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机器人技术和计算机集成制造 多功能四足机器人的模块化设计 摘要 现代工业使用多种类型的机器人。除了普通的机械手臂，两足，三足，还有四足机器人，四足机器人最初是为了开发玩具，现在越来越多的应用于制造业中。这项研究始于建立具有多种功能的四足机器人平台，高灵敏度，模块化装配，这是我们构造工业机器人的基本模型。在额外负载下，四足机器人的四条腿能增强其承载能力，它的可靠性要高于两足或三足机器人，这有助于它携带更多的物品并提高性能。根据不同的要求和制造工艺要求，高度敏感的四足机器人提供了一个扩展接口，添加不同的传感元件。此外，当与无线通讯模块或独立的1.2GHz的射频电荷耦合装置无线图像传输系统相结合，用户可以远程控制机器人，即时。该设计有助于四足机器人扩大其应用。通过拆装模块和改变传感元件，高度敏感的四足机器人可用于不同的任务。此外，机器人的远程控制功能将增加与人类的相互作用，因此它可以非常多的卷入人们的生活工作。四足机器人平台将为不同的工业机器人的商业化设计提供参考，并将提供更多的选择和有用的创意应用工业机器人的设计。 1.介绍 1977年，Gollidary和Hemani [1]采用拉格朗日动力学理论推导出的线性化的双足机器人数学模型来分析其稳定性，可操作性，和可观察性。1980年，Miyazaki和Arimoto [2] 应用奇摄动法将双足机器人的快速模式和慢速模式的动力学行为进行分类，然后他们在此方法的基础上设计的控制器。1986年，Railbert出版了他的著作《步行机器人的平衡》，这对单足，双足和四足油压机器人的研究作出了卓越贡献。双足机器人结合不同学科的研究，如机械学，电子工程，控制工程，生物工程和机器人技术。主要研究内容包括腿部机制的设计，步态规划，步行跟踪和平衡控制理论。Hira [3]设计的全负荷二自由度双足机器人，该机器人是由一个骨架和两个延伸脚。它的机械系统有4个自由度，2个旋转和2个移动自由度，减去2个限制自由度，两足的总长度是一个常数。骨架存放在两腿之间的中心。为了防止它倾倒，机器人的腿和脚安装垂直于地面。从侧面看，它就像3连杆的运动。因此，双足机器人能够在地面上直立行走。日本本田的第一代机器人是由本田RD中心[3]研发。 该机器人没有身体，只有一个连接手臂的悬空骨架。这个双足机器人有12个自由度，包括3个髋关节自由度，1个膝关节自由度，2个踝关节自由度，从正面看有5联接4自由度，从侧面看有7联接6自由度。两腿的重量大约只有总重量5-10％。如果装载的手臂对平衡没有影响，并且两个手臂重量占总重量的比重小，那么机器人将可以步行上下楼梯，在斜度小于10度的斜面上前进或者后退。在成功操作机器人移动或者将物品从一个地方搬运到另一个地方之前，必须要跟随一种运动轨道。有几种方法来生成行走轨道，一种是通过观察真人的步态，而另一种通过即时计算。1970年，Vukobratovic等人，通过数值方法计算双足机器人的动态移动路径，Kato通过相同的方法得出了他的双足机器人的动态移动路径，然而，当机器人移动时，它需要较长的时间来计算所涉及到的轨迹，而且这很难适应不同的表面。除非CPU可以更快或简化算法，数值方法仍然有计算缓慢的问题，其他的方法来生成行走轨道包括输入最小能量，用神经网络和遗传法则。 机器人的手臂自由度取决于机器人的类型，灵活性可以像人类的手臂一样。机器人手臂运动学是关于机器人手臂在一段时间内相对于固定坐标系的运动。在传统的分析中，机器人的底部被当作一个参考点，其他运动必须以该参考点为基础。一旦我们知道机器人手臂上所有联结点的位置，我们可以计算出手臂端部在空间的确切位置。现代商业机器人配备了混合旋转和滑动节点来与手臂或机器人手腕部分相连。旋转结点控制了两个连杆精确的角度运动，滑动结点仅控制两个连杆的线性运动。从理论上讲，其他的连接关系是可能的，然而，事实上只采用这两个连接。连杆和结点的串行联结叫做链，链可以打开或关闭。每一个链末端的连杆只连接一个结点，一个开式链指不连接靠近底部的连杆，相反一个闭合链指连接在前结点的连杆。现代工业机器人的主要类型是开式链。分析和控制机器人的手臂需要分析控制理论的发展。一个拥有多个结点的手臂被相互作用的内力和外部环境所影响，需要更加复杂的分析，Paul在同质变换矩阵方法和坐标转换领域的研究对机器人运动的分析是有益的参考。给定一个较大的模型或一个复杂的生物系统，人们通常面临的问题是需要对很多的参数进行调整。参数之间的广泛因素的相互作用，使得对模型的动态行为分析变得困难，参数的含义和值有助于克服这个问题。在这里，我们可以使用一个渐进的实验技术（称为侦察）去自主探索参数空间。这是一种自主探测技术，它使用理论值和实验值之间的偏差作为合适的估算值。为了获得大的动态生物学模型的运动信息，这种方法已被广