六足机器人毕业设计论文.doc

I 目录目录 插表清单插表清单 III 插图清单插图清单 IV 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 机器人的发展历史 1 1 2 机器人的定义和基本组成 2 1 2 1 机器人的定义 2 1 2 2 机器人的基本组成 2 1 3 移动机器人概述 3 1 4 移动机器人分类 4 1 5 多足机器人的发展现状 5 1 6 本设计的主要工作 7 1 7 本章小结 7 第二章第二章 六足仿生机器人的结构分析及设计六足仿生机器人的结构分析及设计 8 2 1 六足纲 昆虫的运动原理 8 2 1 1 步态的参数描述 8 2 1 2 三角步态运动原理 9 2 2 六足仿生机器人机械结构分析 10 2 3 本章小结 11 第三章第三章 六足仿生机器人的步态分析和设计六足仿生机器人的步态分析和设计 11 3 1 六足步行机器人坐标定义 12 3 2 六足机器人的稳定性分析 14 3 3 1 稳定性分析 14 3 3 2 稳定裕量计算 14 3 4 六足仿生机器人的直线运动步态设计 16 3 4 1 步态规划 16 3 4 2 步态动作分析 16 3 5 三角步态 定点转弯步态设计 19 3 6 本章小结 21 第四章第四章 六足仿生机器人的控制系统设计六足仿生机器人的控制系统设计 22 4 1 功能分解 22 4 2 控制系统的硬件设计 23 4 2 1 微处理器 AT89S52 简介 23 4 2 2 舵机模块设计 24 4 2 3 避障模块设计 25 4 3 控制系统软件设计 27 4 3 1 单个舵机控制方法 28 4 3 2 多舵机控制 32 4 3 3 六足仿生机器人全方位步态程序设计 37 II 4 4 软件的抗干扰及可靠性设计 40 4 5 本章小结 41 第五章第五章 软硬件联调软硬件联调 42 5 1 KEIL C51 开发系统基本知识 42 5 2 PROTEUS 仿真软件基本知识 42 5 2 1 Proteus 介绍 42 5 2 2 Proteus 的仿真 43 5 2 3 Proteus PCB 43 5 3 调试结果 43 5 2 相关数值测试 44 5 3 本章小结 45 第六章第六章 结束语结束语 46 6 1 论文总结 46 6 2 论文写作的感想 46 6 3 本章小结 46 参考文献参考文献 47 致谢辞致谢辞 48 III 插表清单插表清单 表 1 1机器人Fred Delcomyn的参数 6 表 2 1 本设计机器人相关参数 9 表 4 1 I O引脚分配表 23 表 4 2 时基脉冲与舵机角度对应表 24 表 4 2 探测障碍物的传感器与单片机引脚对应关系表 25 表 4 3 舵机与六足机器人足对应关系表 36 表 4 4 舵机与单片机端口的对应关系表 36 表 5 1 关系数值表 44 IV 插图清单插图清单 图 1 1Fred Delcomyn六足仿生机器人 6 图 1 2Gengh机器人 6 图 1 3 DRROB系列高级机器人 7 图 2 1 本设计的六足仿生机器人 10 图 2 2机器人腿部实物 10 图 3 1 腿部组图简图 11 图 3 2 机器人腿部坐标示意图 12 图 3 3 腿部简图 12 图 3 4步行机器人任一时刻姿态图 13 图 3 5 三角步态稳定图 14 图 3 6 六足步态示意图 15 图 3 7 A B C D 定点转弯步态示意图 16 图 4 1 基本功能框图 21 图 4 2 PDIP封装图 23 图 4 3 微动开关示意图 25 图 4 4 微动开关安装位置图 25 图 4 5 硬件设计仿真图 26 图 4 6 系统软件的总体流程 27 图 4 7 舵盘的位置线性变化图 28 图 4 8 舵机的控制脉冲图 28 图 4 9 控制脉冲程序流程图 29 图 4 10 8 路信号舵机控制脉冲图 31 图 4 11 12 个舵机控制流程图 33 图 4 12 舵机位置示意图 36 图 4 13 直行程序流程图 37 图 4 14 转弯程序流程图 38 图 4 15 避障程序流程图 39 图 5 1 硬件仿真结果图 44 1 第一章第一章 绪论绪论 机器人的应用越来越广泛 几乎渗透到人们生活的各个领域 机器人技术在八十年 代后期已经形成比较完整的体系 它将机构学 电子技术 控制理论 计算机技术 传 感器技术和人工智能等相关学科融合为一体 不断吸收其他学科诸如材料 能源科学的 最新成果 形成了一门独立的高科技学科 机器人学 机器人学是一种高度综合和交 叉的新兴学科 涉及的领域很多 诸如机械 电气 工艺 力学 传动 控制 通信 决策 生物 伦理等诸多方面 是当代研究十分活跃 应用日益广泛的领域 机器人应 用情况 是一个国家工业自动化水平的重要标志 1 1 11 1 机器人的发展历史机器人的发展历史 早在三千多年前的西周时代 我国就出现了能歌善舞的木偶 称为 倡者 这可 能是世界上最早的 机器人 在近代 随着第一次 第二次工业革命 各种机械装置的发明与应用 世界各地出 现了许多 机器人 玩具和工艺品 这些装置大多由时钟机构驱动 用凸轮和杠杆传递 运动 1920年 捷克作家K 凯比克在一科幻剧本中首次提出了ROBOT 汉语前译为 劳伯 这个名词 现在已被人们作为机器人的专用名词 2 1950年美国作家阿西莫夫提出了机器人学 Robotics 这一概念 并提出了所谓的 机器人三原则 即 1 机器人不可伤人 2 机器人必须服从人给与 但不和 1 矛盾的指令 3 在与 1 2 原则不相矛盾的前提下 机器人可维护自身不受伤害 本世纪50 60年代 随着机构理论和伺服理论的发展 机器人进入了使用化阶段 1954年美国的G C Devol发表了 通用机器人 专利 1960年美国AMF公司生产了柱坐标 型Versatran机器人 可作点位和轨迹控制 这是世界上第一种用于工业生产上的机器人 70年代 随着计算机技术 现代控制技术 传感技术 人工智能技术的发展 机器 人得到了迅速发展 1974年Cincinnati Milacron公司开发成功多关节机器人 1979年 Unimation公司又推出了PUMA机器人 它是一种多关节 全电动驱动 多CPU二级控制 采用VAL专用语言 可配视觉 触觉 力觉传感器 在当时是一种技术先进的工业机器人 现在的工业机器人结构大体上是以此为基础的 这一时期的机器人属于 示教再现 Teach in Playback 型机器人 只具有记忆 存储能力 按相应程序重复作业 但 2 对周围环境基本没有感知与反馈控制能力 这种机器人被称作第一代机器人 进入80年代 随着传感技术 包括视觉传感器 非视觉传感器 力觉 触觉 接近 觉等 以及信息处理技术的发展 出现了第二代机器人 有感觉的机器人 它能够获得 作业环境和作业对象的部分有关信息 进行一定的实时处理 引导机器人进行作业 第 二代机器人已进入了使用化 在工业生产中得到广泛应用 第三代机器人是目前正在研究的 智能机器人 它不仅具有比第二代机器人更加 完善的环境感知能力 而且还具有逻辑思维 判断和决策能力 可根据作业要求与环境 信息自主地进行工作 1 21 2 机器人的定义和基本组成机器人的定义和基本组成 1 2 11 2 1 机器人的定义机器人的定义 由于研究的侧重点不同 对于机器人的定义 国际上目前尚未有明确的统一标准 通常情况下 可将机器人理解为 机器人是一种在计算机控制下的可编程的自动机器 根据所处的环境和作业需要 它具有至少一项或多项拟人功能 另外还可能程度不同地 具有某些环境感知能力 如视觉 力觉 触觉 接近觉等 以及语言功能乃至逻辑思 维 判断决策功能等 从而使它能在要求的环境中代替人进行作业 1 2 21 2 2 机器人的基本组成 机器人的基本组成 1 机械本体 机器人的机械本体机构基本上分为两大类 一类是操作本体机构 它类似人的手臂 和手腕 配上各种手爪与末端操作器后可进行各种抓取动作和操作作业 工业机器人主 要采用这种结构 另一类为移动型本体结构 主要目的是实现移动功能 主要有轮式 履带式 足腿式结构以及蛇行 蠕动 变形运动等机构 壁面爬行 水下推动等机构也 可归于这一类 2 驱动伺服单元 机器人本体机械结构的动作是依靠关节机器人的关节驱动 而大多数机器人是基于 闭环控制原理进行的 伺服控制器的作用是使驱动单元驱动关节并带动负载超减少偏差 的方向动作 已被广泛应用的驱动方式有 液压伺服驱动 电机伺服驱动 近年来气动 伺服驱动技术也有一定进展 3 计算机控制系统 各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后 在各采样周期给出 主计算机根据示 教点参考坐标的空间位置 方位及速度 通过运动学逆运算把数据转变为关节的指令值 3 通常的机器人采用主计算机与关节驱动伺服计算机两级计算机控制 有时为了实现 智能控制 还需对包括视觉等各种传感器信号进行采集 处理并进行模式识别 问题求 解 任务规划 判断决策等 这时空间的示教点将由另一台计算机上级计算机根据传感 信号产生 形成三级计算机系统 4 传感系统 为了是机器人正常工作 必须与周围环境保持密切联系 除了关节伺服驱动系统的 位置传感器 称作内部传感器 外 还要配备视觉 力觉 触觉 接近觉等多种类型的 传感器 称作外部传感器 以及传感信号的采集处理系统 5 输入 输出系统接口 为了与周边系统及相应操作进行联系与应答 还应有各种通讯接口和人机通信装置 工业机器人提供一内部PLC 它可以与外部设备相联 完成与外部设备间的逻辑与时实控 制 一般还有一个以上的串行通讯接口 以完成磁盘数据存储 远程控制及离线编程 双机器人协调等工作 一些新型机器人还包括语音合成和识别技术以及多媒体系统 实 现人机对话 1 31 3 移动机器人概述移动机器人概述 移动机器人是机器人学的一个重要分支 其研究始于60年代末期 斯坦福研究院的 Nils Nilssen和Charles Rosen等人 在1966年至1972年中研制出了取名为Shakey的自主 式移动机器人 目的是研究应用人工智能技术 在复杂环境下机器人系统的自主推理 规划和控制 与此同时 最早的操作式步行机器人也研制成功 从而开始了机器人步行 机构方面的研究 以解决机器人在不平整地域的运动问题 设计并研制出了多足机器人 70年代末 随着计算机的应用和传感器技术的发展 移动机器人研究又出现了新的高潮 特别是在80年中期 设计和制造机器人的浪潮席卷全世界 一批世界著名的公司开始研 制移动机器人平台 这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验 平台 从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现 90年代以来 以研制高水平的环 境信息传感器和信息处理技术 高适应性的移动机器人控制技术 真实环境下的规划技 术为标志 开展了移动机器人更高层次的研究 自主移动机器人技术是一门综合性很强的 高科技学科 涉及到机械 计算机 自动控制 人工智能 力学等广泛科学领域中的许 多前沿技术 自主移动机器人研究已被列入世界各国的高技术发展计划 如美国国防高级 研究计划局的 战略计算与生存能力 工程 日本能产省的 极限环境下作业的机器人 发展计划 欧洲共同体的 尤里卡 计划 以及我国的 863 高科技计划中 都把有害 环境如核工厂和战场使用的移动机器人作为重要的研究内容 而以自主移动机器人为对 象或应用领域的 基于自适应 学习 进化机理 具有高级生命行为的自主系统的研究 与研发 已成为21世纪初信息科学与生命科学富于挑战性的交叉研究领域之一 3 4 1 41 4 移动机器人分类移动机器人分类 移动机器人是机器人的一个重要分支 早期的移动机器人无论是控制方法或智能水 平都较低 只能做出一些简单的推理 判断和决策 近年来 随着机器人技术及相关领 域技术的发展 特别是计算机技术的发展 机器人领域的研究取得了长足的进步 其智 能水平也大大提高 逐步由以前的遥控式向半自主式和自主式过渡 工作条件也由室内 向室外 简单向复杂过渡 其中自主式移动机器人由于其高度的自主性 正在越来越多 的领域得到广泛的应用 特别是在军事侦察 宇宙开发 扫雷排险 防核化污染等恶劣 的环境中有着广泛的应用前景 另外 随着生产自动化技术的发展 移动机器人在柔性 自动化制造生产线上和无人化工厂中也得到了广泛的应用 当前 由于生产自动化程度 的提高 对机器人提出了各种各样的需求 要求能够实现各种功能 其中移动机器人成 为机器人研究领域的热门方向 对于移动机器人来说 它有多种不同的分类方法 按不 同的分类方法可将移动机器人分为不同的种类 一 按自主水平来分 1 遥控式移动机器人 移动机器人的执行动作和运行轨迹完全由人通过遥控来控制 机器人不进行任何判 断和决策 只是执行人发出的命令 不具备任何自主性 2 半自主式移动机器人 智能水平介于遥控和自主式移动机器人之间 具备一定的感知 判断和决策功能 但对一些复杂任务仍需在人工干预下才能顺利完成 3 自主式移动机器人 按人预先设置的任务命令 根据己知的环境信息进行路径规划 同时在行进过程中 不断获取周围的局部环境信息 自主地做出判断和决策 随时调整移动机器人的运行路 径并执行相应的动作和操作 整个过程不需人为参与 由机器人自主进行 二 按移动方式来分 1 轮式移动机器人 轮式机器人动作稳定 操纵简单 其移动速度和方向容易控制 在无人工厂中用来搬运零部件或做其它基本任务用的很多 适合于平地行走 按轮数的 多少又可分为二轮 三轮 四轮式三种 2 履带式移动机器人 履带式移动机器人的移动机构支撑面积大 接地比压小 适 合松软或泥泞场地作业 下陷度小 滚动阻力小 对路况具有较强的适应性 同时具有 较强的爬坡能力和负载能力 3 多足移动机器人 足式移动对崎岖路面具有很好的适应能力 足式移动方式的立 足点是离散的 可以在可能到达的地面上选择最优支撑点 即使在表面极度不规则的情 况下 通过严格选择足的支撑点 也能够行走自如 足式移动方式具有主动隔振能力 允许机身运动轨迹和足运动轨迹解祸 保持机身运动具有高稳定性 因此 足式步行机器 人的研究已成为机器人学中一个引人注目的研究领域 5 4 特种移动机器人 根据具体的应用目的 还有其他种类的移动机器人 如墙壁清 洗机器人 爬缆索机器人以及管内移动机器人等 这些机器人是根据某种特殊目的设计 的机器人 三 按控制体系结构来分 1 功能式 水平式 结构机器人 2 行为式 垂直式 结构机器人 3 混合式机器人 四 按功能和用途来分 1 医疗机器人 2 军用机器人 3 助残机器人 4 清洁机器人等 五 按作业空间来分 1 陆地移动机器人 2 水下机器人 3 无人飞机和空间机器人等 1 51 5 多足机器人的发展现状多足机器人的发展现状 早在上世纪80年代 美国的著名机器人学家McGhee开始着手研发四足仿生机器人以 来 多足仿生机器人一直成为大量学者的研究对象 研发人员开始纷纷研究多足机器人 的模型和样机 并一步步攻关一个个难题 4 多足机器人六足仿生机器人的一个最大的优点是对行走路面的要求很低 它可以跨越 障碍物 走过沙地 沼泽等特殊路面 因此可以用于工程探险勘测 反恐防爆 军事侦察 等人类无法完成的或危险的工作 并且机器人的足所具有的大量自由度可以使机器人的运 动更加灵活 对凹凸不平的地形的适应能力更强 于是以McGhee等人为代表的对多足机器 人的远动步态进行了研究并提出了方案 随后 国内外的众多学者便开始研究多足机器 人的运动步态和控制 最后在Lee设计了具有独特独特结构的SERO六足仿生机器人 它把 整个机器人的步态进行了规划 实现了机器人的前进 后退和转弯 同时 在国内 中 科院沈阳自动化研究所 清华大学 等单位也先后展开了机器人的研究 并取得了较大 的成果 6 图1 1Fred Delcomyn六足仿生机器人 图1 1是模仿美国的一种叫Perip laneta Americana的蟑螂而设计的仿生机器人 机 器人的整个身体比例约是该蟑螂的12到17陪左右 其参数如表1 1 表1 1机器人Fred Delcomyn的参数 参数 机器人名称 国别 尺寸 M 长 宽 高 各部位比例 髋 股节 胫节 体重 KG Fred Delcomyn 美国 0 58 0 14 0 231 1 1 1 511 随着机器人技术的不断完善 多足机器人也别运用到各个领域里面 图1 2为MIT的 仿生机器人 这个名为Gengh的机器人是MIT于1989年设计并制作的 主要用于火星的不 规则地面的探测 图1 2Gengh机器人 同样 在国内也渐渐出现了一批设计和生产仿生机器人公司和个人 图1 3是德普施 科技有限公司的DRROB系列高级机器人产品 5 该机器人以1个曲柄摇杆机构和连杆机构 作为腿部和六足 以12个直流伺服电机作为驱动元件 利用德普施科技有限公司的六足 机器人包搭接出的六足机器人如图1 3所示 7 图1 3 DRROB系列高级机器人 1 61 6 本设计的主要工作本设计的主要工作 机器人系统是一个跨学科的综合系统 涉及很多学科的知识 本文对现有的机器人 分析机械结构 在此基础上 进行该机器人运动步态的研究 分析其步态稳定性 给出 不同步态下的机器人落足点的位置矢量表达式 按照计算机控制系统的特点 根据六足 步行机器人的机械结构和关节运动的协调性 准确性的控制要求 确定六足仿生机器人 控制系统的设计和实现不同步态的控制策略 对六足仿生机器人控制系统的硬件电路和 软件流程给出详细介绍 并进行相关测试 验证整体设计方案的正确性和可靠性 论文主要内容有 1 以自行设计的六足仿生机器人为研究对象 分析其机械结构 按照 六 足纲 昆虫的运动原理 进行步态分析 确定机器人的步态规划 2 分析适合机器人行走的运动步态形式 规划典型直线行走步态和定点转弯步态 确定步态规划中每种状态的机器人足端位置矢量 进行机器人稳定性分析 3 根据六足步行机器人的机械结构和关节运动的协调性 准确性的控制要求 设计 六足仿生机器人控制系统 确定对机器人腿部十二个舵机的控制方案 使机器人根据目 的地的方位 实现不同步态的控制策略 4 完成六足仿生机器人控制系统的硬件设计和软件设计 1 71 7 本章小结本章小结 本章主要是对机器人有一各概况 着重介绍了机器人的发展及国内外的一些机器人 的发展成果 并交代了本次设计的设计背景 为后续的设计指明了方向 8 第二章第二章 六足仿生机器人的结构分析及设计六足仿生机器人的结构分析及设计 六足纲 昆虫 蟑螂 蚂蚁等等 在平坦无阻的地面上快速行进时 多以交替的三角 步态运动 1 即在步行时把六条足分为两组 以身体一侧的前足 后足与另一侧的中足作 为一组 形成一个稳定的三角架支撑虫体 因此在同一时间内只有一组的三条足起行走作 用 前足用爪固定物体后拉动虫体前进 中足用以支撑并举起所属一侧的身体 后足则推动 虫体前进 同时使虫体转向 行走时虫体向前并稍向外转 三条足同时行动 然后再与另一 组的三条足交替进行 两组足如此交替地摆动和支撑 从而实现昆虫的快速运动 我们将 这种步态定义为 三角步态 6 2 1 2 1 六足纲六足纲 昆虫的运动原理昆虫的运动原理 2 1 12 1 1 步态的参数描述步态的参数描述 六足纲 昆虫体的腿可以看作两状态器件 腿的悬空相和腿的支撑相 腿的悬空相 Transfer phase 指腿抬离地面的阶段 悬空相状态记为 1 腿的支撑相 support phase 指腿支撑在地并推动机体向前运动的阶段 支撑相的状态记为 0 运动周期T 指周期步态中某一腿运动一个完整循环所需要的时间 周期步态指各腿的运动周期相同 且任一腿的运动周期不随时间而变化 六足纲 昆虫在运动过程中 可以以不同的周期 进行运动 有荷因数 dutyf actor 指腿i支撑在地面上的时间占整个运动周期的比例 以下有荷因数用Q Q表示 Q Q 腿i的支撑相时间 腿i的周期 Qi 腿i的支撑时间 腿i的周期 若Qi 0 i 1 2 2k 2k为总足数 则步态称为规则步态 regular 腿i的相对相位 9 指第i足的触地时刻相对于第一足的延时在一个运动周期中的比例 Si ti t1 T 0 Si l 步距 stride length 指一个完整的腿循环中机体重心移动的位置 腿行程 leg stroke 指支撑相时足端相对于机体移动的距离 腿节距 leg pitch 指横向运动时 机体同一端上相邻腿运动主平面之间的距离 行程节距 stroke pitch 指纵向运动时 体同一端上相邻腿行程中点的间距 行间距 指横向运动时 机体前后足对行程中点的间距 推程时间tp 指腿在支撑相的持续时间 回程时间tr 指腿在悬空相的持续时间 平均速度 指机体的平均运动速度 由此可以导出行程R 步距a和有荷因数Q之间的关系式是R a Q 静态稳定六足步行机 器人 由于要求Q 1 2 所以tr tp 即平均速度上限取决于tr 行走系统采用波形步 态时 机体每一侧各腿的迈步动作形成一种由后向前的波形式 自然界六足昆虫在所有速 度范围内都采用波形步态 2 1 22 1 2 三角步态运动原理三角步态运动原理 1 六足纲 昆虫的三角步态运动原理 机体运动根据有荷因数 dutyf actor 的大小可分为3种情况 1 Q Q 1 2 在三摆动腿着地的同时 另外三支撑腿立即抬起 即任意时刻同时 具有支撑相和摆动相 2 Q Q 1 2 机体移动较慢时 摆动相与支撑相有一短暂的重叠过程 即机体有 六条腿同时着地的状态 3 Q Q 1 2 机体移动较快时 六条腿有同时为摆动相的时刻 即六条腿同时在空 中 处于腾空状态 显然此交替过程要求机体机构具有弹性和消振功能 否则难以实现 三角步态 或交替三角步态 3 3步态 是Q 1 2时的波形步态 运动时六条腿成两组 三角形交替支撑迈步前进 六足纲 昆虫 蟑螂 蚂蚁等 步行时 一般不是六足同时 直线前进 而是将三对足分成两组 以三角形支架结构交替前行 身体左侧的前 后足 及右侧的中足为一组 右侧的前 后足和左侧的中足为另一组 分别组成两个三角形支 架 当一组三角形支架中所有的足同时提起时 另一组三角形支架的三只足原地不动 支撑身体 并以其中足为支点 前足胫节的肌肉收缩 拉动身体向前 后足胫节的肌肉 收缩 将虫体往前推 因此身体略作以中足为支点的转动 同时虫体的重心落在另一组 三角形支架 的三足上 然后再重复前一组的动作 相互轮换周而复始 这种行走方 式使昆虫可以随时随地停息下来 因为重心总是落在三角支架之内 这就是典型的三角 步态行走法 其行走轨迹并非是直线 而是呈 之 字形的曲线前进 7 10 2 22 2 六足仿生机器人机械结构分析六足仿生机器人机械结构分析 六足纲 昆虫体的基本组成为躯千 腿部两部分 所以文中涉及的六足机器人机 械结构也主要由躯千 腿部两部分组成 该机器人的每个腿有2个舵机组成 共12个舵机 其远动步态主要仿生的对象是 六足纲 昆虫 本设计的机器人的相关参数如下表 表2 1 本设计机器人相关参数 机器人自重 尺寸 MM 长 宽高 负重自由度前进速度 1 3KG310 279 1350 5KG123 75CM S 驱动方式工作电压步长转角越障高度 直流伺服 4 8V 10 3CM 步10 5度 步 2CM 六足仿生机器人的实物如图2 1所示 图2 1 本设计的六足仿生机器人 六足仿生机器人就结构来说是腿部最为复杂 它的六条腿是完全根据仿生学而设计 的 腿部的比例是要有特定数值的 整个腿有大腿和小腿组成 通过髋关节的正交电机 的驱动 实现了竖直方向的抬起和水平方向的移动 并且腿部向前移动的最大角度是45 度 向后移动的最大角度也是45度 向上移动的最大角度是30度 机器人腿部的实物如图2 2所示 11 图2 2机器人腿部实物 2 32 3 本章小结本章小结 本章主要分析了 六足纲 昆虫的远动步态以及原理 并且分析和确定本设计的一些参 数 给出了相关的参数 为后续的设计奠定了基础 第三章第三章 六足仿生机器人的步态分析和设计六足仿生机器人的步态分析和设计 六足步行机器人的步态是多样的 其中三角步态 或交替三角步态 3 3步态 步态是 六足步行机器人实现步行的典型步态 8 该步 态 是 将机器人的6条腿分为2组 腿 1 3 5为A组 分别为Al A2 A3 腿2 4 6为B组 分别为B1 B2 B3 步行过程2组 腿交替地摆起 放下 六足步行机器人腿部分组图简图如图3 1所示 机器人步态的规划 包括 步态稳定性分析 直行步态规划与分析 定点转弯步态规划与分析等 1 2 3 4 6 5 图 3 1 腿部组图简图 12 图中 1 3 5 腿为 A 组 并用实线表示 图中 2 4 6 腿为 B 组 并用虚线表示 3 13 1 六足步行机器人坐标定义六足步行机器人坐标定义 六足步行机器人机械简图如图3 2所示 定义地面坐标系及XOY与机身平行 Z轴O 与机身垂直 机身坐标系 坐标原点与机器质心重合 腿部顺序定义如图示 定义腿O 间距为n 体宽为2m A D为腿的站立点 Ai Di为腿与舰关节连接点 Z Y X A B C F E D O Ai Di n 2m Bi Ci Ei Fi 图3 2 机器人腿部坐标示意图 六足步行机器人腿部机械简图如图3 2所示 定义腿部X轴投影长为L 腿高度为H 大腿与小腿夹角为 髋关节在Z轴旋转角度为 髋关节在Y轴旋转角度为 13 L H a X 轴 Z 轴 O Ai A Y 轴 X 轴O A b h S 2 L 图 3 3 腿部简图 由图 3 3 a 可得六足步行机器人髓关节电机向上旋转角度时 立足点A在Z方向 提升高度h 六足步行机器人腿部Z方向提升高度计算结果为 22 h L H sin cos arctan 22 H L 由表达式 3 1 可以确定靛关节电机旋转角度与立足点A在Z方向提升高度h的定 量关系 由图 3 3 b 可得六足步行机器人髋关节电机向前旋转角度时 立足点A在Y 方向前进半步长S 2 六足步行机器人腿部Y方向前进步长计算结果 sin 2 S L 由表达式 3 2 可以确定散关节电机向前旋转Y1角度与立足点Ai在Y方向前进半步 长S 2的定量关系 当较小时 可设旋转角度后腿部在X轴上的投影长度近似为L 3 1 3 2 14 3 23 2 六足机器人的稳定性分析六足机器人的稳定性分析 3 3 13 3 1 稳定性分析稳定性分析 步行机器人任一时刻姿态图如图3 4所示 站立点B D F及质心O在地面坐标系X0Y 平面内投影为点B1 D1 F1和O1 机器人以 三角步态 行走时 任意时刻至少有1组腿着地 只要机器人质心投影 点O1落在支撑腿构成阴影内 如图3 5所示 就能保证机器人稳定 在实际控制中 要合 理选择机器人的跨步和转角 以保证点O1 落在稳定区域内 Z Y X A B C F E D B1 F1 D1 O1 O A1 B1 图3 4步行机器人任一时刻姿态图 3 3 23 3 2 稳定裕量计算稳定裕量计算 设某一时刻 机器人以 三角步态 行走时 其B组支撑腿着地点 机器人质心在 XOY平面的投影如图3 5所示 并设质心投影O1与XOY平面坐标原点重合 15 X Y P M N O1 图 3 5 三角步态稳定图 B X2 Y2 A X1 Y1 C X3 Y3 d1 d2 d3 图中 设 A B C在XOY平面坐标为 A Xl Yl B X2 Y2 C X3 Y3 OM ON OP为 原点到直线AB BC CA的垂线 设 d1 0Md2 ONd3 OP 则dl d2 d3为机器人质心投影与支撑三角形各边的距离 直线AB方程为 Y1 Y2 X X1 Y X1 X2 Y1 垂线OM的方程为 X1 X2 Y Y2 Y1 X 由上两式解得直线AB和直线OM的交点M XM YM 的坐标为 22 Y2 Y1 X1Y2 Y1X2 XM X1 X2 Y1 Y2 22 X1 X2 X1Y2 Y1X2 YM X1 X2 Y1 Y2 则 dl OM 22 XMYM 同理 可以求得d2 d3 ONOP 则六足机器人以三角步态行走时 其最小稳定裕量判据为 d min dl d2 d3 16 3 43 4 六足仿生机器人的直线运动步态设计六足仿生机器人的直线运动步态设计 3 4 13 4 1 步态规划步态规划 前面我们已经介绍过了 六足纲 昆虫的三角步态运动原理 下面将三角步态运用 到六足仿生机器人的六足上面就会得到了六足机器人的运动步态 这种运动的步态是六 足仿生机器人在直线运动的情况下完成的 它完成了六足仿生机器人的直线运动的一个 周期的循环 六足仿生机器人直线行走步态示意图如图3 6所示 1 2 3 5 4 6 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 33 4 4 4 44 55 5 5 5 A 6 66 6 6 图 3 6 六足步态示意图 B C D F E 1 2 3 图A B C D E F表示完成前进一步的过程 其中 图3 7 A 1 3 5抬起向前 图3 7 B 抬起的1 3 5放下后 2 4 6抬起 图3 7 C 1 3 5向后移动半步 做位置调整 2 4 6向前 图3 7 D 2 4 6放下 1 3 5抬起的 图3 7 E 2 4 6向后移动半步长 图3 7 F 六条腿均落地 回到最初的状态 机器人通过重复着上图的动作就可以实现六足机器人的摆动相和支撑相的交替过程 17 3 4 23 4 2 步态动作分析步态动作分析 对直线行走步态规划图具体分析 其不同步态时刻的各点位置矢量如下 1 如图3 6 A 所示 1 3 5腿抬起向前 初始位置不做分析 由于前面已经提到当 较小时 可设旋转角度后腿部在X轴上的投影长度近似为L 此时 各腿的支撑点位置 矢量为 O X Y Z 1 2 3 4 5 6 O P1 2 T S Lm nh P2 0 0 T Lm P3 2 T S Lmnh P4 0 T Lmn P5 2 T S Lmh P6 0 T Lmn X Y 2 如图3 6 B 所示 1 3 5放下后 然后2 4 6抬起 则此时的位置矢量 O X Y 1 2 3 4 5 6 P1 0 2 T S Lm n P2 0 T Lmh P3 0 2 T S Lmn P4 T Lmn h P5 0 2 T S Lm P6 T Lmn h 3 1 3 5向后移动半步 做位置调整 2 4 6向前 则其位置矢量 18 Y XO 1 2 3 4 5 6 P1 0 2 T S Lmn P2 T LmS h P3 0 2 T S Lmn P4 T Lmnsh P5 0 2 T S Lm P6 2 T S Lmnh S 2 4 2 4 6放下后 1 3 5抬起 则位置矢量 1 2 3 4 5 6 Y X O S 2 P1 2 T S Lm nh P2 0 T LmS P3 2 T S Lmnh P4 0 T LmnS P5 2 T S Lmh P6 0 T LmnS 5 2 4 6向后移动半步长 做姿势调整 此时的位置矢量 19 O S 1 2 3 4 5 6X Y P1 T Lm nS h P2 0 T LmS P3 T LmnSh P4 0 T LmnS P5 T LmS h P6 0 T LmnS 6 六条腿均落地 回到最初的状态 此时的位置矢量 1 2 3 4 5 6 Y X O S P1 0 T Lm nS P2 0 T LmS P3 0 T LmnS P4 0 T LmnS P5 0 T LmS P6 0 T LmnS 通过以分析 可以通过合理选择步距 保证机器人质心的投影点落在稳定区域内 完成机器人的直线行走 3 3 5 5 三角步态三角步态 定点转弯步态设计定点转弯步态设计 三角步态 定点转弯步态也将步态周期划分为4个执行阶段 其摆腿顺序也有2种 A到B组或B组到A组 若A组腿先摆动 机器人右转 若B组腿先摆动 则左转 下面以左转运动步态为例子来分析它的步态 左转弯步态规划图如图3 7所示 如图3 8 A 所示 机器人4 6腿旋转Y角度 此时 各腿的位置矢量为 设旋转y角度 后腿部在X轴上的投影长度近似为L 9 20 O 1 2 3 4 5 6 X Y 图 3 7 A 2 如图3 7 B 所示 机器人B组腿作支撑腿 A组抬起 此时 腿的位置矢量为 1 2 3 4 5 6 X Y O P1 T Lmn h P2 sin 0 T LmL P3 T Lmn h P4 sin 0 T Lm nL P5 0 T Lmh P6 sin 0 T LmnL 图 3 7 B 3 如图3 7 C 所示 机器人B组腿作支撑腿 A组抬起 做姿态调整 位置矢量为 P1 0 T Lmn P2 sin T LmLh P3 0 T Lmn P4 sin T Lm nLh P5 0 0 T Lm P6 sin T LmnLh 21 1 2 3 4 5 6 X Y O P1 sin T Lm nLh P2 sin 0 T Lm L P3 sin T LmnLh P4 sin 0 T Lm nL P5 sin T Lm Lh P6 sin 0 T LmnL 图 3 7 C 4 如图3 7 D 所示 A和B组腿均落地 作支撑腿 完成旋转y角度动作 此时位置 矢量为 1 2 3 4 5 6 P1 sin 0 T Lm nL P2 sin 0 T Lm L P3 sin 0 T LmnL P4 sin 0 T Lm nL P5 sin 0 T Lm L P6 sin 0 T LmnL X Y O 图 3 7 D 通过以上分析 三角步态斤定点转弯步态稳定性易满足 其最大转角计算考虑到 机械结构和行走地貌的约束 可以通过合理选择旋转丫角度 完成机器人的定点转弯动 作 3 63 6 本章小结本章小结 本章 研究六足机器人三角行走步态 分析了机器人三角步态稳定性和稳定裕量的计 算 规划了典型直线行走步态和定点转弯步态 并对典型直线行走步态和定点转弯步态 进行了详细分析 给出各种步态动作时落足点的位置矢量表达式 为机器人行走奠定基 础 22 第四章第四章 六足仿生机器人的控制系统设计六足仿生机器人的控制系统设计 控制系统的设计主要任务是完成全方位步态的软件设计 也就是对12个舵机的调度 和控制 设定一个目标功能 在行进的过程中完成避开障碍物 在完成的避开障碍物的 过程中来体现全方位的六足步态 4 14 1 功能分解功能分解 要避开障碍物 首先探测到障碍物 其次能完成绕开障碍物 这就要求机器人能完 成前进 后退 左右转弯动作 动作的协调完美性的实现 要求了在任一时刻能够做出 12 个舵机的同步动作控制 控制系统的基本结构图可表示为图 4 1 所示 蔽障 右转左转后退 set time 有 12 个参 数对应 12 个舵机的转 动角度 舵机 1 舵机 2 舵机 3 舵机 4 舵机 5 舵机 6 舵机 7 舵机 9 舵机 11 舵机 8 舵机 10 舵机 12 图 4 1 基本功能框图 高层 动作 前进 23 通过上图可以看出 12 个舵机是需要同时控制的 那么 很显然我们需要有 12 个控 制信号来共同作用 也就意味着要求单片机产生 12 路的 PPM 波 利用这 12 个 PPM 波来 控制舵机的转动角度 在这里我们可以用 51 单片里的两个定时器来产生多次中断的方法 获得这样的控制的信号 从而完成机器人的前进 后退以及转弯 在本次设计中 整个系统是以模块化的设计思想 将对所有舵机调度做成一个独立 的模块 所有的高层动作都是通过调用底层舵机控制的模块来完成 4 24 2 控制系统的硬件设计控制系统的硬件设计 中央控制模块是整个控制系统的核心 本次设计采用微处理器AT89S52为核心构成 负责舵机协调动作处理 障碍检测数据处理等功能 4 2 14 2 1 微处理器微处理器 AT89S52AT89S52 简介简介 AT89S52是一种低功耗 高性能CMOS 8位单片机 10 片内含SKBI SP In system programmable 的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器 该器件采用Atmel公司的高 密度 非易失性存储技术制造 兼容标准MCS 51指令系统及80C51引脚结构 片内集成了 通用的8位CPU和ISP Flash为存储单元 可为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活 高性 价比的解决方案 TA89S52具有如下特点 40个引脚 8KB Flash片内程序存储器 256Bytes的随机存储 数据存储器 RAM 32个外部双向输入 输出 I O 口 1个6向量2级中断结构 3个16位可 编程定时计数器 2个全双工串行通信口 看门狗 WDT 电路和片内时钟振荡器 此外 AT89S52设计和配置了振荡频率可为OHz并可通过软件设置的省电模式 在空闲模式下 CPU暂停工作 而RAM 定时计数器 串行口 外中断系统可继续工作 掉电模式冻结振 荡器而保存RAM的数据 禁止电路的其他功能直至外中断激活或硬件复位 该电路具有 PDIP TQFP和PLCC等封装形式 以适应不同产品的设计要求 常用的AT89S52封装电路为 PDIP形式 其图如图4 2所示 24 图4 2 AT89S52封装图 AT89S52具有32个可编程I O端口 其中 P0口和P1口的前六个引脚分别接12个舵机 来控制舵机的运转 P3口前两个引脚接触位开关 如表4 1所示 表4 1 I O引脚分配表 引脚端口功能分配 P0 0 P0 5 接左边的六个舵机 P1 0 P1 5 接右边的六个舵机 P3 0 P3 1 接触位开关 4 2 24 2 2 舵机模块设计舵机模块设计 1 舵机的概述 舵机最早出现在航模运动中 在航空模型中 飞行机的飞行姿态是通过调节发动机 和各个控制舵面来实现的 举个简单的四通飞机来说 飞机上有以下几个地方需要控制 1 发动机进气量 来控制发动机的拉力 或推力 25 2 副翼舵面 安装在飞机机翼后缘 用来控制飞机的横滚运动 3 水平尾舵面 用来控制飞机的俯仰角 4 垂直尾舵面 用来控制飞机的偏航角 遥控器有四个通道 分别对应四个舵机 而舵机又通过连杆等传动元件带动舵面的 转动 从而改变飞机的运动状态 舵机因此得名 控制舵面的伺服电机 不仅在航模飞机中 在其他的模型运动中都可以看到它的应用 船模上用来控制尾 舵 车模中用来转向等等 由此可见 凡是需要操作性动作时都可以用舵机来实现 11 传统舵机的控制方式以20ms 为一个周期 用一个1 5ms 0 5ms 的脉冲来控制舵机 的角度变化 随着以 CPU 为主的数字革命的兴起 现在的舵机已成为模拟舵机和数字舵 机并存的局面 但即使是现在的数字舵机 其控制接口也还是传统的1 5ms 0 5ms 的模 拟控制接口 只是控制芯片不再是普通的模拟芯片而已 不能完全发挥现代数字化控制 的优势 这在传统的遥控竞赛等领域 为了保持产品的兼容性 不得不保留模拟接口 而在一些新兴的领域完全可以采用新型的全数字接口的纯数字舵机 纯数字舵机采用全 新的单线双工通讯协议 不仅能执行普通舵机的全部功能 还可以作为一个角度传感器 监测舵机的实际位置 而且可以多个舵机并联互不影响 在未来的自动化控制领域有着 不可估量的优势 采用纯数字舵机构建的自动化控制系统 不仅可以大幅提升系统性能 而且可以降低系统的生产维护成本 提高产品性价比 增强市场竞争力 2 舵机的结构和控制 一般来讲 舵机主要由以下几个部分组成 舵盘 减速齿轮组 位置反馈电位计 5k 直流电机 控制电路板等 工作原理 控制电路板接受来自信号线的控制信号 具体信号待会再讲 控制电 机转动 电机带动一系列齿轮组 减速后传动至输出舵盘 舵机的输出轴和位置反馈电 位计是相连的 舵盘转动的同时 带动位置反馈电位计 电位计将输出一个电压信号到 控制电路板 进行反馈 然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度 从 而达到目标停止 舵机的控制一般需要一个20ms 左右的时基脉冲 该脉冲的高电平部分一般 0 5ms 2 5ms 范围内的角度控制脉冲部分 以180度角度伺服为例 那么对应的控制关系 如表4 2所示 表4 2 时基脉冲与舵机角度对应表 脉冲值 ms 0 51 01 52 02 5 对应角度 度 04590135180 26 4 2 34 2 3 避障模块设计避障模块设计 多足机器人为了能在未知或时变环境下自主地工作 应具有感受作业环境和规划自身 动作的能力 为此 必须提高机器人对当前感知环境的快速理解识别及实时避障的能力 实时避障是实现智能化机器人自主工作能力的关键技术 也是国内外智能机器人近期发展 的一个热点 其显著特征是具有传感器信息反馈 可以实现很好的智能行为 12 机器人避障的关键问题之一是在运动过程中如何利用传感器对环境的感知 所以避 开障碍物的功能实现 传感器的选择将是首要解决的问题 避障传感器一般有接触式 和非接触式的 接触式传感器一般用微动开关 当机器人接触到物体时间可以从产生电位的变化中检 测到 微动开关实质上是一个单刀双掷开关图 3 12 所示 刀 K 与触点 A B 关系一个常 开 另一个常闭 当碰触到障碍物时 常开点闭合 常闭合点断开 图 4 3 微动开关示意图 接触形式传感器的优势是在黑暗处或者因障碍物的影响导致无法通过视觉获取信息 的条件下 使机器人具备触觉功能 本设计的避开障碍物传感器采用一对微动开关 安装在机器人的前部 做成两个长 长的触角 用来探测前方是否有障碍物 传感器安装位置如图 4 4 所示 图 4 4 微动开关安装位置图 left right 分别为左边和右边的探测障碍物的传感器 与单片机引脚对应关系如 表 4 3 所示 27 表 4 3 探测障碍物的传感器与单片机引脚对应关系表 left sensor 左传感器 P20 right sensor 右传感器 P21 总结前三节的内容 就可以做出六足仿生机器人的仿真电路图了 仿真电路图如图 4 5 所示 图 4 5 硬件设计仿真图 4 34 3 控制系统软件设计控制系统软件设计 软件设计主要任务是完成全方位的步态的软件设计 也就是对 12 个舵机的调度和控 制 设定一个目标功能 在行进的过程中完成避开障碍物 在完成的避开障碍物的过程 中来体现全方位的六足步态 系统软件的总体流程图如 4 6 所示 28 开始 初始化 记录当前状态 右转 中间有障 碍物 左边有障 碍物 是否有障 碍物 后退 转 180 度 右边有障 碍物 N N Y Y 左转 恢复状态 Y N Y N 图 4 6 系统软件的总体流程图 4 3 14 3 1 单个舵机控制方法单个舵机控制方法 从 0 5ms 到 2 5ms 相对应舵盘的位置 0 180 度 呈线性变化 如图 4 7 所示 29 0 0 51 52 5 180 90 X ms Y 度 图 4 7 舵盘的位置线性变化图 0 5ms 对应舵盘的 0 度 2 5ms 对应舵盘的 180 度 也就是 给舵机提供一定宽度的 脉冲 它的输出轴就会保持在一个相对的角度上 无论外界的转矩怎样变化 直到给它 提供一个另外宽度的脉冲信号 它才会改变输出角度到新的对应位置上 舵机内部有一 个基准电路 产生周期为 20ms 宽度 1 5ms 的基准信号 有一个比较器 将外加信号与 基准信号相比较