第一篇：四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述_-_副本

四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

（）

摘要：對(duì)國(guó)內(nèi)、外四足步行機(jī)器人的研究發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述，對(duì)四足步行機(jī)器人亟需解決的問(wèn)題進(jìn)行了論述，并對(duì)未來(lái)可能的研究發(fā)展方向進(jìn)行了展望。關(guān)鍵字：四足步行機(jī)器人；研究現(xiàn)狀；展望

1、引言

四足步行機(jī)器人是機(jī)器人家族的一個(gè)重要分支，其不僅承載能力強(qiáng)，而且容易適應(yīng)不平的地形。它既能使用靜態(tài)穩(wěn)定的步態(tài)緩慢平滑地行走，又能以動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的步態(tài)跑動(dòng)。與輪式、履帶式移動(dòng)機(jī)器人相比，在崎嶇不平的路面，步行機(jī)器人具有獨(dú)特優(yōu)越性能，在這種背景下，步行機(jī)器人的研究蓬勃發(fā)展起來(lái)。而仿生四足步行機(jī)器人的出現(xiàn)更加顯示出步行機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)：

（1）四足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡是一系列離散的足印，運(yùn)動(dòng)時(shí)只需要離散的點(diǎn)接觸地面，對(duì)環(huán)境的破環(huán)程度也較小，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)的支撐點(diǎn)，對(duì)崎嶇的地形的適應(yīng)性強(qiáng)。

（2）四足步行機(jī)器人的腿部具有多個(gè)自由度，使運(yùn)動(dòng)的靈活性大大增強(qiáng)。它可以通過(guò)調(diào)節(jié)腿的長(zhǎng)度保持身體水平，也可以通過(guò)調(diào)節(jié)腿的伸展程度調(diào)整重心位置，因此不易翻到，穩(wěn)定性更高。

（3）四足步行機(jī)器人身體與地面是分離的，這種機(jī)械結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于：運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)還具有主動(dòng)隔振能力即允許機(jī)身運(yùn)動(dòng)軌跡和足運(yùn)動(dòng)軌跡解耦，機(jī)器人的身體可以平穩(wěn)的運(yùn)動(dòng)而不必考慮地面的粗糙度和腿的放置位置。

（4）機(jī)器人在不平地面和松軟路面上的運(yùn)動(dòng)速度較快，能耗較低。

2、國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)60年代，四足步行機(jī)器人的研究工作開始起步。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)器人控制技術(shù)的研究和應(yīng)用，到了20世紀(jì)80年代，現(xiàn)代四足步行機(jī)器人的研制工作進(jìn)入了廣泛開展的階段。

世界上第一臺(tái)真正意義的四足步行機(jī)器人是有Frank和McGhee于1977年制作的。該機(jī)器具有良好的步態(tài)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，但缺點(diǎn)是，該機(jī)器人的關(guān)節(jié)是由

四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

邏輯電路組成的狀態(tài)機(jī)控制的，因此機(jī)器人的行為受到限制，只能呈現(xiàn)固定運(yùn)動(dòng)形式。

20世紀(jì)80，90年代最具代表性的四足步行機(jī)器人是日本Shigeo Hirose實(shí)驗(yàn)室研制的TITAN系列。1981~1984年Hirose教授研制成功腳步裝有傳感和信號(hào)處理系統(tǒng)的TITAN-III。它的腳底步由形狀記憶合金組成，可自動(dòng)檢測(cè)與地面接觸的狀態(tài)。姿態(tài)傳感器和姿態(tài)控制系統(tǒng)根據(jù)傳感信息做出的控制決策，實(shí)現(xiàn)在不平整地面的自適應(yīng)步行。TITAN-VI機(jī)器人采用新型的直動(dòng)性腿機(jī)構(gòu)，避免了上樓梯過(guò)程中兩腿的干涉，并采用兩級(jí)變速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，對(duì)腿的支撐相和擺動(dòng)相分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

2000-2003年，日本電氣通信大學(xué)的木村浩等人研制成功了具有寵物狗外形的機(jī)器人Tekken-IV，如圖1所示。它的每個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)光電碼盤，陀螺儀，傾角計(jì)和觸覺(jué)傳感器。系統(tǒng)控制是由基于CPG的控制器通過(guò)反射機(jī)制來(lái)完成的。Tekken-IV能夠?qū)嵕€不規(guī)則地面的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)步行，顯示了生物激勵(lì)控制對(duì)未知的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的優(yōu)點(diǎn)。它的另一特點(diǎn)是利用了激光和CCD攝像機(jī)導(dǎo)航，可以辨別和避讓前方存在的障礙，能夠在封閉回廊中實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞快速行走。

目前最具代表性的四組步行機(jī)器人是美國(guó)Boston dynamics實(shí)驗(yàn)室研制的BigDog，如圖2所示。它能以不同的步態(tài)在惡劣的地形上攀爬，可以負(fù)載高達(dá)52KG的重量，爬升可達(dá)35°的斜坡。其腿關(guān)節(jié)類似動(dòng)物腿關(guān)節(jié)，安裝有吸收震動(dòng)部件和能量循環(huán)部件。同時(shí)，腿部連有很多傳感器，其運(yùn)動(dòng)通過(guò)伺服電機(jī)控制。該機(jī)器人機(jī)動(dòng)性和反應(yīng)能力都很強(qiáng)，平衡能力極佳。但由于汽油發(fā)電機(jī)

四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

需攜帶油箱，故工作時(shí)受環(huán)境影響大，可靠性差。另外，當(dāng)機(jī)器人行走時(shí)引擎會(huì)發(fā)出怪異的噪音。

國(guó)內(nèi)四足機(jī)器人研制工作從20世紀(jì)80年代起步，取得一定成果的有上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等。

上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所于1991年開展了JTUWM系列四足步行機(jī)器人的研究。1996年該研究所研制成功了JTUWM-III，如圖3所示。該機(jī)器人采用開式鏈腿機(jī)構(gòu)，每個(gè)腿有3個(gè)自由度，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，外形輕巧，體積小，質(zhì)量輕等特點(diǎn)。它采用力和位置混合控制，腳底裝有PVDF測(cè)力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合，實(shí)線了對(duì)角動(dòng)態(tài)行走。但行走速度極慢，極限步速僅為1.7KM/h,另外其負(fù)重能力有限，故在實(shí)際作業(yè)時(shí)實(shí)用性較差。

清華大學(xué)所研制的一款四足步行機(jī)器人，它采用開環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)作為步進(jìn)機(jī)構(gòu)，通過(guò)模擬動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運(yùn)動(dòng)，可以自主應(yīng)付復(fù)雜的地形條件，完成上下坡行走，越障等功能。不足之處是腿運(yùn)動(dòng)時(shí)的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜，而且承載能力較小。

四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

3、國(guó)內(nèi)外的關(guān)鍵技術(shù)分析

（1）機(jī)械本體研究

四足步行機(jī)器人是機(jī)電一體化系統(tǒng)，涉及到機(jī)構(gòu)、步態(tài)、控制等，而機(jī)械機(jī)構(gòu)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)。在機(jī)械本體的設(shè)計(jì)中腿部機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。目前，研制的四足步行機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)形式主要有縮放型機(jī)構(gòu)、四連桿機(jī)構(gòu)、并聯(lián)機(jī)構(gòu)、平行桿機(jī)構(gòu)、多關(guān)節(jié)串聯(lián)機(jī)構(gòu)和緩沖型虛擬彈簧腿機(jī)構(gòu)。其中，并聯(lián)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)多方位運(yùn)動(dòng)，且負(fù)載能力強(qiáng)，所以具有較好的應(yīng)用前景，但控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。另外，含有彈性元件的緩沖型虛擬彈簧腿機(jī)構(gòu)，利用彈性元件把剛性連接變?yōu)槿嵝赃B接，減緩機(jī)器人在動(dòng)態(tài)行走時(shí)的沖擊以及由此產(chǎn)生的振動(dòng)，因此該機(jī)構(gòu)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

（2）步態(tài)研究

步行機(jī)器人幾種典型步態(tài)有：爬行、對(duì)角小跑、溜蹄、跳躍、定點(diǎn)旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)向等。在文獻(xiàn)[7]中，提出了爬步態(tài)的理論，并證明了該步態(tài)具有最大的靜穩(wěn)定性。對(duì)角小跑步態(tài)屬于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定步態(tài)，能夠提高運(yùn)動(dòng)速度。跳躍式步態(tài)較其它步態(tài)在前進(jìn)的效率上具有明顯的優(yōu)勢(shì)，但是由于受到腿機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)慣性力和關(guān)節(jié)處大沖擊力的影響，因此需要較大的瞬時(shí)驅(qū)動(dòng)力。另外，跳躍持續(xù)的時(shí)間是短暫的，為了保證機(jī)器人實(shí)時(shí)可控，必然需要在極短的時(shí)間內(nèi)采集多種信號(hào)，這對(duì)目前的驅(qū)動(dòng)元件和傳感器都提出了極高的要求。目前所研究的各種步態(tài)中，跳躍步態(tài)的研究是最具挑戰(zhàn)性的難點(diǎn)問(wèn)題。

（3）控制技術(shù)研究

復(fù)雜四足步行機(jī)器人的控制系統(tǒng)是非線性的多輸入和多輸出不穩(wěn)定系統(tǒng)，四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

具有時(shí)變性和間歇?jiǎng)討B(tài)性。目前四足機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)大多數(shù)是基于步態(tài)的幾何位置軌跡規(guī)劃、關(guān)節(jié)位置控制的規(guī)劃和控制策略。而對(duì)機(jī)器人進(jìn)行單純的幾何位置規(guī)劃與控制，則會(huì)由于慣性、腳力失衡等因素而導(dǎo)致機(jī)器人失穩(wěn)。解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵就是突破單一的位置規(guī)劃與控制策略，實(shí)施機(jī)器人力、位置混合控制。在步態(tài)生成和控制方面，有理論突破意義的是基于生物中樞模式發(fā)生器(CPG)原理的運(yùn)動(dòng)控制方法。

（4）驅(qū)動(dòng)能源研究

在線提供能源受到空間的限制，而蓄電池組受體積和重量的限制，因此尋求提供持續(xù)可靠的離線自帶電源就成了必須。隨著新型電池的研發(fā)，新型太陽(yáng)能電池、燃料電池、鋰電池等成為較為理想的能量供給來(lái)源。另外，通過(guò)微波對(duì)微型機(jī)器人提供能量和控制信號(hào)也是一種較為可觀的方法。

4、存在的問(wèn)題

從20世紀(jì)60年代至今研究者們對(duì)四足步行機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)的分析做了大量的工作，在一些基礎(chǔ)理論問(wèn)題上取得了一定的突破，使四足步行機(jī)器人的技術(shù)水平不斷得到提高。但在四足步行機(jī)器人發(fā)展過(guò)程中仍有一些亟需解決的問(wèn)題：

（1）步行機(jī)器人的結(jié)構(gòu)仿生設(shè)計(jì)問(wèn)題；（2）在不平地面移動(dòng)的速度、穩(wěn)定性問(wèn)題；（3）四足步行機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃問(wèn)題；（4）步行機(jī)器人仿生控制方面的問(wèn)題；

（5）有些步行機(jī)器人的體積和質(zhì)量都很大問(wèn)題；（6）多數(shù)步行機(jī)器人研究平臺(tái)的承載力不強(qiáng)問(wèn)題；

5、展望

隨著對(duì)四足步行機(jī)器人的研究的日益深入和發(fā)展，四足步行機(jī)器人在速度、穩(wěn)定性、機(jī)動(dòng)性和對(duì)地面的適應(yīng)能力等方面的性能都將不斷提高，自主化和智能化也將逐步的實(shí)現(xiàn)，從而使其能夠在更多特殊環(huán)境和場(chǎng)合中使用，因此具有廣闊的應(yīng)用前景。

縱覽當(dāng)前四足機(jī)器人的發(fā)展，四足步行機(jī)器人有以下幾個(gè)值得關(guān)注的趨勢(shì)：

四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

（1）實(shí)現(xiàn)腿機(jī)構(gòu)的高能，高效性；（2）輪，足運(yùn)動(dòng)相結(jié)合；（3）步行機(jī)器人微型化；

（4）增強(qiáng)四足步行機(jī)器人的負(fù)載能力；（5）機(jī)器人仿生的進(jìn)一步深化；

6、總結(jié)

盡管四足步行機(jī)器人技術(shù)有了很大的發(fā)展，足式機(jī)器人的研究平臺(tái)有很多，但制約四足機(jī)器人技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的基礎(chǔ)理論問(wèn)題并沒(méi)有得到根本的解決，其中，許多樣機(jī)還達(dá)不到生物簡(jiǎn)單運(yùn)動(dòng)的速度和穩(wěn)定性。正如著名機(jī)器人學(xué)家Geles教授所言：“步行機(jī)器人的理論研究步伐要遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于其技術(shù)開發(fā)的步伐”?，F(xiàn)有的四足機(jī)器人的基礎(chǔ)技術(shù)研究尚不夠成熟和完善，足式機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)還有待于進(jìn)一步大力開發(fā)。

7、參考文獻(xiàn)

[1] McGhee.R.B.Robot locomotion[A].In R.Herman, S.Grillner,P.Stein,and

D.Stuart, editors, al control of lNeurocomotion[C].Plenum Press.1976:237-264.[2] Shigeo.Hirose, Tomoyuki.Masui, Hidekazu.Kikuchi.TITAN-III: A Quadruped

Walking Vehicle-Its Structure and Basic Characteristics.Robotic

Research(2nd Int.Symp.).The MIT Press, 1985：325-331.[3] 王洪波，徐桂玲，胡星，張典范，張雄.四足并聯(lián)腿步行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)[J].燕山大學(xué)河北省并聯(lián)機(jī)器人與機(jī)電系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室.秦皇島.066004.[4] 雷靜桃，高峰，崔瑩.多足步行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及展望 [M ].北京航空航天大學(xué) 汽車工程系.北京.100083.[5] 查選芳，張融甫.多足步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào).1995.25(2).[6] 郭成，談士力，翁盛隆.微型爬壁機(jī)器人研究的關(guān)鍵技術(shù)[J].制造業(yè)自動(dòng)化.2004.26(7).[7] 王吉岱，盧坤媛，徐淑芬，雷云云.四足步行機(jī)器人研究現(xiàn)狀及展望[M ].山

四足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)文獻(xiàn)綜述

東科技大學(xué) 機(jī)械電子工程學(xué)院.青島.266510.[8] 陸學(xué)東.多足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制.[M ].華中科技大學(xué)出版社.2006.2.[9] 宣奇波，張懷相，戴國(guó)駿.四足步行機(jī)器人穩(wěn)定性步態(tài)規(guī)劃.杭州電子科技大學(xué)計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究所.浙江 杭州 310018.[10] 朱學(xué)彪.液壓驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).[M ].武漢科技大學(xué) 機(jī)械自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430081

第二篇：雙足步行機(jī)器人相關(guān)翻譯

本科畢業(yè)論文

外文文獻(xiàn)及譯文

文獻(xiàn)、資料題目：Walking Control algorithm of

Biped Humanoid Robot

文獻(xiàn)、資料來(lái)源：期刊

文獻(xiàn)、資料發(fā)表（出版）日期：1999.6.3 院（部）： 理學(xué)院

專

業(yè)： 光信息科學(xué)與技術(shù) 班

級(jí)： 光信112 姓

名： 王若宇 學(xué)

號(hào)： 2011121135 指導(dǎo)教師： 趙俊卿 翻譯日期： 2015.5.14

山東建筑大學(xué)畢業(yè)論文外文文獻(xiàn)及翻譯

外文文獻(xiàn)：

Walking Control algorithm of Biped Humanoid Robot

Many studies on biped walking robots have been performed since 1970 [1-4].During that period, biped walking robots have transformed into biped humanoid robots through the technological development.Furthermore, the biped humanoid robot has become a one of representative research topics in the intelligent robot research society.Many researchers anticipate that the humanoid robot industry will be the industry leader of the 21st century and we eventually enter an era of one robot in every home.The strong focus on biped humanoid robots stems from a long-standing desire for human-like robots.Furthermore, a human-like appearance is desirable for coexistence in a human-robot society.However, while it is not hard to develop a human-like biped robot platform, the realization of stable biped robot walking poses a considerable challenge.This is because of a lack of understanding on how humans walk stably.Furthermore, biped walking is an unstable successive motion of a single support phase.Early biped walking of robots involved static walking with a very low walking speed [5,6].The step time was over 10 seconds per step and the balance control strategy was performed through the use of COG(Center Of Gravity).Hereby the projected point of COG onto the ground always falls within the supporting polygon that is made by two feet.During the static walking, the robot can stop the walking motion any time without falling down.The disadvantage of static walking is that the motion is too slow and wide for shifting the COG.Researchers thus began to focus on dynamic walking of biped robots [7-9].It is fast walking with a speed of less than 1 second per step.If the dynamic balance can be maintained, dynamic walking is smoother and more active even when using small body motions.However, if the inertial forces generated from the acceleration of the robot body are not suitably controlled, a biped robot easily falls down.In addition, during dynamic walking, a biped robot may falls down from disturbances and cannot stop the walking motion suddenly.Hence, the notion of ZMP(Zero Moment Point)

第三篇：四足步行機(jī)器人外文翻譯1

新興的運(yùn)動(dòng)模式四足機(jī)器人氣動(dòng)肌肉用的模型

保德山田，聰西川，伊士達(dá)和康夫國(guó)芳 研究生信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，東京大學(xué)

大學(xué)院情報(bào)研究，東京大學(xué)

1、動(dòng)機(jī)，問(wèn)題的陳述，相關(guān)工作

動(dòng)物的進(jìn)化過(guò)程形成了形態(tài)和神經(jīng)系統(tǒng)從彼此相互適應(yīng)而達(dá)到一個(gè)在環(huán)境中有效的感覺(jué)整合。作為一個(gè)結(jié)果，各種復(fù)雜行為的標(biāo)志，通過(guò)能耗效率以及從動(dòng)態(tài)自組織產(chǎn)生互動(dòng)的身體、神經(jīng)系統(tǒng)和環(huán)境。這些技能是可能的，一方面，因?yàn)樯窠?jīng)系統(tǒng)利用身體的物理屬性，而另一方面通過(guò)感官刺激形成體動(dòng)力學(xué)神經(jīng)力學(xué)結(jié)構(gòu)。這構(gòu)成了一個(gè)體現(xiàn)智能[1] [2] [3]的基本屬性。

近年來(lái),許多研究已經(jīng)發(fā)展到更好地了解潛在的機(jī)制動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)技能和如何將它們應(yīng)用在機(jī)器人[4][5]。此外，特定的注意力被集中在中央的模式發(fā)生器在仿生機(jī)器人[6]中來(lái)復(fù)制動(dòng)物運(yùn)動(dòng)。舉例來(lái)說(shuō)，像狗一樣的鐵拳系列[7]可以使用感官反饋實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)，而類似昆蟲的AMOS-WD06[8]可通過(guò)利用中央政府模型的混沌特性產(chǎn)生各種復(fù)雜的行為。然而，這些機(jī)器人不用容易開發(fā)的物理身體就能實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)，是因?yàn)樯眢w過(guò)于僵化或受線性電磁馬達(dá)控制。相反，動(dòng)物的骨骼肌肉系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜和冗余的非線性結(jié)構(gòu)形態(tài)構(gòu)成粘彈性肌腱組織材料[9]的肌肉。一些研究都集中在中樞神經(jīng)系統(tǒng)和他們的身體的研究[10][11] [12]。出于這個(gè)原因，我們建議在四足機(jī)器人中調(diào)查這個(gè)問(wèn)題，以及神經(jīng)系統(tǒng)隨著體動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)如何互相感應(yīng)，以產(chǎn)生各種適應(yīng)性行為的議案。

2、技術(shù)方法

我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)簡(jiǎn)單的十分真實(shí)的四足機(jī)器人去捕捉動(dòng)物骨骼系統(tǒng)的重要特征，以實(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的體現(xiàn)。古典驅(qū)動(dòng)器已被麥吉類型氣動(dòng)人工肌肉替換，根據(jù)阻尼和彈性，重現(xiàn)一些生物肌肉的非線性特性 [12] [13] [14]（圖1）。在真正的肌肉中，傳感反饋是通過(guò)感覺(jué)到的肌肉長(zhǎng)度的肌梭和感知肌張力的高爾基腱器官完成的。我們通過(guò)使用壓力傳感器和電位器計(jì)算長(zhǎng)度和人工肌肉的張力來(lái)復(fù)制此功能的。

基于生物學(xué)的考慮，我們用小原國(guó)芳與他的同事們開發(fā)的脊髓延髓的系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)了神經(jīng)系統(tǒng)[15] [16]（圖2）。一個(gè)的脊髓延髓模式的單一元素組成肌肉、一個(gè)α和γ運(yùn)動(dòng)神經(jīng)元、傳入感覺(jué)中間神經(jīng)元和神經(jīng)的振蕩器模型。雖然每個(gè)元素不直接連接到總體，我們預(yù)計(jì)機(jī)器人的振蕩器的非線性光學(xué)性質(zhì)將建立彌散的互感器和動(dòng)力連接器條件從而產(chǎn)生全身的不同運(yùn)動(dòng)（圖3）。

圖1.麥吉?dú)鈩?dòng)人造肌肉的類型。

圖2.脊髓延髓模型。箭頭和填充圈分別代表興奮和抑制的連接。

圖3.脊髓延髓中體現(xiàn)的模型。

3、結(jié)果

在我們的實(shí)驗(yàn)中，感覺(jué)身體之間的動(dòng)力學(xué)與在同樣的一個(gè)實(shí)驗(yàn)中用自我組織的各種行為模式時(shí)尚的脊髓延髓系統(tǒng)修改動(dòng)態(tài)的腿配位順序之間的相互作用。

例如，機(jī)器人需要幾個(gè)步驟產(chǎn)生動(dòng)態(tài)向前運(yùn)動(dòng)（圖4左）。然后，通過(guò)執(zhí)行向后運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)步驟（圖4中），機(jī)器人切換到另一個(gè)模式。一段時(shí)間后，返回到其先前的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和重新生成向前運(yùn)動(dòng)（圖4右）。在實(shí)驗(yàn)中每個(gè)關(guān)節(jié)的角度來(lái)看，我們觀察到一些相同步和相交錯(cuò)模式（圖5）。

我們注意到，這種類型的運(yùn)動(dòng)在整個(gè)實(shí)驗(yàn)中并不經(jīng)常發(fā)生，這表明了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。例如，在一個(gè)實(shí)驗(yàn)中，我們觀察到的運(yùn)動(dòng)僅僅只是向后的。然而，這種行為運(yùn)動(dòng)顯示了各種模型例如左腿和右腿之間或者兩腿交錯(cuò)間的自動(dòng)相位同步模型。

圖4.運(yùn)動(dòng)行為的快照

圖5.時(shí)間序列的關(guān)節(jié)角度.4、實(shí)驗(yàn)

我們進(jìn)行了一些實(shí)驗(yàn)來(lái)生成四足動(dòng)物骨骼機(jī)器人的模型（圖6和圖7）的運(yùn)動(dòng)行為。在脊髓延髓的模型中，每個(gè)機(jī)器人的腿部肌肉是相互隔離的，并且沒(méi)有直接聯(lián)系。然而，我們預(yù)測(cè)，化身將在與環(huán)境的相互作用中為彌散互感器創(chuàng)造條件，目的是產(chǎn)生各種自適應(yīng)行為模式。

人工肌肉從外部壓縮機(jī)提供空氣，我們使用比例壓力控制閥控制肌肉內(nèi)部的壓力。機(jī)器人安裝有中央處理器板運(yùn)行實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)向壓力閥發(fā)送的命令和從壓力傳感器、電位器接收傳感器值。一個(gè)CPU板和計(jì)算神經(jīng)動(dòng)力學(xué)與外部PC機(jī)進(jìn)行通信。

圖6.四足氣動(dòng)肌肉機(jī)器人

圖7.肌肉的布局。紅色部分代表氣動(dòng)人工肌肉，藍(lán)色部分代表的是被動(dòng)肌肉構(gòu)

成彈簧。

5、實(shí)驗(yàn)的主要見(jiàn)解

在實(shí)驗(yàn)中，雖然我們對(duì)神經(jīng)系統(tǒng)的模型使用相同的參數(shù)，但是我們還是觀察到各種復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)模式。這些運(yùn)動(dòng)模式是個(gè)別肌肉的動(dòng)態(tài)連接器的結(jié)果–即，它們之間并沒(méi)有直接的連接：通過(guò)物理身體和神經(jīng)系統(tǒng)與環(huán)境的動(dòng)力相互作用。這一動(dòng)態(tài)同步的機(jī)制是復(fù)雜和與環(huán)境相適應(yīng)的，它探討了身體的自然運(yùn)動(dòng)模式。

在今后的實(shí)驗(yàn)中，我們將進(jìn)一步研究行為的自我組織模式機(jī)制所需的身體的性能和有利于構(gòu)成這一組織模式機(jī)制的神經(jīng)系統(tǒng)。

參考文獻(xiàn)

[ 1]R.A.布魯克斯.“無(wú)表征智能，人工智能”.1991,d第3期，卷47，第139–159.[ 2]R.普法倚費(fèi)爾,C.西契爾.了解情報(bào).麻省理工學(xué)院出版社，1999.[ 3]R.普法倚費(fèi)爾,J.C 本哥德.我們認(rèn)為身體是如何形成的：一種新的智力觀.麻省理工學(xué)院出版社，2006年.[ 4]H.木村，K.土屋，A.石黑，H.維特.動(dòng)物和機(jī)器的自相適應(yīng)運(yùn)動(dòng).高等教育出版社，2005年.[ 5]J.埃爾斯，J.L.戴維斯，A.魯?shù)?仿生機(jī)器人的神經(jīng)技術(shù).麻省理工學(xué)院出版社，2002年.[ 6]A.J.依思皮特，動(dòng)物和機(jī)器人的中樞模式發(fā)生器運(yùn)動(dòng)控制：審查，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，2008，第4期，21卷，642頁(yè)–653頁(yè).[ 7]H.木村，Y.福岡，A.H.科恩.“適應(yīng)在地面上動(dòng)態(tài)行走的四足機(jī)器人的生物學(xué)概念”.國(guó)際機(jī)器人研究學(xué)報(bào)，2007, 第5期，26卷，475頁(yè)–490頁(yè).[ 8]S.斯特恩哥如布，M.泰姆，F(xiàn).沃爾戈特，P.Manoonpong，“自組織適應(yīng)一個(gè)簡(jiǎn)單的神經(jīng)電路，使復(fù)雜的機(jī)器人的行為成為可能”.自然物理學(xué),2009,卷6，頁(yè)224 –230.[ 9]R.M.亞力山大,H.班納特-克拉克.“肌肉和其它組織存儲(chǔ)的彈性應(yīng)變能”.自然科學(xué)，1977，第5590期，265卷，114頁(yè)–117.[ 10]R.普法倚費(fèi)爾，M.倫加雷拉，Y.小原國(guó)芳.自組織生物啟發(fā)的機(jī)器人的化身 ”.科學(xué)，2007年11月,卷318，頁(yè)1088-–1093.[ 11 ]A.彼蒂，Y.小原國(guó)芳.產(chǎn)生時(shí)空動(dòng)態(tài)分布聯(lián)合轉(zhuǎn)矩模式同步模式發(fā)電機(jī)，前沿神經(jīng)機(jī)器人，2009，3卷，2號(hào)，1頁(yè)–14.[ 12 ]AR皮蒂，是有關(guān)新山志保，與國(guó)芳，“創(chuàng)造和調(diào)節(jié)節(jié)奏的控制身體的物理，“自主機(jī)器人，28卷，3號(hào)，317頁(yè)–329，2010.[ 13]G柳巷芳草，J.czerniecki，和B納福，“麥吉人工肌肉：氣動(dòng)執(zhí)行器與生物力學(xué)的情報(bào)，在先進(jìn)的智能機(jī)電一體化，1999.訴訟.1999屆國(guó)際會(huì)議預(yù)報(bào)，1999，頁(yè)221 –226.[ 14]R.A是有關(guān)新山志保，nagakubo，與國(guó)芳，“無(wú)忌：一個(gè)雙足跳躍和著陸機(jī)器人與人工肌肉骨骼系統(tǒng)的過(guò)程中，“參考國(guó)際機(jī)器人與自動(dòng)化（互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容分級(jí)協(xié)會(huì)2007），羅馬，意大利，四月，2007，頁(yè)2546-2551（–thc5.2）.[ 15]Y國(guó)芳和鈴木，“動(dòng)態(tài)的出現(xiàn)和適應(yīng)行為體現(xiàn)為通過(guò)耦合混沌領(lǐng)域，“程序.國(guó)際參考智能機(jī)器人與系統(tǒng)，2004，頁(yè)2042 –2049.[ 16]Y國(guó)芳和美國(guó)sangawa，“早期運(yùn)動(dòng)的發(fā)展從偏序神經(jīng)體動(dòng)力學(xué)：實(shí)驗(yàn)與cortico-spinal-musculosleletal模型，“生物控制論，卷95，頁(yè)589-–605，2006.

第四篇：四足機(jī)器人的翻譯有圖兼容

機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算機(jī)集成制造

多功能四足機(jī)器人的模塊化設(shè)計(jì)

摘要

現(xiàn)代工業(yè)使用多種類型的機(jī)器人。除了普通的機(jī)械手臂，兩足，三足，還有四足機(jī)器人，四足機(jī)器人最初是為了開發(fā)玩具，現(xiàn)在越來(lái)越多的應(yīng)用于制造業(yè)中。這項(xiàng)研究始于建立具有多種功能的四足機(jī)器人平臺(tái)，高靈敏度，模塊化裝配，這是我們構(gòu)造工業(yè)機(jī)器人的基本模型。在額外負(fù)載下，四足機(jī)器人的四條腿能增強(qiáng)其承載能力，它的可靠性要高于兩足或三足機(jī)器人，這有助于它攜帶更多的物品并提高性能。根據(jù)不同的要求和制造工藝要求，高度敏感的四足機(jī)器人提供了一個(gè)擴(kuò)展接口，添加不同的傳感元件。此外，當(dāng)與無(wú)線通訊模塊或獨(dú)立的1.2GHz的射頻電荷耦合裝置無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)相結(jié)合，用戶可以遠(yuǎn)程控制機(jī)器人，即時(shí)。該設(shè)計(jì)有助于四足機(jī)器人擴(kuò)大其應(yīng)用。通過(guò)拆裝模塊和改變傳感元件，高度敏感的四足機(jī)器人可用于不同的任務(wù)。此外，機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制功能將增加與人類的相互作用，因此它可以非常多的卷入人們的生活工作。四足機(jī)器人平臺(tái)將為不同的工業(yè)機(jī)器人的商業(yè)化設(shè)計(jì)提供參考，并將提供更多的選擇和有用的創(chuàng)意應(yīng)用工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)。1.介紹 1977年，Gollidary和Hemani [1]采用拉格朗日動(dòng)力學(xué)理論推導(dǎo)出的線性化的雙足機(jī)器人數(shù)學(xué)模型來(lái)分析其穩(wěn)定性，可操作性，和可觀察性。1980年，Miyazaki和Arimoto [2] 應(yīng)用奇攝動(dòng)法將雙足機(jī)器人的快速模式和慢速模式的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行分類，然后他們?cè)诖朔椒ǖ幕A(chǔ)上設(shè)計(jì)的控制器。1986年，Railbert出版了他的著作《步行機(jī)器人的平衡》，這對(duì)單足，雙足和四足油壓機(jī)器人的研究作出了卓越貢獻(xiàn)。雙足機(jī)器人結(jié)合不同學(xué)科的研究，如機(jī)械學(xué)，電子工程，控制工程，生物工程和機(jī)器人技術(shù)。主要研究?jī)?nèi)容包括腿部機(jī)制的設(shè)計(jì)，步態(tài)規(guī)劃，步行跟蹤和平衡控制理論。Hira [3]設(shè)計(jì)的全負(fù)荷二自由度雙足機(jī)器人，該機(jī)器人是由一個(gè)骨架和兩個(gè)延伸腳。它的機(jī)械系統(tǒng)有4個(gè)自由度，2個(gè)旋轉(zhuǎn)和2個(gè)移動(dòng)自由度，減去2個(gè)限制自由度，兩足的總長(zhǎng)度是一個(gè)常數(shù)。骨架存放在兩腿之間的中心。為了防止它傾倒，機(jī)器人的腿和腳安裝垂直于地面。從側(cè)面看，它就像3連桿的運(yùn)動(dòng)。因此，雙足機(jī)器人能夠在地面上直立行走。日本本田的第一代機(jī)器人是由本田R&D中心[3]研發(fā)。

該機(jī)器人沒(méi)有身體，只有一個(gè)連接手臂的懸空骨架。這個(gè)雙足機(jī)器人有12個(gè)自由度，包括3個(gè)髖關(guān)節(jié)自由度，1個(gè)膝關(guān)節(jié)自由度，2個(gè)踝關(guān)節(jié)自由度，從正面看有5聯(lián)接4自由度，從側(cè)面看有7聯(lián)接6自由度。兩腿的重量大約只有總重量5-10％。如果裝載的手臂對(duì)平衡沒(méi)有影響，并且兩個(gè)手臂重量占總重量的比重小，那么機(jī)器人將可以步行上下樓梯，在斜度小于10度的斜面上前進(jìn)或者后退。在成功操作機(jī)器人移動(dòng)或者將物品從一個(gè)地方搬運(yùn)到另一個(gè)地方之前，必須要跟隨一種運(yùn)動(dòng)軌道。有幾種方法來(lái)生成行走軌道，一種是通過(guò)觀察真人的步態(tài)，而另一種通過(guò)即時(shí)計(jì)算。1970年，Vukobratovic等人，通過(guò)數(shù)值方法計(jì)算雙足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)移動(dòng)路徑，Kato通過(guò)相同的方法得出了他的雙足機(jī)器人的動(dòng)態(tài)移動(dòng)路徑，然而，當(dāng)機(jī)器人移動(dòng)時(shí)，它需要較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)計(jì)算所涉及到的軌跡，而且這很難適應(yīng)不同的表面。除非CPU可以更快或簡(jiǎn)化算法，數(shù)值方法仍然有計(jì)算緩慢的問(wèn)題，其他的方法來(lái)生成行走軌道包括輸入最小能量，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳法則。

機(jī)器人的手臂自由度取決于機(jī)器人的類型，靈活性可以像人類的手臂一樣。機(jī)器人手臂運(yùn)動(dòng)學(xué)是關(guān)于機(jī)器人手臂在一段時(shí)間內(nèi)相對(duì)于固定坐標(biāo)系的運(yùn)動(dòng)。在傳統(tǒng)的分析中，機(jī)器人的底部被當(dāng)作一個(gè)參考點(diǎn)，其他運(yùn)動(dòng)必須以該參考點(diǎn)為基礎(chǔ)。一旦我們知道機(jī)器人手臂上所有聯(lián)結(jié)點(diǎn)的位置，我們可以計(jì)算出手臂端部在空間的確切位置?，F(xiàn)代商業(yè)機(jī)器人配備了混合旋轉(zhuǎn)和滑動(dòng)節(jié)點(diǎn)來(lái)與手臂或機(jī)器人手腕部分相連。旋轉(zhuǎn)結(jié)點(diǎn)控制了兩個(gè)連桿精確的角度運(yùn)動(dòng)，滑動(dòng)結(jié)點(diǎn)僅控制兩個(gè)連桿的線性運(yùn)動(dòng)。從理論上講，其他的連接關(guān)系是可能的，然而，事實(shí)上只采用這兩個(gè)連接。連桿和結(jié)點(diǎn)的串行聯(lián)結(jié)叫做鏈，鏈可以打開或關(guān)閉。每一個(gè)鏈末端的連桿只連接一個(gè)結(jié)點(diǎn)，一個(gè)開式鏈指不連接靠近底部的連桿，相反一個(gè)閉合鏈指連接在前結(jié)點(diǎn)的連桿?，F(xiàn)代工業(yè)機(jī)器人的主要類型是開式鏈。分析和控制機(jī)器人的手臂需要分析控制理論的發(fā)展。一個(gè)擁有多個(gè)結(jié)點(diǎn)的手臂被相互作用的內(nèi)力和外部環(huán)境所影響，需要更加復(fù)雜的分析，Paul在同質(zhì)變換矩陣方法和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的研究對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的分析是有益的參考。給定一個(gè)較大的模型或一個(gè)復(fù)雜的生物系統(tǒng)，人們通常面臨的問(wèn)題是需要對(duì)很多的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。參數(shù)之間的廣泛因素的相互作用，使得對(duì)模型的動(dòng)態(tài)行為分析變得困難，參數(shù)的含義和值有助于克服這個(gè)問(wèn)題。在這里，我們可以使用一個(gè)漸進(jìn)的實(shí)驗(yàn)技術(shù)（稱為偵察）去自主探索參數(shù)空間。這是一種自主探測(cè)技術(shù)，它使用理論值和實(shí)驗(yàn)值之間的偏差作為合適的估算值。為了獲得大的動(dòng)態(tài)生物學(xué)模型的運(yùn)動(dòng)信息，這種方法已被廣泛應(yīng)用。

對(duì)于建立多種功能的四足機(jī)器人平臺(tái)要結(jié)合不同的學(xué)科，如機(jī)械力學(xué)，電子工程，控制工程，生物工程和機(jī)器人技術(shù)等。影響設(shè)計(jì)四足機(jī)器人的因素中，首先要探討腿部機(jī)制的設(shè)計(jì)，步態(tài)規(guī)劃，路徑跟蹤，平衡控制理論。本研究采用程序語(yǔ)言去設(shè)計(jì)一切與構(gòu)建多種功能的四足機(jī)器人平臺(tái)有關(guān)的步態(tài)運(yùn)動(dòng)，編輯整合之后，加載所有運(yùn)動(dòng)到機(jī)器人的內(nèi)部存儲(chǔ)器，另外，這項(xiàng)研究結(jié)合了一種可靠的低成本的電路程序，用以減少發(fā)展四足機(jī)器人的障礙，并鼓勵(lì)作進(jìn)一步的研究。我們還開發(fā)了外部控制連接接口來(lái)加載不同的傳感器到機(jī)器人上，此外1.2GHz的無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)安裝在機(jī)器人上為用戶提供了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，最后，機(jī)器人加載無(wú)線通信模塊，該模塊的開發(fā)有利于改善機(jī)器人的靈活性，并有效的降低開發(fā)成本。這樣新模塊在設(shè)計(jì)和執(zhí)行機(jī)器人的特殊運(yùn)動(dòng)時(shí)將縮短發(fā)展過(guò)程大大降低機(jī)器人成本。2.研究方法 2.1.文件分析

收集所有涉及步行機(jī)器人的文獻(xiàn)和數(shù)據(jù)篩選出制造步行機(jī)器人的相關(guān)理論。2.2.理論分析

在正式執(zhí)行之前，對(duì)步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)作理論分析，這包括分析機(jī)器人的重心，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)方向，角度和旋轉(zhuǎn)速度。在實(shí)際執(zhí)行之前必須要有理論上的可行性。2.3.模塊理論

在這項(xiàng)研究中，四足機(jī)器人的所有功能被分為五個(gè)模塊來(lái)執(zhí)行和監(jiān)測(cè)。當(dāng)所有功能運(yùn)作時(shí)這些模塊連接在一起，這種方法不僅簡(jiǎn)化了開發(fā)了過(guò)程，而且會(huì)導(dǎo)致調(diào)試更加簡(jiǎn)便。此外，它大大改善了機(jī)器人的生產(chǎn)。下面來(lái)描述這五個(gè)模塊： a）控制模塊接口和電路設(shè)計(jì)； b）機(jī)器人身體模塊——發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)構(gòu)；

c）視覺(jué)系統(tǒng)模塊——1.2G電磁耦合圖像傳輸系統(tǒng)； d）無(wú)線通信模塊——2.4GHz射頻通信模塊或GSM模塊;e）傳感器：紅外傳感器，二氧化碳傳感器，溫度和濕度傳感器等。2.4.測(cè)試?yán)碚?/p>

該方法包括發(fā)展四足機(jī)器人的不同步行運(yùn)動(dòng)和節(jié)省內(nèi)存消耗，用戶通過(guò)無(wú)線通信模塊遠(yuǎn)程控制機(jī)器人并且通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)觀測(cè)實(shí)時(shí)圖像。最后，裝在機(jī)器人上的傳感器收集外部數(shù)據(jù)利用通信模塊向用戶報(bào)告。2.5.四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)分析

在這項(xiàng)研究中，四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)和靜力平衡將被使用。D30 ——高達(dá)31種智能電動(dòng)機(jī)用來(lái)控制。位置代碼：0-254（位置）

結(jié)束代碼：（電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速串行代碼XOR位置代碼）0*7F

圖2顯示了串行控制示范。

圖二：串行控制的示范 3.6.完整系統(tǒng)四足機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)

控制端（PC和單片機(jī)）能夠同時(shí)控制多達(dá)31個(gè)智能電機(jī)，采用串行傳輸，控制端驅(qū)動(dòng)電機(jī)移動(dòng)到目標(biāo)角度，利用電動(dòng)機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，控制端能夠控制和連接電機(jī)。在這項(xiàng)研究中四足機(jī)器人的設(shè)計(jì)分為三部分，第一部分是基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，包括14個(gè)電機(jī)的連接，電機(jī)連接組件和四足機(jī)器人的外形。第二部分是有關(guān)控制器的設(shè)計(jì)，包括固件設(shè)計(jì)（用KeilC語(yǔ)言在微處理器中程序控制），硬件設(shè)計(jì)（簡(jiǎn)單的控制電路），以及軟件設(shè)計(jì)（用VB語(yǔ)言進(jìn)行人機(jī)交換）。最后一部分是外部硬件集成，包括兩重半雙工無(wú)線通信模塊，1.2GHz的無(wú)線圖像傳輸系統(tǒng)和傳感器。三個(gè)部分綜合，四足機(jī)器人的原型就設(shè)計(jì)完成了。圖3顯示了完整系統(tǒng)四足機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)。

圖三：完整系統(tǒng)四足機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu) 3.7.設(shè)計(jì)和執(zhí)行四足機(jī)器人的硬件控制電路

圖4顯示了設(shè)計(jì)和執(zhí)行四足機(jī)器人的硬件控制電路，硬件設(shè)計(jì)集成了微控制器（來(lái)自ATMEL公司的AT89S52芯片），內(nèi)存（四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)命令的存儲(chǔ)空間），電源模塊（提供電機(jī)和電路所需的電源），智能電機(jī)的控制接口（連續(xù)傳輸?shù)碾姍C(jī)控制），無(wú)線通信接口（2.4GHz射頻無(wú)線通信模塊），接受來(lái)自外部傳感器的數(shù)據(jù)連接引腳，用于連接到電腦，下載運(yùn)動(dòng)命令的PC端通信接口，以及用來(lái)切換不同控制模式的旋轉(zhuǎn)開關(guān)。結(jié)合上述電路，就完成了機(jī)器人的控制功能。

圖四：設(shè)計(jì)和執(zhí)行硬件控制電路 3.8.四足機(jī)器人的路徑規(guī)劃

為了讓四足機(jī)器人平穩(wěn)的移動(dòng)，四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)曲線被用來(lái)解釋它如何運(yùn)動(dòng)，相應(yīng)的程序如圖5。在這項(xiàng)研究中，運(yùn)動(dòng)學(xué)，動(dòng)力學(xué)和四足機(jī)器人的靜力平衡將被使用。DH的坐標(biāo)系中用連接軸來(lái)描述。當(dāng)每個(gè)關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度已知，機(jī)器人的關(guān)節(jié)在坐標(biāo)系中的位置矢量能夠通過(guò)矩陣變換計(jì)算得出，通過(guò)求解矩陣，可以獲得運(yùn)動(dòng)學(xué)的解決方法，然后用幾何學(xué)推倒出逆運(yùn)動(dòng)。如果四足機(jī)器人的位置和連接軸的長(zhǎng)度已知，有必要用運(yùn)動(dòng)學(xué)反解來(lái)得出每個(gè)連接軸的角度。

圖五：機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的程序研究 3.9.四足機(jī)器人的身體模塊

在這項(xiàng)研究中，14個(gè)智能電機(jī)被用來(lái)作為四足機(jī)器人的主要?jiǎng)恿?，在頭部和頸部有一個(gè)單獨(dú)的電機(jī)，四個(gè)腳上各有3個(gè)電機(jī)。通過(guò)連接電機(jī)的附件，單個(gè)的鋁芯片，銅柱子，就完成了四足機(jī)器人原型。裝載以前的硬件電路和所有運(yùn)動(dòng)程序（前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，坐下，跌倒后自動(dòng)站起來(lái)）后，包括留在內(nèi)存中的運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人能夠完成機(jī)構(gòu)范圍內(nèi)的所有運(yùn)動(dòng)。四足機(jī)器人的身體模塊如圖6所示。

圖六：四足機(jī)器人的身體模塊 3.10.四足機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)模塊

外部1.2GHz的無(wú)線圖像傳輸模塊通過(guò)USB轉(zhuǎn)換接口將圖像傳輸進(jìn)PC端，用戶甚至可以用錄像功能將目標(biāo)圖像保存為AVI（MPEG-4）格式。

3.11.四足機(jī)器人的無(wú)線通訊模塊

在這項(xiàng)研究中用到的2.4GHz射頻無(wú)線通信模塊具有nRF2401的單片機(jī)和2.4GHz無(wú)線收發(fā)器，采用半雙工交流來(lái)雙重傳回?cái)?shù)據(jù)。只要2.4GHz無(wú)線通信模塊在運(yùn)作，發(fā)射機(jī)的功率燈就一直亮著。當(dāng)按下任何控制鍵，由于數(shù)據(jù)的傳輸將會(huì)亮，此時(shí)，控制按鈕可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)傳感器接收到返回?cái)?shù)據(jù)時(shí)，燈變亮并顯示傳感器的狀態(tài)。如果沒(méi)有按下控制鍵，發(fā)射器和接收器保持通信連接來(lái)提供雙/半雙工功能。用GSM通信模塊，用戶可以使用手機(jī)遠(yuǎn)程控制機(jī)器人。當(dāng)用戶按下了移動(dòng)電話的按鈕傳送信號(hào)到GSM模塊，機(jī)器人的微控制器解碼信號(hào)然后機(jī)器人移動(dòng)，接著控制器發(fā)送AT命令，并與GSM模塊通信得到傳感器的狀態(tài)報(bào)告。

本研究使用紅外接收器模塊來(lái)作為監(jiān)測(cè)裝置。該傳感器隨著溫度的變化而產(chǎn)生電荷，因?yàn)樗菬犭娂t外接收器。接收器的溫度范圍為-10和+50℃，直流電壓范圍為3至15V。通過(guò)擴(kuò)大探測(cè)器的輸出，經(jīng)過(guò)電壓比較器電路的傳遞，接收器可以監(jiān)測(cè)到人體。傳感器接受所有發(fā)熱物體發(fā)出的紅外線，包括人體。當(dāng)沒(méi)有監(jiān)測(cè)到發(fā)熱物體的運(yùn)動(dòng)，傳感器的輸出為0V。當(dāng)監(jiān)測(cè)到發(fā)熱物體，傳感器的輸出為5V。機(jī)器人通過(guò)分析傳感器的輸出監(jiān)測(cè)發(fā)熱物體，并將結(jié)果通過(guò)2.4GHz的射頻無(wú)線通信模塊傳回給用戶。這項(xiàng)研究將開發(fā)可擴(kuò)展的連接電路，當(dāng)用戶將不同的傳感器連接到儀器板，物體被監(jiān)測(cè)到時(shí)儀器板上會(huì)輸出一個(gè)5V電壓，控制器立即將返回的信號(hào)實(shí)時(shí)報(bào)告給用戶。3.12.四足機(jī)器人模塊

上述圖像的上半部分顯示了1.2GHz的射頻無(wú)線圖像傳輸模塊的鏡頭。四足機(jī)器人可以為用戶端提供從鏡頭捕獲的圖像，通過(guò)控制在頸部和頭部的電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人可以移動(dòng)鏡頭的位置并鎖定觀測(cè)圖像，紅外傳感器位于頸部的電機(jī)上方的乳白色半圓頂，是人體探測(cè)器?？刂破鞣譃閮蓚€(gè)部分，上半部分是2.4GHz射頻無(wú)線通信模塊，用來(lái)接受用戶的命令和傳回檢測(cè)信號(hào)，下半部分是控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的控制模塊?？刂破飨路绞?.4 V，2000 mAH的鋰電池，這種電池完全支持四足機(jī)器人的電力需求。圖7顯示了四足機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)。

圖七：四足機(jī)器人的整體設(shè)計(jì) 4.結(jié)論

多種功能的四足機(jī)器人平臺(tái)的主要設(shè)計(jì)概念是基于固定硬件的規(guī)格與不同傳感器的組合，用來(lái)滿足不同情況下的特別要求。因此，不需要因特別需求而開發(fā)新的機(jī)器人。另外，這項(xiàng)決議減少了開發(fā)成本和時(shí)間，隨著機(jī)器人的傳感器格式而重新設(shè)計(jì)傳感器，用戶可以在短時(shí)間內(nèi)改變機(jī)器人的固件。通過(guò)改變模塊，四足機(jī)器人能夠擴(kuò)展功能，用以監(jiān)測(cè)，掃描，援救，監(jiān)視甚至家庭護(hù)理，它的遙控功能增強(qiáng)了機(jī)器人與人的互動(dòng)，并有可能大大改善人們的生活。在研究中固件改變這一觀念將是機(jī)器人發(fā)展的主要方向之一，這一概念不僅降低了開發(fā)成本，而且使廉價(jià)多功能機(jī)器人成為可能，這將大大有利于在未來(lái)發(fā)展和傳播機(jī)器人。多功能四足機(jī)器人平臺(tái)的確立將為工業(yè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)提供多種選擇。在工程制造領(lǐng)域，我們可以設(shè)想四足機(jī)器人將適用于今后不同的應(yīng)用，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用前景將取決于制定四足機(jī)器人規(guī)范的實(shí)際需求。鳴謝

這項(xiàng)研究是由美國(guó)國(guó)家科學(xué)理事會(huì)支持，根據(jù)合同96-2622-E-152-001-CC3 和 96-2411-H-152-003.參考書目

[1] Golliday CL, Hemami H.《兩足運(yùn)動(dòng)的分析和機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的設(shè)計(jì)》。自動(dòng)化控制電子工程理事會(huì)，1997，22(6):963–72.[2] Miyazaki F, Arimoto S.《兩足動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)控制理論的研究》。ASME期刊動(dòng)態(tài)系統(tǒng)測(cè)量和控制1980年，102:233-9。

[3] Hira K.《從當(dāng)前和未來(lái)角度看本田擬人機(jī)器人》。見(jiàn)：1997年國(guó)際電子工程師協(xié)會(huì)會(huì)議關(guān)于智能機(jī)器人系統(tǒng)，1997.p.500–8.[4] Sadain P, Rostami M, Thomas E, Bessonnet G.《雙足機(jī)器人：工藝設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)行為的相關(guān)性》?？刂乒こ虒?shí)踐，1999;7:401–11.[5] Ambarish Goswami.《雙足機(jī)器人的穩(wěn)態(tài)和腳步旋轉(zhuǎn)指示點(diǎn)》。國(guó)際機(jī)器人研究雜志，1999，18:523–33.[6] Frank AA.《近似動(dòng)態(tài)分析和雙足機(jī)械運(yùn)動(dòng)的合成》。醫(yī)學(xué)和生物工程，1970，8:465–76.[7] McGeer T.《用膝蓋被動(dòng)運(yùn)動(dòng)》。電子工程師協(xié)會(huì)會(huì)議關(guān)于機(jī)器人與自動(dòng)化，1998，3:1640–5.[8] Shih GL, Zhu Y, Gruver WA.《雙足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化》。見(jiàn)：復(fù)雜系統(tǒng)的輔助決策，會(huì)議記錄，國(guó)際電子工程師協(xié)會(huì)會(huì)議，vol.2, 1991.p.899–903.[9] Meifen Cao, Kawamura A.《對(duì)雙足運(yùn)動(dòng)模式的產(chǎn)生的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)安排》。見(jiàn)：第五屆先進(jìn)運(yùn)動(dòng)控制的國(guó)際研討會(huì)，1998.p.666–71.[10] Denavit J, Hartenberg RS, Kinematic A.《基于矩陣的低副機(jī)構(gòu)符號(hào)》。美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)期刊關(guān)于應(yīng)用力學(xué)，1995:215–21.[11] Shih CL, Chi CT, Lee YW.《直流電機(jī)的雙足機(jī)器人的行走實(shí)驗(yàn)和位置控制》。第四屆國(guó)際電力電子會(huì)議，日本東京，2000.p.1249–54.[12] Jen-Chao Tai, Hsin-Te Liao, Ch’ing-T’ien Ch’en.《機(jī)電一體化》。臺(tái)北，高李圖書，2003.p.307.[13] Jones Bryan A.《機(jī)器人連續(xù)運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)執(zhí)行》。電氣與電子工程師協(xié)會(huì)理事會(huì)關(guān)于機(jī)器人技術(shù)，2006，22(6):1087–99.[14] Woodarz D, Nowak A.《特效治療機(jī)制可以導(dǎo)致長(zhǎng)期的免疫控制》。HV.PANS 1999，96(25):14464–9.[15] Pfaffmann JQ, Zauner KP.見(jiàn)：Keymeulen D, Stoica A, Lohn J, Zebulum RS編輯《偵查上下敏感度綜合》。Los Alamitos, 2001.p.14–20，Nowak A.《特效治療機(jī)制可以導(dǎo)致長(zhǎng)期的免疫控制》HV.PANS 1999，96(25):14464–9.

第五篇：四足機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析與仿真

四足機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)分析與仿真

張錦榮1，王潤(rùn)孝2

（1長(zhǎng)安大學(xué)，西安 710064，2西北工業(yè)大學(xué)，西安 710072）

摘 要: 針對(duì)四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用拉格朗日法導(dǎo)出其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)多剛體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程組。同時(shí)利用ADAMS建立了四足機(jī)器人的虛擬樣機(jī)，采用規(guī)劃好的步態(tài)，對(duì)其進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，仿真結(jié)果驗(yàn)證了動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)建模的正確性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，為提升控制品質(zhì)的后續(xù)研究工作提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)信息。關(guān)鍵詞：四足機(jī)器人；動(dòng)力學(xué)；仿真

Dynamic analysis and simulation on quadruped robot

Zhang Jinrong1，Wang Runxiao2

(Chang'an University，Xi an 7100764；Northwestern Polytechnical University，Xi an 710072)Abstract: Based on the structural characteristics of quadruped robot, dynamic equation group for simplified-structure of the quadruped robot’s multi-rigid body system is educed using Lagrange principle.A virtual prototypes is established using ADAMS, and simulated in using its planned gait.Simulation results tested the exactness of dynamics model and the rationality of structure design as well as provide valuable data information for further research on improving control quality of the quadruped robot.Key word: quadruped robot;dynamics;simulation

與傳統(tǒng)的輪式、履帶式機(jī)器人相比，四足機(jī)器人有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性和運(yùn)動(dòng)靈活性，既可以進(jìn)入相對(duì)狹窄的空間，也可以跨越障礙、上下臺(tái)階、上下斜坡甚至在不平整地面上運(yùn)動(dòng)，因此，對(duì)四足機(jī)器人的研究已成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的重要課題。

四足機(jī)器人是主動(dòng)機(jī)械裝置，每個(gè)關(guān)節(jié)可單獨(dú)傳動(dòng)。從控制理論的觀點(diǎn)來(lái)看，機(jī)器人系統(tǒng)是個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)耦合系統(tǒng)，其數(shù)學(xué)模型具有顯著的非線性和復(fù)雜性，而動(dòng)力學(xué)問(wèn)題又是實(shí)現(xiàn)高精度控制與機(jī)械設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。[1] [2]本文以四足機(jī)器人為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模與仿真，為后續(xù)機(jī)器人的控制算法提供了數(shù)學(xué)模型，也為機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器的選型等提供理論依據(jù)。四足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四足哺乳類動(dòng)物的每條腿由五段組成，通過(guò)與軀干的連接構(gòu)成五個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)至少有一個(gè)自由度，這種超冗余自由度使動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)極其靈活。但是，在四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為了降低控制的復(fù)雜程度，它的腿部不可能像動(dòng)物那樣具有五段和超冗余自由度。[3]在力求達(dá)到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的靈活性的前提下，對(duì)機(jī)器人的肢體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，如圖1所示，腿部結(jié)構(gòu)包括側(cè)擺、大腿、小腿三部分，這三部分由直流電機(jī)帶動(dòng)其繞各自關(guān)節(jié)軸擺動(dòng)，形成側(cè)擺、髖和膝關(guān)節(jié)，其關(guān)節(jié)配置形式為全肘式，即前后兩對(duì)腿全部為肘式關(guān)節(jié)。由于它的每條腿有三個(gè)自由度，所以理論上能同時(shí)滿足空間三個(gè)方向的自由度要求。

(a)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

(b)機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖1

四足機(jī)器人結(jié)構(gòu) 四足機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)建模

機(jī)器人動(dòng)力學(xué)分析常用的方法有牛頓－歐拉方程和拉格朗日法。拉格朗日法是一種功能平衡法，它只需要速度而不必求內(nèi)作用力，是一種直截了當(dāng)和簡(jiǎn)便的方法。本文利用拉格朗日法來(lái)分析和求解了三自由度步行足的動(dòng)力學(xué)方程。

四足機(jī)器人的肢體結(jié)構(gòu)如圖2所示，側(cè)擺關(guān)節(jié)在YOZ平面轉(zhuǎn)動(dòng)，m1、m2和m3分別為側(cè)擺、大腿和小腿的質(zhì)量，且以腿末端的點(diǎn)質(zhì)量表示，?

1、?2和?3是關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角，g為重力加速度。

圖2 四足機(jī)器人的肢體結(jié)構(gòu) 機(jī)械系統(tǒng)的拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程[3]為

Ti?d?EK?EK?EP??

（1）?idt?q?qi?qi?i為式（1）中，EK為系統(tǒng)的總動(dòng)能，EP為系統(tǒng)的總勢(shì)能，qi是為關(guān)節(jié)的角度坐標(biāo)，q關(guān)節(jié)的角速度，Ti稱為關(guān)節(jié)力矩。桿件i質(zhì)心的線速度和角速度可表示成：

iii?1???JLi?i?JL?

（2）qq

vi?JL1q

?1???JAiq?i?JAq?

（3）

ωi?JA1q

式（2）、式（3）中JLi和JAi分別是與第i個(gè)連桿重心位置的平移速度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度相關(guān)的雅可比矩陣，則：

iii1n(i)T(i)?TJL?

（4）JLq系統(tǒng)的平動(dòng)動(dòng)能

EK1??miq

2i?11nT(i)T(i)?JAIiJAq?

（5）系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能

EK2??q 2i?1系統(tǒng)的總動(dòng)能為平動(dòng)動(dòng)能和轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能之和，為

1n(i)T(i)(i)T(i)?TJL??q?TJA?)

JLqIiJAq

EK?EK1?EK2??(miq2i?11T?Hq?

（6）

?q 2式（6）中H由公式（7）獲得

H?系統(tǒng)的總勢(shì)能為：

?(mJii?1n(i)TL(i)(i)T(i)JL?JAIiJA)

（7）

Ep??migTr0,i

（8）

i?1n式（8）式中的r0,i是第i根桿件的質(zhì)心在參考坐標(biāo)系中的位置 由（1）、（6）、（8）式，得各關(guān)節(jié)力矩

Ti??Hj?1nijj??j???hijkq?jq?k??mjgTJLiq

（9）

j?1k?1j?1nnnhijk?式（9）中，?Hij?qk?0.5?Hjk?qi

（10）模型的仿真驗(yàn)證

ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）是集建模、求解、可視化技術(shù)于一體的虛擬樣機(jī)軟件，是目前世界上使用最廣、最負(fù)盛名的機(jī)械系統(tǒng)仿真分析軟件。1）ADAMS仿真模型等效轉(zhuǎn)換

ADAMS軟件雖然可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)的建模過(guò)程,但軟件所提供的建模工具相對(duì)比較簡(jiǎn)單,對(duì)于復(fù)雜的機(jī)械統(tǒng),仍需依靠SolidWorks、Pro/E等三維實(shí)體造型軟件。

為了減少仿真的困難，本文根據(jù)各個(gè)部件的實(shí)際情況，對(duì)一些附加零件進(jìn)行簡(jiǎn)化，簡(jiǎn)化為由數(shù)個(gè)剛體組成的剛體模型，同時(shí)注意盡量保持跟實(shí)物相近的幾何外觀。簡(jiǎn)化這些附加零件的辦法是在用Solidworks軟件建立好的完整模型中加入各種零件的材料密度或重心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的物理參數(shù)，再根據(jù)剛體的實(shí)體體積，折算出相應(yīng)的密度，再將這些物理參數(shù)加到簡(jiǎn)化后的模型上。最后將簡(jiǎn)化后的裝配 體導(dǎo)入ADAMS。

2）施加運(yùn)動(dòng)約束、驅(qū)動(dòng)與作用力

側(cè)擺、膝關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)分別用旋轉(zhuǎn)約束副約束，方向與系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)動(dòng)保持一致。四足機(jī)器人在爬坡或遇到障礙時(shí)，各腿的側(cè)擺關(guān)節(jié)起到調(diào)節(jié)機(jī)體平衡的作用，為了驗(yàn)證四足機(jī)器人在平坦路面行走的動(dòng)力學(xué)特性，假設(shè)側(cè)擺關(guān)節(jié)固定，其余關(guān)節(jié)采用符合四足哺乳動(dòng)物肢體運(yùn)動(dòng)關(guān)系的正弦函數(shù)和半波函數(shù)驅(qū)動(dòng)。另外，在建立仿真模型時(shí)，還做了如下假設(shè)：足與地面的摩擦力無(wú)窮大，在行走過(guò)程中，支撐腿的足端與地面沒(méi)有滑動(dòng)；驅(qū)動(dòng)功率滿足要求；不考慮關(guān)節(jié)摩擦。虛擬樣機(jī)模型如圖3所示。

圖3 ADAMS/View中的虛擬樣機(jī)模型

3）仿真結(jié)果

對(duì)于trot步態(tài)[4]，即兩對(duì)對(duì)角腿的運(yùn)動(dòng)完全對(duì)稱，選擇右前腿和左后腿這一對(duì)角腿為例進(jìn)行分析，它們的髖、膝關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)力矩如圖（4）~（7）所示。

圖4 右前腿髖關(guān)節(jié)力矩與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角

圖5 右前腿膝關(guān)節(jié)力矩與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角

圖6 左后腿髖關(guān)節(jié)力矩與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角

圖7 左后腿膝關(guān)節(jié)力矩與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角

從圖（4）~（7）還可以得出如下分析結(jié)果：髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力在支撐相時(shí)大于擺動(dòng)相；除雅可比奇異狀態(tài)（擺動(dòng)相的末端點(diǎn)，J?0，仿真圖上出現(xiàn)力矩的突變）以外，髖關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩主要集中在25N?M的范圍內(nèi)，膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩主要集中在50N?M的范圍內(nèi)。此外，從拉格朗日動(dòng)力學(xué)方程可以看出，在模型結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的前提下，驅(qū)動(dòng)力矩與角加速度、角速度有復(fù)雜的非線性關(guān)系，仿真結(jié)果也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。結(jié)論

1）應(yīng)用拉格朗日動(dòng)力學(xué)理論建立了四足機(jī)器人的動(dòng)力學(xué)模型，為后續(xù)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和為機(jī)器人的控制算法提供了數(shù)學(xué)模型。

2）利用先進(jìn)的動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立了四足機(jī)器人虛擬樣機(jī)，通過(guò)動(dòng)力學(xué)仿真得出各腿髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)力矩，仿真結(jié)果可以為關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和減速器的選型等提供依據(jù)，同時(shí)也驗(yàn)證了數(shù)學(xué)建模的正確性與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

參考文獻(xiàn)

[1]洪嘉振著.計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué).北京:高等教育出版社，2003.[2][德]J.維滕伯格著,謝傳鋒譯.多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué).北京:北京航空學(xué)院出版社，1986.[3]王沫楠.基于ADAMS軟件兩棲仿生機(jī)器蟹的動(dòng)力學(xué)建模與仿真[J]．哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，4 [4]張秀麗．四足機(jī)器人節(jié)律運(yùn)動(dòng)及環(huán)境適應(yīng)性的生物控制研究[M]．清華大學(xué)，2004