机器人专业实训报告

机器人专业实训报告（精选6篇）
一．绪论
1.1机器人的发展背景与前瞻与课程设计内容
近年来，随着社会飞速发展，机器人的研究及应用得到迅速发展，因其在教育，医疗，军事，工业等领域的巨大应用，因此得到许多国内外科学家的关注。

机器人在以后社会快速发展的过程中会起着越来越重要的作用。

相信在不久的将来机器人将会取代繁重的人力劳动，使劳动者的人身安全得到保障。

同时机器人的发展也将为以后的社会发展奠定良好的基础。

双足机器人不仅具有广阔的工作空间，而且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，其步行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、主要内容：
1）、控制系统软硬件设计与仿真；
2）、六自由度机器人运动控制。

2、训练形式
学生以小组为单位，集体讨论确定整体方案；指导教师给出实训方向，技术指标等，协助学生完成训练任务。

二.实习任务
这次机电一体化综合训练Ⅲ包含两部分内容。

一是分组选题完成实习要求；二是开发性设计。

本报告书将从整体上分为两部分对本次实习的要求进行汇报。

完成对六自由度机器人的组装、调试以及实现预定的功能。

三.实习要求
要使六自由度机器人实现人类的一些动作，那么六自由度机器人必须有它的独特性。

事实上，关于运动灵活性，人类大约拥有四百个左右的自由度。

因此，机器人的关节的选择、自由度的确定是很必要的，步行机器人自由度的配置对其结构有很大影响。

自由度越少，结构越简单，可实现功能越少，控制起来相对简单；自由度越多，结构越复杂，可实现功能越多，控制过程相对复杂。

自由度的配置必须合理:首先分析一下步行机器人的运动过程(向前)和行走步骤:重心右移(先右腿支撑)、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左
移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。

从机器人步行过程可以看出:机器人向前迈步时，髋关节与踝关节必须各自配置有1个自由度以配合实现支撑腿、上躯体的移动和实现重心转移。

另外膝关节处配置1个俯仰自由度能够调整摆动腿的着地高度，保证步行时落足平稳。

这样最终决定髋关节配置1个自由度，膝关节配置1个俯仰自由度，踝关节配置有1个偏转自由度。

这样，每条腿配置3个自由度，两条腿共6个自由度。

髋关节和膝关节俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在纵向平面(前进方向)内的直线行走功能；踝关节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。

步行运动中普遍存在结构对称性。

运动的对称性和腿机构的对称性之间存在相互关系。

在单足支撑阶段，对称性的机身运动要求腿部机构也是对称的。

根据这点，在结构设计时也采用对称性布置。

四．工作原理
4.1六自由度机器人的工作原理
六自由度运动平台是由六支作动筒，上、下各六只万向铰链和上、下两个平台组成，下平台固定在基础上，借助六支作动筒的伸缩运动，完成上平台在空间六个自由度（X，Y，Z，α，β，γ）的运动，从而可以模拟出各种空间运动姿态。

可广泛应用到各种训练模拟器如飞行模拟器、舰艇模拟器、海军直升机起降模拟平台、坦克模拟器、汽车驾驶模拟器、火车驾驶模拟器、地震模拟器以及动感电影、娱乐设备等领域，甚至可用到空间宇宙飞船的对接，空中加油机的加油对接中。

在加工业可制成六轴联动机床、灵巧机器人等。

由于六自由度运动平台的研制，涉及机械、液压、电气、控制、计算机、传感器，空间运动数学模型、实时信号传输处理、图形显示、动态仿真等等一系列高科技领域，因而六自由度运动平台的研制变成了高等院校、研究院所在液压和控制领域水平的标志性象征。

六自由度运动平台是传动及控制技术领域的皇冠级产品，掌握了它，在传动和控制领域基本上就没有了难题。

4.2机器人的工作原理
按照目前最宽泛的定义，如果某样东西被许多人认为是机器人，那么它就是机器人。

许多机器人专家（制造机器人的人）使用的是一种更为精确的定义。

他们规定，机器人应具有可重新编程的大脑（一台计算机），用来移动身体。

根据这一定义，机器人与其他可移动的机器（如汽车）的不同之处在于它们的计算机要素。

许多新型汽车都有一台车载计算机，但只是用它来做微小的调整。

驾驶员通过各种机械装置直接控制车辆的大多数部件。

而机器人在物理特性方面与普通的计算机不同，它们各自连接着一个身体，而普通的计算机则不然。

大多数机器人确实拥有一些共同的特性。

首先，几乎所有机器人都有一个可以移动的身体。

有些拥有的只是机动化的轮子，而有些则拥有大量可移动的部件，这些部件一般是由金属或塑料制成的。

与人体骨骼类似，这些独立的部件是用关节连接起来的。

工业机器人专门用来在受控环境下反复执行完全相同的工作。

例如，某部机器人可能会负责给装配线上传送的花生酱罐子拧上盖子。

为了教机器人如何做这项工作，程序员会用一只手持控制器来引导机器臂完成整套动作。

机器人将动作序列准确地存储在内存中，此后每当装配线上有新的罐子传送过来时，它就会反复地做这套动作。

大多数工业机器人在汽车装配线上工作，负责组装汽车。

在进行大量的此类工作时，机器人的效率比人类高得多，因为它们非常精确。

无论它们已经工作了多少小时，它们仍能在相同的位置钻孔，用相同的力度拧螺钉。

制造类机器人在计算机产业中也发挥着十分重要的作用。

它们无比精确的巧手可以将一块极小的微型芯片组装起来。

4.3舵机的驱动原理
舵机的工作原理。

舵机常用的控制信号是一个周期为20毫秒左右，宽度为1毫秒到2毫秒的脉冲信号。

当舵机收到该信号后，会马上激发出一个与之相同的，宽度为1.5毫秒的负向标准的中位脉冲。

之后二个脉冲在一个加法器中进行相加得到了所谓的差值脉冲。

输入信号脉冲如果宽于负向的标准脉冲，得到的就是正的差值脉冲。

如果输入脉冲比标准脉冲窄，相加后得到的肯定是负的脉冲。

此差值脉冲放大后就是驱动舵机正反转动的动力信号。

舵机电机的转动，通过齿轮组减速后，同时驱动转盘和标准脉冲宽度调节电位器转动。

直到标准脉冲与输入脉冲宽度完全相同时，差值脉冲消失时才会停止转动！，这就是舵机的工作原理。

五．机器人行走的实现
双足机器人的行走要取决于步态规划，步态规划的好坏将直接影响到机器人
行走过程中的稳定性、所需驱动力矩的大小以及姿态的美观性等多个方面，同时它也直接影响到控制方法及其实现的难易程度。

5.1步态规划的概念
双足步行机器人的步态规划，是指机器人行走过程中其各组成部分运动轨迹的规划，比如说，脚掌何时离开地面、摆动中整个脚掌在空中的轨迹、何时落地等。

步态规划要解决的问题主要是保证机器人的稳定性。

5.2步态规划的方法
现在使用的步态规划方法主要有如下几种：
1、基于实验的规划方法
这种规划方法基于力学的相似原理，基本过程如下：让人模仿机器人行走(如果机器人有几个自由度，那么人在模仿行走的时候也尽量只动相应的关节)，同时对此人的行走过程进行正面和侧面的录像，然后对这些录像进行分析，得到此人在步行过程各个主要关节的角度变化，然后根据力学相似原理把这些角度相似地推广到机器人的关节变化上。

2、基于能量原理的规划方法
这种方法来源于一个生物学假设：人经过千百万年的进化，其行走方式是能量消耗最低的，而且还能保持步行的稳定性。

如果机器人也能满足这个假设，则其行走方式将与人一样或很接近。

根据能耗最小原则可以建立一个变分方程，并最终得到机器人的轨迹方程。

3、基于力学稳定性的规划方法
在机器人行走过程中，其ZMP点必须落在某个区域范围之内，只有这样才能保证步行机器人稳定地行走。

实现方法有两种：
a．计算出理想的ZMP轨迹，然后推导出各个关节的运动函数以实现理想行走。

b．先大致规划出双足和躯干的运动轨迹，然后进行ZMP计算，最后选出稳定性最好的结果作为控制方程。

相比后两种方法，第一种方法更易于理解及掌握。

所以本文将采用第一种方法，结合人体行走过程规划机器人步态的参数化设计。

5.3步态设计
进行双足机器人行走动作设计。

首先分析一下步行机器人的运动过程和行走
步骤：
1）行走前进：重心右移（右腿支撑）、左腿抬起、迈步左腿放下、重心左移、右腿抬起、迈步右腿放下。

依次循环。

2）停止：将重心移到双腿之间，双腿放下。

从机器人步行过程分析得出：机器人向前迈步时，髋关节与踝关节必须各自配置有1个自由度以配合实现支撑腿、上躯体的移动和重心转移。

膝关节处配置一个自由度能够调整摆动腿的着地高度，保证步行时落足平稳。

这样，最终确定每条腿配置3个自由度，踝关节配置1个偏转自由度、膝关节和髋关节各配置1个俯仰自由度。

步行运动中存在结构对称性。

运动的对称性和腿机构的对称性之间存在相互关系。

步行前进时，对称的机身运动要求腿部机构也是对称的，两条腿共6个自由度。

髋关节和膝关节俯仰自由度共同协调动作可完成机器人在纵向平面（前进方向）的直线行走功能，踝关节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。

机器人的前翻跟头过程和步骤分析：低头（髋关节）、俯身（膝关节）使头脚面板同时着地、左腿离地、右腿离地使倒立、两腿同时弯膝（膝关节）、两脚同时着地（髋关节），头离地使重新直立。

小组在调试动作中，最后一步机器人头离地使重新直立这一步，经过小组组员间协商，找出了解决方法。

使一只脚稍微向内侧倾斜一点角度，施力帮助机器人的头部离地，配合两个髋关节的舵机转动角度，最终使得机器人重新站立。

服务机器人是智能制造的重要组成部分。

近年来，服务机器人产业持续快速发展，2013年，全球服务机器人销量再创新高。

日本、欧洲等地区的厂商加速规模扩张和技术创新。

2013年，中国成为全球第一大服务机器人市场，国内服务机器人产业园区建设持续升温，领军企业积极开展核心技术的攻关及其产业化应用。

但是，我国机器人产业仍存在产业基础薄弱、自主品牌市场占有率低等问题。

未来，我国应加强服务机器人产业规划、突破核心关键技术、强化配套支撑、推动自主品牌机器人的市场化应用。

服务机器人产业概况
(一)服务机器人简介
1.服务机器人的定义
服务机器人是集机械、电子、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的自动化装备。

自20世纪60年代美国研制出世界上第一台服务机器人以来，机器人技术及产品迅速发展，已广泛应用于汽车制造业、电子电气制造业和金属制品业等领域。

不同的组织和机构对服务机器人的定义不完全相同，但均体现了服务机器人可编程、仿人功能、通用性的特点。

国际标准化组织(ISO)将服务机器人定义为一种自动的、位置可控的、具有编程能力的多功能操作机。

ISO8373进一步解释，服务机器人具有自动控制、再编程和多用途功能，有多个可编程轴，在服务自动化应用中可以固定或移动。

美国机器人协会(RIA)认为，服务机器人是搬运材料、零件、工具等可再编程的多功能机械手，通过调用不同程序来完成各种工作任务的特种装置。

日本机器人协会(JARA)认为，服务机器人是一种具有记忆装置和末端执行器的、能转动并通过自动完成各种移动来代替人类劳动的通用机器。

2.服务机器人的产品分类
服务机器人的产品分类方式多种多样。

按臂部运动形式的不同，服务机器人可以分为四种：直角坐标型只有移动关节;圆柱坐标型有移动关节和一个转动关节，可做升降、回转和伸缩动作;球坐标型有移动关节和两个转动关节，可以回转、俯仰和伸缩;关节型有多个转动关节。

按应用领域的不同，服务机器人可以分为：弧焊机器人、电焊机器人、喷涂机器人、码垛机器人、搬运机器人、装配机器人、检测机器人和其他机器人等。

此外，按受控方式的不同，还可以分为点位控制型和连续控制型等。

目前，我国企业主要销售坐标型机器人，属于低端服务机器人产品，占国内企业销售量的40%以上。

国外企业在我国市场主要销售多关节型机器人，属于当前国际市场的主流产品，占外国企业在我国销售量的80%以上。

(二)服务机器人产业链
服务机器人产业链主要包括研发设计、核心零部件制造、本体制造、系统集成和行业应用等部分。

上游的核心零部件制造是服务机器人产业链的核心环节，包括减速器、伺服电机、控制器三部分。

我国服务机器人产业在系统集成环节具有相对优势，而核心零部件制造是相对薄弱的环节。

以精密减速器为例，欧洲和日本均已实现了减速器的自主化生产，
减速器仅占国际品牌服务机器人单体成本的1/6。

而国产减速器技术工艺相对落后，高价进口减速器约占成本的1/3，大幅高于国际品牌。

假期一开始就接到了社团老师的电话，一同讨论着这次五一假期的活动安排。

在五月的五一长假中，学校开展了许许多多有意义的活动，其中就有我们丰富的社团活动，每个社团都由老师组织在这次五一假期中开展一次社团活动，我们也不例外。

这次我们的活动定在了5月3日下午，并且fll科技社和机器人社一起在机器人教室举行社团活动，这次的活动显的更加热闹了。

假期即将结束了，5月3日这一天终于来了，早上起来，烟雨朦胧的天气挡不住学校各个社团参加社团活动的积极性。

下午一点半，我们准时到达机器人教室集合并且由老师宣布接下来的活动安排。

去年的一学期中，我们社团丢了很多的零件，就是因为没有管理方案造成的，今年老师每人准备一个抽屉，把每个人自己的零件放到自己的抽屉中保管，避免了零件的`丢失。

我们也想出了另外的方法保存零件，比如，今天我们社团多了很多个塑料收纳盒，就是用来放我们每个人自己的零件的，以后每次完成一个搭建任务，每个同学都需要清理自己的零件，并且根据墙上印出的零件表核对自己有没有缺少零件，这样可以减少不必要的零件丢失。

要想搭一个完整的机器人，就要从细小的零件开始着手，但是由于我们社团比较忙，而且零件又杂又多，所以一直散成一堆放在那里，这次终于要对它们来一个彻底的扫除了。

因为习惯了乱的，不少社员难免对今天活动的第一步——整理道具，很多同学十分不高兴。

老师告诉我们：“做事情一定要一步一步来，只有做好了第一步，才能顺利的进行接下来的大事情。

”终于，整理道具在这时正式开始。

第一步，是把所有不需要的机器人配件拆成一个一个散的小零件，然后再把散的零件按照一个大盒子一个大盒子的按照颜色、形状、摩擦力大小的不同理入一个个准备的大盒子中，这一部是最花时间和精力的，很多小的零件被堆放在大零件中，很难被发现，我们在这一部上花了大量的时间，老师也参与进来，帮助我们在杂乱的零件堆中寻找需要的零件，并且对其进行一一的分类。

最终，经过全社团成员共同的努力，近百种不同的零件终于在我们手下安安稳稳的归好了类别。

第二步，老师每人发两个盒子，把各种零件收纳到这两个盒子中。

首先要求拿出一个小的盒子，这个小盒子中分成五格，每个格子中都放入不同的零件，老师把几十种零件按照其数量和形状，让我们放入不同大小的格子，理好小盒子后，大家还没来得及喘口气，老师又发下了一个大盒子，我们就再用同样的方法把大一些的零件理入大盒子中，在放入盒子这步时，发现很多同学都出现了零件不够的情况。

老师只好拆出新的零件给我们，为了寻找哪个袋子里有这种零件并且保证每个人都能获得齐全的零件，同学们把一个个新零件袋仔细看过来，并且反复请查自己的零件。

这个过程很费时间，所以也警示了我们要更加仔细的对待零件，这样可以节约很多时间。

结束了零件的整理，老师让我们自己选择一个抽屉，并且把自己的盒子放到抽屉里，再进行登记，最后钥匙老师统一收回保管。

时间已经快到下课了，因为找零件花费了太多的时间，后面的活动只好长话短说。

老师对今年所有的比赛项目进行了一个通告，并且告诉我们哪些项目获奖的可能性比较大，哪些项目人人都可以参加，之后比赛的搭建，我们将使用自己的零件进行。

以后的课程也会安排进一些搭建的内容，让我们自己体会机器人的乐趣。

今天一天的活动很快就结束了，不过我们激动的心情，还是流露在了脸上。

一．设计目的及意义
随着计算机、网络、机械电子、信息、自动化以及人工智能等技术的飞速发展，移动机器人的研究进入了一个崭新的阶段。

同时，太空资源、海洋资源的开发与利用为移动机器人的发展提供了广阔的空间。

目前，智能移动机器人，无人自主车等领域的研究进入了应用的阶段，随着研究的深入，对移动机器人的自主导航能力，动态避障策略，壁障时间等方面提出了更高的要求。

地面智能机器人路径规划，是行驶在复杂动态自然环境中的全自主机器人系统的重要环节，而地面智能机器人全地域全自主技术的研究，是当今国内外学术界面临的挑战性问题。

移动机器人是一类能够通过传感器感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标自主运动，从而完成一定功能的机器人系统。

理想的自主移动机器人可以不需人的干预在各种环境中自主完成规定任务，具有较高的智能水平，
但目前全自主的移动机器人还大多处于实验阶段，进入实用的多为自主移动机器人，通过人的干预在特定环境中执行各种任务，而遥控机器人则完全离不开人的干预。

智能移动机器人是一类能够通过传感器、感知环境和自身状态，实现在有障碍物的环境中面向目标自主运动，从而完成一定功能的机器人系统。

移动机器人技术研究综合了路径规划、导航定位、路径跟踪与运动控制等技术。

涉及包括距离探测、视频采集、温湿度以及声光等多种外部传感器，作为移动机器人的输入信息。

移动机器人的运动控制主要是完成移动机器人的运动平台，提供一种移动机器人的控制方式。

性能良好的移动机器人运动控制系统是移动机器人运行的基础，能够服务于移动机器人研究的通用开发平台。

随着移动机器人技术的发展及其在工业军事等领域中的广泛应用，有关移动机器人的理论设计制造和应用的新的技术学科——机器人学，已经逐渐形成，并越来越引起人们广泛的关注。

机器人学是一门综合性很强的学科，它涉及现代控制技术、传感器技术、计算机系统和人工智能等多门学科．但是它又有自身的系统性和专业性。

内容极为丰富、广泛，其中专业性比较强的有机器人动力学和运动学、机器人轨迹规划和运动控制、机器人的传感技术、机器人的编程语言、机器人的智能和任务规划等。

其中机器人的运动控制是实现机器人航迹控制的关键。

运动控制是移动机器人的执行机构，对机器人的平稳运行起着重要作用。

随着新的智能控制算法的不断涌现，移动机器人正向着智能化方向发展，这就对运动控制系统性能提出了更高的要求。

设计实现智能移动机器人的控制系统，能够熟悉移动机器人硬件和软件的开发，掌握移动机器人的运动控制特性，为后续的移动机器人的功能扩展搭建一个可行、稳定的平台，而这个平台则可以成为多种机器人开发的公共基础平台。

实现智能移动机器人控制系统的开发具有一定的现实意义，将为以后的移动机器人开发奠定坚实基础。

二．国内外研究现状
移动机器人的研究始于60年代末期斯坦福研究院（SRI）的Nils Nilssen
和Charles Roesn等人，在1966年至1972年中研制出了自主移动机器人Shakey。

70年代末，移动机器人研究又出现了新的高潮，特别是80年代中期以来，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。

一大批世界著名的公司，如美国通用电气、
日本本田、索尼等开始研制移动机器人平台，这些促进了移动机器人学多种研究方向的出现。

例如，轮式移动机器人的代表作有：Smart Robots公司推出的新型基于Linux的移动机器人SR4；美国Activmedia Boties公司用于教学的P3-Dx 轮式移动机器人；卡内基梅隆研发的Nomad移动机器人；美国国家航天航空局闻名遐迩的火星登陆车“勇气号”等。

我国的机器人学研究起步较晚，但进步较快，已在工业机器人特种机器人和智能机器人各个方面都取得了显著成绩。

在“七五“期间，完成了示教再现工业机器声成套技术。

为了跟踪国外搞技术，80年代国家高技术计划中安排了智能机器人的研究开发，包括水下无缆机器人高功能装配机器人和多种特种机器人。

进行了智能机器人体系结构、机构、控制、人工智能、机器视觉，高性能传感器及新材料的应用研究，取得了大量成果。

其中，轮式移动机器人的研究也硕果累累。

国内研究轮式移动机器人的科研单位及公司主要有研制能力风暴的as-r机器人的上海广茂达伙伴机器人有限公司；研制的casia-i自主移动机器人的中科院自动化所；研制“青青”轮式移动机器人的哈尔滨工业大学，研制“小蜘蛛”轮式移动机器人登月车的上海交大等。

当前，移动机器人技术的研究与发展的趋势包括有：机器人机构导航定位路径规划传感器信息融合技术智能技术移动机器人传感器技术等研究。

我国自“八五”期间开始进入这一研究领域，并在国家863计划中予以重点支持。

较为全面对路径规划、视觉导航、信息融合、自动驾驶等一些基本的智能机器人技术做了探索，所形成的一些关键技术成果也在其他领域得到应用。

我国在机器人技术与自动化工艺装备等方面已经取得了突破性进展，缩短了同发达国家的差距，但是在机器人的核心及关键技术的原创性研究、高性能关键工艺装备的自主设计和制造能力、高可靠性基础功能部件的批量生产应用方面，同发达国家相比，我国仍存在较大差距。

三．课题任务、重点内容、实现途径
通过对各项机器人技术的研究与分析，设计了满足教学实验要求的智能移动机器人系统，完成机器人车体结构、传感系统、运动执行系统、通信系统的功能设计和模块化实现，以及机器人系统工程的整体设计，并着重研究嵌入式控制系统的软硬件系统设计。

需完成移动机器人的结构图纸1份、智能移动机器人原理。