文档介绍：仿生微小机器人模糊PID控制系统设计
1 引言
在人类不断地探索自然、认识自然和改造自然的历史中,机械与自动化一直是人们不断探求的技术之一,无论是用于农业的磨盘和播种机、用于出行的马车和飞机还是用于战争的弩机和机枪,无疑都是人类在这一领域智慧结晶的具体展现,都标志着人类科技的持续进步。而“机器人”这一代表着机械与自动化技术完美结合与最高成就的产物,正是人类不断解放生产力、发展生产力的必然产物,是当下人类最为向往的技术之一。
机器人”是存在于多种语言和文字中的新造词,它体现了人类长期以来的一种愿望,即创造出一种象人一样的机器甚至是人造人,以便能够代替人去进行各种工作[1J。从传说中三千年前诸葛亮设计的“木牛流马”到20世纪20年代捷克作家凯培克在《罗莎姆的万能机器人中》所创造和描述的“Robot”,都显示出人类对机器人的美好憧憬。根据美国作家阿西莫夫在小说中提出并被机器人研究者、制造商和用户所广泛接受的“机器人三守则”所述,机器人必须不危害人类,也不允许它眼看人将受害而袖手旁观;机器人必须绝对服从于人类,除非这种服从有害于人类;机器人必须保护自身不受伤害,除非为了保护人类或者是人类命令它做出牺牲。从初创时起,机器人就成为世界各国争相研究和发展的热点,发展至今已在工业领域,如焊接、装配等产业发挥着广泛的作用,并逐渐步入航空航天、地下水下、生活娱乐等领域,具有很高的科研和产业价值。因此机器人技术的发展程度对国家的发展具有重要的战略和现实意义。
本论文主要进行以下的具体研究工作:
二战期间美国军方首先研究并投入生产的遥控操作器和数控机床,标志着现代机器人技术[2]开始走向应用。近年来,机器人技术在军事、航天、建筑、工业等领域都获得了快速显著的发展,在最艰苦、最危险的工作环境下协助或者代替人类进行着大量的工作,如排爆机器人、无人机、水下机器人、火星探测机器人等,同时也大大提高了生产效率,如各种工业机械臂等为人类做出了巨大的贡献。机器人学交叉融合了机械、电子、材料、计算机、自动化、传感技术、控制技术、人工智能、仿生学等各门学科和技术,立足高科技发展的前沿,成为当今科技发展的标杆,是目前发展最活跃的研究领域之一,并且开始逐渐步入人们的日常生活中,各种服务型机器人、娱乐型机器人的产生已经开始改变人们的生活、娱乐方式。目前机器人学不断发展,各种新型机器人层出不穷,其中又以仿人机器人最为引人注目13一,]。仿人机器人是模拟人的形态和行为的机器人,其具有类似体理结构的关节连杆结构,通常有头部、身体、腰、手、足等部件组成,并由各种传感器来模拟视觉、触觉等方面的功能,可以模拟人类行走、抓握等行为方式。因为仿人机器人拥有类似人类的外形和物理结构,更容易和人类相处,这类机器人的出现标志着该领域新时代的开始,对其研究已经成为机器人领域世界各国竞相发展的重点。仿人机器人比普通机器人有更强的性能和适应性,但因此也极大地增加了结构复杂度,其关节连杆结构和自由度成倍增加,也加大了设计与制造时的工作量和难度,对机器人研究领域提出了新的挑战。
目前机器人领域研究开发主要困难在于实物机器人结构复杂、价格昂贵、故障排除困难和损耗较大。同时机器人(尤其是仿人机器人)通常是由多连杆、多自由度组成的复杂结构。在实际开发和测试实物机器人的过程中,需要设计和解析其复杂的机械结构,采集并分析其大量的运动学、动力学参数,设计和验证机浙江大学硕士学位论文第】章绪论器人运动规划数据(如仿人机器人步态规划数据),通过反复实验以完成机械结构设计的精确度和规划数据设计的准确性等校验。随着机器人机械结构日趋复杂,传统设计过程中采用人工计算需要极大的工作量,这是困难而低效的,也因此带来了技术研究的瓶颈。目前突破传统设计的一个主要方向是采用建模与仿真方法,即通过对机器人硬件及所处环境建模并仿真,以有效提高机器人控制软件和算法的开发效率,提供更优越的软件测试条件,减少不必要的扰动和噪声,并降低硬件损耗以避免不必要的损失,降低机器人研究、开发与实验的难度。机器人建模系统可建立机器人所处环境模型和机器人自身模型。环境模型包括机器人所处现实物理环境各种物体的模拟,通过建立地面、障碍物、目标物等模型支持机器人与虚拟环境的交互。机器人自身模型包括机器人几何外型模型、连杆结构模型、物理结构模型、驱动器模型等。通过此类建模可以实现在虚拟实环境中构建模型并进行相应测试和修改,通过校验验证其真实机械结构设计的精确度,从而减少人工计算量和实物实验成本。机器人仿真系统可在虚拟环境下展现机器人所处的真实世界,在获取机器人模型后通过对其进行仿真,可模拟其机械结构、控制系统和运动规划,并在虚拟的仿真环境下完成机器人的运动学、动力学分析,模拟其运动过程和结果,反馈各种有