能在两个机器人的相互追逐中的速度对比发现目标机器提速的效果。 在机器人的控制问题上,本文采用差动装置来控制该机器人的运动,由该机器人的两个驱动轮不同的运动状态来达到控制机器人的目的。通过传感器对地面灰点的感应,传回数据,根据需要自动转向行动的控制方法。具体措施是在
5、机器人前段安装两个传感器,通过这两个传感器传回的数据对两个驱动轮的控制,转而达到对机器人的控制。关键词 机器人,竞走速度,传感器,机器人控制ABSTRACTThe robot is as an important symbol of the modern new and high technology and development result, has been widely applied in various fields of national production, and is to the human the traditional production pattern bri
6、ngs revolutionary change, affect all aspects of peoples lives. The objective of this robot is the establishment of a complete race walking environment, so that the robot can achieve stable dynamic walking on the plane.The model reliability and practicability are calculated, results confirmed the rat
7、ionality of the model and feasibility.In order to better see the robot walking speed to enhance the effect, this paper adopts similar to track cycling race game, so in two the robot mutual chase the speed comparison shows that the target machine speed effect. In the robot control problem, this paper
8、 adopts a differential device to control the movement of the robot, the robot from the two driving wheels of different state of motion to control the robot to.Through the sensor to the ground point grey induction, return data, according to the need of automatic steering action control method.Specifi
9、c measures in the robot segment installation two sensor, through the two sensor data from the two driving wheels control, to achieve control of robot.Key words Robot,Walking speed,Sensor,Robot control目 录摘 要ABSTRACT1 绪论11.1 前言11.2 双足步行机器人的意义21.2.1运动方式的优越性21.2.2双足机器人的优越性21.2.3双足步行机器人的优越性31.2.4 生物科学、仿生
10、工程学的研究需要31.2.5 双足机器人的应用场所31.2.6 机器人技术研究热点41.2.7 国外机器人研究状况41.2.8 国内双足机器人研究状况61.3双足步行机器人研究的发展趋势71.4双足步行机器人理论研究状况71.5 本课题研究的意义92 能力暴风机器人开发环境简介102.1简介102.1.1AS-VROBOT2.0主要功能112.1.2 AS-VROBOT2.0先进性112.1.3 AS-VROBOT2.0应用113 设计思路及比赛环境的建立123.1 设计思路123.2比赛环境的建立123.2.1平面布局123.2.2 参数设定133.3机器人模型建立144 机器人控制编程与比
11、赛建立184.1 机器人控制方案184.2流程图编辑184.3 代码编辑214.4比赛的建立214.4.1队伍建立224.4.2比赛规则建立234.4.3比赛的建立234.4.4 机器人起始位置设定244.4.5 小结245 比赛仿真和实验结果265.1 比赛仿真265.2 实验结果的要求275.3 对相关机器人的程序修改与调试275.3.1 对目标机器人直线运动时的程序调试285.3.2 机器人在转弯时的程序调试306 结论34参 考 文 献35附录A:机器人完整程序37致 谢391 绪论1.1 前言 随着现在科学技术的不断进步,机器人科学越来越具有强大的生命力,它在某种程度上己经代表当今信
12、息技术、自动化技术、系统集成等技术的最新发展趋势。自从本世纪50年代美国人发明第一台工业机器人以来,机器人的发展已近半个世纪了。纵观半个世纪以来机器人发展的历史,机器人技术在需求的牵引下已得到了巨大的发展。当下,国际上工业机器人已是成熟的产业。虽然机器人的技术现在已经日趋成熟,但是有关机器人的定义却众说纷纭,美国机器人工业协会给出的定义是:“机器人是一种可再编程的多功能操作机,通过可变的程序流程,以完成多样化的任务”。我国著名的机器人专家蒋新松给出的定义就相对简洁:“机器人是一种具有拟人功能的机械电子装置”。姑且不管这些定义如何,但他们都包含了机器人的共性:能模仿人的一些动作;具有一定的智力、
13、感觉和识别能力;是人造的机器或机械电子装置。 正常人所能完成的基本动作一步行走,其实是一种非常复杂的运动,它需要对人全身的骨骼和肌肉进行复杂而巧妙的协调,而人的骨骼系统是由206块骨头组成,肌肉系统则包括327对肌肉,这是一个相当复杂的系统,但在大脑的指挥下,人不但能完成步行,而且还能轻而易的举完成其他高难度的动作。对于步行机器人来说,它只需要模仿人在特殊情况下(平地或己知障碍物)完成步行动作,这个条件虽然可以使机器人的骨骼机构在很大程度上降低和简化,但也不是说这个系统就不复杂了,其步行动作一样是高度的自动化的运动,需要控制机构进行复杂而巧妙地协调每个关节上的动作。 世界著名机器人专家,日本早
14、稻田大学的加藤一郎教授说过:“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能。1”双足机器人属于类人机器人,典型的特点是机器人的下肢以刚性构件通过转动副联接,模仿人类的腿及髋关节、膝关节和踝关节,并以执行装置代替肌肉,实现对身体的支撑及连续地协调运动,各关节之间可以有一定角度的相对转动。双足机器人不仅具有广阔的工作空间,而且对步行的环境要求很低,能适应各种各样地面且具有较高的逾越障碍的能力,其步行的性能是其它步行结构无法比拟的。研究双足行走机器人具有重要的意义。1.2 双足步行机器人的意义1.2.1运动方式的优越性 移动机器人是机器人学中非常活跃的领域,移动方式有轮式、履带式、步行等方式2。轮式、履带
15、式车辆虽好,但当在不平地面上行驶时,它们的能耗大大增加,而在松软地面或严重崎岖不平的地形上,车轮的作用将严重丧失。足式运动系统却可以通过松软地面(如沼泽、沙漠等)以及跨越较大的障碍(如沟、坎等)。地球上近一半的地面不能为传统的轮式或履带式车辆到达,而很多足式动物却可以在这些地面上行走自如。这就给人们一种启示,即足式运动方式具有其它地面推进方式所不具备的独特优越性能。足式运动系统在不平地面和松散地面上的运动速度较高,而能耗较少。实验和观察研究表明,在崎岖不平的坚硬地面上行驶(行走)的平均速度,履带车辆为816公里小时;轮式车辆为58公里d,时;而足式运动的奔跑速度最高可达56公里小时。在有254
16、厘米深的软土地上,履带车辆所需的推进功率为10马力吨;轮式车辆为15马力吨,而足式行走机只需7马力吨。由此可以看出步行是大多数高等动物共同采用的移动方式,对环境具有很强的适应性,既可以进入相对狭窄的空间,也可以跨越障碍、上下台阶、上下斜坡、甚至在不平整地面上运动,与其它各种移动方式相比,具有更广阔的应用前景。1.2.2双足机器人的优越性 步行机器人包括双足、四足、六足和八足机器人等。与其它足式机器人相比,双足机器人具有更高的灵活性和独特的优势,主要特点如下3: 双足机器人对步行环境要求很低,能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力,不仅能够在平面行走,而且能够方便的上下台阶及通过不平整、不规则
17、或较窄的路面,它的移动“盲区”很小。 双足机器人具有广阔的工作空间,由于行走系统占地面积小,活动范围很大,其上配置的机械手具有更大的活动空间,也可使机械手臂设计得较为短小紧凑。 双足行走是生物界难度最高的步行动作,但其步行性能却是其它步行结构所无法比拟的。因此,开展双足机器人研究工作可以有力推进机器人学及其它相关学科的发展。双足机器人能在人类的生活和工作环境中与人类协同工作,而不需要专门为其对环境进行大规模改造。目前,双足步行机器人的应用领域主要是康复医学。从长远来看,双足机器人在无人工厂、核电站、海底开发、宇宙探索、康复医学以及教育、艺术和大众服务行业等领域都有着潜在而广阔的应用前景。451
18、.2.3双足步行机器人的优越性 双足步行机器人不但具有双足移动的特点,还具有其它类人的智能特点,如手臂运动功能、手抓取物体功能、视觉功能、语音功能、自主决策功能等等。因此,是集机构学、机械设计、传感技术、控制理论与技术、计算机技术等多学科技术为一体的综合性技术。双足机器人对机器人的机械结构及驱动装置提出了特殊要求,这将导致传统机械的重大变革,双足机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系统6,这对机器人的运动学、动力学及控制理论的研究提供了一个非常理想的试验平台,在对其研究的过程中,很可能导致力学及控制领域的新理论、新方法产生。它是智能机器人理论和技术的集中体现,能够带动许多相关
19、学科和技术的交叉发展和进步。因此,双足步行机器人的研制具有十分重大的价值和意义。1.2.4 生物科学、仿生工程学的研究需要 研究开发双足步行机器人的另一重要意义是为了更好的了解人类和其他动物的行走机理,并为下肢瘫痪者提供较理想的假肢。尽管人类对腿和身体运用自如,但对行走和奔跑的控制机制的理解仍处于初始阶段。探讨动物运动控制机理的一种方法是研究步行机器人。由于动物和机器需要完成相同的任务,它们的控制系统和机械结构必须解决类似的问题。通过研究步行机器人,我们能够更好地分析这些问题,得到真正的答案。再者,动物行走机理的研究和步行机的开发是双向互惠的。一旦对动物行走机理有了正确的理解,可以反过来更有效
20、地指导步行机器人的研究和开发。其典型实例是为残疾人研制假肢或轮椅等步行载体。1.2.5 双足机器人的应用场所双足步行机器人能在与人类的生活和工作环境中与人类协同工作,而不需要专门为其对环境进行大规模改造。目前,双足步行机器人的应用领域主要有:7 为残疾人(下肢瘫痪者或截肢者)提供室内和户外行走工具。利用人工假腿、腿椅或步行座椅尽可能使残疾人恢复正常行走功能(平地行走、坡地行走、跨越沟坎、爬越阶梯),减少对他人的依赖。 极限环境下代替人工作业,如太空星球表面考察、海底勘探、水下资源的开发和设备维修、沉船的寻找和协助打捞(代替浮游式机器人作为运载工具,以减少推选器对水底的扰动,提高能见度);核电站
21、内的监视和维护作业(如吸附式步行机对金属壁容器的检修);高层建筑玻璃的擦洗;管道的探伤和维修(管内爬行式机器人);遥控救灾、灭火;爆炸物的处置(如探雷、排雷等);战地侦察、警戒等。 在教育、艺术和大众服务行业等领域都有着潜在而广阔的应用前景。娱乐机器人、可作为人类同伴的机器人是发展的新方向,这将使双足机器人逐渐走向普通居民中。1.2.6 机器人技术研究热点机器人技术虽然已经取得了很大的发展,但是在很多方面还是有待完善。目前机器人技术的研究方向有如下几类:机器人机构技术目前研究重点是机器人新的结构、功能及可实现性,其目的是使机器功能更强、柔性更大、满足不同目的的需求,同时研究机器人一些新的设计方
22、法,探索新的高强度轻质材料,进一步提高负载自重比,并且机器人机构向着模块化、可重构方向发展。机器人控制技术目前重点研究开放式、模块化控制系统,努力使人机界面更加友好,使机器人操作系统具有良好的语言及图形编辑界面,同时机器人的控制器的标准化和网络化以及基于PC机网络式控制器也成为研究热点。数字伺服驱动技术目前正研究利用计算机技术,探索高效的控制驱动算法,提高系统的响应速度和控制精度。同时利用现场总线(FILDBUS)技术,实现分布式控制。多传感系统技术目前研究热点集中在有效可行的(特别是在非线性及非平稳非正态分布的情形下)多传感器融合算法,以及解决传感系统的实用化问题。机器人应用技术机器人应用技
23、术主要包括机器人工作环境的优化设计和智能作业。优化设计主要利用各种先进的计算机手段,实现设计的动态分析和仿真,提高设计效率和优化;智能作业则是利用传感器技术和控制方法,实现机器人作业的高度柔性和对环境的适应性,同时降低操作人员参与的复杂性。目前用于实践的机器人作业主要靠人的参与实现示教,缺乏自我学习和自我完善的能力。这方面的研究工作刚刚开始。机器人网络化技术网络化使机器人由独立的系统向群体系统发展,使远距离操作监控、维护及遥控脑型工厂成为可能,这是机器人技术发展的一个里程碑。目前,机器人仅仅实现了简单的网络通讯和控制,网络化机器人是目前机器人研究中的热点之一。机器人灵巧化和智能化发展机器人结构
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