時間：2022-11-30 23:03:28
開篇：寫作不僅是一種記錄，更是一種創(chuàng)造，它讓我們能夠捕捉那些稍縱即逝的靈感，將它們永久地定格在紙上。下面是小編精心整理的12篇電機控制論文，希望這些內(nèi)容能成為您創(chuàng)作過程中的良師益友，陪伴您不斷探索和進步。
論文關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)控制網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的控制
論文摘要：網(wǎng)絡(luò)與控制的學(xué)科交叉研究與產(chǎn)品的研發(fā)是我們面臨的一個機遇與挑戰(zhàn)。在網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)的控制中都有不少問題可研討。
二十年前,面對計算機與控制交叉發(fā)展的機遇與挑戰(zhàn),中國計算機學(xué)會工控機專委會(其前身:中國電子學(xué)會電子計算機專業(yè)委員會工業(yè)計算機學(xué)組)誕生。二十年后的今天,我們又面臨新的機遇與挑戰(zhàn),其特征之一就是,信息科學(xué)技術(shù)快速發(fā)展所引發(fā)的計算網(wǎng)絡(luò)與控制科學(xué)技術(shù)的交叉發(fā)展,本文簡稱為“網(wǎng)絡(luò)控制”對此#已有不少論述。本文只是簡要討論一些看法。
1網(wǎng)絡(luò)控制的機遇
近年來信息科學(xué)技術(shù)與信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分迅猛，新思想、新技術(shù)相繼問世，網(wǎng)絡(luò)方面的新技術(shù)和產(chǎn)品迅速進入市場。而在經(jīng)歷一個大發(fā)展后，自動化及控制理論在其發(fā)展中也出現(xiàn)一此“困惑”，各國均十分關(guān)注自動化科學(xué)與技術(shù)面臨的機遇與挑戰(zhàn)。1986年IEEE與美國國家基金委專家高峰會發(fā)表“對控制的挑戰(zhàn)”一文;1990-1993年IFAC組織了“控制在工業(yè)中的應(yīng)用而臨計算機的挑戰(zhàn)”調(diào)研……我國也十分重視這個問題:1999年宋健在IFAC大會報告:21世紀(jì)的控制;2002年中國國家自然科學(xué)基金委召開“中國自動化領(lǐng)域發(fā)展戰(zhàn)略高層學(xué)術(shù)討論會”在這此討論中，信息的控制、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對控制的沖擊等都是一個議題。維納《控制論》一書的副標(biāo)題是:“關(guān)于在動物和機器中控制和通信的科學(xué)”;而在《控制論》第一版序言中他又指出“如果一門新的科學(xué)學(xué)科是真正有生命力的，它的引人興趣的中心就必須而且應(yīng)該隨著歲月而轉(zhuǎn)移……因此，控制論學(xué)家應(yīng)該繼續(xù)走向新的領(lǐng)域，應(yīng)該把大部分注意力轉(zhuǎn)移到近十年發(fā)展的新的思想上去……”。從歷史上看，控制與通信確實是相互依存交叉發(fā)展的，而當(dāng)今在“網(wǎng)絡(luò)的連通性無所不在”的形勢下，我們確有必要討論網(wǎng)絡(luò)對控制的挑戰(zhàn)是什么，信息的控制或網(wǎng)絡(luò)控制是否應(yīng)該列為一個“引人興趣的中心”。
“網(wǎng)絡(luò)控制”的提法早已有過，而對其內(nèi)涵與外延井不十分統(tǒng)一，我們覺得網(wǎng)絡(luò)控制泛指通信網(wǎng)絡(luò)與控制科學(xué)技術(shù)的交叉以及相應(yīng)的產(chǎn)品。主要包括兩個方面的內(nèi)容，網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的控制與管理，網(wǎng)絡(luò)主要是做為技術(shù)手段或環(huán)境#而控制對象是傳統(tǒng)的對象（如電機、化工過程、航天……）也包括交通服務(wù)等系統(tǒng)。本文簡稱為”網(wǎng)絡(luò)化控制”"網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)本身的控制與管理。信息與網(wǎng)絡(luò)成為控制的對象，而采用控制的手段來滿足用戶的要求。本文簡稱為“網(wǎng)絡(luò)的控制”。這也可以說是從兩個視角來研究網(wǎng)絡(luò)控制。我們在網(wǎng)絡(luò)控制的這兩個視角上都面臨機遇與挑戰(zhàn)，前者延伸了諸如數(shù)字控制。計算機控制等的概念，而后者則延伸了電機控制，機床控制等的概念。
2網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)化控制
網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)化控制有多種提法，如TelematicSys-terns，NetworkedSystems，NetworkedControlSystems(NCS)，IntegratedCommunicationandControlSystems(ICCS通信與控制系統(tǒng))等，其內(nèi)涵各有所側(cè)重，但有共同點:是依靠網(wǎng)絡(luò)(主要是計算機網(wǎng)絡(luò))組成的分布式系統(tǒng);具有資源共享、集成自動化、協(xié)調(diào)下作等特點，從應(yīng)用角度可包括:網(wǎng)絡(luò)化控制、網(wǎng)絡(luò)化制造、電子政務(wù)、電子商務(wù)、數(shù)字家庭、大型電網(wǎng)、城市交通、軍事上的41SR指揮、控制、通信、計算機以及情報、監(jiān)視、偵察)等。可以是下業(yè)對象也可以是服務(wù)業(yè)或其他對象。
網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)一般是大范疇的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，從功能層次上可包括企業(yè)網(wǎng)的外聯(lián)網(wǎng)[xtranet，企業(yè)內(nèi)聯(lián)網(wǎng)Intranet,控制網(wǎng)、傳感網(wǎng)等，從網(wǎng)絡(luò)類型上也可以說包括因特網(wǎng)、無線移動通信、以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線與工業(yè)以太網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在控制領(lǐng)域的’泛且深入的應(yīng)用，必然引起網(wǎng)絡(luò)與控制交叉學(xué)科的發(fā)展，或者引起ThomasKahn在“TheStrutureofScientificRevolutions”中指出的在控制領(lǐng)域的范例轉(zhuǎn)移(ParadigmShift)或出現(xiàn)從連續(xù)時間控制理論到離散時間控制理論的發(fā)展。
網(wǎng)絡(luò)化控制與管理系統(tǒng)，可以不同程度地實現(xiàn)各層次自動化系統(tǒng)的集成使企業(yè)在企業(yè)協(xié)作、資源共享、提高效率、增強市場競爭能力等方面得到好處;同時，網(wǎng)絡(luò)的引入必然帶來信息傳輸時延，延時的抖動信息(數(shù)抓包)去失等問題，也必將引發(fā)一此研究課題，包括:網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下復(fù)雜系統(tǒng)的集成優(yōu)化控制;基于連續(xù)時間和基于事件控制理論(在網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)中的)的應(yīng)用與發(fā)展;各種網(wǎng)絡(luò)化應(yīng)用系統(tǒng)的建模與分析;基于網(wǎng)絡(luò)計算和網(wǎng)絡(luò)存儲的分布控制;網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)的信息女全，現(xiàn)場總線，工業(yè)以太網(wǎng)，傳感器網(wǎng)絡(luò)等等，從某種意義說工業(yè)控制計算機系統(tǒng)的發(fā)展必須定位于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，從網(wǎng)絡(luò)控制著手。
3網(wǎng)絡(luò)的控制與答理
網(wǎng)絡(luò)的控制，基于網(wǎng)絡(luò)的控制(Network一BasedControl)或網(wǎng)絡(luò)空間中的控制問題是自接涉及到網(wǎng)絡(luò)木身的控制問題，這里控制的對象是信息、數(shù)抓、網(wǎng)絡(luò)……。在自動化科學(xué)發(fā)展的歷史中，自動控制的對象是不斷發(fā)展變化的，這種發(fā)展體現(xiàn)了自動化科學(xué)理論與實際相結(jié)合，學(xué)科交叉和與時俱進的特性，從某種意義上說控制論的著眼點是信息與控制或信息的控制而網(wǎng)絡(luò)的控制是信息的控制中的重要內(nèi)容。
網(wǎng)絡(luò)的控制或基于網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)在資源共享提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，實現(xiàn)集成自動化和整體優(yōu)化以及和諧人機協(xié)調(diào)等方而都有優(yōu)勢或潛力;由于網(wǎng)上的傳輸時延，數(shù)抓包去失，以及用戶對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的不同需求等，引出了網(wǎng)絡(luò)的控制中一系列研究課題。涉及相關(guān)的協(xié)議，系統(tǒng)的控制策略，穩(wěn)定性、魯棒性、算法的收斂性以及控制系統(tǒng)產(chǎn)品化等問題。
以復(fù)雜媒體網(wǎng)絡(luò)的控制為例，復(fù)雜媒體可視為一個廣義的系統(tǒng)，其所究內(nèi)容包括信息結(jié)構(gòu)、復(fù)雜媒體的管理.、服務(wù)質(zhì)量(QOS)控制，流量控制等。例如，在流媒體系統(tǒng)中，可以利用自適應(yīng)等控制策略使用戶在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境卜享受到盡可能好的QoS保證。1999年，木尼迪克特(Bendidt)提出了“網(wǎng)絡(luò)空間”（Cyberspace)的概念，稱這種“由計算機支持，由計算機進入和由計算機產(chǎn)生的全球網(wǎng)絡(luò)化，是多維度的，人造或‘慮擬’的真實。它是真實的，每一臺計算機都是一個窗口;它是慮擬的，所看到的或所聽到的既不是物質(zhì)也不是物質(zhì)的表現(xiàn)，相反它們都是純粹的數(shù)抓或信息組成的”。可以說，它是介于慮擬和現(xiàn)實之間的特殊空間，即“網(wǎng)絡(luò)空間”，由此而可能發(fā)展網(wǎng)絡(luò)科學(xué)。網(wǎng)絡(luò)空間有許多控制和答理問題，有人稱之為“慮擬控制”或網(wǎng)絡(luò)的控制。近年來，關(guān)于下一代互聯(lián)網(wǎng)、智能網(wǎng)、網(wǎng)格等的討論也較多，網(wǎng)格（Grid)一般認(rèn)為是繼傳統(tǒng)因特網(wǎng)、Web之后的第三代因特網(wǎng)其主旨是實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)上所有資源的全而連通，在氣象、能源、教育以及企業(yè)信息化中都有廣’泛應(yīng)用。美國《福布斯特》雜志預(yù)期網(wǎng)格技術(shù)到2020年將產(chǎn)生年產(chǎn)伯20萬億美元的大下業(yè)。在網(wǎng)格中分布資源管理與控制、資源共享、網(wǎng)格監(jiān)控以及系統(tǒng)女全等方而的研究都是受人關(guān)汁的四。有人建議，在網(wǎng)格的體系上要體現(xiàn)服務(wù)第一，協(xié)議第一的觀念。另外，在下一代網(wǎng)關(guān)中，可能會將大部分控制功能(呼叫控制、接入控制、資源控制、服務(wù)質(zhì)量控制等)統(tǒng)一交由一個控制層來完成。可見，網(wǎng)絡(luò)的控制及管理.是日益受到重視，控制的一此基本概念，控制策略和控制理論不能簡的一地搬用到網(wǎng)絡(luò)的控制中，但應(yīng)可以在網(wǎng)絡(luò)的控制中得到發(fā)展。
以網(wǎng)絡(luò)為控制對象的網(wǎng)絡(luò)控制所要解決的主要是用戶對網(wǎng)絡(luò)各種服務(wù)質(zhì)量:需求與網(wǎng)絡(luò)資源間的矛盾與協(xié)調(diào)。從信息傳送結(jié)構(gòu)上講，可以在核心網(wǎng)上增強控制功能;也可以在邊緣網(wǎng)上引入系統(tǒng)與控制的方法。在這此系統(tǒng)建模與分析中，多會遇到系統(tǒng)規(guī)模大、異構(gòu)件、時變性、人機協(xié)調(diào)、隨機性等問題、在已見的一此研究成果中，排隊論、小波分析、自適應(yīng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、混雜系統(tǒng)等理論與方法都有應(yīng)用。在因特網(wǎng)或非實時局域網(wǎng)的控制系統(tǒng)中，離散控制時間的確定性或定常性已不存在，要發(fā)展網(wǎng)絡(luò)控制理論或改造經(jīng)典的方法或按離散事件動力學(xué)考慮新途徑，學(xué)科交叉研究勢在必行。
4對下控機系統(tǒng)及專委會工作的一此思考
二十年前，在個人計算機(PC)技術(shù)成熱并大舉進入市場之際，我們成立了工業(yè)控制計算機專業(yè)委員會，在學(xué)術(shù)交流、產(chǎn)品研發(fā)等方面做了許多工作，得到了廣泛的認(rèn)可。當(dāng)前，信息網(wǎng)絡(luò)迅速發(fā)展，而對網(wǎng)絡(luò)控制等的機遇，工控機系統(tǒng)的研發(fā)人員應(yīng)多交流討論。各種工控機系統(tǒng)，現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)，分布控制系統(tǒng)，傳感器仍是工業(yè)自動化與下控機的主要課題，而網(wǎng)絡(luò)控制的機遇與挑戰(zhàn)也是專委會需認(rèn)真思考的:
1)當(dāng)前，我國在網(wǎng)絡(luò)化控制(網(wǎng)絡(luò)化系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)化制造……)方面的研究與產(chǎn)品研發(fā)已有一此成果，尚待深入與普及;而在網(wǎng)絡(luò)的控制方而的研究下作剛剛開始。我們可能需要在理論探索、技術(shù)研究以及協(xié)議（標(biāo)準(zhǔn))制定、產(chǎn)品研發(fā)等層面上挑戰(zhàn)網(wǎng)絡(luò)控制的機遇。
2)需要面對網(wǎng)絡(luò)控制的挑戰(zhàn)，加強計算機、通信網(wǎng)絡(luò)、自動控制等學(xué)術(shù)交叉性的研討，可與兄弟專委會聯(lián)合組織。計算機、通信網(wǎng)絡(luò)、自動控制等不同專業(yè)背景的人員在從事網(wǎng)絡(luò)控制這類學(xué)科交叉研究中，往往有不同的思路、視角、方法或切入點，其成果也各有特色。多交流互補是大有益處的。
關(guān)鍵詞：人工智能 電氣 自動化
人工智能是研究、開發(fā)用于模擬、延伸和擴展人的智能的理論、方法 技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能是計算機科學(xué)的一個分支 它企圖了解智能的實質(zhì)，并生產(chǎn)出一種新的能以人類智能相似的方式作出反應(yīng)的智能機器．該領(lǐng)域的研究包括機器人．語言識別、圖像識別 自然語言處理和專家系統(tǒng)等。電氣自動化是研究與電氣工程有關(guān)的系統(tǒng)運行、自動控制，電力電子技術(shù)、信息處理、試驗分析 研制開發(fā)以及電子與計算機應(yīng)用等領(lǐng)域的一門學(xué)科。實現(xiàn)機械的自動化，讓機械部份脫離人類的直接控制和操作自動實現(xiàn)某些過程是電氣自動化和人工智能研究的交匯點。積極運用人工智能的新成果無疑有利于電氣自動化學(xué)科特別是自動控制領(lǐng)域的發(fā)展．也有利于提高電氣設(shè)各運行的智能化水平．對改造電氣設(shè)備系統(tǒng)，增強控制系統(tǒng)穩(wěn)定性．加快生產(chǎn)效率都有重大意義。
1、人工智能應(yīng)用理論分析
人工智能(Artificial Intelligence)，英文縮寫為AI。它是研究、開發(fā)用于模擬，延伸和擴展人的智能的理論、方法、技術(shù)及應(yīng)用系統(tǒng)的一門新的技術(shù)科學(xué)。人工智能是計算機科學(xué)的一個分支，它企圖了解智能的實質(zhì)．并生產(chǎn)出一種新的能以人類智能相似的方式作出反應(yīng)的智能機器 該領(lǐng)域的研究包括機器人、語言識別、圖像識別 自然語言處理和專家系統(tǒng)等。自從1956年“人工智能 一詞在Dartmouth學(xué)會上提出以后，人工智能研究飛速發(fā)展，成為以計算機為主．涉及信息論．控制論， 自動化、仿生學(xué)、生物學(xué)、心理學(xué)、數(shù)理邏輯、語言學(xué)、醫(yī)學(xué)和哲學(xué)的一門學(xué)科。人工智能研究的一個主要目標(biāo)是使機器能夠勝任一些通常需要人類智能才能完成的復(fù)雜的工作。
當(dāng)今社會，計算機技術(shù)已經(jīng)滲透到生產(chǎn)生活的方方面面．計算機編程技術(shù)的日新月異催生自動化生產(chǎn)，運輸 傳播的快速發(fā)展。人腦是最精密的機器，編程也不過是簡單的模仿人腦的收集、分析、交換、處理、回饋．所以模仿模擬人腦的機能將是實現(xiàn)自動化的主要途徑。電氣自動化控制是增強生產(chǎn)．流通、交換、分配等關(guān)鍵一環(huán)．實現(xiàn)自動化，就等于減少了人力資本投入，并提高了運作的效率。
2、人工智能控制器的優(yōu)勢
不同的人工智能控制通常用完全不同的方法去討論。但Al控制器例如：神經(jīng)、模糊、模糊神經(jīng)以及遺傳算法都可看成一類非線性函數(shù)近似器。這樣的分類就能得到較好的總體理解．也有利于控制策略的統(tǒng)一開發(fā)。這些Al函數(shù)近似器比常規(guī)的函數(shù)估計器具有更多的優(yōu)勢．這些優(yōu)勢如下：
(1)它們的設(shè)計不需要控制對象的模型(在許多場合，很難得到實際控制對象的精確動態(tài)方程，實際控制對象的模型在控制器設(shè)計時往往有很多不確實性因素，例如：參數(shù)變化，非線性時，往往不知道)。
(2)通過適當(dāng)調(diào)整(根據(jù)響應(yīng)時間 下降時間、魯棒性能等)它們能提高性能。例如模糊邏輯控制器的上升時間比最優(yōu)PID控制器快1.5倍 ，下降時間快3.5倍， 過沖更小。
(3)它們比古典控制器的調(diào)節(jié)容易。
(4)在沒有必須專家知識時．通過響應(yīng)數(shù)據(jù)也能設(shè)計它們。
(5)運用語言和響應(yīng)信息可能設(shè)計它們。
總而言之，當(dāng)采用自適應(yīng)模糊神經(jīng)控制器、規(guī)則庫和隸屬函數(shù)在模糊化和反模糊化過程中能夠自動地實時確定。有很多方法來實現(xiàn)這個過程，但主要的目標(biāo)是使用系統(tǒng)技術(shù)實現(xiàn)穩(wěn)定的解，并且找到最簡單的拓樸結(jié)構(gòu)配置．自學(xué)習(xí)迅速，收斂快速。
3、人工智能的應(yīng)用現(xiàn)狀
隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，許多高等院校及科研機構(gòu)就人工智能在電氣設(shè)備的應(yīng)用方面展開了研究工作，如將人工智能用于電氣產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計，故障預(yù)測及診斷、控制與保護等領(lǐng)域。
3.1 優(yōu)化設(shè)計
電氣設(shè)備的設(shè)計是一項復(fù)雜的工作 它不僅要應(yīng)用電路、電磁場、電機電器等學(xué)科的知識，還要大量運用設(shè)計中的經(jīng)驗性知識。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計是采用簡單的實驗手段和根據(jù)經(jīng)驗用手工的方式進行的．因此很難獲得最優(yōu)方案。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，電氣產(chǎn)品的設(shè)計從手工逐漸轉(zhuǎn)向計算機輔助設(shè)計(CAD)，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。人工智能的引進．使傳統(tǒng)的CAD技術(shù)如虎添翼．產(chǎn)品設(shè)計的效率及質(zhì)量得到全面提高。用于優(yōu)化設(shè)計的人工智能技術(shù)主要有遺傳算法和專家系統(tǒng)。遺傳算法是一種比較先進的優(yōu)化算法，非常適合于產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計。因此電氣產(chǎn)品人工智能優(yōu)化設(shè)計大部分采用此種方法或其改進方法。
3.2 故障診斷
電氣設(shè)備的故障與其征兆之間的關(guān)系錯綜復(fù)雜，具有不確定性及非線性．用人工智能方法恰好能發(fā)揮其優(yōu)勢。已用于電氣設(shè)備故障診斷的人工智能技術(shù)有：模糊邏輯、專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。
變壓器由于在電力系統(tǒng)中的特殊地位而備受關(guān)注，有關(guān)方面的研究論文較多。目前對變壓器進行故障診斷最常用的方法是對變壓器油中分解的氣體進行分析．從而判斷變壓器的故障程度。人工智能故障診斷技術(shù)在發(fā)電機及電動機方面的研究工作也較為活躍。
3．3智能控制
人工智能控制技術(shù)在自動控制領(lǐng)域的研究與應(yīng)用已廣泛展開．但在電氣設(shè)備控制領(lǐng)域所見報道不多。可用于控制的人工智能方法主要有3種：模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家系統(tǒng)控制。由于模糊控制是其中最為簡單、最具實際意義的方法．因而它的應(yīng)用實例最多。
4、結(jié)語
人類智能主要包括三個方面．即感知能力．思維能力 行為能力。而人工智能是指由人類制造出來的 機器”所表現(xiàn)出來的智能。人工智能主要包括感知能力、思維能力和行為能力。人工智能的應(yīng)用體現(xiàn)在問題求解．邏輯推理與定理證明，自然語言理解 自動程序設(shè)計．專家系統(tǒng)，機器人學(xué)等方面，而這諸多方面都體現(xiàn)了一個自動化的特征．表達(dá)了一個共同的主題，即提高機械人類意識能力，強化控制自動化．因此人工智能在電氣自動化領(lǐng)域?qū)笥凶鳛椋姎庾詣踊刂埔残枰斯ぶ悄艿膮⑴c。
參考文獻(xiàn)：
關(guān)鍵詞：仿生；四足；機器狗
中圖分類號：S611文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A
1 引言
地球表面多為崎嶇不平的地面，僅僅依靠輪式機械無法完全實現(xiàn)在這些自然環(huán)境中行走。因此，設(shè)計和制造一種類似動物能夠適應(yīng)各種不平地面和惡劣環(huán)境的機器人，一直是我們追求的目標(biāo)。目前機器人按行走方式類型可分為輪式、履帶式和足式，仿生足式機器人具有運動靈活和良好的地形適應(yīng)能力特點。正是基于此，仿生足式機器人的研究成為機器人研究領(lǐng)域的熱點之一。仿生多足機器人是模仿多足動物運動形式的特種機器人，是一種足式移動機構(gòu)。所謂多足是指四足以上，常見的多足機器人包括四足機器人、六足機器人和八足機器人[1]。其中四足機器人由于既有超過二足機器人的平穩(wěn)性又避免了六足機器人機構(gòu)的冗余性和復(fù)雜性，在工程探險、反恐防爆、軍事偵察等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，開展該方面的研究具有重要的實際應(yīng)用價值及社會意義[2]。
2機械結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計
足式機器人的運動實質(zhì)上是有圖2-1中XOY平面上的EF，IG，JH之間的滑塊機構(gòu)和AE之間的轉(zhuǎn)動副，驅(qū)動AB桿繞A點轉(zhuǎn)動，BC桿繞B點轉(zhuǎn)動，CD繞C點轉(zhuǎn)動，AE繞Z軸轉(zhuǎn)動，從而使D點相對地面運動，達(dá)到行走目的[3]。三個滑塊機構(gòu)沒有直接與AB，BC，CD桿件相連，而是與AB，BC，CD三桿的側(cè)向延長點連接，主要是為了避免當(dāng)AB桿與AE桿、AB桿與BC桿、BC桿與CD桿處于同一直線所產(chǎn)生的奇異現(xiàn)象。在機構(gòu)分析中，不需要考慮各桿件的質(zhì)量，具體機械結(jié)構(gòu)和強度，只對桿件作位移、速度和加速度分析。足式機器人腿部的機構(gòu)學(xué)分析主要為運動學(xué)正解和運動學(xué)反解兩部分。運動學(xué)正解是為設(shè)計腿部的機械零件提供必要的參數(shù)依據(jù)。運動學(xué)反解用以驗證運動學(xué)正解的結(jié)果，并為腿部的實際運動控制提供計算依據(jù)。
圖2-1四足機器人腿部機構(gòu)簡圖
2.1自由度的配置
自由度的配置參看圖2-1中。其中，沿著機器狗中軸線運動的方向有4個自由度，其中三個帶有驅(qū)動，另外一個冗余自由度； 垂直于相應(yīng)方向有一個自由度。
2.2機構(gòu)分析與設(shè)計
首先定義AB的長度為, BC的長度為，CD的長度為，AB與AE的夾角為α，AB與BC的夾角為β，BC與CD的夾角為γ，AE繞X軸的轉(zhuǎn)角為θ，如圖2-1所示。由于AE與足式機器人的機身想連接，為了分析方便，假設(shè)機身保持固定，即AE只繞X軸轉(zhuǎn)動，而無其它任何平動和轉(zhuǎn)動，同時忽略CD之間的滑塊機構(gòu)的運動（選用阻尼器可實現(xiàn)）。
由于機器人腿部的驅(qū)動機構(gòu)為滑塊機構(gòu)，因此可以推到α，β，γ，θ與EF，IG，JH，PQ長度之間的關(guān)系如下：
式中，為4個滑塊的長度，為變量。π/4是為了避免出現(xiàn)奇異，對AB， BC，CD 3個桿件側(cè)向延長所產(chǎn)生的。
運動學(xué)正解主要是定義驅(qū)動的運動規(guī)律計算圖2-1中D點的運動軌跡、速度和加速度。設(shè)D點的坐標(biāo)為（），由幾何關(guān)系可得：
式表示了D點坐標(biāo)與α，β，γ，θ角速度之間的變化關(guān)系。定義驅(qū)動機構(gòu)，即滑塊機構(gòu)的運動規(guī)律，結(jié)合式，由式可計算出D運動是的坐標(biāo)。
速度方程反映了D點速度與α，β，γ，θ角速度之間的關(guān)系。可由式等式兩側(cè)對時間求導(dǎo)計算出。設(shè)X，Y均為變量，且符合Y=F(X), 則：
，
式中，偏導(dǎo)函數(shù)構(gòu)成的矩陣為雅可比矩陣。
因此，速度方程可以用雅可比矩陣形式表示出，如所示：
=
式中，矩陣中的各元素如下所示：
此外，還需研究液壓缸驅(qū)動速度與α，β，γ，θ角速度之間的關(guān)系，由式得：
式中，，，，為各缸的運動速度。表明了關(guān)節(jié)角速度與液壓缸速度之間的關(guān)系，實際上關(guān)節(jié)驅(qū)動力矩與液壓缸輸出力也成類似關(guān)系。該式表明當(dāng)α=β=γ=45，和θ=90時，腿部機構(gòu)出現(xiàn)奇異情況，當(dāng)然由于實際液壓缸行程的限制，并不會出現(xiàn)這種情況。如果液壓缸直接與AB，BC，CD桿件連接，即桿件無側(cè)向延長，則出現(xiàn)奇異情況，除非限制液壓缸的行程，但無法滿足運動要求。結(jié)合式和式，可由驅(qū)動機構(gòu)的速度計算出D點的速度。
式為速度方程，等式兩邊同時對時間求導(dǎo)，可得加速度方程，展開表示為如下：
式中，L和L對時間的一階，二階倒數(shù)如下所示：
由式，，可知，對于給定的三個滑塊機構(gòu)及轉(zhuǎn)動副的驅(qū)動規(guī)律，結(jié)合式可得到α，β，γ，θ的運動規(guī)律，因此可確定唯一的D點的位移、速度和加速度。
運動學(xué)反解主要是通過定義圖2-1中D點運動軌跡計算各驅(qū)動的運動規(guī)律，與正解相反。設(shè)D點坐標(biāo)已知，即式中的，，己知α，β，γ，θ待求。顯然，由于3個方程4個未知數(shù)，其解理論上為無窮多組。為了求解方便，不妨假設(shè)a保持不變，即EF之間的滑塊驅(qū)動靜止。因此由式可先求出θ:
式整理得到如下表達(dá)式：
式消元并求解，可得:
式中，α，β，γ，θ，ψ符合如下關(guān)系：
，，，，
由上述的反解結(jié)果，即式和式可知，由可以確定θ，且為唯一解，由，可以得到α，β，γ的無窮多組解。由于實際中驅(qū)動機構(gòu)為滑塊機構(gòu)，因此結(jié)合式，可以得到實際驅(qū)動的運動規(guī)律，即FE，IG，JH，PQ的長度變化規(guī)律。該結(jié)果將用于機器人腿部的運動控制。
上述分析結(jié)果又一次表明了機器人腿部為冗余系統(tǒng)，即可以通過組合不同的FE，IG，JH處滑塊的驅(qū)動規(guī)律，得到D點相同的關(guān)于，運動規(guī)律。這為設(shè)計機器人腿部驅(qū)動規(guī)律提供了很大的彈性，即可以根據(jù)能耗最低的方式，也可以根據(jù)外負(fù)載最大，或抗外部擾動力最大等方式來確定一組關(guān)于FE，IG，JH處滑塊的驅(qū)動規(guī)律關(guān)系式，并結(jié)合式設(shè)計驅(qū)動規(guī)律，但得到的都是相同的機器人運動規(guī)律。這就是將機器人腿部設(shè)計為冗余系統(tǒng)的重要原因。
3整體方案設(shè)計
一個完整的液壓系統(tǒng)主要包括能源裝置，執(zhí)行裝置，控制調(diào)節(jié)裝置及其它相關(guān)和必要的輔助裝置[4]。
執(zhí)行裝置實現(xiàn)將油液的液壓能轉(zhuǎn)換為機械能。主要的執(zhí)行裝置有液壓缸、擺動缸和液壓馬達(dá)。如果采用擺動擺動缸和液壓馬達(dá)作為執(zhí)行元件，則可以安裝在圖 中的A，B，C處。但是由于目前市場上擺動缸和液壓馬達(dá)重量和體積均較大，容易是足式機器人的整體重量超標(biāo)，對負(fù)載能力產(chǎn)生負(fù)面影響。因此，執(zhí)行元件采用液壓缸。由于液壓缸往返方向的速度和輸出力不需要相同，因此采用單桿活塞雙作用液壓缸。
輔助裝置包括蓄能器、濾油器、密封件、油箱、熱交換器、管路、管接頭及閥塊[5]等。這些元件在液壓系統(tǒng)中起輔助作用，也是不可或缺的，用以保證系統(tǒng)有效、安全地工作。蓄能器的作用為：作輔助動力源；吸收液壓沖擊和消除壓力脈動；維持系統(tǒng)恒壓和補充泄露。濾油器的功能是過濾混在液壓油液中的雜質(zhì)，保證系統(tǒng)正常地工作。
在圖中，由于機器人腿部共有4個主動自由度，因此，采用4個雙作用單
活塞桿液壓缸作驅(qū)動，4個電液伺服閥分別控制液壓缸的運動，在進油口處裝有一精濾油器。液壓泵為單作用變量葉片泵，由交流電機驅(qū)動，在吸油口出裝有濾油器，防止雜質(zhì)對液壓泵造成損壞。精濾油器和液壓泵之間裝有一單向閥，主要是防止液壓油倒流。溢流閥是為了當(dāng)系統(tǒng)壓力超過限制時，起安全作用。蓄能器作應(yīng)急供油作用。回油管路接濾油器，吸收雜質(zhì)，防止流到油箱，同時裝有2個單向閥，防止液壓油倒流，以及濾油器堵塞時，能正常回油。冷卻形式為風(fēng)冷。壓力表顯示系統(tǒng)工作時，壓力狀態(tài)。
圖3-1 液壓系統(tǒng)原理圖
4總結(jié)
本文著重研究足式機器人腿部的機械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)設(shè)計。首先針對足式機器特點，提出了自由度設(shè)置，設(shè)計了腿部機構(gòu)簡圖方案，根據(jù)機構(gòu)簡圖對腿部進運動學(xué)正解和反解分析，并且對其驅(qū)動系統(tǒng)進行了設(shè)計。
參考文獻(xiàn)
[1] 羅慶生 韓寶玲 現(xiàn)代仿生機器人設(shè)計 [M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2008：6.
[2] 黃博. 四足機器人行走步態(tài)及CPG控制研究 [D]．哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007
[3] 張鵬翔. 液壓驅(qū)動的足式機器人腿部結(jié)構(gòu)設(shè)計與研究 [D] 北京郵電大學(xué)碩士論文.
[4] 鄧樂主編.液壓傳動IMI，第1版. 北京郵電大學(xué)出版社，2010年
