六脚爬虫机器人步态算法和控制系统——阿童木

1、毕 业 设 计 论文 题目：六脚爬虫机器人运动步态规划和控制系统搭建2011 年 6 月 9日毕业设计开题报告六脚爬虫机器人运动步态规划和控制系统搭建1课题来源本课题是受深圳德普施公司委托，为其研发第二代六脚爬虫机器人。2课题研究的目的和意义随着世界科技的发展和人们生活水平的提高，机器人无疑将成为未来世界的宠儿。机器人可以代替人类完成重复性和枯燥的任务，可以为人类服务，也可以到人类不能去的危险区域探索作业。鉴于此，我们有必要加大对机器人领域的研究，去开发多功能的，环境适应性强的新一代机器人。目前，在地面上能独立行进完成相应功能的机器人主要有两类，一种是由轮子驱动的轮行机器人，另一种是基于仿生学

2、的步行机器人。尽管轮行机器人在平坦地面上行进稳定，速度快，效率高；但其最大的不足就在于对未知的复杂地形，其适应能力很差。而步行机器人可以在复杂的自然地形中较为容易的完成前进和探测。所以针对军事侦察，危险区域作业，星球探测，矿山开采，教育娱乐等地面环境不确定性大的领域，步行机器人有更广阔的应用前景和更高的实用价值。而在步行机器人中，多足机器人是最容易实现稳定行走的。由于六足机器人相对类人和四足机器人具有控制系统简单、肢体冗余和行走平稳等优点，本课题我们选择制作一个模仿昆虫肢体结构和运动控制策略的六足机器人。为了适应复杂多变的自然环境，在昆虫身上进化出成百上千的感应器来感测环境信息。本课题也试图在

3、机器人身上安装各种传感器来感测外部环境，让机器人可以在未知的，复杂的环境中行走，完成一定的任务。当然，试图实现昆虫所有感测功能是不现实的，我们只是模拟其一部分功能。同时，为了增强机器人的实用性，我们提供了另外两种控制方法，即触摸屏控制和无线控制。本课题作为机器人设计的一部分，其目的是对六足仿生机器人的控制方法和步态策略进行研究，针对一个六足仿生机器人的本体设计新型的控制系统硬件，并尝试用触摸屏去显示机器人的状态和控制机器人的步态。同时，在机器人硬件平台上对控制策略进行实验，为进一步研究六足仿生机器人控制策略打下硬件和理论的基础。3研究现状六足仿昆虫机器人在很多国家都受到了重视，也是机器人领域的

4、研究热点之一。它的研究涉及到了生物科学，仿生学，机构学，传感技术及信息处理等多门学科。经过近二三十年的研究发展，世界各国研制出了多款功能不同的六足机器人，现选取几款有代表性的六足机器人，介绍其研究现状，并对其研究趋势做出展望。随着美国宇航局太空计划的不断深入，迫切需要一个可以在为止复杂地表行进探测的机器人。1990年，美国卡内基-梅隆大学研制出用于外星探测的六足步行机器人AMBLER，它采用了新型的腿结构，由一个在水平面内运动的旋转杆和在垂直平面内作直线运动的伸展杆组成，由一台32位的处理机进行控制，但由于体积和质量太大没能用于行星探测计划。Irobot公司则于同一时期分别研制出两台六足机器人

5、：Genghis，Attila和Hannibal。由于其腿部只有两个舵机，所以行动稍显笨拙。90年代早起麻省理工学院的AI实验室根据机器昆虫的思想研制出两台六足机器人，分别是Genghis和Hannibal，他们腿部分别有18个自由度，其强调了模块化子系统结构。美国东北大学和德国Fraunhofer研究所于2001年一起研制了机器人Scorpion，它的设计是根据多足节肢动物的解剖学数据。同一时期，德国杜伊斯堡大学研制出机器人Tarry，它完善了更多的智能策略并加入了腿部反射。多足机器人的研制还出现这样一种趋势，即将腿式移动机构的地形适应能力和轮式移动机构的高速高效性能相融合。如1992年日本

6、东北大学研究开发出的腿轮分离型步行机器人Chariot。法国巴黎第六大学的Bidaud博士则研制出机器人Hylos，它的每个脚底都有一个小轮子。另一个典型的代表就是美国宇航局的火星探测机器人，它的腿部有伸缩机构，对地表的适应性很强。六足机器人的控制算法一直是研究的重点。其控制可以分为两个部分，步态规划和行为控制。六足昆虫最常见的有三种步态，即波动步态，四足步态和三足步态，其支撑身体的腿的个数分别为5，4，3 。目前，机器人实现类似昆虫的步态主要采用以下几种步态，即固化步态，分布神经网络控制和进化神经网络。前者环境适应性差，应用受到了局限。神经网络步态控制经过了三个发展阶段，早期Randall

7、D.Beer提出了神经网络的基本构想，随后德国的Holk Cruse提出了昆虫行走机制的六条规则，并以此建立了一种简单的六足控制器“Walknet”。接着，Hamlet实验小组提出了影响每条腿运动的“内成约束”概念，并给出了度量这种约束的公式。而进化神经网络的控制思想则尝试让机器人通过对自身行为的不断尝试，达到自己学会如何行走的目的，目前这一方法还在尝试阶段。另外，本课题还尝试了利用腿部反射来提升机器人在复杂地表行进的能力。4设计方案：4.1机器人运动规划机器人行走采取分布神经网络的半闭环控制，在机器人每个脚底均安装一个行程开关，用于探测机器人脚部是否着地。通过腿部机构运动学分析，规划机器人每

8、条腿的抬起与着地路线，脚部行程开关闭合则说明脚底着地。根据地表状况不同，机器人分别选择采取波动步态，四足步态或者三足步态。同时，我们还要规划机器人越障和爬楼梯的步态。在对腿部进行运动学分析时，需建立其D-H坐标系，并求出其运动学逆解。当机器人在平坦地表行进时，可以通过直接给出机器人躯干的位置，姿态，以及各足端的位置，来规划机器人的动作。当机器人在复杂地表行进时，要对每条腿的着地路径进行规划，直至行程开关闭合。4.2控制系统搭建机器人腿部一共有18个自由度，相应有18个舵机，所以控制系统要能够产生18路PWM波。针对这种情况，本课题将控制系统分为两个部分，即控制部分和驱动部分。驱动板采用para

9、llax公司的Propeller Servo Controller USB。它通过串行通信方式最多可以驱动16个舵机。本设计选用两块驱动板去驱动18个舵机，每块板分别驱动一侧的9个舵机。控制板的主控制芯片选择ST公司的STM32F107，主要是基于此款芯片的高速运算性能和低功耗。4.3触摸屏控制对六脚爬虫机器人进行运动步态规划并搭建机器人的控制系统。该六脚爬虫机器人是仿生昆虫的多自由度多传感器智能机器人，要求对机器人做出多种步态规划，使其满足多种任务。控制系统要求能够控制机器人的18个关节舵机平稳运行，并且安排相应IO口与各功能模块相连接。要求满足以下性能：机器人可以完成前进，后退，左转，右转

10、，侧移，扭动身躯等简单动作；机器人有多种步态，如三脚步态，双脚依次迈步步态，单脚依次迈进步态；机器人可以完成抬脚，越障，简单舞蹈动作；机器人控制系统稳定，能驱动18个舵机；机器人可通过无线，触摸屏，传感器检测三种方式运行；要求机器人行进速度达到6m/min；在控制板上安装有一个液晶触摸屏，用于显示机器人的运行状态和控制机器人的运动步态。触摸屏采取UCGUI编程，UCGUI是一种用于嵌入式应用的图形支撑软件。触摸屏相当于给机器人提供了一个人机交互平台，提供了另一种控制机器人的方案。5课题研究内容6工作进度的安排2010年12月-2011年3月 查阅资料，翻译参考文献，文献综述，开题报告；2011

11、年3月-2011年4月 理论分析研究及运动步态方案规划；2011年4月-2011年5月 控制系统设计和搭建，完成系统原理图和PCB图；2011年5月-2011年6月 在机器人平台上实验调试，并撰写毕业论文2011年6月 毕业设计答辩准备7参考文献1Proprioceptive Sensing for a Legged Robot，Pei-Chun Lin, The University of Michigan;2六足仿生机器人越障步态方法研究，叶献伟，陈樊，高建华，浙江理工大学机电研究所，2008；3新型六足机器人机构与控制系统设计，王倩，陈甫等，哈尔滨工业大学，2008；4Parallax公

12、司说明文档，Propeller Servo Controller USB；5UCGUI图形开发资料；6六足仿生机器人步态规划与控制系统搭建，王倩，哈尔滨工业大学；7多足步行机器人及其控制装置，陈学东等，华中科技大学；8多足步行机器人的研究现状及展望，雷静桃，高峰，崔莹，北京航空航天大学，2006；9机器人技术基础，华中科技大学出版社；10STM32F107xx Reference manual；11六足仿生机器人步态规划与控制系统研制，哈尔滨工业大学；12六足仿生机器人越障步态方法研究，雷静桃，高峰，崔莹，北京航空航天大学，2008；49目 录 摘 要1AbstractII1 绪论11.1课题

13、的来源、背景和意义11.2.研究现状及展望21.3六脚机器人的控制算法和策略41.4课题研究内容52 运动学分析与运动步态规划62.1引言62.2六角爬虫机器人的机械结构62.3六角爬虫机器人腿部DH坐标系的建立72.4求运动学反解92.5六角爬虫机器人步态规划及实验92.6六角爬虫机器人自由步态的实现142.7六角爬虫机器人其它动作的实现152.8本章小结183 控制系统硬件设计193.1引言193.2六脚机器人对控制系统的设计要求193.3硬件系统总体结构193.4主控制板设计213.5驱动板设计233.5 XBee无线通信模组243.6发声模块：243.7各传感器模块：253.8本章小结

14、284 uCOS嵌入式系统移植与触摸屏控制294.1引言294.2为什么选uCOS嵌入式系统294.3 C/OS-II在STM32F107上的移植过程304.4 C/OS-II多任务的建立314.5触摸屏工作原理334.6uC/GUI介绍及其API函数344.7触摸屏校准354.8触摸屏控制程序的编写364.9按键建立与检测程序374.10传感器显示控制界面404.11本章小结415 总 结435.1 完成的工作435.2 创新与收获44参考文献46摘要几年前，比尔·盖茨做了一个大胆的语言：未来家家都有机器人。机器人在人类将来的生活中将会扮演愈来愈重要的角色，而其中的多足机器人，因其

15、较强的环境适应能力，而越来越受到科学工作者的重视。本论文以2010年项目组完成的六脚爬虫机器人机械本体为对象，进行运动步态规划，并为其开发软硬件控制系统。首先，论文建立了机器人单腿的D-H坐标系，推导出六脚爬虫机器人运动学正解方程和反解公式，并在此基础上完成了六脚爬虫机器人三脚步态、四脚步态和波动步态的运动学规划和求解；此外，还设计了转弯，蟹行，做俯卧撑，舞蹈等特殊步态和动作；另外以六脚爬虫机器人脚底安装的柔性力传感器测力输出为依据，设计了自由步态，以适应凸凹不平的地面环境。其次，论文以STM32F107为主控制芯片，设计了六脚爬虫机器人硬件主控制系统，以及外围的舵机驱动电路、传感器测量电路、

16、无线通讯接口等，形成完整的六脚爬虫机器人硬件控制系统。然后，在搭建的硬件平台上进行了uCOS嵌入式操作系统的移植，完成了利用触摸屏进行控制的六脚爬虫机器人运动控制软件设计。实现了通过触摸屏显示六脚爬虫机器人运动状态和传感器测量数据，并能通过触摸屏按键控制六脚爬虫机器人运动的功能。最后，利用开发完成的软硬件控制系统进行了六脚爬虫机器人运动控制实验，取得了比较理想的效果。关键词：六脚爬虫机器人；触摸屏；步态；uCOS嵌入式系统；STM32AbstractA few years ago, Bill Gates made a bold prediction as: The robo

17、t will appear in every ordinary family in the future. In other words, the robot will play an increasingly important role in the human life. Among them, the Multi-legged robots are receiving more and more attention from scientists for their excellent adaption to the environment. The thesis is based o

18、n the hexapod robot whose mechanical design was finished by project of 2010. My work is amid at studying the rule of motion and gait, and at developing the software and hardware system.Firstly, the thesis builds up the D-H coordinate system for a single leg of the robot, and solves the equation

19、s of motion and its inverse kinematics. And it achieves wave gait, tetrapod gait, tripod gait on the former basis. Besides, the thesis designs multiple special motions such as turning, crab-like walking, doing push-ups, and dancing. Whats more, it achieves free gait due to the force o

20、utput of flexiforce sensors equipped under the feet of the robot, resulting in the adaption to uneven ground. Secondly, the thesis designs the main control system of hardware based on the chip of STM32F107, and the peripheral circuits, for servo drive, sensors measurement, and wireless com

21、munication interface. Those make up the whole hardware control system. Thirdly, it transplants uCOS embedded control system based on the finished hardware system and completes the design of software system in which the touchscreen is used. Due to this application, the robot displays the state of the

22、 robot and the data from sensors, and controls the motion of the robot through buttons. Finally, we have carried out the gait and motion experiments on the basis of the finished hardware and software control system and got ideal results.Key words: hexapod robot; touchscreen; gait; uCOS embedded syst

23、em；STM321 绪论1.1课题的来源、背景和意义随着世界科技的发展和人们生活水平的提高，机器人无疑将成为未来世界的宠儿。机器人可以代替人类完成重复性和枯燥的任务，可以为人类服务，也可以到人类不能去的危险区域探索作业。鉴于此，我们有必要加大对机器人领域的研究，去开发多功能的，环境适应性强的新一代机器人。目前，在地面上能独立行进并完成相应功能的机器人主要有两种，一种是由轮子驱动的轮行机器人，另一种是基于仿生学的步行机器人。轮行机器人的优点是可以在平坦地面上稳定快速行进且效率高；但其最大的缺点就在于对复杂地形的适应能力差。而步行机器人可以在复杂的自然地形中较为容易的完成前进和探测。所以针对军事侦

24、察，危险区域作业，星球探测，矿山开采等地面环境不确定性大的领域，步行机器人有更广阔的应用前景和更高的实用价值。而在步行机器人中，多足机器人因其较高的冗余度，是最容易实现稳定行走的。由于六足机器人相对类人和四足机器人具有控制系统简单、肢体冗余和行走平稳等优点，本课题我们选择制作一个模仿昆虫肢体结构和运动控制策略的六足仿生机器人。为了适应复杂多变的自然环境，在昆虫身上进化出成百上千的感应器来感测环境信息。本课题也试图在机器人身上安装各种传感器来感测外部环境，让机器人可以在未知的，复杂的环境中行走，完成一定的任务。当然，试图实现昆虫所有感测功能是不现实的，我们只是模拟其一部分功能。同时，为了增强机器

25、人的实用性，我们提供了另外两种控制方法，即触摸屏控制和无线控制。本课题来源于学校国际交流国内组实验室建设项目，其目的是要制作一个六足仿生机器人，作为大专院校的教学实验平台或者科技馆展览之用。本课题是在上一届学校国际交流项目的基础上完成的，我们的目标是开发一个集无线控制、触摸屏控制、多传感器探测于一体的六足机器人，并且要求机器人可以以多种步态行走，亦可以展示各种肢体动作，可以发声。此六脚机器人已申请了实用新型专利，专利申请号：201120003138.9.本设计作为本课题的一部分，其目的是对六足仿生机器人的控制方法和运动步态策略进行研究，针对一个六足仿生机器人的本体设计完整的硬件控制系统，并设计

26、基于触摸屏的软件控制系统，用来显示机器人的状态和控制机器人的运动。最后，在机器人硬件平台上对各种步态，动作，传感器进行实验，为进一步研究六足仿生机器人控制策略做好铺垫。1.2.研究现状及展望六脚仿昆虫机器人在很多国家和高校都受到了重视，也是机器人领域的研究热点之一。它的研究涉及到了生物科学，仿生学，机构学，传感技术及信息处理等多门学科。经过近二三十年的研究发展，世界各国研制出了多款功能不同的六足机器人，现选取几款有代表性的六足机器人，介绍其研究现状，并对其研究趋势做出展望。为配合美国宇航局的太空探测任务，1990年，美国卡内基-梅隆大学研制出用于外星探测的六足步行机器人AMBLER，它采用了新

27、型的腿结构，由一个在水平面内运动的旋转杆和在垂直平面内作直线运动的伸展杆组成，并通过一台32位的处理机进行控制，但由于体积和质量太大没能用于行星探测计划。Irobot公司则于同一时期分别研制出两台六足机器人：Genghis，Attila和Hannibal。由于其腿部只有两个舵机，所以行动稍显笨拙。90年代早起麻省理工学院的AI实验室根据机器昆虫的思想研制出两台六足机器人，分别是Genghis和Hannibal，他们腿部分别有18个自由度，其强调了模块化子系统结构。由于采用了递归控制结构， Genghis可以在复杂路面上行走，包括横越陡峭的地势，爬过高大的障碍，避免掉下悬崖。图1- 1 AMBL

28、ER图1- 2Genghis和Hannibal美国东北大学和德国Fraunhofer研究所于2001年一起研制了机器人Scorpion，它的设计思想来自于多足节肢动物的解剖学数据，并且可以防止机器人的腿部被障碍物卡住，它可以轻松的越过障碍物，并且可以爬坡。机器人的行走控制基于两个仿生控制元：中央模式生成元和基本运动的高级行为元。同一时期，德国杜伊斯堡大学研制出机器人Tarry，它完善了更多的智能策略并加入了腿部反射。多足机器人的研制还出现这样一种趋势，即将腿式移动机构的地形适应能力和轮式移动机构的高速高效性能相融合。如1992年日本东北大学研究开发出的腿轮分离型步行机器人Chariot。法国巴

29、黎第六大学的Bidaud博士则研制出机器人Hylos，它的每个脚底都有一个小轮子。另一个典型的代表就是美国宇航局的火星探测机器人，它的腿部有伸缩机构，对地表的适应性很强。图1- 3Scorpion和Tarry图1- 4Chariot和Hylos讨论多足机器人不得不提到机器人“大狗”(Bigdog)，它是由波士顿动力学工程公司专门为美国军队研究设计。它被誉为当前世界上最先进的，能适应崎岖地形的机器人，它不仅仅可以爬山涉水，还可以承载较重负荷，而且这种机械狗速度很快。在它的内部安装有一台计算机，可根据环境的变化调整行进姿态。“大狗”既可以自行沿着预先设定的简单路线行进，也可以进行远程控制。而大量的

30、传感器则能够保障操作人员实时地跟踪“大狗”的位置并监测其系统状况。 图1- 5Bigdog目前，多足步行机器人仍有很多问题需要解决，比如步行机器人的结构仿生和控制问题，在凸凹地面上提高移动速度与身体平衡之间的矛盾等。据此，未来多足机器人的研究方向主要有三个方面：1.腿轮组合式步行机器人；2.微小型步行机器人；3.仿生步行机器人。1.3六脚机器人的控制算法和策略六脚机器人的控制算法一直是研究的重点。其控制可以分为两个部分，步态规划和行为控制。六足昆虫最常见的有三种步态，即波动步态，四足步态和三足步态，其支撑身体的腿的个数分别为5，4，3 。目前，机器人实现类似昆虫的步态主要采用以下方法

31、，即固化步态，分布神经网络控制和进化神经网络。前者环境适应性差，应用受到了局限。神经网络步态控制经过了三个发展阶段，早期Randall D.Beer提出了神经网络的基本构想，随后德国的Holk Cruse提出了昆虫行走机制的六条规则，并以此建立了一种简单的六足控制器“Walknet”。接着，Hamlet实验小组提出了影响每条腿运动的“内成约束”概念，并给出了度量这种约束的公式。而进化神经网络的控制思想则尝试让机器人通过对自身行为的不断尝试，达到自己学会如何行走的目的，目前这一方法还在尝试阶段。另外，本课题还尝试在机器人脚底安装柔性力传感器，利用腿部反射来提升机器人在复杂地表行进的能力，并据此产

32、生一种新的自由步态。作为一种移动的机器人，如何对机器人的各个层次上的功能（如电机的驱动、转角的控制、腿部运动控制、平衡与行走、多传感器协调等）进行控制，是一个必须面对的问题。麻省理工学院的Brooks教授早在八十年代初，就以生物的运动神经系统模型为基础，提出了分层控制结构。从九十年代初的 Attila 和 Hannibal 到现在的 LauronIII，层次化控制结构使各层之间的功能相对独立，封装和隐藏了对下层功能的具体实现，是控制系统设计更为方便简洁，同时因为它是遵循节肢动物神经系统的解剖学结构，具有稳定、可靠和高效的优点，一直作为多足机器人控制系统的基本结构。1.4课题研究内容对六脚爬虫机

33、器人进行运动步态规划并搭建机器人的控制系统。该六脚爬虫机器人是仿生昆虫的多自由度多传感器智能机器人，要求对机器人做出多种步态规划和肢体运动，使其满足多种任务。控制系统要求能够控制机器人的18个关节舵机平稳运行，并且安排相应IO口与各功能模块相连接。另外，利用嵌入式uCOS系统对机器人进行多任务安排，并利用触摸屏对机器人进行控制和显示机器人相应状态。六脚爬虫机器人要求满足以下性能：1.六脚爬虫可以完成前进，后退，左转，右转，横爬等运动；2.六脚爬虫有多种步态，如三足步态，四足步态，波动步态，自由步态；3.六脚爬虫可以完成抬脚，做俯卧撑，越障，简单舞蹈等动作；4.六脚爬虫控制系统稳定，能驱动18个

34、舵机和接收多传感器数据；5.六脚爬虫可通过无线控制，触摸屏控制，多传感器控制三种方式运行；2 运动学分析与运动步态规划2.1引言本毕业设计的六脚爬虫机器人一共有18个关节舵机，其结构属于并联机构，为了对其进行运动规划与步态控制，必须进行运动学分析。本章将利用机器人技术基础里的知识对机器人的腿部机构建立 D-H 坐标系，并求出其运动学方程和反解，在此基础上，对机器人的步态和各种身体运动姿态做出规划，使机器人完成各种运动。同时，本章的每个动作都给出了实验结果，作为对理论分析的一种验证。2.2六角爬虫机器人的机械结构机器人高位站立时，身体前后长500mm，宽500mm，高260mm。左右对称分布六条

35、腿，每个腿三个舵机，分别控制腿部的前后摆动、大腿的左右摆动和小腿的左右摆动。所选舵机为HS-645MG，供电电压为6V时，提供扭矩为9.6kg*cm，足够机器人三脚站立时支撑起身体。舵机直接驱动各个关节，中间无其它传动环节。这样机器人每条腿就有3个自由度，结果就使机器人拥有全方位的六自由度。图 2- 1六脚爬虫机器人三维建模和自由度分析对于每条腿，其结构如下图，各关节由舵机直接驱动，以舵机1旋转轴为Z轴（竖直向下为正向），Z轴与大腿下支撑板上表面交点为原点，以过原点并与舵机2、3旋转轴相平行的轴为Y轴（水平向前为Y轴），过原点水平向外垂直机器人的方向为X轴建立右手坐标系（基坐标系）。其中小腿关

36、节3轴心到脚底的垂直距离为L4=154mm，大腿两关节2和3轴心垂直距离为L3=115mm，关节1和3轴心水平横向距离为L2=20mm，关节2轴心距下支撑板上表面距离为L1=23mm。图 2- 2六角爬虫机器人腿部结构及基坐标系对于此三自由度腿部结构，当每个舵机的旋转角度确定的时候，机器人脚的位置也就唯一确定；同理，当确定机器人脚端到达的具体位置及方位时，各舵机相应的旋转角度也是唯一确定的。以上两个过程通过机器人腿部运动学方程的建立和运动学反解的求取即可确定。2.3六角爬虫机器人腿部DH坐标系的建立对于如图2-2所示的机器人腿部结构建立DH坐标系，如下图所示：图 2- 3机器人腿部D-H坐标系

37、小腿关节坐标系O3在基坐标系 O0中的齐次坐标变换 0 A3就表示了足端在基坐标系中的位置与姿态。根据图2-3的坐标系可以由0 A1、1 A2和2 A3得到如式所示齐次坐标变换矩阵：0A3 = 0A1×1A2×2A3=cos1-sin100sin1cos100001-L10001×cos20sin2L20100-sin20cos200001×cos3-sin30L3sin3cos30000100001=cos1*cos2*cos3-sin1*sin3-cos3*sin1-cos1*cos2*sin3cos1*sin2L2*cos1+L3*cos1*cos

38、2cos1*sin3+cos2*cos3*sin1cos1*cos3-cos2*sin1*sin3sin1*sin2L2*sin1+L3*cos2*sin1-cos3*sin2sin2*sin3cos2-L1-L3*sin20001（2-1）而足端在小腿关节坐标系中的坐标为：B=L4001所以，足端在基坐标系中的坐标相应为：P=0A3×B=L2*cos1 - L4*sin1*sin3 + L3*cos1*cos2 + L4*cos1*cos2*cos3L2*sin1 + L3*cos2*sin1 + L4*cos1*sin3 + L4*cos2*cos3*sin1- L3*sin2

39、- L4*cos3*sin2 - L11（2-2）其中第一、二、三行分别为足端在基坐标系中相应的X、Y、Z坐标。这样，当确定了腿部三个舵机的旋转角度1、2、3之后，就可以唯一的确定足端的位置。由舵机旋转的最大角度为180度，根据他们的安装位置，三个角度的取值范围为：1（-90。，90。），2（-90。，90。），3（-160。，20。）2.4求运动学反解求机器人的运动学反解是指在已知小腿关节坐标系相对于基坐标系的转换矩阵0A3的前提下，求解机器人的三个关节变量1、2和3。设0A3=nxoxaxpxnyoyaypynzozazpz0001 （2-3）由于机器人只有三个关节，转换矩阵简单，所以采取

40、直接对应求取的方法。比较式（2-1）和（2-3）可得：cos2=az所以 2=cos-1az （2-4）可得sin2=±1-cos22 sin2*sin3=oz 3=sin-1±oz1-cos22 （2-5） sin1*sin2=ay 1=sin-1±ay1-cos22 （2-6）由式（2-4）、（2-5）和（2-6）就可以求出三个舵机对应的转角，转角值要在各个角的限定范围里求取。可以看出， 1、3的值并不是唯一的。这样在控制机器人各种步态和动作时，可以事先确定机器人躯干和脚端所要到达的各个点，然后求取相应的各个舵机应该旋转的角度。在编程序时，以数组形式存储这些数

41、据，并逐一发送给机器人，使其完成相应动作。2.5六角爬虫机器人步态规划及实验机器人一共有六条腿，18个关节，并且属于并联机构，这样在行进的时候运动和控制就比较复杂。本设计采取先对机器人单腿动作进行设计，即对机器人末端运动轨迹进行规划，然后根据各个步态的实现方法，再对机器人进行步态规划，实现各条腿之间的协调运动。机器人的三种基本步态：三脚步态，四脚步态和波动步态是基于分布式网络进行的步态规划。分布式神经网络是模仿昆虫每条腿的行走控制方式，其主导思想是将机器人整体的行走控制分化成一组神经节，而每一个神经节控制一条腿或多腿的运动细节，并且，神经节之间建立了相互进行信息交换的神经网络，使神经节之间可以

42、相互作用和制约，以此实现多条腿在各种环境中的协调配合，实现行走功能。机器人采取周期性的节律步态，在不同的步态模式下，其移动速度是不同的。图 2- 4昆虫腿部运动模型图上图为昆虫腿部运动模型图，其中AEP（ Anterior Extreme Position ）和PEP（ Posterior Extreme Position）分别是腿部摆动的前后极限位置，机器人做节律步行时，步长S（AEP和PEP之间的距离）为常量。由于步行速度只与支撑腿的运动有关，因此，将单腿前摆的时间 t swing也作为常量处理。定义 t stance为一个周期内单腿支撑时间，为着地系数（载荷系数），T 为单腿的运动周期。

43、即T=tstance+tswing，则有下式：=tstanceT=1-tswingT （2-7）单条腿的步行速度V可表示为V=Ststance （2-8）则由式2-7和式2-8可得：V=S*T （2-9）由上式可以看出，值越小，单条腿的行进速度越快，这与昆虫的行走特点是相符的。设机器人有n条腿，则定义（稳定系数）为步行过程中支撑于地面的腿的平均个数，它同时表述了机器人行进时的稳定程度，值由下式决定=n* （2-10）在足步态模式下，当(n-)条腿一组完成时长tswing的摆动过程后，随即进入支撑阶段，同时，其余的条腿在时长tstance的时间内，分/(n -)组完成摆动，该过程可表示为：tst

44、ance=*tswing/(n -) （2-11）由式2-8和2-11，可得：V=Ststance=Stswing*（n -1） （2-12）将式2-10代入2-12，可得V=Stswing*（n -1）=Stswing*（1-1） （2-13）对于六足机器人，作为静态稳定行进的必要条件之一，瞬时支撑腿的个数至少为3，因此，的取值范围为0.5 1，的取值范围为3 6。当不为整数时，瞬时处于支撑相的肢体个数与值不相等，其瞬间的运动组合处于变化状态。而要使步行速度从某个初值开始，连续地增加或减少至某个终值，则步态模式亦应从初始值平滑地转化为目标值，这个步态转化过程即形成了连续步态（调整值的大小）。

45、并且值越大，单位时间内支撑在地面上的腿的个数越多，承受载荷的时间越长，机器人行进也越稳定。本设计只选取了其中的三脚，四脚和波动（五脚）步态，作为研究。设定L1、L2、L3分别是机器人的左前腿、左中腿、左后腿；R1、R2、R3分别是机器人的右前腿、右中腿、右后腿。图 2- 5机器人腿部标记三脚步态，其值略大于0.5，它是六脚机器人行走时，速度最快但也最不稳定的一种步态。它将机器人六只脚分成两组，L1，L3和R2一组，R1，R3和L2一组。机器人行进时两组腿交替前摆和着地后拨。在两组腿交接时，瞬间六条腿同时着地，是为了增强机器人的稳定性。编程序时，将机器人每条腿单周期T分为四个步骤，分别是上抬，前

46、摆，下落，后摆。设定，四个步骤的时间分别为T1，T2，T3和T4（下同）.T1+T2+T3=5T/12（T1，T2，T3均为5T/36），T4=7T/12；机器人行进规则为R1，L2，R3一起抬腿，7T/12之后R2，L3，L1一起抬腿，然后依次循环。下图中，黑色表示腿着地，白色表示腿腾空（下同）。图 2- 6三脚步态其在机器人上的实验结果如下：图 2- 7机器人六只脚分两组依次迈脚四脚步态值约为 0.67，是相对缓慢的一种步态，每一时刻都有 4 条腿在地面支撑，其行进速度和承受载荷大小分别介于三脚步态和波动步态之间。它将机器人六条腿分为三组，分别是L1，R2一组，L2，R3一组，L3，R1一

47、组。其中T1+T2+T3=T/3（T1，T2，T3均为T/9），T4=2T/3；R1，L2一起抬腿，T/3之后R2，L3抬腿，再T/3后R3，L1抬腿，然后依次循环。图 2- 8四脚步态其在机器人上的实验结果如下：图 2- 9机器人六只脚分三组依次迈脚波动步态值大约为 0.83，它是行进最为缓慢，但最稳定的一种行进方式，每一时刻都有5条腿着地，单个腿依次前迈。T1+T2+T3=T/6（T1，T2，T3均为T/18），T4=5T/6；行进规则为R1抬腿，T/6后R2抬腿，依次R3，L1，L2，L3，间隔时间均为T/6，依次循环。图 2- 10波动步态其在机器人上的实验结果如下：图 2- 11机器

48、人六只脚依次迈脚2.6六角爬虫机器人自由步态的实现以上三种步态，均是预先将机器人各关节舵机的值及运动规则存储在程序中，其只能在平坦的地面上行进，而我们提出了一种机器人自由步态的实现方式，它可以使机器人行进在凹凸不平的地面上，或者在斜坡上行进。自由步态的实现方式是在Cruse方法的基础上加入了腿部反射实现的。Cruse教授基于分布式节点的神经网络提出了六条运动规则，分别为：规则一：作用腿在前摆时，会抑制被作用腿的前摆；规则二：作用腿支撑的开始将会激发被作用腿的前摆；规则三：作用腿越接近后端位置，就会越强烈的激发被作用腿的前摆；规则四：前腿告知后腿可落地的位置；规则五：一条腿载荷的增大，将会激发其

49、他腿支撑时间的延长；规则六：前腿会避免后腿踩踏自己。在设计时，我们在机器人的每个脚底均添加了一个柔性力传感器，它可以检测出脚底的受力大小。步态规则是在四脚步态的基础上修改而成，与其不同点为：1. 机器人六条腿分为三组，后一组迈脚是建立在前一组脚均已着地（此时柔性力传感器输出电阻值明显变化）的基础上；2. 机器人某一只脚承载明显偏大（柔性力传感器输出电阻值较小），则机器人调整位姿，受力偏大脚上抬，偏小脚下降；这样，在机器人行进（包括前进，后退，左右转）时，遇到障碍物或者地表不平时，就可以保持身体水平和受力均衡。机器人自由步态实现结果(以书和木板模拟凸凹不平地面):图 2- 12自由步态实验2.7

50、六角爬虫机器人其它动作的实现左右转，以左转为例。在四脚步态基础上修改而成，只是每一组脚起步时，左脚起脚前迈，而右脚起脚后摆。其顺序为：左脚：抬腿前摆下落后摆右脚：抬腿后摆下落前摆各动作时间、每组脚间的运行规则与四脚步态相同。左转实验结果,机器人走了九步，旋转了大约90度：图 2- 13机器人转弯实验横爬，以右移为例。也是在四脚步态的基础上实现，左侧腿的动作依次为T1抬脚，T2收小腿（包含腿的下降），T3外推；右侧腿的动作依次为T1抬脚，T2外推（包含腿的下降），T3收小腿。其中T1+T2+T3=T，则T1+T2=T/3，（T1，T2均为T/6），T3=2T/3，此处左右腿T1，T2，T3代表意

51、义不一样。六条腿的分组方式及相互协同关系与四脚步态一样。实验结果如下：图 2- 14机器人横爬实验打招呼，机器人中间两条腿高位站立，后两条腿低位站立，前两条腿伸前，其中左腿上下摆动（第三关节舵机左右旋转），右腿左右摆动（第一关节多接左右旋转）。做俯卧撑，机器人六条腿撑开，每条腿第一第二关节同时旋转，使机器人上下跃动，并保持小腿与地面垂直。跳舞，依次执行以下动作，1. 前后四腿支撑，中间两条腿持平交替前后摆；2. 中间两条腿波动；3. 机器人收脚并慢慢卧倒，水平伸直六条腿；4. 六条腿水平交叉摆动，依次竖直，摆平，竖直，小腿持平；5. 摆动谢幕，收脚，慢慢站立；打招呼实验结果：图 2- 15机器

52、人打招呼实验做俯卧撑实验结果：图 2- 16机器人做俯卧撑实验舞蹈动作实验结果（部分）：图 2- 17机器人跳舞实验2.8本章小结本章主要对机器人进行了运动学分析，步态、动作的规划和试验结果展示。其中在运动学分析中建立了机器人的DH坐标系，并求出了机器人的运动学方程和反解。在步态分析中，给出了机器人三种步态的实现原理和方式，给出了自由步态的实现机理和特点。并且实现了机器人左右转，前进后退，横爬的算法和具体的实现方法；设计了机器人的一些简单动作，丰富了机器人的功能。通过试验展示了以上各种动作，验证了理论分析。3 控制系统硬件设计3.1引言一个完整的机器人系统包括机械系统和控制系统两个部分，其中机

53、械系统就相当于机器人的躯干，而控制系统则是机器人的大脑和神经网络。其中控制系统又包括两个部分，即硬件系统和软件系统。本课题的控制系统硬件设计就是要选定机器人的主控制器、舵机驱动模块和触摸屏连接驱动方式，设计各传感器的连接电路和与上位机（电脑）的无线连接电路。总之，硬件系统设计就是要搭建机器人的控制结构，为机器人指令（程序）的执行做好铺垫。本章针对六足机器人的机械结构特点和要完成的任务，设计了机械人的硬件系统。它是基于ST公司的STM32F107VC主控制芯片展开的。3.2六脚机器人对控制系统的设计要求六脚机器人有其自身的特点，这些特点对控制系统提出了一些特殊的要求，从机器人的结构特点和要完成的

54、任务来看，六足机器人对控制系统硬件设计提出了以下要求：（1）多自由度协调控制。六足机器人总共有18个驱动舵机，其相当于并联结构，机器人的各种步态和动作的完成，都是通过关节间的协调运动来完成的，因此必须对这些关节进行协调控制，并且对主控制芯片的处理速度和内部存储器的容量有较高的要求。（2）多传感器和触摸屏支持。机械人要通过传感器对外界信息进行感知，还要通过触摸屏进行控制与状态显示，主控制芯片必须与这些传感器电平兼容，并且，要有充足的IO口与传感器和触摸屏相连接。考虑到以后机器人还会有其它传感器的接入，主控制器必须有多余的IO口供机器人传感器的功能扩展。（3）机器人之间和与上位机的无线通讯接口。机

55、器人要满足通过电脑进行无线控制的功能，并且在一个机器人无法完成任务时，又需要多个机器人的协作，机器人上应该安插无线通信模组，为多机器人协作的研究奠定基础。3.3硬件系统总体结构硬件系统主要包括四个部分，分别是：1.主控制板，其是主控制芯片STM32F107VC的最小系统板；2.驱动模块，选择Parallax公司生产的Propeller Servo Controller USB作为舵机的驱动模块，用以驱动18个关节舵机和1个超声波模块承载舵机，由主控制芯片向驱动模块发送数据，并由驱动模块将数据传输到各个舵机使其旋转一定角度；3.各传感器模块，机器人现在已经安装的传感器有7个，包括RFID模块，GPS模块，超声波模块，红外探测传感器，指南针模块，温湿度测量模块，柔性力传感器，各传感器向主控制芯片传输采集到的数据。4.XBee无线通信模组，用以实现机器人与电脑或机器人之间的无线通信要求，其数据传输是双向的；5.触摸屏模块，用以显示机器人的运行状态和传感器采集到的数据，并且可以通过按键控制机器人的运动，其数据流是双向的；6.发声模块，机器人可以通过主控制芯片将要发出声音的文本传输到发声模块使其发出相应的声音，