提高机器人竞走速度的研究设计（）.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流提高机器人竞走速度的研究设计（）.精品文档.本科毕业设计（论文）提高机器人行走速度的研究摘 要机器人是作为现代高新技术的重要象征和发展结果，已经广泛应用于国民生产的各个领域，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

2、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 app

3、lied in various fields of national production, and is to the human the traditional production pattern brings 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 dynami

4、c walking on the plane.The model reliability and practicability are calculated, results confirmed the rationality 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

5、the speed comparison shows that the target machine speed effect. In the robot control problem, this paper 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 poi

6、nt grey induction, return data, according to the need of automatic steering action control method.Specific 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 co

7、ntrol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

8、.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.

9、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

10、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、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

11、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

12、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

13、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

14、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

15、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。451.2.3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

16、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，

17、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、

18、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

19、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

20、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

21、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越来越灵巧，控制系统愈来愈小，其智能也越来越高，并正朝着一体化方向发展。1.2.7 国外机器人研究状况最早在1968年，英国的MosherR试制了一台名为“Rig”的操纵型双足步行机器人8，揭开了双足机器人研究的序幕。该机器人只有踝和靛两个关节，操纵者靠力反馈感觉来保持机器人平衡。19681969年间，南斯拉夫的M,Vukobratovic提出了一种重要的研究双足机器人的理论方法，并研制

22、出全世界第一台真正的双足机器人。双足机器人的研制成功，促进了康复机器人的研制。随后，牛津大学的Witt等人也制造了一个双足步行机器人，当时他们的主要目的是为瘫痪者和下肢残疾者设计使用的辅助行走装置。这款机器人在平地上走得很好，步速达023米秒。日本加藤一郎教授于1986年研制出wL一12型双足机器人9，该机器人通过躯体运动来补偿下肢的任意运动，在躯体的平衡作用下，实现了步行周期13秒，步幅30厘米的平地动态步行。日本本田公司10从1986年至今已经推出了P系列1，2，3型机器人。本田公司的计划着重设计一般家用的机器人，而非针对特殊任务。这种设计的最大挑战是要让机器人在布满家具的房间中来去自如，

23、而且还要能上下楼梯。本田的研究工作，尤其是“P3”和“ASIMO”的推出，将拟人机器人的研制工作推上了一个新的台阶，使拟人机器人的研制和生产正式走向实用化、工程化和市场化。ASIMO高120厘米，体重钙千克，使用个人电脑或便携式控制器操作步行方向和关节及手的动作。双脚步行方面，采用了新开发的技术I-WALK11(Intelligent Real-time FlexibleWandng)智能实时柔性行走技术，其预测移动控制功能使机器人能够实时预测下一步运动，并按照预测来移动重心。应用该技术，ASIMO能够改变它的行走坡度，并通过平滑地改变调节步幅来改变行走的快慢。Hirose介绍说，只有ASIM

24、O拥有这种动态行走能力。通过改善数据处理速度和软件，早期的ASIMO已经做到无需预编程就能够上下楼梯。2003年1月本田又推出了新款的ASIMO，它增加了两个功能：一是识别人的状况动作、姿势、面容、声音；另一种是网络接入功能。这使ASIMO的功能更加完善。例如，它能够根据用户手指所指的地方，推断出应该去的地方并自己走到那儿。它还能够通过内置无线LAN模块访问企业内部网或因特网，为用户找出所需要的信息。目前大约有20部ASIMO可以出租，其中大约8部正在博物馆和其它公司用作向导机器人和接待员。索尼公司的第二代机器人SDR_4X12展示了更为复杂的行走控制和更为丰富的通讯功能。SDR4X的集成实时

25、自适应运动控制系统使它能够在不规则的地形和斜坡上行走，即使受到外部压力也能够保持行走姿态。SDR-4X可以实现如下7种动作：最高速度为15米分钟的前进后退左右横行；由伏卧仰卧状态起立；在前进过程中左右转身；单腿站立(在斜面上也可作这个动作)；在凹凸不平的路面上行走；踢球；舞蹈。最近，索尼公司又推出了改进版的SDR-4XIl13，它身高50厘米，重量为5千克。这款机器人可以白行充电，几乎达到了投产水平。法国Poitiers大学力学实验室和国立信息与自动化研究所INRIA机构共同开发了一种具有15个自由度的双足步行机器人BIP200014，其目的是建立一整套具有适应未知条件行走的双足机器人系统。它

26、们采用分层递解控制结构，使双足机器人实现站立、行走、爬坡和上下楼梯等。美国和日本多年来引领国际机器人的发展方向，代表着国际上机器人领域的最高科技水平。目前，日本除了比较关注特种机器人和服务机器人以外，还注重中间件的研制。然而，近年来日本基本上在做模仿性的工作，突破性技术比较少。而美国在机器人领域的技术开发方面，一直保持着世界领先地位。再有，美国主要做高附加值的产业，比如军用机器人，目前世界销售的9000台军用机器人之中，有60%来自美国。比如：美国最近研制成功的Big Dog军用机器人，能负重100公斤，行进速度跟人相当，每小时达到五公里，还能适应各种地形，即使是在侧面受到冲击时也能保持很好的

27、系统稳定性。此外，英国、苏联、南斯拉夫、加拿大、意大利，德国、韩国等国家，许多学者在行走机器人方面也做出了许多工作。1.2.8 国内双足机器人研究状况国内双足机器人的研制工作起步较晚。1985年以来，相继有几所高校进行了这方面的研究并取得了一定的成果。哈尔滨工业大学15自1985年开始研制双足步行机器人，迄今为止已经完成了三个型号的研制工作。其中HIT一I为12个自由度，实现了静态步行和动态步行，能够完成前后行、侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作。目前，该校正致力于功能齐全的双足机器人HIT一的研制工作，新机器人包括行走机构、上身及髋部执行机构，初步设定32个自由度。国防科技大学16也进行了这

28、方面的研究。在1989年研制成功了一台双足行走机器人，这台机器人具有10个自由度，能完成静态步行和动态步行。国防科技大学还将工业机器人的轨迹示教方法用到了两足步行机器人的步态规划中，形成了步行机器人的步态示教规划技术。值得一提的是，北京理工大学研制成功我国首例拟人机器人BRH01，该机器人身高158米，体重76公斤，具有32个自由度，每小时能够行走l公里，步幅O33米。除了能打太极拳，这个机器人还会腾空行走，并能根据自身的平衡状态和地面高度变化，实现未知路面的稳定行走。它在系统集成、步态规划和控制系统等方面实现了重大突破，标志着我国双足机器人研究已经跨入世界先进行列。在我国，机器人的真正使用到

29、现在已经20多年，已基本实现了试验、引进到自主开发的转变，促进了我国制造业的发展。随着我国门户的逐渐开放，国内的机器人产业将面对越来越大的竞争与冲击，因此，掌握国内机器人市场的实际情况，把握我国机器人与智能装备研究的相关进展，显得十分重要。我国的机器人从上世纪80年代“七五”科技攻关开始起步，在国家的支持下，通过“十五”、“十一五”科技攻关，目前已基本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术，生产了部分机器人关键元器件，开发出喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人；其中有130多台套喷漆机器人在二十余家企业的近30条自动喷漆生产线上获得规模应用，弧焊机器

30、人已应用在汽车制造厂的焊装线上，我国现有机器人研究开发和应用工程单位200多家，其中从事机器人研究和应用的有75家，共开发生产各类机器人约3000多台，90%以上用于生产，引进机器人做应用工程的约1000多台。在国内，机器人产业刚刚起步，但增长的势头非常强劲，我国机器人经过20多年的发展已在产业化的道路上迈开了步伐。近几年，我国应用于制造业的机器人及自动化生产线和工程项目、相关产品的年产销额已近五亿元。1.3双足步行机器人研究的发展趋势 概括起来，双足步行机器人的发展趋势包括如下十个方面：能动态稳定地高速步行能以自由步态全方位灵活行走；具有良好的地形适应性；具有极强的越障和避障能力；具有很高的

31、载重自重比；可靠性高、工作寿命长；具有丰富的内感知和外感知系统；控制系统和能源装置机载化；具有完全的自律能力；具有灵活的操作能力(安装一个或多个机械手)。目前，日本和美国对双足步行机器人的研究已经达到了相当高的水平，研制出了能静态或动态行走的多种样机17。其他国家，尤其是欧洲的一些国家，步行机器人的研究水平也很高。国内由于起步较晚，与国际最高水平还有一段差距，需要迎头赶上。1.4双足步行机器人理论研究状况最早系统地研究人类和动物运动原理的是Muybridge18，他发明了电影用的独特摄像机，即一组电动式触发照相机，并在1877年成功地拍摄了许多四足动物步行和奔跑的连续照片。后来这种采用摄像机的

32、方法又被Demenyt19悃来研究人类的步行运动。1960年，苏联学者顿斯科依20表了著作“运动生物学”，从生物力学的角度，对人体运动学、动力学、能量特征和力学特征进行了一个详细的描述。真正全面、系统地开展两足步行机器人的研究始于上世纪60年代，现已形成了一整套较为完整的理论体系，一些国家如日本、美国等己研制成功可动态步行的双足步行机器人。在60年代和70年代，对步行机器人控制理论的研究产生了三种非常重要的控制方法，即有限状态控制、模型参考控制和算法控制。这三种控制方法对各种类型的步行机器人都是适用的。有限状态控制是由南斯拉夫的Tomovic21在1961年提出来的，模型参考控制是由美国的Fa

33、rnsworth2223在1975年提出来的，而算法控制是由南斯拉夫米哈依罗鲍宾研究所著名的机器入学专家Vukobratov-ic24博士在1969年至1972年间提出来的。这三种控制方法之间有一定的内在联系。有限状态控制实质上是一种采样化的模型参考控制，而算法控制则是一种居中的情况。在双足步行机器人的发展史上，Vukobratovic博士是一个非常突出的人物。他在整个70年代就双足步行机器人的理论研究和假肢的设计发表了很多有影响的论文。他提出了用欧拉角描述双足步行系统的通用数学模型；指出了由于步行系统的动态性能和控制性能的特殊性，用一般控制理论不能满意地解决人工实现步行的问题，并由此提出了算

34、法控制的概念；研究了拟人双足步行系统在单脚和双脚支撑期间机构的特点，建立了从运动副组合到关节力矩计算等各项运算的K1NPAIR算法，分析了拟人双足步行系统的姿态稳定性，并提出了相应的姿态控制算法；对拟人双足步行系统进行了能量分析和频率分析。特别重要的是，他和Stcpaacnko博士一起在1972年提出了“零力矩点ZMP的概念25。ZMP概念的提出对双足步行机器人控制产生了非常重要的影响，为有效地控制双足步行机器人的运动开辟了一条崭新的途径。在步态研究方面，苏联的Bessonov和Umnov定义了“最优步态26Kugushev和Jaroshc、，skij定义了“自由步态27”。这两种步态不仅适应

35、于双足而且也适应于多足步行机器人。其中，自由步态是相对于规则步态而言的。如果地面非常粗糙不平，那么步行机器人在行走时，下一步脚应放在什么地方，就不能根据固定的步序来考虑，而是应该像登山运动员那样走一步看一步，通过某一优化准则来确定，这就是所谓的自由步态。在双足步行机器人的稳定性研究方面，美国的Hcmami等人曾提出将双足步行系统的稳定性和控制的简化模型看作是一个倒立振子(倒摆)，从而可以将双足步行的前进运动解释为使振子直立移动的问题28。为了减小控制的复杂性考虑Hemami等人还曾就双足步行机器人的“降阶模型”问题进行了研究。在步行模式这方面的研究中，日本加藤一郎教授及其它作者1980年提出了

36、准动态步行的概念29，这是一种介于静态步行和动态步行之间的步行方式。它既具有静态步行的特点又具有动态步行的特点，其步速要比静态步行快，而实现起来又不象动态步行那样困难。最早采用最优理论来研究类人型双足步行系统的是美国的Jacobson和Chow30。他们在1971年发表的论文中，以具有约束条件的力学模型和性能最优准则作为两足步行优化问题的核心，而以一种简化模型作为研究对象。但最后，他们仅是以局部耗能最少为基础得出了一个优化结果。Vukobratovic也曾对类人型双足步行系统进行了能量分析，但他仅限于导出各关节及整个步行系统的功率随时问的变化关系，并没有过多地涉及能耗最优这个问题。Vukobr

37、atovie得出了一个有用的结论：步行姿态越平滑，双足步行系统所消耗的功率就越少。MITGAPrat31和JEPratt等人在Spring Turkey和Spring Flamingo双足机器人的控制中采用了虚模型控制策略，避免了繁琐的机器人逆运动学和动力学计算。1990年，美国Ohio大学的YFZheng32等人提出了用神经网络实现双足步行机器人动态步行的观点，实现了双足机器人的动态学习。1.5 本课题研究的意义 虽然当下机器人的研究发展日趋成熟，但是机器人的行走速度相对的还是比较慢，离人们的预期还有着不小的差距。而机器人行走速度的提速在工业、军事、航空、医疗、及人道主义救援方面都有着重大的

38、意义。例如，在工业方面可以提高工业生产的效率；在军事方面可以快速的代替人力进行侦查和弹药运输等方面的工作；特别是在人道主义救援方面，可以极大的提高急救和灾害响应的速度和效率，可以快速救出受灾的群众，也可以快速的帮助救灾人员抢救物资和运输必须的补给品。所以研究如何提高机器人的行走速度对于机器人学的发展和进步具有重大的意义。本文将通过程序修改与调试，对机器人的行走速度进行提升的尝试与实验。本文也旨在这些方面能略尽微薄之力，为以后的相关研究提供一些咨询和参考。 2 能力暴风机器人开发环境简介由于实验室设备和条件有限，我们在这里使用的是AS-VROBOT能力风暴虚拟机器人仿真系统(以下简称AS-VRO

39、BOT)，由于轮式机器人能近似代替双足机器人进行相关仿真和实验，所以我们在以下的环节用轮式机器人来代替双足机器人进行实验和仿真。也能到达本文探讨的效果。2.1简介AS-VROBOT能力风暴虚拟机器人仿真系统(以下简称AS-VROBOT)是一款虚拟机器人仿真软件。系统采用3D仿真环境，通过仿真系统，用户能快速搭建比赛场地、搭建自己的机器人，并能通过流程图或C代码给设计的机器人编写控制程序，在仿真环境中观察机器人运行，给用户亲临其境的感觉。AS-VROBOT有三个版本，即AS-VROBOT单机版、网络版服务器、网络版客户端。单机版只能在单个计算机上进行仿真。服务器能完成单机版所有功能，同时提供多机

40、器人仿真比赛环境，并能将比赛实况通过网络进行播放网络版。客户端除了能在单台计算机上仿真，还能将设计好的场地和机器人上传到服务器上与其它机器人进行比赛，同时能在本地观看服务器上比赛实况。AS-VROBOT寓教于乐，通过使用AS-VROBOT仿真系统用户能快速建构机器人知识体系，并掌握传感器、控制、计算机语言及程序设计等知识。图2.1 AS-VROBOT能力风暴虚拟机器人仿真系统2.1.1AS-VROBOT2.0主要功能1) 可以采用VJC流程图编程，操作简单，零起步学习软件编程。2) JC代码直接编程，自由灵活，功能强大。3) 3D仿真环境，仿真比赛身临其境。4) 鼠标与键盘双重操作。5) 提供

41、有丰富的场地对象，比赛场地快速搭建。6) 对场地对象的颜色、纹理、材质、显示方式等自由设置。7) 场地对象自由拖放、旋转及修改。8) 种类繁多的执行机构及传感器对象。9) 执行机构和传感器类型、数量、方位、参数任意设定，可自由设计自己的机器人。10) 多视角和不同距离察看搭建好的场地、机器人以及仿真比赛过程。11) 自定义规则，规则能任意增加、修改。12) 自由组队，每对机器人任选，只受计算机性能和规则限制。13) 自由设计比赛项目。14) 自动裁判和评分。15) 支持网络功能，用户通过网络将机器人上载到服务器上同场竞技(网络版)。16) 从客户端观看服务器上比赛实况(网络版)。17) 支持版

42、本更新提示和在线升级功能。2.1.2 AS-VROBOT2.0先进性1) 支持流程图，自动生成无差错C代码，零起步学习计算机编程。2) 内嵌堆栈式C语言解释器，支持直接C代码编程。3) 能实现进行机器人控制算法快速验证。4) 3D环境中机器人搭建与仿真。5) 支持多机器人通常竞技。6) 支持网络联赛。2.1.3 AS-VROBOT2.0应用1) 实体机器人机械结构、传感器配置及比赛策略快速验证与优化。2) 机器人执行机构、传感器知识构建、算法与程序设计教学。3) 中小学信息技术课程教学。4) 低成本的机器人教学。5) 虚拟机器人仿真比赛。3 设计思路及比赛环境的建立3.1 设计思路本文采用的是

43、类似于场地自行车追逐赛的比赛方式，建立一块环形的跑道环境，两台轮式机器人相隔半圈，沿顺时针方向运动，比赛时间为1分钟，在比赛时间内，经改进提高运动速度的机器人能有效的减少于目标机器人的距离。机器人在运动中，由于传感器或环境等方面客观因素存在一定的随机性，固本实验采用多次实验，如大部分能有效的减少于目标机器人的距离，则视为实验成功。3.2比赛环境的建立进入AS-VROBOT能力风暴虚拟机器人仿真系统，点击环境编辑，“环境编辑”视图软件界面如下：图3.1 环境编辑界面3.2.1平面布局在菜单栏点击新建，建立一个空百的机器人活动场地。然后以xy平面上的（-50,0）（50,0）两点为圆心，50为半径

44、画圆，为暗红色，灰度值为100，层数为1层。在以同样的圆心，40为半径画圆，颜色为绿色，灰度值为150，层数为5层。如下图所示：图3.2 两组同心圆的建立在以两圆在x方向的切线为边，画矩形，设为与该圆同样的颜色，灰度值和层数。如下图所示：图3.3 比赛环境环形跑道如此，一个简单的环形跑道就建立好了。3.2.2 参数设定通过右键菜单具体的按照要求设定参数。图3.4 环境参数设定图3.5 灰度值3.3机器人模型建立 点击仿真系统视图切换区“机器人编辑”，即进入AS-VROBOT2.0虚拟机器人机器人仿真系统“机器人编辑”视图。“机器人编辑”视图软件界面如下：图3.6 机器人编辑界面 在菜单栏点击建

45、立一个新的机器人。图3.7 搭建的机器人再在机器人的前部安装两个地面灰度传感器，并通过右键菜单设置传感器参数。图3.8 地面灰度值传感器图3.9 安装在机器人前部的传感器图3.10 参数设定图3.11 参数设定4 机器人控制编程与比赛建立4.1 机器人控制方案我们采用差动装置来控制该机器人的运动，该差动装置是由机器人的两边两个平行的驱动轮构成的，单独提供机器人动力。要注意的是这里我们称的这个差动装置是因为机器人的运动矢量是由两个独立的部件产生的（它与差速齿轮没有关系，此装置上没有使用差速齿轮）。当两个驱动轮以相同的方向和相同的速度转动时，机器人作直线运动。如果两个驱动轮转动速度相同，但转动方向

46、相反时，机器人会绕着连接两轮线段中心点旋转。根据轮子不同的转向，表4.1罗列出了该机器人的不同运动状态。表4.1 机器人不同运动状态左轮右轮机器人停止停止停止停止向前转动绕着左轮逆时针转动停止向后转动绕着左轮顺时针转动向前转动停止绕着右轮顺时针转动向前转动向前转动向前运动向前转动向后转动原地顺时针旋转向后转动停止绕着右轮逆时针转动向后转动向前转动原地逆时针旋转向后转动向后转动向后运动但是这种结构也有一种弊端：它不能保证机器人笔直的运动，因为两个马达的功效总有差别，一个轮子会比另外一个轮子转动的快一点，因此使得机器人略微偏左或偏右。在某些应用中这中情况不会有问题，可以通过编程来避免，比如使机器人

47、沿线走或在迷宫中寻找路线行走，但是让机器人在空地上走直线恐怕不行。所以就会使实验出现一定的随机因素，在前文中已经提到了。我们通过在机器人前段安装的地面灰度值传感器反馈的数据，使两个驱动轮按照我们的需求运动，就可以达到控制机器人运动的目的。4.2流程图编辑点击仿真系统视图切换区“流程图编辑”，即进入AS-VROBOT2.0虚拟机器人机器人仿真系统“流程图编辑”视图，该视图提供了虚拟机器人驱动程序可视化编程环境。“流程图编辑”视图软件界面如下：图4.1 流程图编辑界面流程图编程提供了以下几类可视化模块：图4.2 可视化模块然后根据前面讨论的机器人需求，编辑流程图，结果如图：图4.3 流程图主程序开始，进入永远循环，然后检测碰撞，如果发现碰撞则停止电机，如果没有碰撞，则转入循线程序。其中循线为子程序，该流程图如图：图4.4 子程序流程图首先通过机器人前部的两个地面灰度值传感器检测地面的灰度值，将反馈的数量进行分析。首先判断传感器1反馈的数据，再判断传感器2反馈的数据。如果传感器1的数据满足要求，而传感器2的数据也满足要求，则启动电机，进行直线运动；如果传感器1的数据满足要求，而