电动机控制系统的设计毕业设计.doc

绪论 课题研究背景 机器人（Robot）是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。它不但可以提高工人的生产效率，还可以代替人类从事乏味、劳累和危险的工作，甚至完成人类不能胜任的工作，因而日益受到人们的重视。随着人类探索太空、建设航天站、开发海洋、军事作战与反恐侦察等任务和需求的增加，人们对机器人的性能提出了更高的要求。它可以说是高级整合控制论、机械电子、计算机、材料和仿生学的产物。目前在工业、医学、农业、建筑业甚至军事等领域中均有重要用途。 我国从1987年实施国家“863”高技术研究发展计划以来，把智能机器人确立为自动化领域的主体之一，在特种机器人、机器人应用工程、机器人基础学科等方面取得了很大成绩。其中非结构环境下的机器人是当今世界最重要的高技术之一，它集计算机、微电子、传感、自动控制等技术为一身，己成为衡量一个国家科技水平的重要标志之一。 仿生学（Bionics）是20世纪60年代出现的一门综合性边缘科学，它由生命科学与工程技术学科相互渗透、相互结合而成，通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造性的机械、仪器、建筑和工艺过程。仿生学将有关生物学原理应用到对工程系统的研究与设计中，尤其对当今日益发展的机器人科学起到了巨大的推动作用。在35亿年进化过程中，生物发展了灵巧的运动机构和机敏的运动模式，成为机器人技术创新发展的源泉之一。仿生机器人就是模仿自然界中生物的精巧结构、运动原理和行为方式等的机器人系统。科学家们向生物学习，创造出了众多高性能的仿生机器人，如机器鱼、机器蛇、机器蝇，以及各种仿生材料。 壁虎是一种可在地面、陡壁、天花板等不同法向面上自由灵活运动的四足动物。科学家以壁虎的这种运动能力为研究模仿对象，研制出了各种爬壁机器人，爬壁机器人在民用、军事、航天上具有广泛的用途，因而越来越受到人们的重视。在民用领域，爬壁机器人被用来清洗大厦外壁墙面和玻璃、检测舰船船体、检测核密封罐等；在军事反恐领域，爬壁机器人可用来进行侦察窃听、研制蛙人等；在航天领域，爬壁机器人可用来进行舱外维修等。但传统爬壁机器人的吸附原理和移动机理与真实壁虎毫无关系，其缺点限制看应用环境和工作范围，而壁虎的吸附原理和移动方式为突破传统爬壁机器人的限制提供了新的思路，因而成为一个新的研究方向。 国内外研究现状 目前仿壁虎机器人技术的研究主要分为吸附技术的研究与移动技术的研究，吸附技术研究主要是围绕研制仿壁虎脚掌的吸附材料展开，移动技术则主要是模仿生物的灵巧移动方式。目前，美国、日本等西方发达国家都在开展仿壁虎机器人方面的研究，美国处在领先的位置，但仍处于初级阶段。我国也已开展这方面的研究，其中在壁面清洗方面实现了爬壁机器人的应用，在壁虎脚掌吸附材料研制上也取得一定成果，但距离国外研究水平仍有一定的差距。 美国 图1-1 图1-1所示是美国斯坦福大学的一个研究小组在2006年开发的一种仿壁虎机器人，称为Stickybot 。Stickybot具有4只粘性脚足，每个脚足有4个脚趾，趾底长着数百万个极其微小的用于粘附的人造毛发（由人造橡胶制成），每个脚趾都有脚筋，脚筋可以实现脚趾的外翻与展平。每个脚足上的4个脚筋可以联动，从而轻松实现脚足与附着面的最大接触以及脚足粘附材料与附着面的吸附于脱附。从图上分析，壁虎的腿是个四杆机构，依靠一个电机实现腿的前后移动，并借助另外一个电机实现四杆机构平面的转动从而实现抬腿动作。此外，应该另有一个马达实现壁虎脚趾的驱动。Stickybot 从吸附原理、运动形式、机器人外形上都比较接近真实的壁虎。 CMU（Carnegie Mellon University）微小型机器人实验室研制了两种结构形式的爬壁机器人。一种是具有两个行走轮、每个行走轮上具有3个吸附足的爬壁机器人，吸附足采用特殊的粘性材料粘附在墙面上。其移动方式本质上是轮式移动，前进和倒退通过改变两个轮子的转动方向即可实现。支撑足与轮毂是球销副连接，既可以在行进时围绕足踝轴转动，也可在转弯时围绕足中心轴旋转。转弯的时候一边的轮子不转，通过另一边的轮子转动来实现机器人的转弯。由于采用滚动方式，因而可以实现不同法向面的过渡，即从地面可自主爬到竖直面上。它的机构比较巧妙，用两个足式轮子实现了爬行、转弯等运动，还可以实现墙面过渡。缺点是采用的是粘性材料对壁面的要求较高，稳定性不是很好，吸附面积有限，载重能力不强。 另一种是CMU开发的履带式壁虎机器人，其履带是由特殊的粘性材料制作的，可以粘在墙面上，使得机器人在墙面上的行走有如履带机器人在地面上的行走。其移动就是履带传动，通过两头动力轮的转动实现履带在墙面上的移动，在前端的履带被压在墙面上实现粘