小型仿人机器人系统设计的方法
仿人机器人设计及步行控制方法
仿人机器人设计及步行控制方法汇报人：日期:contents •仿人机器人设计概述•仿人机器人结构设计•步行控制方法•控制算法与实现•实验与验证•结论与展望目录01仿人机器人设计概述定义特点定义与特点拓展人类能力科学研究仿人机器人的重要性早期发展自20世纪60年代起，各国开始研制具有人类形态和运动能力的机器人，如美国的“UNIVAC”和日本的“早稻田机器人”。
近期发展随着技术的不断进步，现代仿人机器人的设计和制造能力已经得到了极大的提升，如波士顿动力公司的Atlas机器人和本田公司的ASIMO机器人。
仿人机器人的历史与发展02仿人机器人结构设计整体结构腿部是仿人机器人的重要组成部分，其设计需要考虑到机器人的运动性能和稳定性，包括步长、步高、步频等指标。
腿部设计需要考虑到关节的灵活性、稳定性和耐用性，同时需要与脚部和上半身的设计进行协调。
VS躯干是机器人的核心部分，需要支持机器人的整体结构和动作，同时需要容纳和控制器的位置进行协调。
手臂的设计需要考虑到机器人的动作范围和灵活性，包括手臂的长度、自由度和动作范围等。
头部的设汁需要与机器人的整体结构和功能进行协调，例如可以考虑安装传感器、摄像头等设备以提高机器人的感知和控制能力。
上半身是仿人机器人的重要组成部分，包括躯干、手臂和头部等部分。
上半身设计上半身设计需要考虑到机器人的整体稳定性和动作灵活性，同时需要满足机器人的功能和外观要求。
03步行控制方法地面适应能力静态步行控制也涉及到机器人对不同地面条件的适应能力，包括对不同摩擦系数、表面粗糙度、障碍物等条件的适应。
静态稳定性静态步行控制主要关注的是机器人在静态环境中的稳定性，也就是在没有任何外部干扰的情况下，机器人是否能够在给定的步态下保持稳定。
步态调整根据不同的任务需求和环境条件，机器人需要能够进行自我步态调整，以实现更优的行走性能。
静态步行控制动态步行控制动态稳定性地面跟踪平衡控制步态生成步态规划与优化步态优化步态适应性04控制算法与实现基于模型的控制器设计基于动力学模型的步行控制器利用仿人机器人的动力学模型设计控制器，通过调整输入输出参数实现稳定的步行。
微小型跳跃机器人：仿生原理，设计方法与驱动技术
第２１卷第１２期２０２３年１２月动力学与控制学报J O U R N A L O FD Y N AM I C SA N DC O N T R O LV o l ．２１N o ．１２D e c ．２０２３文章编号:１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ２１(１２)Ｇ０３７Ｇ０１６D O I :１０．６０５２/１６７２Ｇ６５５３Ｇ２０２３Ｇ１３３㊀２０２２Ｇ０５Ｇ１５收到第１稿,２０２２Ｇ０９Ｇ１８收到修改稿．∗国家自然科学基金资助项目(５２０７５４１１,５２３０５０３４),N a t i o n a lN a t u r a l S c i e n c eF o u n d a t i o no fC h i n a (５２０７５４１１,５２３０５０３４)．†通信作者E Ｇm a i l :l i b o x j t u ＠x jt u ．e d u ．c n 微小型跳跃机器人:仿生原理,设计方法与驱动技术∗吴业辉１,２㊀刘梦凡１,２㊀白瑞玉１,２㊀李博１,２†㊀陈贵敏１,２(１．西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室,西安㊀７１００４９)(２．西安交通大学陕西省智能机器人重点实验室,西安㊀７１００４９)摘要㊀高爆发性的跳跃是生物亿万年进化演变中赖以生存的关键之一,帮助生物实现在各种非结构化环境下的灵活运动功能．通过对生物跳跃机制的深入理解,微小型跳跃机器人在功能及性能上取得长足进步．本文以生物跳跃运动四个阶段(准备㊁起跳㊁腾空和着陆)为主线,剖析了生物的行为原理,介绍了对应的微小型跳跃机器人的动力学特征与技术,归纳了现有研究的挑战,最后讨论了跳跃机器人的未来发展趋势和潜在研究价值．关键词㊀跳跃机器人,㊀生物跳跃机制,㊀仿生中图分类号:T P ２４２文献标志码:AAR e v i e wo f S m a l l ＧS c a l e J u m p i n g Ro b o t s :B i o ＧM i m e t i cM e c h a n i s m ,M e c h a n i c a lD e s i gna n dA c t u a t i o n ∗W uY e h u i １,２㊀L i u M e n g f a n １,２㊀B a iR u i yu １,２㊀L i B o １,２†㊀C h e nG u i m i n １,２(１．S t a t eK e y L a b o r a t o r y o fM a n u f a c t u r i n g S y s t e m E n g i n e e r i n g ,X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y ,X i a n ㊀７１００４９,C h i n a )(２．S h a a n x i P r o v i n c eK e y L a b o r a t o r y f o r I n t e l l i g e n tR o b o t s ,X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y,X i a n ㊀７１００４９,C h i n a )A b s t r a c t ㊀H i g h l y e x p l o s i v e j u m p i n g i s o n e o f t h e s u r v i v a l k e y s t o t h e o r ga n i s me v o l u t i o no v e r t h e c o u r s e o fb i l l i o n s o f y e a r s ．T h i sm o v e m e n t h e l p s o r ga n i s m s t oa c h i e v e f l e x ib l em o v e m e n t f u nc t i o n su nde rv a r i Ｇo u s u n s t r u c t u r e d c o n d i t i o n s ．T h r o u g ha n i n Ｇd e p t hu n d e r s t a n d i n g o fb i o l o g i c a l j u m p i n g me c h a n i s m ,t h e s m a l l Ｇs c a l e j u m p i n g r o b o t h a sm a d e g r e a t p r o g r e s s i nf u n c t i o na n d p e r f o r m a n c e ．T a k i ng th e f o u r s t a ge s of b i o l og i c a l j u m p i n g m o v e m e n t (p r e p a r a t i o n f o r t a k e Ｇo f f ,t a k e Ｇo f f ,f l i gh t a n d l a n di n g)a s t h em a i n l i n e ,t h i s p a p e r r e v i e w s t h e b e h a v i o r a l p r i n c i p l e o f o r g a n i s m s ,i n t r o d u c e s t h e d yn a m i c c h a r a c t e r i s t i c s a n d t e c h Ｇn o l o g y o f t h e c o r r e s p o n d i n g s m a l l Ｇs c a l e j u m p i n g r o b o t s ,s u mm a r i z e s t h e c h a l l e n g e s o f e x i s t i n g r e s e a r c h ,a n d f i n a l l y d i s c u s s e s t h e f u t u r e d e v e l o p m e n t a n d p o t e n t i a l o f j u m p i n g r o b o t s ．K e y wo r d s ㊀s m a l l Ｇs c a l e j u m p i n g r o b o t s ,㊀b i o l o g i c a l j u m p i n g m e c h a n i s m ,㊀b i o n i c 引言随着现代社会中机器人作业任务难度的提高,机器人在运动模式上也进入了全面发展的阶段,已经形成足式[１]㊁轮式[２]㊁蠕动式[３Ｇ５]㊁翻滚式[６,７]等多元化的研究体系,在生产协作㊁社会服务㊁医疗康复等场景下发挥着越来越重要的作用．但是一些非结构化的场景如星球探索㊁抢险救灾㊁环境监测,对机动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷器人的运动性能提出了更高的要求．机器人需要以更小的体积适应狭小空间环境,快速翻越数倍于自身尺寸的障碍,还需要携带一定负载来完成通讯㊁检测㊁运输等功能,因此机器人在小体积㊁大负载㊁高能量密度㊁高爆发性㊁高灵活性等功能的发展有待提升．作为生物界一种独特的运动模式,跳跃运动在蝗虫[８,９]㊁跳蚤[１０,１１]等昆虫中经历了万亿年的演变,可与奔跑㊁飞行㊁游泳等运动模式相结合,帮助动物以极快的速度逃避天敌㊁捕食猎物,增强了生物的越障能力,使其更好的适应丛林㊁山地等复杂多变的地形．为了探寻生物产生爆发性跳跃运动的原因,科学家对各类具有出色跳跃性能的生物进行研究,发现生物体内弹性储能与闩锁结构的组合是解决微小型动物在爆发驱动中功率受限的关键[１２]．像沫蝉(F r o g h o p p e r s)[１３Ｇ１５]㊁跳蚤(F l e a s)[１０,１１]㊁叩头虫(C l i c kb e e t l e s)[１６Ｇ１８]㊁蝗虫(G r a s s h o p p e r s或L oＧc u s t s)[８,９]㊁弹尾虫(S p r i n g t a i l s)[１９Ｇ２１]等节肢动物,通过弹性蛋白㊁角质层等进行储能,利用身体中闩锁机构控制能量的锁定和释放,能够完成其自身尺寸的几十倍甚至上百倍的跳跃运动;青蛙(F r o g s)[２２,２３]等生物虽然没有特定的闩锁机构,但是具有可变的有效机械效益(E MA,E f f e c t i v em eＧc h a n i c a l a d v a n t a g e)的腿部,利用腿部肌肉所串联的肌腱进行功率放大,增强了自身的跳跃性能．根据仿生学原理,以微小型生物跳跃机理为灵感的跳跃机器人近些年得到了快速发展,其跳跃性能取得长足进步．到目前为止,机器人可实现单次约３３m的跳跃高度[２４],是其自身特征尺寸的百倍以上,也可以实现像夜猴一般敏捷的连续跳跃[２５];不仅能像蝗虫一般在路上跳跃,也如水黾一般从水面跳跃[２６],甚至有望实现在半空中跳跃[２７]．现如今,跳跃机器人的研究向集成化㊁多功能方向发展,在对大自然的学习中获得了各类生物跳跃相关的各类技能,逐步实现对生物的超越．综合考虑机器人的灵活性与负载能力,本文将集中讨论微小型的跳跃机器人(特征尺寸在３０厘米以内),从跳跃运动的起跳㊁腾空㊁着陆㊁准备四个基本阶段[２８]出发,对微小型生物跳跃及相关行为的机理进行综述,分析不同生物在储能与释放㊁腾空姿态㊁着陆缓冲㊁方向调整等方面的优势;在此基础上,对比现有的跳跃机器人各阶段功能的实现方式,结合生物特点分析仿生跳跃机器人的未来发展趋势以及面临的挑战,为其实现广泛应用提供设计参考．１㊀微小型动物的跳跃运动原理同其他具有跳跃功能的物种一样,微小型生物的跳跃行为可按照运动的状态的不同分为四个阶段,包括跳跃前的准备阶段㊁加速起跳阶段㊁腾空滑行阶段和落地缓冲阶段,如图１所示．在各个阶段,不同的生物根据自身生存条件的不同,进化出与各自所处环境相适应的跳跃特点,而受生物启发的跳跃机器人正是基于这些特点在高爆发㊁高集成㊁高灵活性等方面实现突破．图１㊀跳跃运动的四个阶段F i g．１㊀T h e f o u r p h a s e s o f a j u m p i n g m o t i o n １．１㊀起跳阶段在起跳阶段,生物体从肌肉㊁弹性元件等驱动单元内获得能量,完成从静止状态至脱离地面的加速运动过程．在驱动方式方面,微小型生物由于四肢短小且无法形成高主动应变率的肌肉[２９],因此多以机械储能的方式增大起跳功率,同时与闩锁结构的控制相配合,完成能量在短时间内的可控释放．此方式尤其体现在主要依靠弹性储能产生跳跃的生物中,如叩头虫[１６Ｇ１８]利用骨骼结构之间物理接触的作为闩锁来锁定弹性能[如图２(a)所示],该类型被称为接触式闩锁[３０];瘿蚊幼虫(t h e M e d iＧt e r r a n e a n f r u i tＧf l y l a r v a)[３１,３２]利用首尾钩状结构或微纳结构等摩擦接触将身体连接成环状,从而限制自身的形变,进而通过肌肉挤压内部液体来储存跳跃所需的弹性能[图２(b)];跳蚤[１０,１１,３３]㊁蝗虫[８,９]㊁沫蝉[１３Ｇ１５]等生物则利用跳跃机构的几何构型作为闩锁,而并非通过接触的方式实现弹性能量存储[图２(c)],该类型也被称为几何式闩锁．青蛙[２２,２３]㊁蟋蟀(C r i c k e t s)[３４]等生物由于具有较长的后肢而具有较长的驱动行程,而可以通过肌肉直接驱动的方式获得优异的跳跃性能．但是由于８３第１２期吴业辉等:微小型跳跃机器人:仿生原理,设计方法与驱动技术肌腱与肌肉的串联,青蛙同时也借助弹性元件来增强跳跃的驱动功率,其运动过程中同样存在几何闩锁[１２],锁定效果可通过 有效机械效益 (E MA)来衡量．对于跳跃运动而言,E MA是地面对生物的支反力(G R F)和肌肉驱动力(F)的比值(E MA＝G R F/F),可以表示串联弹性系统中肌肉所做的功流向弹性储能的大小,如图２(d)所示．E MA较小表示肌肉做功转化为串联弹性元件中储能,而不是直接驱动肢体加速跳跃;反之,表示肌肉做功大部分用于直接驱动,而非利用弹性元件储能．因此,如果E MA可以随肌肉收缩产生 阶跃 式的由小增大过程,则可以将其视为具有动力学 闩锁 ,前期储存的机械能也将在高E MA水平期间释放,从而达到增强跳跃瞬间功率的目的．此外,同样采取直接驱动方式的跳蛛(J u m pＧi n g s p i d e r s)[３５Ｇ３９]可以利用肌肉驱动 液压 关节完成腿部的快速伸展,从而完成跳跃运动[图２(e)],为跳跃运动的驱动实现提供了新的灵感[４０]．图２㊀起跳阶段生物行为与机理．a．叩头虫利用骨骼作为接触式闩锁储能[１６Ｇ１８];b．瘿蚊幼虫利用嘴钩作为闩锁而锁定自身形状[３１,３２]; c．跳蚤采用几何式闩锁(扭矩反转机构)锁定机械能[１０,１１,３３];d．青蛙利用串联弹性元件增大跳跃功率[２２,２３];e．蜘蛛采用液压直驱的方式跳跃[３５Ｇ３９] F i g．２㊀B i o l o g i c a l b e h a v i o r a n dm e c h a n i s m s d u r i n g t a k e o f f．a．C l i c k b e e t l eu s e s s k e l e t o na s c o n t a c t l a t c h t o s t o r e e n e r g y[１６Ｇ１８]; b．T h eM e d i t e r r a n e a n f r u i tＧf l y l a r v a s u s em o u t hh o o k s a s l a t c h e s t o l o c kb o d y s h a p e[３１,３２];c．F l e a s u s e g e o m e t r i c l a t c h(t o r q u er e v e r s a lm e c h a n i s m)t o s t o r em e c h a n i c a l e n e r g y[１０,１１,３３]; d．F r o g s u s e s e r i e s e l a s t i c e l e m e n t s t o i n c r e a s e j u m p i n g p o w e r[２２,２３];e．S p i d e r s j u m p i n g d r i v e nb y h y d r a u l i c f o r c e[３５Ｇ３９]１．２㊀腾空阶段在腾空阶段,生物体完成受空气阻力和自重影响下的斜抛运动,直至其身体与地面接触．许多生物虽然拥有相对自身尺寸数十倍的跳跃能力,但是在腾空之后不具备姿态调整功能,因此无法控制滑行时的轨迹和着陆时的姿态．在半空中姿态重新定位被称为适应性行为矫正,分为被动方式和主动方式[４１]．被动方式如豌豆蚜虫(A c y r t h o s i p h o n p iＧs u m)在高空坠落过程中不需要来自神经系统的动态控制或持续反馈,只是通过空气动力学稳定的姿势来被动地纠正自己[４２];其他跳跃生物则通过翅膀[４３]㊁肢体[２１]㊁尾巴[４４]等部位主动调整身体姿态．相对而言,被动方式需要的控制单元少,但是对环境依赖程度更高,而主动方式则更多见．为了适应不同的着陆角度,跳甲(F l e ab e t t l e s)根据所感知到的着陆点角度等信息,通过翅膀的主动运动来调整自身姿态,有效提高正面着陆的概率(如图３(a)所示),同时却并不影响其跳跃的高度．白粉虱(W h i t e f l i e s)[４３]也采取相同的策略,仅仅通过翅膀的伸展即可完成空中的稳定飞行,以防止翻筋斗,如图３(b)所示．图３㊀腾空阶段生物行为与机理．a．跳甲利用翅膀调整腾空姿态[４１];b．白粉虱利用翅膀防止翻筋斗[４３];c．弹尾虫利用腹管和 U 型姿势调整腾空状态[２１]F i g．３㊀B i o l o g i c a l b e h a v i o r a n dm e c h a n i s m s d u r i n g f l i g h t．a．F l e ab e t t l e s a d j u s t a e r i a l p o s t u r ew i t hw i n g s[４１]; b．W h i t e f l i e s p r e v e n t s o m e r s a u l t sw i t hw i n g s[４３];c．S p r i n g t a i l a d j u s t a i r b o r n e s t a t e sw i t h c o l l o p h o r e a n d＂U＂s h a p eb o d y[２１]除了以上具有飞行能力的生物,半水生的弹尾虫[２１]虽然没有翅膀却同样可以实现姿态矫正的功能．弹尾虫在起跳之前将腹部紧贴水面,通过具有亲水性的腹管收集水滴来改变自身的质量分布,在起跳之后将整个身体弯曲成U型,这两种行为都有助于矫正倾斜的姿态,并且避免了着陆前的翻转,如图３(c)所示．１．３㊀着陆阶段在着陆阶段,生物体依靠阻尼损耗㊁弹性储能９３动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷等方式把自身的运动减速至静止状态．跳跃生物的缓冲方式也分为主动型和被动型,包括利用空气阻力的滑翔运动㊁变角度着陆足㊁吸收冲击的保护壳㊁变刚度肢体等．如生活在热带雨林中的飞蛙(G l iＧd i n g f r o g s)[４５,４６],依靠宽大的脚掌和趾间的蹼膜完成滑翔运动,并且具有较强的被动空气动力学稳定性,可以从树干高处快速降落来捕捉猎物或逃避天敌．滑翔运动有效改变着陆时的速度方向并通过较大的空气阻力降低速度大小,从而明显降低着陆时对地的冲击速度[４７],如图４(a)所示．无论是否具有滑翔功能,青蛙均利用前肢进行主动着陆缓冲,前肢接触地面并形成一个支点,身体围绕这个支点旋转,直至完成后肢落地[４８]．在着陆过程中,青蛙根据跳跃高度㊁水平速度的不同调整前肢的着陆角度,从而获得最小的冲击,如图４(b)所示．图４㊀着陆阶段生物行为与机理．a．飞蛙利用脚蹼实现滑翔运动[４５Ｇ４７]; b．青蛙前肢着陆过程中最小冲击角度调整[４８];c．瓢虫利用相互耦合的鞘翅进行缓冲,耦合面形状如图中红蓝曲线所示[４９]F i g．４㊀B i o l o g i c a l b e h a v i o r a n dm e c h a n i s m s d u r i n g f l i g h t．a．F r o g s g l i d i n g w i t h f l i p p e r s[４５Ｇ４７];b．A d j u s t i n g o f f r o g f o r e l i m ba n g l e f o r m i n i m u mi m p a c t d u r i n g l a n d i n g[４８];c．E l y t r a c o u p l i n g o f l a d y b i d s f o r b u f f e r i n g,a n d t h e s h a p e o f t h e c o u p l e d s u r f a c e i sh i g h l i g h t e di n t h e r e da n db l u e c u r v e s[４９]瓢虫(L a d y b i r d s)㊁甲虫等昆虫大多利用壳体减小冲击对自身的冲击,其中瓢虫除了采用由甲壳素微纤维和蛋白质组成的具有空腔的壳体来吸收能量,还利用成一定角度㊁相互耦合的翅鞘增强缓冲功能,以提供更多的能量吸收并减少碰撞后的反弹[４９],如图４(c)所示．如１．１节所述的瘿蚊幼虫,依靠柔软的身体进行储能跳跃的同时,也能利用身体足够柔软的特点吸收着陆冲击,使其无需采用专用的缓冲结构．与有足动物类似,相较于起跳阶段肌肉运动产生的高刚度,着陆时其身体刚度显然有所降低,有利于增大着陆冲击力的作用时间,从而降低冲击力的大小．１．４㊀准备阶段在准备阶段,生物体完成姿态恢复㊁跳跃能量储备㊁跳跃目标位置确定㊁跳跃方向和角度调整等工作．对于利用双足来进行跳跃的生物而言,其跳跃方向大多朝自身的正前方,依靠双足的同步运动来完成．像伊苏斯飞虱(I s s u s c o l e o p t r a t u s)在幼虫阶段时,由于其起跳所用时长为毫秒级,而神经信号同样为毫秒级,因此在双腿同步性控制方面具有很大难度．为了保证跳跃方向准确性,避免跳跃之后身体旋转和方向偏离,伊苏斯虫利用带有齿轮状的肢体保证了起跳时双腿的同步性[５０],如图５(a)所示．为了从倾倒之后的 四脚朝天 姿态中恢复,常见的昆虫如蟑螂(C o c k r o a c h e s)㊁瓢虫等均可根据不同的地形,利用鞘翅㊁腿足的配合可以通过不同的策略完成翻身运动．其中,蟑螂可以采取腹部弯曲侧滚㊁鞘翅翻滚㊁腿部侧滚等策略[５１,５２],如图５(b１)~(b３)所示．相较于蟑螂,瓢虫[５３]的腿部较短,在粗糙表面多依靠足部勾住隆起物而翻转扶正,在光滑表面则依靠鞘翅来辅助翻滚．图５㊀准备阶段生物行为与机理．a．伊苏斯虫利用齿轮状肢体保证了双腿起跳同步性[５０];b．蟑螂利用腹部㊁鞘翅和腿部实现翻身[５１,５２];c．弹尾虫通过不同初始角度调整跳高㊁跳远两种模式[２１]F i g．５㊀B i o l o g i c a l b e h a v i o r a n dm e c h a n i s m s d u r i n g p r e p a r a t i o n o f t a k e o f f．a．I s u s i a e n s u r i n g t h e s y n c h r o n i z a t i o no f b o t h l e g s i n j u m p i n g w i t h g e a r e d l i m b s[５０]．b．C o c k r o a c h e s t u r n i n g o v e r b y a b d o m e n, e l y t r a a n d l e g s[５１,５２];c．S p r i n g t a i l s w i t c h e s b e t w e e n j u m p a n dl o n g j u m p m o d eb y a d j u s t i n g d i f f e r e n t i n i t i a l a n g l e s[２１]０４第１２期吴业辉等:微小型跳跃机器人:仿生原理,设计方法与驱动技术在跳跃角度控制方面,青蛙等常利用腿部不同关节的协调运动来实现[５４,５５]．对于半水生的弹尾虫而言,除了利用跳跃尾部的不同作用力,还可以通过调整跳跃前的初始角度并利用腹管的亲水性,实现跳高㊁跳远两种模式的切换[２１],如图５(c１)和图５(c２)所示．２㊀跳跃机器人的设计与驱动方法从上世纪八十年代开始,结合对跳跃生物能量存储机制等问题的研究,科学家们开始致力于跳跃机器人的研究[５６],各类仿生跳跃机器人不断涌现并逐渐成为热点[２４Ｇ２６,５７]．２．１㊀跳跃机器人储能结构与能量调控类比于生物所采用的弹性蛋白㊁角质层㊁肌腱㊁体液等储能元件,跳跃机器人多采用人造弹性元件,包括螺旋弹簧㊁扭簧㊁形状记忆合金弹簧㊁柔性梁㊁弹性绳等,不同类型的弹性元件具有不同的储能密度和变形形式,其特点直接影响机器人的跳跃能力和运动形式．L a m b r e c h t等人设计了一种仿蟑螂轮腿式机器人[５８,５９],该机器人利用差齿齿轮旋转拉伸螺旋弹簧而实现能量的加载和释放,当作用齿轮达到差齿位置时,平行四连杆跳跃机构随弹簧释放而弹出,推动机器人产生向前的跳跃,而 Y 形三脚架模拟昆虫足部来实现爬行和小型障碍的跨越,如图６(a)所示．由于集成跑㊁跳运动模式,其质量达到１９０克,因此跳跃能力只能达到１８厘米,如图６(b)所示．图６㊀M i n iＧW h e g s机器人[５８,５９]F i g．６㊀R o b o tM i n iＧW h e g s[５８,５９]Y a m a d a等人利用细长悬臂梁在末端压弯载荷下屈曲失稳现象设计了一种跳跃机器人,定义为 封闭式弹性弹射器 [６０,６１],如图７(a)所示．该机器人采用柔性梁的屈曲进行储能并可在末端旋转电机的带动下实现能量可控释放,既可以利用单电机实现二阶屈曲到一阶屈曲的能量释放,也可以采用对称布置的双电机实现三阶屈曲到一阶屈曲的能量释放,达到一定跳跃方向改变．储能和释放结构的集成使其结构简单,梁的形状及其两端角度变化对释放能量的大小和快慢起决定性的影响,梁变形过程如图７(b)所示．该机器人在单电机驱动下可跳跃２０厘米高㊁７０厘米远．图７㊀封闭弹性弹射机器人[６０,６１]F i g．７㊀A j u m p i n g r o b o t b a s e do n t h e c l o s e d e l a s t i c a[６０,６１]J u n g等人提出一种仿甲虫爬跳结合的机器人J u m p R o A C H[６２],如图８(a)所示．通过对线弹簧和扭簧的组合,机器人储能元件力位移特性近乎于恒力机构,最大程度的利用电机的负载能力从而扩大了其储能能量,如图８(b)所示．机器人通过电机卷绳方式加载,采用行星轮系作为能量锁定和释放机构,能够起到控制能量加载大小的作用．除此之外,该机器人结合了跳跃和爬行两种运动模式,具备完整的重复跳跃能力．在测试中,无爬行部分的机构可以实现２．７５米的跳跃,而结合爬行和复位壳体部分之后体重增加一倍,仍然能实现１．５米高的跳跃,越障过程如图８(c)所示．图８㊀J u m p R o A C H跳跃机器人[６２]F i g．８㊀R o b o t J u m p R o A C H[６２]在此基础上,H a w k s等人利用柔性梁和线弹簧的组合方式达到了类似的恒力效果,在不超过电机最大功率条件下,牺牲加载速度而能够以最大恒力进行弹性能量加载,如图９(a)所示．根据其理论,弹簧－连杆质量比越大的机器人其最终能量密度越高,因此以柔性梁作为弹簧和腿部的集成,可以很大程度增加跳跃高度;借助A s h b y图[６３]对材料１４动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷进行优化,选择碳纤维复合材料和乳胶组合构成储能元件,最终使重量３０．４克的机器人[图９(b)]实现了３２．９米的跳跃高度,这也是目前最高的机器人绝对跳跃高度[２４]．图９㊀目前跳得最高的机器人[２４]F i g．９㊀T h eh i g h e s t j u m p i n g r o b o t s o f a r[２４]除了储能大小和变形方式上的差异,不同的储能元件在跳跃运动中其动力学模型复杂度也不同,如通过柔性梁的大变形进行储能的模式比线性弹簧结合刚性连杆的方式更为复杂．起跳过程的动力学分析主要用于预测机器人起跳速度和高度,因此对于难以建立动力学模型的间歇型跳跃机器人(落地后无需立即起跳)一般直接利用弹簧的弹性变形能来估计跳跃高度;对于连续型跳跃机器人由于涉及到机器人的姿态㊁方向等控制,触地瞬间至起跳离地过程的动力学模型更为关键．２．２㊀跳跃机器人闩锁结构与能量动态释放在依靠弹性储能进行跳跃的机器人中,闩锁机构控制能量的释放过程,不同的结构不仅影响能量的存储量,而且对释放过程的动力学特征(势能转化为动能的时间㊁空间和速率等)起到决定性作用[１２]．闩锁结构除了前文所述的接触式㊁几何式闩锁,还包括流体式锁闩[６４],其中流体式闩锁是指由系统内流体的运动和性质(包括凝聚力㊁聚结性和压力)对弹性元件进行调节;而接触式闩锁是指通过摩擦和机械限位的作用来阻挡弹性元件运动[３０],如图１０(a)所示;几何式闩锁则是基于几何构型㊁力㊁力矩臂㊁质心位置等的状态相关行为的锁闩,包括像青蛙㊁夜猴等体内的可变机械效益机构[６５][图１０(b)]㊁跳蚤体内的扭矩反转机构[６６][图１０(c)]㊁失稳突跳机构和其他具有双稳态特点的系统[６７Ｇ７１][图１０(d)]．K o v a c等人设计的 ７g 的跳跃机器人如图１１所示,采用凸轮和扭簧作为释放和储能机构,其跳跃高度由凸轮的形状和弹簧刚度所决定,跳跃方向与凸轮形状和腿部尺寸相关,一旦装配完成则无法调整,其运动灵活性因此受到一定限制．约５厘米高的机器人可以跳跃自身高度的２７倍,达到１．４米[７２],如图１１(b)所示;携带３克负载后跳跃高度仍能达到１米,如图１１(c)所示．图１０㊀常见的闩锁结构．a．接触式闩锁简化模型[３０];b．青蛙等生物体内的可变机械效益结构[６５]; c．跳蚤体内的扭矩反转机构[６６];d．屈曲梁双稳态机构[６７Ｇ７１] F i g．１０㊀C o mm o n l a t c h s t r u c t u r e s．a．S i m p l i f i e dm o d e l o f c o n t a c t l a t c h[３０];b．V a r i a b l em e c h a n i c a l a d v a n t a g e s t r u c t u r e i n f r o g s a n d o t h e r o r g a n i s m s[６５];c．T o r q u e r e v e r s a lm e c h a n i s mi n f l e a s[６６]; d．B i s t a b l em e c h a n i s ma n d e n e r g y c u r v e o f b u c k l i n g b e a m[６７Ｇ７１]图１１㊀ ７g 机器人[７２]F i g．１１㊀R o b o t ７g [７２]Z a i t s e v等人模拟蝗虫跳跃过程设计了一种仿蝗虫跳跃机器人[７３,７４],如图１２(a)所示．通过单个电机的正反转,利用丝杠螺母在轴向运动以及绳在卷２４第１２期吴业辉等:微小型跳跃机器人:仿生原理,设计方法与驱动技术轴上的卷绕运动,巧妙的实现了锁扣作用下能量加载和释放的循环,如图１２(b )中(ⅰ)~(ⅵ)所示．显然,这种机器人跳跃的实现十分依赖于对绳长㊁螺母移动距离㊁锁钩和足部杆几何关系等进行精确设计和装配．同样,该机器人无法进行跳跃角度㊁高度的调整,且两条绳子无约束地释放可能会造成打结㊁干涉等不稳定现象．该机器人实现了２５倍自身体长的跳跃,达到３．３５米的高度．图１２㊀仿蝗虫机器人[７３,７４]F i g ．１２㊀L o c u s t Ｇi n s pi r e d r o b o t [７３,７４]图１３㊀高度可调的仿生跳跃机器人[７５]F i g ．１３㊀B i o n i c j u m p i n g r o b o tw i t ha d j u s t a b l eh e i gh t [７５]M a 等人提出一种综合软体动物㊁硬壳跳虫弹跳机理的跳跃机器人[７５],如图１３(a)所示．该机器人采用屈曲镍钛合金板和扭簧作为储能元件,释放机构采用了与J u m p R o A C H 机器人(图８)相似的行星轮系结构,并加入了单向轴承来加强能量释放过程的稳定性,如图１３(c )中右图所示．当电机沿顺时针方向正转时,动力经三个齿轮传递至卷绳齿轮轴,通过卷绕刚性绳拉动机构变形进行储能,整个过程单向轴承处于内外圈滑动状态而不产生阻力;相反,当电机沿逆时针方向反转时,单向轴承锁紧并使行星架与卷绳齿轮轴脱开,卷绳瞬间释放．由于加载量随电机正转圈数而定,因此机器人具备跳跃高度可调的特点．该机器人可以在无壳体状态下达到最高１．５１米的跳跃高度,如图１３(b)所示．对于上述各种接触式闩锁,一般具有简单的结构,常采用挡块㊁凸轮㊁差齿齿轮等方式实现能量的锁定,除了上述行星轮系结构,其它锁定方式下的能量值多为固定不可调整的,同时意味着其控制难度低,常采用开环或者位移闭环进行控制其释放．此外,接触式闩锁存在摩擦损失大㊁释放瞬间冲击大等缺点．图１４㊀仿跳蚤系列机器人．a ．F l e a V １机器人[３３,６６];b ．F l e a V ２机器人[３３];c ~d ．F l e a V ３机器人[７８];e ~f ．水面跳跃机器人[２６]F i g ．１４㊀F l e a Ｇi n s pi r e d r o b o t s ．a ．F l e a V １R o b o t [３３,６６];b ．F l e a V ２R o b o t [３３];c ~d ．F l e a V ３R o b o t [７８];e ~f ．R o b o t j u m p i n g onw a t e r [２６]基于跳蚤体内的扭矩反转机构[１０],N o h 等人提出一种具有非接触式闩锁的仿跳蚤跳跃机器人F l e a V １[３３,６６,７６],如图１４(a)所示．利用三根形状记忆合金弹簧来模拟图１０(c)所示的伸肌㊁触发肌和屈３４动㊀力㊀学㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报２０２３年第２１卷肌,当受拉弹性元件(伸肌)与所连杠杆处于重合位置时能量存在极值,利用负刚度特性可以产生越过重合点后的爆发式运动,实现了快速 突跳(S n a pＧt h r o u g h) 的特征[７７]．基于此原理该团队还设计了其他形式的跳跃机器人F l e a V２㊁F l e aV３[２６,３３,７８],如图１４(b)~(d)所示,通过简化S MA的数量来实现更高的跳跃高度(４０倍自身高度),并通过结合超疏水喷涂工艺来模拟水黾在水面起跳的现象[图１４(e)Ｇ(f)],在陆地和水面分别可以实现３０和１８厘米高的跳跃能力．较轻的机器人也存在一定缺点,如引入电池等额外负载时其跳跃高度将受到严重影响[７９];同样,由于结构过于简单,此类机器人在连续跳跃㊁改变方向和高度等方面还具有挑战性,这些问题均会对机器人的实际应用产生限制．采用同样原理的还有Z h a k y p o v等人提出的仿陷阱颚蚁跳跃机器人[５７,８０],该机器人可实现爬行㊁翻滚㊁垂直跳跃㊁定向跳跃等多运动模式,最高跳跃１４厘米,达到自身高度的２．５倍,结构如图１５所示．三足的设计不仅增强了机器人的跳跃能力,还帮助机器人实现跳跃方向的选择．此外,通过将电路设计㊁柔顺机构设计与电路板进行集成,完成了机器人的快速㊁轻量化制造．图１５㊀仿陷阱颚蚁多模式运动微型机器人[５７,８０]F i g．１５㊀T r a pＧj a wＧa n tＧi n s p i r e dm u l t iＧl o c o m o t i o nm i l l i r o b o t[５７,８０]为了提高机器人的敏捷性,H a l d a n e等人模仿了夜猴㊁青蛙的跳跃机制,提出一种仿夜猴跳跃的机器人S a l t o[２５,８１]．该机器人采用串联驱动器和E MA结合的方式,以增大机械效益在跳跃后与跳跃前的比值为目标,对机器人几何构型和重量分布进行优化,增大了串联弹性元件在跳跃初期能量存储[６３]．机器人不仅实现了稳定的连续跳跃运动,还具备跳跃高度可调㊁空中姿态调整的能力,可以完成类似于跑酷运动中 蹬墙跳 的高难度动作,这也进一步扩大了自身运动范围,最终使S a l t o实现了夜猴跳跃敏捷度的７８％,成为目前垂直跳跃敏捷程度最高的机器人[２５]．图１６㊀S a l t o系列机器人[２５,８１]．a．S a l t o;b．S a l t oＧ１PF i g．１６㊀S a l t o s e r i e s r o b o t s[２５,８１]．a．S a l t o;b．S a l t oＧ１P在以上非接触式闩锁中,通过与柔顺机构相结合的方式(图１４和图１５)完成 运动－储能－体化 ,进而实现轻量化设计,同时具有无摩擦㊁释放瞬间冲击小等优点[８２Ｇ８４];由于依靠几何上的临界位置进行释放,该类型机器人往往采用开环的方式控制,同时也带来结构相对复杂的问题．此外,该类型机构在释放阶段的行程占比高于接触式闩锁,限制了释放的瞬时功率,同时也获得更小的冲击．对于可变机械效益机构结合串联弹性元件构成的非接触式闩锁(图１６),驱动器直接做功在跳跃运动过程中起重要作用,适用于跳跃周期小的连续型跳跃机器人,也因此更依赖动力学模型来计算机器人的能量释放效果,如对于S a l t o机器人而言,一定范围内提高其驱动器运动加速度可获得更高弹性储能以提高其跳跃高度．表１㊀接触式与非接触式闩锁性能对比T a b l e１㊀P e r f o r m a n c e c o m p a r i s o nb e t w e e n c o n t a c t a n dn o nＧc o n t a c t l a t c h e s性能对比接触式闩锁非接触式闩锁释放速度快慢瞬时冲击大小摩擦阻力大小轻量化潜力小大动力学模型简单复杂能量大小控制静态,易动态,难２．３㊀跳跃机器人着陆缓冲功能跳跃机器人在追求较高跳跃目标的同时,着陆４４。
26自由度仿人机器人的设计与控制
第2期(总第147期)2008年4月机械工程与自动化M ECHAN I CAL EN G I N EER I N G & AU TOM A T I ON N o 12A p r 1文章编号:167226413(2008)022*******26自由度仿人机器人的设计与控制冯 威,陈 工(北京科技大学机械工程学院,北京 100083)摘要:设计了一个具有26个自由度的仿人机器人,该仿人机器人具有与真实人物极为相似的外观形象,通过P I C 16F 877芯片对多台舵机和直流电机进行协调控制,完成眼睛、眉头、嘴角等面部表情动作和手臂、腰部等行为动作。
通过该系统能够为人工智能、行为控制、人工心理等研究提供一个高效综合的试验和演示平台。
关键词:仿人机器人;舵机控制;单片机中图分类号:T P 24216 文献标识码:A收稿日期:2007209220;修回日期:2007212215作者简介:冯威(19802),男,北京人,硕士研究生,研究方向:仿人机器人的行为控制研究。
0 引言机器人这个词语人们并不陌生,我国科学家对机器人的定义如下:机器人是一种自动化的机器,所不同的是这种机器具备一些与人或生物相似的智能能力,如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力,是一种具有高度灵活性的自动化机器。
随着科学技术的发展,机器人的应用领域也在不断拓宽,逐渐由制造业向非制造业和服务行业发展,具有人类的外形特征、可以模仿人类行为能力的仿人机器人已经出现,因此该领域集成了人工智能、人机工程学、电子技术、机械以及计算机等多学科知识及多项高新技术。
仿人机器人代表了机器人的尖端技术。
1 机构设计针对仿人机器人的设计要求,从仿人外形、仿人运动功能实现及机器人整体结构出发,在考虑机构的运动学、动力学和控制系统、驱动系统要求的前提下进行了仿人机器人的机械机构设计。
该仿人机器人高约1165m ,重量不超过65kg ,共有26个自由度。
111 电机选型仿人机器人机构设计中关节轴系的设计必须结构紧凑,传动精度和效率高,并保证提供必要的输出力矩和输出速度,以满足机构动作的速度和承载能力的要求。
智能机器人系统的仿真设计
智能机器人系统的仿真设计随着科技的不断发展，人们的生活越来越离不开智能机器人。
智能机器人已经广泛用于生产、医疗、军事等诸多领域，提高了工作效率和精准度。
在这样的前提下，智能机器人系统的仿真设计显得尤为重要。
本文将介绍智能机器人系统的仿真设计的相关知识以及如何进行仿真设计。
一、智能机器人系统的基本构成一个智能机器人系统主要由机器人主体、控制系统和传感器组成。
机器人主体通常采用先进的材料和技术制造而成，控制系统则包括硬件和软件两部分，主要负责机器人的运动控制、感知处理和智能决策。
传感器主要发挥感知作用，可以将机器人周围的信息转化为数字信号输入到控制系统中，以此为依据制定智能决策，最终实现机器人自主行动。
二、智能机器人系统仿真设计的优势智能机器人系统仿真设计可以有效地解决许多实际制造和设计中的问题。
首先，仿真设计可以大大缩短设计周期。
传统的制造流程需要大量的实验和制造成本，而仿真方法可以实现虚拟制造，通过计算机程序和实验数据模拟整个设计和制造流程。
其次，仿真设计可以减少制造过程中的故障率和补救成本。
利用仿真方法，可以在发生问题之前对系统进行全面的分析和测试，及时发现并解决问题。
最后，仿真方法可以为智能机器人系统的开发提供更好的优化和控制。
传统的设计方法往往很难全面考虑到智能机器人系统的各个组成部分，而仿真方法可以提供全面的动态建模与仿真分析，为正确设计提供客观条件依据。
三、智能机器人系统仿真设计的流程智能机器人系统仿真设计的流程包括了建模、仿真和分析三个步骤。
1. 建模建模阶段是整个仿真设计的起点，也是决定仿真结果精度的关键步骤。
建模的主要目的是构建智能机器人系统的模型，通过对其进行建模来实现对系统行为的描述。
建立模型的方法通常有基于CAD（计算机辅助设计）和COMPUTER 图形学的方法。
首先是基于CAD的方法，这种方法通常采用先进的CAD软件对机器人进行模型的建立；其次是基于COMPUTER图形学的方法，这种方法则主要采用仿真软件对机器人进行建模，将机器人的运动状态通过虚拟现实技术呈现出来。
小型仿人机器人脚底传感系统的设计与实现
摘 要： 针对小型仿入机器人的零力矩点 ｚ ） （ＭＰ轨迹在线确定问题， 设计了一种基于多个简单一维力／ 力矩传感器的脚
底传感阵列系统以及一种距离可调的多孔、 双夹板机构， 用以安装；／ 矩传感器， Ｄ； Ｄ 并实 了 现 脚底传感器信号多级放大 及采集软硬件系统。 应用ｃ Ｎ Ａ 总线接 口 实现了与外部上层控制器的通信。 实现了小型仿人机器人行走过程 中 实际 轨迹的 在线计算 和实时 传递。实验结果证明， 该传感系统能够有效地完成脚底力信息的实时采集、计算与通讯。 关键词 ：小型仿人机器人；零力矩点； 力矩传感器 力／ 中图分类号 ：Ｔ ２ ２ Ｐ４． ６ 文献标 志码 ：Ａ 文章编号 ：１７ —７ ８ （０ ００ —０ ５ —６ ６ ３ １０２ １）１ ０ ２
ｓｎ ｏ ｙ ｓｅ ｃ ｎｅ ｅ ｔ ｅｙｃ ｍｐｅｅｔ ｅｒａ－ｉ ｏ ｌ ｃｉｎ ｃ ｍｐ ｔ ｇａ ｄｃ ｍｍｕ ｉａｉｎｏ ｔｅｆｅ ｆ ｒｅｉｆ ｒ ｔｏ ． ｅ ｓ ｒｓ ｔｍ ａ ｆ ｃ ｖ ｌ ｏ ｉ ｌｔ ｈ ｌｔ ｅ ｍｅｃ ｌ ｔ ， ｅ ｏ ｏ ｕｉ ｎ ｏ ｎ ｎｃ ｔ ｏ ｆｈ ｅ ｔ ｏ ｃ ｎ ｏ ｍａｉｎ
以对机器人进行实时步态规划与控制， 从而实现机器人
Ｋｅ ｒ ｓ ｓ ｌｈ ｍａｏｄ ｏ ｏ ；ｚｒ ｏ ｎ ｏ ｔＺ ） ｏｃ／ ｒｕ ｎｏｓ ｙ ｗｏｄ ：ｍａ ｕ ｎ ｉ ｒｂ ｔ ｅｏｍ ｍｅｔ ｉ （ＭＰ ；ｆｒ ｔ ｑ ｅ ｅｓｒ ｌ ｐ ｎ ｅｏ ｓ 发展趋势。 稳定性检测主要是通过对机器人实际稳定点
用于小型仿生湿吸机器人的喷液系统的设计
口 苏 杭 何 斌 黎 明和
上海
陆汉 雄
２ １０ ） ０８４
（ 同济 大 学 电子 与信 息 工程 学 院
摘
要： 粘液分泌（ 即喷液 ） 系统 湿吸型动物形成吸附力 的基础， 也是仿生湿吸机器人 的重要组成部分 ， 良的粘 优
液分 泌系统可为湿吸机器人实现攀爬奠定 良好 的基础。本文介绍 了两种用于仿 生湿 吸机器人 的喷液系统的设 计， 并分别对每种粘液分泌系统的优缺点进行 了分析 ， 比较得 出一种较 优的粘液 分泌系统 的设 计方案。 并 关键词 ： 生机器人 仿 中图分类号 ：Ｔ ２ Ｐ４ 湿 吸 粘液分泌 系统 文献标识码 ：Ａ 文章编号 ：１０ －９ ３（ ０ ０ ｏ・８ －２ ０ ７３ ７ ２ ｌ ） ｌ ３０ ０
图 １ 蚂 蚁 足 垫 粘 液 分 泌 系统 示 意 图 如 图 １ 示 ，蚂 蚁 足 垫 内部 充 满 粘 液 。 当 蚂 蚁 的足 部 附 所 图 ４ 六足 仿 生 机 器 人 结 构 简 图 着到壁面上 ， 由于 挤 压 引起 足 部 形变 ， 由于 在 足 垫 靠近 腿 部 的 图 ４所示为六足仿生机器人的结构简 图， Ａ，Ｂ， ｃ， Ｄ， 侧 有 类 似 于 单 向阀 的 结 构 防 止 粘 液 回 流 ， 在压 力 的作 用 下 Ｅ， Ｆ为 机器 人 的 六足 ， Ｒ为 机 器 人 躯 干 。 机 器 人 步 态 为 三 角 粘 液 分 泌 到 足 垫 外 部 。 一 定 量 的粘 液 可 以有 效提 高蚂 蚁 在 墙 步 态 ， 即奇 数 步 是 ， Ｃ， Ｂ， Ｆ三 足 吸 附于 墙 壁 不动 ， Ｄ ， Ａ， Ｅ 面的吸附能力 。 三 足 从 墙 壁 剥 离 并 向上 动 作 ， 后吸 附 于 墙壁 ， 数 步 时 ， 然 偶 Ａ， 吸附力主要来源于界面之间的表面力。 表面力是两相分子 Ｄ， Ｅ三 足 吸 附 于墙 壁 不 动 ， Ｃ， Ｂ， Ｆ三 足 从 墙 壁 剥 离 并 向上 问 作用 力 ， 作用 的范 围 比范 德 华力 要 大 ， 一种 长程 力 。 是 第二 种 动 作 ， 后 吸 附于 墙 壁 。 然 力是范德华力，是 ２分子偶极之间排斥和吸引所产生的分子 问 结合机器人的步态 ， 粘液分泌系统的动作过程分为如下几步： 作用力。 另外， 界面间所产生的真空也可 以提供一定的吸附力。 （） Ａ ， Ｅ三 足 喷 射 粘 液 ， 机 器 人足 垫 与 墙 壁 之 间 １向 Ｄ，化 过程 中所 形 成 的灵 活的 功 能和精 巧 的结 构常 常给 科研人 员 以启 发和 灵感 ， 生 学正是 基于 对生物 学 仿 的模 仿和 再 现发 展 起来 的 。 生 学是 生物 学 、 仿 数学 和 工程 技术 学 相互 渗透 而 结合 成 的一 门新兴 的 边缘 科学 ，近 年 来 发展十 分 迅 速， 目前来 自世界各地的科研人员已经研制出各式各样的具有优 良性 能的 仿生 结构和 仿 生机 器人 ， 如美 国斯坦 福大 学通 过模 仿壁 虎的生理结构和运动方式而研制的仿生壁虎机器人等。 许 多 昆虫 可 以在 比较 光 滑 的表 面 （ 玻 璃 ） 行 附着 或 者 如 进 爬行 ， 如蚂蚁 ， 蟋蟀 ， 蝗虫等 。这类动物会将粘液分泌到表面 柔软 的足垫上 ， 从而产生很强的湿吸附力， 使其可爬行于垂直 的壁 面 上 。我 们 称 这 类 昆虫 为湿 吸 昆虫 。仿 生 湿 吸 机器 人 正 是 要 模 仿 昆虫 的湿 吸 吸 附机 制 ，使 之 能 在 比较 光 滑 的平 面进 行附着和爬行等动作 。而制作 出具有和 昆虫足 垫类似 的能按 要求喷射 出用 以提高吸附力 的粘液的粘液分泌系统 ，是实现 仿 生 湿 吸 机 器 人 攀 爬 功 能 的关 键 环 节 之 一 。 粘液分泌系统主要有粘液储存池 ， 型泵， 液导管， 小 粘 单 向阀 和 控 制 元 件 构 成 。 整 体系 统 的性 能主 要 要 求 为 ： ， ， 对 小 轻 快， 即体 积 小 ， 量 轻 ， 重 响应 快 。 本 文 针 对 上 述 的 科 研 背 景 和 性 能 要 求 ， 设 计 并分 析 对 比 了两 种 可 以用 于 小 型 仿 生 湿 吸 机 器 人 的粘 液 分 泌系 统 。 ２湿 吸 昆 虫 粘 液 分 泌机 理 ２１ 昆 虫 湿 吸机 制 简介 ． 湿 吸 昆虫通过将粘 液分泌到具有特殊微观结构 的足垫上 （ 图ｌ 如 所示） ，可 以使 昆虫 的足部与攀 附物体表面产生 良好 的接 触和 非 常 可观 的 吸 附 力 ， 论 物 体 表 面 是 光 滑 还 是 糙 的 。 不
仿人面部表情机器人连续表情运动控制系统设计
动作单元 ，然后对所要实 现的一段 连续表情进行运动规划 ，生成表情运 动脚本指令 ，机器人根 据脚本指令 应用运 动
缝合技术生成连续 的面部表情动作 。最后在仿人 面部表情机器人 Ｓ Ｒ一１ ＨＦ 上进行 了实验验证 ，试验结果表 明 ，机器
人实现 了较 为流畅的连续表情动作 ，为今后进一步研究人 与机 器人 进行动态情感交互提供 了研究平 台。 关键词 ：仿人 面部表情 ；表情 运动脚本 ； 控制 系统 ；机 器人 中图分类号 ：Ｔ ４ ． Ｍ２２ ６ 文献 标志码 ：Ａ 文章编号 ：１０ ．８ ８ ２ １ ）６０ ３ ．５ ０ １６４ （０ １０ ．０ ５０
ｔ ｎ ，ｔ ｅ ｍｏｉ ｎ ｒ ｉ ｉｅ ｔ ｎ ｌｓ ｉａ ａ ｉｌｍｏ ｉｎ ｕ ｉ ．Ｔ ｅｆ ｃａ ｔ ｎ ｓ ｒ ｔ ｒ ｅ ｅ ａｅ ｉ ｓ ｈ ｔ ｓａ ｅ ｄ ｖｄ ｄ ｉ ｏ ｍａ ｙ ｃ ａ ｓｃ ｌ ｃａ ｔ ｎ ｔ ｏ ｏ ｎ ｆ ｏ ｓ ｈ ｉｌ ａ ｍｏ ｉ ｃ ｐ ｓａ ｅ ｇ ｎ ｒ ｔ ｄ ｏ ｉ ｄ ｒ ｇ ｔ ｅ ｍｏ ｉｎ ｐ ａ ｎ ｎ ｒａ ｒ ｑ ｉ ｄ ｃ ｎ ｉｕ ｕ ａ ｉｌ ｔ ｎ ｕ ｎ ｈ ｔ ｌｎ ｉ ｇｆ ｅ ｕ ｒ ｏ ｔ ｏ ｓｆｃ ａ ｉ ．Ｂａ ｅ ｎ ｔ ｅ ｓ ｒ ｔ ，ｔ ｅｃ ｎ ｉ ｕ ｕ — ｉ ｏ ｏ ｅ ｎ ｍｏ ｏ ｓ ｄ ｏ ｃ ｐ ｓ ｈ ｏ ｔ ｏ ｓｍｏ ｈ ｉ ｎ ｔ ｎ ｓ ｑ ｅ ｃ ｓａ ｅ ｇ ｎ ｒ ｔ ｄ ｔ ｒ ｕ ｈ ｍｏｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｅ ｈ ｉ ｕ ｓ ｉ ａｌ ，ｅ ｐ ｒ ｎ ｓｆ ｒｖ ｒ ｃ ｔ ｎ ａ ｅ ｃ ｎ ｉ ｅ ｕ ｎ ｅ ｒ ｅ ｅ ａｅ ｈ ｏ ｇ ｔ ｕ ｕ ｅｔ ｃ ｎ ｑ ｅ ．Ｆ ｎ ｌ ｏ ｏ ｙ ｘ ｅ ｍｅ ｔ ｅ ｆ ａ ｉ ｒ ｏ — ｉ ｏ ｉ ｉ ｏ
具有单目嵌入式视觉的仿人机器人分层控制系统设计
（ ｃｏｌ ｆｎｏｍａｏ ｎ ｏ ｐ ｔ ｎｉｅｒ ｇ ｏ ｈａｔ ｏｅｔ ｎｖｒｉ ， ａｂｎ１０ ４ ，Ｃ ｉａ Ｓｈｏ ｏ ｆｒ ｔ ｎａｄＣ ｍ ｕｅ Ｅ ｇ ｅｉ ，Ｎ ｒ ｅｓ Ｆ ｒｓｙＵ ｉ ｓｙ Ｈ ｒｉ ５ ０ ０ ｈｎ ） Ｉ ｉ ｒ ｎ ｎ ｔ ｒ ｅ ｔ
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Ｋｅ ｒ ｓ ｈ ｍａ ｏｄ ｒ ｂ ｔ ｕ ｎ ｉ ｇ ｙ ｗｏ ｄ ： ｕ ｎ ｉ ｏ ｏ ；ｒ ｎ ｎ ；ｍｏｉｎ ｐ ａ ｎ ｎ ；ｅ ｅ ｄ ｄ ｖ ｓ ｎ ｔ ｌ ｎ ｉ ｇ ｍｂ ｄ ｅ ｉ ｏ ｏ ｉ
重仿 人机 器人 竞赛 项 目的推 广． 入式 视 觉 系 统 是 嵌
０ 引 言
进入 ２ １世纪 ， 器 人 研究 取 得 了重 大 进 展 ． 机 全
全 自主仿人 机 器人 系 统 的 基础 ， 它对 机 器 人 的 总 体 性 能起着 决 定 性 的作 用 ， 器 人 对 目标 的识 别 、 机 定
研 究机 器人 跑 步运 动的基 本原 理 ， 机 器人跑 步 运动 中引入 手臂 摆动 姿 态 ， 在 通过 最优 化跑 步过 程 的 总体 能效进 行 步 态规 划． 最后根 据 ＦＲ 比赛 规 则 ， 策 系统 通 过视 觉反 馈 和 姿 态反 馈 信 息 ， 用 ＩＡ 决 调
底层动作库 ， 进行短跑运动规划． 实验结果表明， 该仿人机器人 的控制方式效果 良好 ， 适合参加竞技
具 有 单 目嵌 入 式 视 觉 的 仿 人 机 器 人 分 层 控 制 系统 设 计
仿生机器人系统的设计与实现
仿生机器人系统的设计与实现近年来，随着科技的发展，仿生机器人技术逐渐走进人们的视野。
仿生机器人是指模仿动物神经系统、形态结构、行动方式等设计的机械装置，能够完成类似于生物的感知、行动、学习等能力。
仿生机器人可以应用于很多领域，例如医疗、救援、军事等。
本文旨在介绍仿生机器人系统的设计与实现。
一、系统框架仿生机器人系统是一个由多个子系统组成的复杂系统。
其框架包括感知系统、神经系统和运动系统。
感知系统主要负责感知外界环境信息，并将这些信息传递给神经系统进行处理。
感知系统包括视觉系统、听觉系统、触觉系统等子系统。
神经系统主要负责处理来自感知系统传递过来的信息，并控制机器人的行动。
神经系统包括中枢神经系统和周边神经系统。
中枢神经系统类似于大脑，是信息处理的核心，控制着机器人的行为。
周边神经系统负责传递信息到各个运动器官，使机器人进行具体的动作。
运动系统主要负责机器人的运动控制。
运动系统包括肌肉系统、关节系统、运动控制系统等子系统。
二、感知系统设计视觉系统的设计是仿生机器人系统中最常见的设计之一。
视觉系统主要是利用摄像头来捕捉图像，然后对图像进行预处理、特征提取和图像分类等操作。
预处理可以包括照片去噪、图像灰度化、二值化等。
特征提取可能使用像素值、边缘、直线等特征。
分类可用于决定物体是否存在、什么类型的物体等。
听觉系统的设计也是仿生机器人系统中的一个重要方面。
听觉系统主要是利用麦克风来捕捉声音，然后对声音进行分析和特征提取。
对于每个声音，都可以提取出频率、时间、音量等特征。
利用这些特征，机器人可以识别语言、声音来源等。
触觉系统的设计是仿生机器人系统中的另一个重要方面。
机器人的触觉系统可以用压力传感器或力传感器等来实现。
通过触觉系统，机器人可以感知环境的物理属性，例如温度、湿度、形状等。
三、神经系统设计神经系统的设计主要是模拟生物的神经网络，使用深度学习等技术进行构建。
对于每个感知子系统，都需要有相应的神经网络来进行数据处理和决策。
仿生机器人系统的设计与优化
仿生机器人系统的设计与优化随着科技的飞速发展，人类对于仿生机器人系统的设计与优化的需求不断提高。
仿生机器人是一种借鉴生物体结构和功能的机器人系统，使其能够模仿动物或人类的行为和特性。
本文将探讨仿生机器人系统的设计原理、关键技术以及优化方法，希望对该领域的研究与应用产生积极的促进作用。
**一、设计原理**仿生机器人系统的设计原理是模仿生物的生理和行为特征，将其应用于机器人系统中。
这需要对生物体结构和行为进行深入研究，了解其运动方式、感知能力和智能决策等方面。
在设计原理中，以下几个关键要素需要考虑：1. 结构仿生：仿生机器人的结构应当基于生物体的形态特征，例如，借鉴昆虫的外骨骼结构、鸟类的飞翔机制等。
同时，结构仿生还可以改善机器人的机械性能，提高其灵活性和适应性。
2. 运动仿生：仿生机器人的运动方式应当模仿生物体的自由运动能力。
例如，通过模拟人类的步态和姿势，使机器人能够更加稳定和高效地行走。
此外，还可以通过仿生机械臂实现更精准的操控和操作。
3. 感知仿生：仿生机器人需要具备与生物体相似的感知能力，包括视觉、听觉、触觉等。
借鉴生物的感知系统，可以使机器人更好地感知环境并作出相应的反应。
4. 智能仿生：仿生机器人的智能决策能力是设计的重要目标之一。
通过仿生智能算法，机器人能够模拟人类的学习和决策过程，实现自主的行为规划和自适应的控制。
**二、关键技术**在仿生机器人系统的设计中，涉及到许多关键技术的应用。
以下列举了几个重要的示例：1. 材料科学与工程：选择合适的材料对仿生机器人的结构设计和运动仿生起到至关重要的作用。
例如，利用弹性材料可以实现类肌肉的收缩和伸展，增加机器人的运动灵活性。
2. 机械设计与制造：仿生机器人的结构设计需要考虑机械系统的稳定性和可靠性。
采用精确的机械设计和制造技术，可以提高机器人系统的性能和寿命。
3. 传感器技术：仿生机器人需要具备高效的感知能力，传感器技术在其中起到了关键作用。
仿人形机器人的设计
赛伯乐人形机器人：第一部分- 设计伊斯梅特·灿德德，穆罕默德·萨利姆·纳赛尔，蒋树声叶Tosunoglu萨布里佛罗里达国际大学机械工程学院西弗拉格勒街10555迈阿密，佛罗里达州33174305-348-6841cdede00阿*********摘要创造类人型机器人的目的是设计一个可以完成人类复杂动作,具有自主决策功能,能够帮助人类，甚至完成人类无法完成的任务的机器人。
建立类人型机器人一直吸引了世界各地的科学家，虽然目的看似简单,但这是一个艰巨的任务。
在这篇文章中,我们将呈现一种命名为赛伯乐的仿人机器人的概念,像双足动物一样行走,然后切换到四足的运动模式。
第一部分的主要内容是,理想的系统标准,设计方案和最终设计选定以及通过运动学的分析得到仿人机器人的模拟方案。
关键字：仿人形机器人，赛伯乐机器人，双足，四足1.引言构建人形机器人的目的是简单地设计一个可以完成人类复杂运动和能够真诚地帮助人类的机器人。
尽管其目的简单,但是要完成这个任务相当困难。
例如前本田工程师实现了他们梦想建立一个进的仿人机器人，花了超过18年的时间，在这段时间里他们不断的学习，探究和实验，也走了不少的弯路。
[1]行走过程分为两个主要部分即静态和动态步行。
静态步行人形机器人包括完整的移动身体的齿轮的基地脚区域，与此同时其他脚抬起并前进。
这种机器人是从运动学角度（轨迹，或位移控制）来设计和控制的，结果是有相当大的脚以一个缓慢的速度行走。
一个静态步行双足足动物,如本田P3的人形机器人,“不移动很像人并且能量效率低下。
它移动与nonpendular外观相似，本田2000机器人在行走时需要大约2kw功率，他需要的功率是同样大小人类的肌肉工作功率的20倍[1]。
动态稳定性需要快速行走和多样的地形。
在行走时重心不在支撑腿区域内时，机器人在下一个动态平衡区域时就会失衡。
被动动态步行可增加到三分之一组不同类型的步行过程。
智能工业机器人仿真系统设计与实现
智能工业机器人仿真系统设计与实现随着信息技术和机电一体化的不断发展，智能工业机器人已经成为了现代制造业中不可或缺的一部分。
它可以在生产线上进行高精度、重复、高效的操作，有效提高了生产效率和产品质量。
然而，智能工业机器人的研发、生产和维护成本较高，因此工业机器人仿真技术的应用逐渐受到关注。
本文将从智能工业机器人仿真系统的设计与实现两个方面详细介绍智能工业机器人仿真技术的应用。
智能工业机器人仿真系统设计智能工业机器人仿真系统是将工业机器人的动力学模型、运动规划模型以及控制算法模型等组合起来的一种软件系统。
通过这个系统，可以对机器人在不同工况下进行仿真实验，探索其在不同工况下的运动特性和应变情况，进而指导生产实践。
智能工业机器人仿真系统设计需要考虑以下四个方面。
一、机器人建模机器人建模是仿真系统的基础，对机器人内部传动机构和运动规划过程进行建模，形成机器人的动力学模型，从而实现对机器人的控制。
机器人的运动学模型包括运动方程和动力学方程，通过建立机器人模型，将机器人的物理特性抽象成一个数学体系，进行仿真模拟。
二、仿真算法仿真算法是智能工业机器人仿真系统的核心，主要有运动规划和控制等方面。
在运动规划方面，不同工况下机器人的运动状态需要调整，因此需针对不同属性的产品制定不同的运动规划策略。
在机器人运动控制方面，需要根据模型控制对象，确定运动规划策略和控制参数。
三、仿真平台仿真平台是仿真实验的基础，包括模型库、控制平台、仿真画面和仿真评估。
需要根据实际需要来选择或自主开发工业机器人仿真平台，以便轻松实现仿真实验。
四、仿真评估仿真评估是仿真系统衡量好坏的标准，通过对实验数据进行分析与评估，可以判断仿真模型的准确性、实用性、稳定性和鲁棒性等特性，并对仿真系统进行优化改进。
智能工业机器人仿真系统实现智能工业机器人仿真系统的实现是根据研发需求、仿真算法、仿真平台和仿真评估等几个方面的要素，进行系统实现、调试、测试、仿真和实验应用等环节，并提供相应的文档、培训和技术支持等服务。
小型仿人机器人主控层软件系统框架设计
维普资讯
第２卷 第９ ４ 期
文 章编 号 ：０ ６— ３ ８ ２ ０ ）９—０２ １０ ９ ４ （０ ７ ０ １４—０ ５
计
算
机
仿
真
２７ 月 ０ 年９ ０
小 型仿 人 机器 人 主控 层 软件 系统框 架 设计
刘飞 ， 雷旭升
（ 上海交通大学智能机器人研究 中心 ， 上海 ２０ ４ ０ ２０）
Ｌ Ｕ ｅ ． ＥＩＸｕ—ｓ ｅ ｇ Ｉ ｆｉ Ｌ ｈ ｎ
（ｎｅ ｉ ｎ Ｒ ｂｔ ｅｅｒｈＣｎｅ ｆ ｈｎｈｉ ｉ ｔ ｇＵ ｉ ｒｔ， ｈ ｇａ ２０ ４ Ｃ ｉａ Ｉｔｌ ｅｔ ｏｏ Ｒ ｓａ ｅｔ ｏ ａｇａ Ｊ ｏｏ ｎｖ ｓｙ Ｓ ａ ｈ ０ ２０， ｈｎ ） ｌｇ ｃ ｒ Ｓ ａ ｎ ｅｉ ｎ ｉ
行， 证明了该框架的有效性 。
关键词 ： 小型仿人机器人 ； 软件框架 ； 混合构架 ； 三层模式 ； 总线
中 图分 类 号 ：Ｐ ４ ；Ｐ １． Ｔ２２Ｔ３１５ 文 献标 识 码 ： Ａ
Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｉ ｉ—Ｈｕ ａ ｏ ｄ Ｒｏ ｔＳ ｆｗａ ｅＦｒ ｍ ｗｏ ｋ ｓｇ ｆＭ ｎ ・ ｍ ｎ ｉ ｂｏ ｏ ｔ ｒ ａ ｒ
摘要： 主控层 软件是仿人机器人重要组成部分 ， 主控层 软件设计 编写 的优劣 直接影响到仿人机器人的工作性能 。在借鉴 国 内机器人主控层软件构架设计经验的基础上 ， 针对仿人机器人控制系统 的特点 ， 在混合构架的设计 思想基础上 ， 采用分层模 式设计仿人机器人主控层软件系统框架 。该框架由三部分组成 ： 陈述层 ， 业务层和数据层 ， 其中业务层作为仿人机器人软件 系统的核心， 采用模块化设计 ， 使用消息作为各个模块通信协调机制 ， 多线程多进程作为并发执行 的机 制， 此框 架具有 良好 的扩充性和可重用性等优点。最后在此框架基础上设计的一个具体 主控层 系统软件 实例 ， Ｍ Ｈ— 仿人机器人上稳定运 在 Ｉ Ｉ
仿人机器人虚拟示教系统的设计与实现
作， 再采用 动作捕 捉 器快 速 和连 续 地记 录下这 些 标
使得 当前 的 虚 拟示 教 研 究 主 要 集 中在工 业 机 器人
记 点 的空 间坐标 ， 而获 取人 体 的运 动 数据 Ｈ Ｊ采 从 ． 用 动作捕 捉器虽 然能够得 到控制仿 人机 器人所需 的 运 动数据 ， 但需要 特 定 的场地 和 昂贵 的动 作捕 捉设 备， 阻碍 了仿 人机 器 人运 动 控 制 的研究 ； 此外 ， 人 仿 机 器人 的关节数量 和安装 位置 与真人也 可能存 在很 大 的差异 ， 这就使 得 通过 采集 真 人 运动 得 到 的关 节 运 动数据 与实 际仿 人机器 人 的关节 运动数 据可 能存
收稿 日期 ： ０ ７０ ．５ ２ ０ －４０
上； 而仿真技术主要应用在对其控制算法的验证上 ，
无法 实现对仿 人机器 人 的虚 拟示教 ． 为 了快 速和低廉 地得 到仿 人机器 人 的运 动规划
数据 ， 为后续的运动控制研究作准备 ， 文中引入了虚
拟现 实技术 ， 通过 对仿 人 机器 人 的 运动 姿 态进 行 三
两个方 面． 双足 步行 的 常用 控制 方 法是 先 进行 姿 态 规划 ， 稳定性 最大 的要求进 行优化 ， 再按 以求 出最稳
定 的步态 而双手协 作也需 要先对 双手 的运动路 。；
过三维仿真技术来对仿人机器人的动态平衡算法进 行了验证 ， ｕｎ 采用仿真技术辅助设计了仿人机 Ｇ ａ 器人的步态控制算法 ， 赵毅红等 采用仿 真技术对 车式移动机器人轨 迹跟踪控 制算法进 行 了验证 ； Ｄ ｕ ｅ 等＿通过采用仿真与摄像机相结合 的方法 ｏｌ ｒ ９ ｇｉ 实现对工业机器人手 的示教 ， 唐新华等 。 采用三维
《新型轮腿式机器人的设计与仿真》范文
《新型轮腿式机器人的设计与仿真》篇一一、引言随着科技的飞速发展，机器人技术已经广泛应用于各个领域。
其中，移动机器人是机器人技术的重要组成部分。
为了提高机器人的适应性和灵活性，本文提出了一种新型轮腿式机器人设计。
该设计旨在结合轮式和腿式移动方式的优点，使机器人能够在各种复杂环境中灵活移动。
本文将详细介绍该新型轮腿式机器人的设计思路、设计方法以及仿真结果。
二、新型轮腿式机器人的设计思路1. 设计需求分析在设计新型轮腿式机器人时，我们首先分析了机器人的应用场景和功能需求。
考虑到机器人需要在复杂环境中灵活移动，我们确定了以下设计需求：高灵活性、高适应性、高负载能力以及低能耗。
2. 结合轮式与腿式移动方式的优点为了满足上述设计需求，我们提出了将轮式和腿式移动方式相结合的设计思路。
轮式移动方式具有速度快、能耗低的优点，而腿式移动方式则具有高适应性和高负载能力的特点。
因此，我们将轮式和腿式移动方式的优势相结合，设计出一种新型轮腿式机器人。
三、新型轮腿式机器人的设计方法1. 机械结构设计机械结构设计是新型轮腿式机器人设计的关键步骤。
我们采用了模块化设计思想，将机器人分为轮式模块和腿式模块。
轮式模块采用传统轮式结构，以实现快速移动；腿式模块则采用多关节结构，以实现高适应性和高负载能力。
此外，我们还设计了可切换的轮腿转换机构，使机器人能够在轮式和腿式之间灵活切换。
2. 控制系统设计控制系统是新型轮腿式机器人的大脑。
我们采用了先进的传感器技术和控制算法，实现了对机器人的精确控制。
同时，我们还设计了能量管理系统，以实现低能耗运行。
四、仿真实验与分析为了验证新型轮腿式机器人的设计效果，我们进行了仿真实验。
仿真实验结果表明，该机器人在各种复杂环境中均能实现灵活移动，且具有高灵活性、高适应性、高负载能力和低能耗等优点。
具体分析如下：1. 灵活性分析在仿真实验中，我们发现新型轮腿式机器人在面对复杂地形时表现出色。
在崎岖不平的地形中，机器人能够通过切换为腿式模式，实现灵活的移动。
仿生机器人的设计与制作
仿生机器人的设计与制作随着科技的不断进步，人们越来越注重如何利用科技手段来改善生活，其中的一个重要领域就是机器人技术。
人们不断研究和开发新型机器人，这些机器人具有智能化、自主控制、感知能力和适应性等特点，可以在工业生产、医疗辅助、军事作战等领域发挥作用。
其中，仿生机器人是目前机器人研究领域热门的方向之一，它将生物学与机械制造技术结合起来，可以更好地模拟动物行为和解决实际问题，本文将介绍仿生机器人的设计与制作。
一、仿生机器人的原理和分类仿生机器人是模仿动物行为、功能和构造的机器人，可以具备人工智能和自主决策能力。
仿生机器人的技术基础是计算机科学、机械工程、电气工程、生物工程、物理学等多个学科，它可以模拟动物的视觉、听觉、味觉、触觉、平衡感、运动能力等多个方面，使机器人更加逼真。
根据仿生机器人的构造和功能特点，可以将其分为四类，分别是：爬行类、飞行类、水下类和人形类。
爬行类仿生机器人包括蜘蛛型机器人、蟑螂型机器人等，用于在狭小空间或不平地形下运动；飞行类仿生机器人包括鸟型机器人、昆虫型机器人等，用于侦察、监测、搜救等场景；水下类仿生机器人包括鱼形机器人、鲸鱼型机器人等，用于海洋勘探、环境监测等场景；人形类仿生机器人是最典型的仿生机器人之一，用于代替人类从事高风险、高精度、高力量等工作。
二、仿生机器人的设计和制作1、仿生机器人的框架设计仿生机器人的框架设计是仿生机器人制作的首要步骤，其框架的设计应遵循仿生模仿原理，即以自然界中的动物作为模板，根据机器人需要完成仿生模拟。
首先需要明确机器人的使用场景和工作任务，然后根据任务需求，选择合适的仿生模板进行设计。
框架设计需要遵循力学原理、电气控制原理和传感器原理等，同时在设计过程中还需要考虑整体重心平衡、动作稳定性和适应性等因素。
2、仿生机器人的传感器选择仿生机器人的传感器选择是机器人设计的一个重要部分，因为传感器能够为机器人提供反馈信号和信息，从而指导机器人的动作和决策。
如何进行智能机器人系统设计
如何进行智能机器人系统设计智能机器人是指具备感知、理解、思考、学习和自主决策等能力的机器人。
它们通过各种传感器和执行器与环境进行相互作用，能够自主地决策和执行任务，以达到实现各种功能的目的。
智能机器人系统设计需要考虑各种因素，包括硬件、软件、算法、控制方法、仿真等方面。
下面，我们将详细介绍如何进行智能机器人系统设计。
一、需求分析和功能设计在进行智能机器人系统设计之前，需要进行需求分析和功能设计。
需求分析是指把客户的需求、标准和规范转化为系统需求，以满足用户的要求。
而功能设计则是基于需求分析的基础上，将需求转化为具体的功能模块和系统特点。
在这个阶段，需要考虑机器人的应用领域、任务需求、环境条件、硬件要求等因素，以便实现最优的系统性能和可靠性。
二、硬件设计硬件设计是智能机器人系统设计的另一个重要方面。
它涉及到机器人的各种传感器、执行器、控制电路、电源等组成部分。
硬件设计的关键在于选择合适的硬件平台和设备，以便实现系统的最佳性能和可靠性。
在这个阶段，需要考虑硬件组成、电路设计、结构设计、器件选型等方面的因素，并通过实验验证，以确保系统的可靠性和稳定性。
三、软件设计软件设计是智能机器人系统设计中最重要的方面之一。
它涉及到机器人的各种控制算法、控制系统、图像处理和信号处理等。
软件设计的关键是选择合适的编程语言和开发工具，以便实现系统的高效性和可扩展性。
在这个阶段，需要考虑软件架构、算法设计、界面设计、编程语言、开发工具等方面的因素，并通过模拟和实验验证，以确保系统的稳定性和可靠性。
四、控制方法设计控制方法设计是智能机器人系统设计中另一个重要方面。
它涉及到机器人的运动控制、路径规划、定位与导航等方面。
控制方法设计的关键在于选择合适的控制器和控制算法，以便实现系统的灵活性和自适应性。
在这个阶段，需要考虑控制器类型、控制算法、运动规划、定位与导航等方面的因素，并通过实际控制实验验证，以确保系统的稳定性和可靠性。
仿生机器人的设计与实现方法
仿生机器人的设计与实现方法仿生机器人是指通过对生物的解剖学和生理学等进行仿真与模拟，设计出具有与生物相似的外部形态、动作和内在功能的机器人。
其设计与实现方法主要包括以下几个方面：机械设计、传感器设计、神经网络控制、材料选择和能源供应等。
一、机械设计：仿生机器人的机械设计主要包括外部形态设计和内部结构设计。
外部形态设计要求机器人具有与生物相似的外形，比如头部、身体、四肢等，可以通过3D打印等技术实现。
内部结构设计要考虑机器人的运动机构和关节结构，如肌肉和骨骼系统构成的运动链条，可采用软体机器人和多自由度机械臂等结构。
二、传感器设计：仿生机器人需要通过传感器获取外部环境信息，并对其做出响应。
传感器设计包括视觉传感器、触觉传感器和力传感器等。
视觉传感器主要用于获取图像信息，可以采用摄像头和深度相机等；触觉传感器可以模拟人类皮肤感知外界接触力，可采用压力传感器和力敏电阻器等；力传感器可以用于测量机器人与外部环境的相互作用力，比如力传感器和加速度计等。
三、神经网络控制：仿生机器人的控制系统一般采用神经网络控制方法，模拟生物神经系统的工作原理。
神经网络结构主要包括感知层、隐含层和输出层，通过训练神经网络，使机器人学习运动和行为等。
神经网络的训练可以通过监督学习、强化学习和迁移学习等方法实现。
四、材料选择：五、能源供应：总之，设计与实现仿生机器人需要多学科的知识和技术支持，需要机械设计、传感器设计、控制系统设计和材料选择等方面的综合应用。
随着科学技术的发展和进步，仿生机器人的设计与实现方法还将继续完善和创新，为人类带来更多的应用和发展前景。
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小型仿人机器人系统设计的方法
摘要：小型仿人机器人是近几年的研究热点，一个小小的仿人机器人中涉及了
多种学科领域例如电子工程、仿生学、信息工程、机械工程等，目前研制出与人
类相似度较高、功能相对完善的机器人一直是科学家的目标。
本文主要探究仿人
机器人的设计原理以及设计方法，对一些程序进行详细分析，为以后的科技制造
提供参考意见。
关键词：小型；仿人机器人；系统设计；方法
小型仿人机器人凭借着与人类相似的外表、行为等一些外在特征以及经济化、人性化的
功能，更容易激起科技界的研究欲望，这种情况下，很容易推动我国科学技术与信息技术的
发展。
1.分析小型仿人机器人的设计理念
1.1分析仿人机器人的智能系统
从宏观方面来看，小型仿人机器人的智能系统必须拥有较高的运行速度，因为机器人在
启动的时候，视频采集系统、命令发送系统、显示系统、发音系统以及信息处理系统都得同
时运行，因此，对CPU内核的速率要求较高；小型仿人机器人做出的所有行为都是以采集的
视频信息为基础的，所以智能系统的研究重点是视频处理系统，综上所述，仿人机器人的智
能系统所具备的程序功能比较完善，需要的内存空间也比较大，因此，保障智能系统的运行
速度，能更好的推广仿人机器人的使用。
从微观方面来看，小型仿人机器人的智能系统必须具备音频、通信、摄像头、A/D、多路IO以及显示屏等设备[1]。
1.2分析智能系统的硬件设备
上文中分析了智能系统宏观方面的需求，对于控制器，常见的DSP以及单片机等系统是
不能满足其需求的，因此，可以在CPU处理器的基础上添加外围功能电路，这样既解决了运
行空间不足、运行速度较慢的缺陷，又实现了低成本的目的。
1.3分析组织层的硬件设备
本次研制的小型仿人机器人，其关节被设置成了19个自由节，在之后的使用过程中肯定会提高其关节自由度，进而更好的实现手臂功能、行走功能、俯身功能等一系列仿人运动。
综上所述，一个仿人机器人的关节自由度至少为19个。
此外，组织层还得确保小型仿人机器人运动过程中的稳定性，当组织层接收到运动信号时，
必须将信号输送给每一个关节，共同展开运动。
1.4A/D转换电路
在当前的设计过程中，由于CMOS数模转换器的高效性，可以将模拟信号同步输进八个
通道中，同时还能将信号转换成二进制模式。
在这种情况下，很好的保障了小型仿人机器人
的运行效率。
2.分析控制系统的硬件
执行层硬件，其主要功能是发布信息、采集信息、控制小型仿人机器人运动、转换电源等，这也是控制系统的外围电路。
发布信息时，控制系统会自动连接智能系统，借助发音器、显示器等一些机械设备，将信息输送给外界；采集信息时，智能系统中的摄像头、传感器、
电位计均是获取信息的来源；控制小型仿人机器人运动时，当每一个关节得到运动指令后，
会有控制系统协调完成，确保机器人活动过程中的稳定性；转换电源时，控制系统会将电源
输送给每一个部件，保障智能系统、组织层均能正常运行。
3.小型仿人机器人中控制系统的设计原理及组成
3.1控制系统中的软件功能框图
此次研制小型仿人机器人时，研究人员的设计理念为模块化程序设c1-思想，通过程序的
编写、翻译、检验，机器人便可开始使用。
控制系统中的软件功能框图为下图1，其主要包
括摄像头、视频处理器、通信设备、语音输出设备、A/D采样设备、主程序控制器等。
图1:软件功能系统框图
3.2设计USB转串口通信设备
为了保障硬件系统中的通信流畅，选择了将USB转串口通信设备与控制板相连接，并且
在实际研制过程中，会将控制器的接口直接与主板的USB转串口通信设备连接。
Linux系统里，/dev/ttyUSBI等一些类似的端口均为USB转串口通信设备的节点，这些设备的性质都为
字符。
3.3设计多媒体程序
（1）语音设计。
小型仿人机器人对发音的要求较高，一般使用的播放器很难满足其声音
要求。
通过不断的试验研究，发现Madplay是目前最好用的声音播放器，因其体积较小、控
制力强以及音质较好，很适合运用在小型仿人机器人中，但是在使用时，必须要将此播放器
移植在Linux内核中。
（2）视频设计。
目前研制的小型仿人机器人使用的视频设备大多为CMOS摄像头。
这种
摄像头最大的优点是采集信息的过程十分简便[2]。
3.4设计3A/D程序
（l）ADC设备驱动程序的编写。
ADC设备驱动程序的编写通常需要使用ADCDAT寄存器、ADCTSC寄存器、ADCCON寄存器。
ADCDAT寄存器相较于其他两种，功能比较简单、程序相
对复杂，通常会用它完成数值的转换与存储；ADCTSC寄存器设计的是触摸屏，编写普通的
DC设备驱动程序时，会将数据调整为默认值；ADCCON寄存器是较复杂的一种，设置内容较多、功能较复杂。
（2）在内核中配入ADC设备。
在Linux系统中，ADC设备既可以是字符型又可以是杂型。
此次研制小型仿人机器人时，将ADC设备设成了字符型，因此要在linux2.6.28内核中配入ADC设备，之后将相关文件重新配置，借助软件完成内核的编译，配置内核时选择 AD。
（3）A/D应用程序的编写。
底层的驱动配置完成以后，就可以开始A/D应用程序的编写。
最初选择ioctl（）函数在初始化过程中完成精确度的设置、通道的选择等，其次使用sizeof （）函数判断读取内容的准确率是否达到标准，若是准确率较低，可通过continue（）函数
重新开始读取，确保一切无误后，便可计算出平均值。
3.5设计开发板舵机命令调试程序
设计开发板舵机命令调试程序的主要目的就是为了控制调试舵机步态转动时的各项参数。
使用小型仿人机器人时，可以在该程序的端口输入指令，这样就能监测机器人是否按照指令
在行走；除此之外，使用一种机器时，机械故障是不能避免的问题，因此可以利用开发板舵
机命令调试程序找到出现故障的原因。
3.6设计PID控制程序
PID控制器中主要利用微分、比例、积分来调整小型仿人机器人在运动过程中的稳定性。
PID控制程序自从研发以后，就一直是应用较广泛的控制器之一。
PID控制程序有许多优势，
例如控制过程简单、控制效果显著、程序结构简洁、技术相对完善等，这些优势也是PID控
制程序一直无法被其他控制程序所取代的原因。
4结束语
小型仿人机器人凭借着与人类相似的外表、行为等一些外在特征以及经济化、人性化的
功能，更容易激起科技界的研究欲望，这种情况下，很容易推动我国科学技术与信息技术的
发展。
当前国民对小型仿人机器人的关注度越来越高，我国科研界的研制任务任重道远，为
了更好的为大家呈现功能较完善、科技价值更高的小型仿人机器人，本文针对当前在研制过
程中发现的问题，做了一系列调查研究，提出了相关注意事项以及一些建议，希望能为之后
的研制起到参考作用。
参考文献：
[1]宋宝华.Linux设各驱动开发详解（第二版）[M].北京:人民邮电出版社，2010.
[2]李增刚.ADAMS入门详解与实例[M].北京:国防工业出版社，2010.。