毕业论文-基于UP-STAR自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程

基于 UP-STAR 自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程 I 摘 要 机器人集中了机械工程、电子技术、计算机技术、自动控制理论以及人工智能等多学科的最新研究成果 ,代表了机电一体化的最高成就 , 是当代科学技术发展最活跃的领域之一。 当今机器人的应用越来越广泛 ,几乎渗透到所有领域。 机器人技术是国家高科技 实力和发展水平的重要标志。 本文在对当前国内外 移动 机器人技术进行分析的基础上，对 自主巡航六足机器人 的控制系统进行了深入的研究。 在此文献中，我们 设计了一个有足移动机器人。有足移动机器人不仅能够像传统的轮式机器人那样在平地上进行运动，更能够在不平整，甚至是坑洼的地表进行运动。在真实的行走任务中，它的优势可见一斑。 我们 选用 MultiFLEX 2-AVR 控制器 ,采用 North STAR 图形化交互式机器人控制程序开发工具 作为编译环境进行程序设计，并采用红色 测距 传感器组成 一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等 多种功能于一体的综合系统。采用 C 语言进行运动程序编写。最终实现一个可以 自主巡航 的 六足机器人 。 关键词：机器人， 六足机器人 ， 巡航 基于 UP-STAR 自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程 II Abstract Robot concentration in mechanical engineering, electronics technology, computer technology, artificial intelligence, automatic control theory, and the latest multidisciplinary research results, represent the highest achievements of mechanical and electrical integration, the development of modern science and technology is one of the areas most active. The application of todays robots more and more widely into almost all areas. Robot technology is high strength and development level of countries, an important symbol. In this paper, the current domestic and international technology analysis of mobile robot based on the six-legged robot for autonomous cruise control system was in-depth study. In this literature, we designed a foot robot. There is sufficient as the mobile robot can not only did the traditional wheeled robots on the ground campaign, but can not smooth, even surface potholes exercise. Walking in the real task, its superiority is evident. We use MultiFLEX 2-AVR controller, using NorthSTAR graphical interactive program development tool for robot control program was designed as a build environment, using red distance sensor to form a set of environmental awareness, dynamic decision-making and planning, control and enforcement actions multiple functions in one integrated system. Exercise using C language programming. The eventual realization of an autonomous six-legged robot cruise. Key words: robot, robot, cruis基于 UP-STAR 自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程 III 目录 第一章 前 言 -1 1.1 选题背景 -1 1.2 研究意义 -1 1.3 步行机器人的国内外研究现状 -2 1.3.1 步行机器人的国内外研究现状 -2 1.3.2 国外研究现状 -3 1.3.2.1 美国步行机器人的研究现状 -3 1.3.2.2 日本多足步行机器人的发展近况 -5 1.3.3 国内研究现状 -8 1.3.4 最近出现的六足机器人 -9 1.3.4.1 六足伐木机器人 -9 1.3.4.2 六足搬运机器人 -10 1.4 研究的基本内容，拟解决的主要问题 -11 1.4.1 研究基本内容 -11 1.4.2 拟解决主要问题 -11 1.5 研究步骤、方法 -11 第二章 自主巡航机器人自主巡航机器人结构设计 -13 2.1 “创意之星”机器人套件介绍 -13 2.1.1 结构套件简介 -13 2.1.1.1 结构件概述 -13 2.1.1.2 ConnFLEX 连接结构 -13 2.1.2 不同版本 -14 2.1.2.1 入门版 -14 2 . 1 . 2 . 2 标准版 -15 2 . 1 . 2 . 3 高级版 -16 2.1.3 使用零件 3D 模型 -17 2.1.4 控制器及电源 -18 2.1.4.1 MultiFLEX2-AVR 控制器 -19 2.1.4.2 MultiFLEX2-PXA270 控制器 -21 基于 UP-STAR 自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程 III 2.1.5 传感器 -26 2.1.5.1 传感器的信 号类型及电气规范 -26 基于 UP-STAR 自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程 2.1.5.2 数据总线 -27 2.1.5.3 通信协议 -28 2.1.5.4 传感器接口 -29 2.1.5.5 测距传感器 -30 2.1.6 执行器 -34 2.1.6.1 CDS5500 机器人舵机 -34 2.1.6.2 总线通讯的特点 -35 2.1.6.3 CDS5500 的使用 -36 2.1.6.4 CDS5500 的自我保护 -37 2.1.6.5 CDS5500 的调试设置软件 -37 第三章 自主巡航机器人 控制系统方案设计 及 控制系统程序设计 -40 3.1 自主巡航机器人综述 -40 3.2 自主巡航机器人的搭建 -40 3.3 六足行走的基本步态 前进，后退 -42 3.3.1 几何学步态描述 -41 3.3.2 设计思想 -42 3.3.2.1 设计过程 -42 3.4 程序设计过程 -49 3.4.1 新建工程 -49 3.4.2 拖模块进入并连接 -52 3.4.3 调试并设置各个关节的角度 -52 3.5 验证与封装 -53 3.6 六足行走的基本步态 转向 -53 3.6.1 几何学步态描述 -53 3.6.2 设计思想 -53 3.6.3 验证与封装 -53 3.7 使机器人能够在无人干扰的情况下，实现自主 避 障行走 -53 3.7.1 设计思想 -53 3.7.2 程序设计过程 -54 3.7.2.1 新建工程 -54 3.7.2.2 整体设计思想 -55 3.7.2.3 连接并设置机器人的开始准备动作 -56 3.7.2.4 动作执行的判断部分 -57基于 UP-STAR 自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程 3.7.2.5 运动执行 -58 第四章 结论和展望 -59 4.1 结论 -59 4.2 技术经济分析报告 -59 4.2.1 技术可行性分析 -60 4.2.2 经济优越性报告 -60 4.3 对进一步研究的展望 -60 参考文献 - 62 致 谢 -63 附录 -64 声 明 -921 第一章 前 言 1.1 选题背景 机器人是一种自动化的机器，具有感知、规划、动作和协同能力，是一种具有高度灵活性的自动化机器。它是典型光机电产品。 随着人类对在复杂环境中既具备高移动能力 ,又具高可靠性 ,且易于扩展的移动平台日益迫切的需求 ,步行机器人作为一种拥有全 方位运动能力的移动运载平台 ,具有非常广阔的应用前景。但传统的步行机器人在结构设计上大多主要考虑如何满足功能要求 ,而对提升可靠性并降低成本的研究并不多。随着行走能力的增强 ,步行机器人的结构以及控制程序也日益繁琐 ,开发费用居高不下 ,可靠性也在下降。可见 ,功能与可靠性以及成本之间的矛盾极大地限制了步行机器人的大规模推广。 六足机器人是集仿生技术、电子技术、机器人设计技术、计算机控制技术于一体的行走式机器人 ,其落足点是离散的 ,通过合理选择支撑点 ,能灵活调整行走姿态 ,具有良好的避障和越障能力。步态是步行机器人的迈步方 式 ,是步行机器人各腿协调运动的规律 ,是其它控制算法实现的基础。 在此文献中，我们 设计了一个有足移动机器人。有足移动机器人无论是在研究领域还是在应用领域都非常热门。主要是因为，有足移动机器人不仅能够像传统的轮式机器人那样在平地上进行运动，更能够在不平整，甚至是坑洼的地表进行运动。在真实的行走任务中，它的优势可见一斑。 1.2 研究意义 采煤业是一种劳动条件相当恶劣的生产行业其劳动条件恶劣主要表现为振动、粉尘、煤尘、瓦斯冒顶、火灾、水灾等不安全因素 ,这些不安全因素极大地威胁着井下工人的安全。因此 ,煤矿迫切要求开 发各种不同用途的机器人 ,以取代人类从事的各种有毒、有害及危险环境下的工作。 随着机器人技术的不断发展 ,对机器人行走方式的控制也日趋成熟。比较常见的有轮式、履带式和足式 ,又以轮式应用的最多。这几种机器人的移动方式各有各的特点 ,在不同的场合发挥着自己的优势。基于 UP-STAR 自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程 2 轮式和履带式是机器人最为常见的移动方式 ,它们的优点在于移动迅速 ,控制简单 ,只需直接控制电机转速即可。移动过程中较为平稳 ,如果地面平坦 ,机器人的质心不发生变化 ,因此在一般情况下轮式结构是一个很好的选择。但是足式移动方式具有轮式和履带式移动方式所没有的优点 ,足 式移动方式的机器人可以相对较易地跨过比较大的障碍 ,如沟坎等并且机器人的足所具有的大量的自由度 ,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 ,在地表面极不规则的情况下足式机器人能用他的足与地面的点接触来支撑 ,整个机器人的躯体因此仍然能够行走自如 ,为了适应越来越多非结构环境下的机器人作业 ,足式机器人受到越来越多人的关注成为了研究的前沿和研究的热点。 六足机器人是集仿生技术、电子技术、机器人设计技术和计算机控制技术于一体的行走式机器人 ,其落足点是离散的 ,通过合理选择支撑点 ,能灵活调整行走姿态 ,具有良 好的避障和越障能力。步态是步行机器人的迈步方式 ,是步行机器人各腿协调运动的规律 ,是其它控制算法实现的基础。六足步行机器人与轮行机器人相比，能够更好的适应崎岖的地形，其研究对于军事运输、矿山开采、星球探测等领域具有重要的意义，因此在国内外六足机器人均得到了广泛的研究。 从仿生学的角度来说六足机器人是一个很理想的行走结构 ,六足纲昆虫就是我们仿生的原形 ,经过几千年的大自然的优胜劣汰后 ,昆虫的行走方式可能是最为适合地球上的各种复杂的地形 ,从行走方式上分析六足昆虫行走时足分为两组交替行进 ,以一侧的前足后足和另一侧的中 足作为一组 ,每一步都能组成一个三角的支撑结构 ,因此六足结构的稳定性是很强的。 1.3 步行机器人的国内外研究现状 1.3.1 步行机器人的国内外研究现状 步行机器人 (walking robot,legged robot)或步行车辆 (walking vehicle)简称步行机 ,是一种智能型机器人 ,它是涉及到生物科学、仿生学、机构学、传感技术及信息处理技术等的一门综合性高科技。 在崎岖路面上 ,步行车辆优于轮式或履带式车辆。腿式系统有很大的优越性 :较好的机动性 ,崎岖路面上乘坐的舒适性 ,对地形的适应能力强。所以 ,这 类机器人在军事运输、海底探测、矿山开采、星球探测、残疾人的轮椅、教育及娱乐等众多行业 ,有非常广阔的应用前景 ,多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域的研究热点之一。 基于 UP-STAR 自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程 3 六足机器人具有良好的地面适应能力和步行灵活性 ,一直是国内外学者研究的热点。在 McGhee 给出了描述和分析步态的数学定义之后 ,国内外学者对足式机器人的步态规划和控制技术作了大量的研究 ,其中多足步行机器人由于具有较复杂的运动学和动力学特征 ,使得其在步态规划和关节间协调运动控制方面更具研究的挑战性 ,也促进了其机械系统结构向多功能化、轻质化、高强度、可 重构性和可容错性的方向发展。目前 ,多足步行机器人技术有了很大的发展 ,国内外均已经开发出了不同结构形式的步行机器人的原型机 ,如 Lee 设计了具有独特机械结构的 SERO 六足机器人 ,规划了其行走步态 ,实现了机器人的前进、后退及转滚动作 ,美国 NASA 研制了用于航空领域的微型爬行机器人“ Spider2bot” ,印度研制成功的六足步行机器人”舞王“ ;我国的沈阳自动化研究所研制了 LR21 型六足步行机器人 ,采用直立圆柱式机身和拟缩放式腿机构 ,实现了全方位步行 ;清华大学开发了 DTWN 框架式双三足移动机器人、五足爬杆机器人 ,上海 交通大学的四足步行机器人” JTUWM”等 ,在众多的实例中 ,不同形式的机械系统所发挥的重要作用得到了同行的瞩目。 1.3.2 国外研究现状 1.3.2.1 美国 步行机器人的研究现状 1. 美国多足步行机器人的发展近况 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,如图 1-1 所示。该机器人采用了新型的腿机构 ,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 ,两杆正交。该机器人由一台32 位的处理机来规划系统运动路线、控制运动和监视系统的状态 ,所用传感器包括激光测距 扫描仪、彩色摄像机、惯性基准装置和触觉传感器。总质量为 3180 kg,由于体积和质量太大 ,最终没被用于行星探测计划。 1993 年 ,美国卡内基 -梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人 DANTE,用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察 ,其改进型 DANTE-II 也在实际中得到了应用 ,如图 1-2 所示。 1994年 ,DANTE-II对距离安克雷奇 145km的斯伯火山进行了考察 ,传回了各种数据及图像。 基于 UP-STAR 自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程 4 图 1-1 AMBLER 图 1-2 DANTE-II 1996 2000 年 ,美国罗克威尔公司在 DA RPA 资助下 ,研制自主水下步行机ALUV(Autonomous Legged UnderwaterVehicle),如图 1-3 所示。该步行机模仿螃蟹的外形 ,每条腿有两个自由度 ,具有两栖运动性能 ,可以隐藏在海浪下面 ,在水中步行 ,当风浪太大时 ,将脚埋入沙中。它的脚底装有传感器 ,用于探测岸边的地雷 ,当它遇到水雷时 ,自己爆炸同时引爆水雷。 ALUV 长约 56cm,质量 10.4 kg。在对昆虫步态进行研究的基础上 ,2000 年美国研制出 六足仿生步行机器人 Biobot,如图 1-4 所示。为了像昆虫那样在凸凹不平地面上仍能高速和灵活步行 ,采用气动人工肌肉的方式 ,压缩空气由步行机上部的管子传输 ,并由气动作动器驱动各关节 ,使用独特的机构来模仿肌肉的特性。与电机驱动相比 ,该作动器能提供更大的力和更高的速度。 图 1-3 ALUV步行机 图 1-4 Biobot 2. 美国打造月球六足机器人 美国科学家最近研制出一种名叫 ATHLETE 的机器人 (全地形六足地外探测器 )，这对于未来月球基地建 设和发展充当着至关重要的角色。美国宇航局指出，ATHLETE 机器人顶部可放置 15 吨重的月球基地装置，它可以在月球上任意移动，能够抵达任何目的地。当在水平表面上时， ATHLETE 机器人的车轮可加快行进速度；当遇到复杂的地形时，其灵活的 6 个爪子可以应付各种地形。这个机器人移动的能量来源于太阳能电池板，最大行进速度可达到 10km/h。虽然它的基于 UP-STAR 自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程 5 行进速度似乎有些慢，但完全能够胜任月球表面勘测。宇航员能够生活在月球基地随意到达月球任意表面。目前，美国宇航局工程正在加州巴沙迪那市对两个ATHLETE 机器人原型进行测试。 图 1-5 美国打造的月球六足机器人 1.3.2.2 日本多足步行机器人的发展近况 日本对多足步行机的研究从 20 世纪 80 年代开始 ,并不断进行着技术创新 ,随着计算机和控制技术的发展 ,其机械结构由复杂到简单 ,其功能由单一功能到组合功能 ,并已研究出各种类型的步行机。主要有四足步行机、爬壁机器人、腿轮分离型步行机器人和手脚统一型步行机器人。 1. 四足步行机器人 1994 年 ,日本电气通信大学的木村浩 (Hiro shi Kimura)等研制成功四足步行机器人 Patrush-II,如图 1-6 所示。该机器人用两个 微处理机控制 ,采用直流伺服电机驱动 ,每个关节安装了一个光电码盘 ,每只脚安装了两个微开关 ,采用基于神经振荡子模型 CPG(Central Pattern Generator)的控制策略 ,能够实现不规则地面的自适应动态步行 ,显示了生物激励控制对未知的不规则地面有自适应能力的特点。 2000 2003 年 ,日本的木村浩等又研制成功四足步行机器人 Tekken,如图 1-7基于 UP-STAR 自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程 6 所示。该机器人用一台 PC 机系统控制 ,采用瑞士 Maxon 直流伺服电机驱动 ,每个关节安装了一个光电码盘 ,并安装了陀螺仪、倾角计和触觉传感器。采用基于神经振荡子 模型的 CPG 控制器和反射机制构成的控制系统 ,其中 CPG 用于生成机体和四条腿的节律运动 ,而反射机制通过传感器信号的反馈 ,来改变 CPG 的周期和相位输出 ,Tekken 能适应中等不规则表面的自适应步行。 图 1-6 Patrush-II 图 1-70 Tekken 从 20 世纪 80 年代开始 ,东京工业大学的濑茂男等进行四足步行机 TITAN 系列的研究 ,到 20 世纪 90 年代已研制成功 TITAN 型 ,如图 1-8 所示。该步行机采用新型的直动型腿机构 ,避免了上楼梯 过程中腿间的干涉 ,并采用 2 段变速驱动机构 ,对腿的支撑相和摆动相分别进行驱动。步行机 TI2TAN 长、宽、高分别为 :700 mm,550mm,1060mm,质量 195 kg,能以 50mm/s 的速度 ,在倾角为 3040楼梯上步行。 从 20 世纪 90 年代开始 , 濑茂男等研究四足壁面移动机器人 NINJA-I,如图1-9 所示。其每条腿由 3 自由度的平行连杆机构构成 ,NINJA-I 长、宽、高分别为 :1 800 mm,500mm,400mm,质量 45 kg,各关节轴由 12 个 40 W 的直流电机驱动 ,每个脚底的吸盘被分为 20 个小吸盘 ,产生大约 1500N 的吸力 ,上升速度为 48 cm/min,横向移动速度为 96 cm/min,能在壁面及天花板上全方位移动。 图 1-8 TITAN 图 1-9 NINJA-I 基于 UP-STAR 自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程 7 2. 腿轮分离型步行机器人 1992 年 ,日本东北大学的木村浩、中野 二等研究开发出腿轮分离型步行机器人 Chariot。 Chariot 步行机器人车轮直径为 32 cm,腿展开的长度为 85 cm,质量20 kg。步行机有 4 腿和 2 轮 ,机构独立 ,两者协调在室外进行作业。该机器人融合了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。在平坦的地面上腿抬起 ,使用车轮高速前进 ;遇到台阶或壕沟时 ,使用腿来辅助实现平稳移动。 2004 年 ,日本东北大学大学院的中 ?秀朗、中野 二等开发了腿轮式移动机器人 Chariot-III,如图 1-10 所 示 ,并对其进行步态及控制方面的研究。 2005 年 ,他们开发供高龄人、残疾人等步行困难者使用的步行机器人 Chari.Be,如图 1-11 所示。该步行机具有高机动性和不平地面步行的稳定性 ,可自如地上下台阶 ,腿伸开后 ,长、宽和高 分别为 :2998mm,1050mm,693mm,车轮直径 520mm,驱动车轮的直流电机功率为 300W,总质量约 300kg。 图 1-10 Chariot-III 图 1-11 Chari.Be 3. 手脚统一型步行机器人 1995 年 ,日本产业技术综合研究所的小谷内、安達等开始研究手脚统一型步行机器人 MELMANTIS,将手臂的操作机能和脚的移动机能统一 ,可进行森林采伐作业、地雷探测及拆除作业等。 2005 年大阪大学的田窪明仁、新井健生等研 制成功最新型的手脚统一型步行机器人 ASTERISK,如 图 1-12，图 1-13 所示 ,该步行机器人在 2005 年 4 月爱知世博会上展出 ,具有用脚移动及用手搬运物品或进行作业的双重机能。以机体为中心 ,呈放射状配置 6 条腿 ,表现为全方位均等的作业空间和全方向移动的机能 ,能在不平地面上移动或悬吊于天花板进行作业 ,宽 816 mm,高 78 mm,每条腿有 4个自由度。安装有 11 个传感器和 6 个 CCD 摄像机。 11 个传感器分别是 :1 个 3轴加速度传感器、 1 个 2 轴陀螺仪传感器、 6 个 3 轴力传感器和 3 个红外线传感基于 UP-STAR 自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程 8 器 ,电机采用 DX-116,质量 4 kg。 图 1-12 ASTERISK 图 1-13 Performance of ASTERISK 1.3.3 国内研究现状 我国对于步行车辆的研究起步较晚 ,但对松软土壤上的车辆通过性能的研究还是较早的。吉林工业大学著名的地面 -车辆系统力学专家陈秉聪在 20 世纪 50年代开始研究 ,先后研制出塑料镶齿、高花纹、半步行轮、步行轮等非常规行走机构 ,进行了运动学和动力学分析及田间试验。我国从 20 世纪 80 年代开始研究步行机 ,并取 得了一系列的成果。 吉林工业大学从 20 世纪 70 年代开始 ,由陈秉聪教授和庄继德教授分别带领的两个研究小组 ,开始进行非常规行走机构的研究。 1985 年 ,陆怀民博士研制出一台具有两条平行四边形腿的步行机耕船试验台车 ,在土槽试验中表现出较高的牵引效率 ,主要用于无硬底层的水田耕作 ;1986年 ,高峰博士对步行车辆的全方位转向进行探索 ,在步行车辆转向理论方面有独到的见解 ,提出了一种全方位转向机构 ,设计了有全方位转向机构的六足步行车辆 ARPSV;1990 年高义民博士进行了 8 自由度六足步行车辆的研究 ,并试制了模型。 1980年 ,中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机 ,主要用于海底探测作业 ,并做了越障、爬坡和通过沼泽地的试验。 1989 年 ,北京航空航天大学在张启先教授的指导下 ,孙汉旭博士进行了四足步行机的研究 ,试制成功一台四足步行机 ,并进行了步行实验 ;钱晋武博士研究地壁两用六足步行机器人 ,进行了步态和运动学方面的研究。 1990 年 ,中国科学院沈阳自动化研究所研制出全方位六足步行机 ,不仅能在平地步行 ,还能上楼梯。该所还研制了水下六足步行机以及采用连杆机构来实现动态步行的四足步行机模型。 1991 年 ,上海交通大学马培荪等研制出 J TU WM 系列四足步行机器人。 J 基于 UP-STAR 自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程 9 TUWM-III 是模仿马等四足哺乳动物的腿外形制成 ,每条腿有 3 个自由度 ,由直流伺服电机分别驱动。在进行步态研究的基础上 ,通过对 3 个自由度的协调控制 ,可完成单腿在空间的移动。该机器人采用计算机模拟电路两级分布式控制系统 ,J TUWM-III 以对角步态行走 ,脚底装有 PVDF 测力传感器 ,利用人工神经网络和模糊算法相结合 ,采用力和位置混合控制 ,实现了四足步行机器人 J TUWM-III 的慢速动态行走 ,极限步速为 1.7 km/h。为了提高步行速度 ,将弹性步行机构应用于该四足步行机器人 ,产生缓冲和储能效果。 2000 年 ,上海交通大学马培荪等对第一代形状记忆合金 SMA 驱动的微型六足机器人进行改进 ,开发出具有全方位运动能力的微型双三足步行机器人MDTWR,如图 1-14 所示。其第一代的每条腿只有 2 个自由度 ,无法实现机器人的转向 ,只能进行直线式静态步行 ,平均行走速度为 1 mm/s。将机体的主体部分进行改进设计 ,由上下两层相互平行的三叉支架组成 ,将六足改进为双三足 ,引入身体转动关节 ,采用新型的组合偏动 SMA 驱动器 ,使新一代的微型双三足步行机器人 MD TWR 具有 全方位运动能力。 2002年 ,上海交通大学的颜国正、徐小云等进行微型六足仿生机器人的研究 ,如图 1-15 所示。该步行机器人外形尺寸为 :长 30 mm,宽 40 mm,高 20 mm,质量仅为 6.3 kg,步行速度为 3 mm/s。他们在分析六足昆虫运动机理的基础上 ,利用连杆曲线图谱确定行走机构的尺寸 ,采用微型直流电机、蜗轮蜗杆减速机构和皮带传动机构 ,在步态和稳定性分析的基础上 ,进行控制系统软、硬件设计 ,步行实验结果表明 ,该机器人具有较好的机动性。 图 1-14 MDTWR 双 三足步行机器人 图 1-15 微型六足仿生机器人 2003 年哈尔滨工程大学的孟庆鑫、袁鹏等进行了两栖仿生机器蟹的研究 ,从两栖仿生机器蟹的方案设计到控制框架构建 ,研究了多足步行机的单足周期运动规律 ,提出适合于两栖仿生机器蟹的单足运动路线规划方法 ,并从仿生学角度研基于 UP-STAR 自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程 10 究了周期性节律性的多足步行运动的控制问题 ,建立了生成周期运动的神经振荡子模型。 1.3.4 最近出现的六足机器人 1.3.4.1 六足伐木机器人 图 1-16 六足伐木机器人 此六足伐木机器人伐木的工作量都很大，但是很多传统的 重型机械却不方便进入到林区，即使勉强进去了，活动也不够灵活，所以就有厂家开发出了这样一款六足伐木机器人。 除了具有传统伐木机械的功能之外，它最大的特点就在于其巨型的昆虫造型了，因此它能够更好的适应复杂的路况，而不至于像轮胎或履带驱动的产品那样行动不便。虽然这种方式前进的速度较慢，但是对于伐木而言，却已经足够了。 1.3.4.2 六足搬运机器人 基于 UP-STAR 自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程 11 图 1-17 六足搬运机器人 croww540 随着机器人大张旗鼓地出现在各种科技博览会上，它们已经悄然地融进了我们的生活。 croww 540 机器人结合不同地域 的功能设计，使它更加贴近我们的私生活。六足的 croww 540 的主要作用是在沙漠及冰原上搬运各种重物，它展开后可以变为一顶充气帐篷，方便你在各种环境下露营。除去照相机和传感器，此款机器人还有一块可拆卸的圆柱电池，以保证长期的工作用电。 1.4 研究的基本内容，拟解决的主要问题 1.4.1 研究基本内容 基于 最新的 UP-InnoSTAR 创意之星 机器人套件为基础 设计符合我们设想的机器人。 本课题主要研究内容为：对一种具有直线行走、转弯基本运动能力的仿生机器人进行机械机构设计、运动步态设计、运动学分析、动力 学分析与仿真、实验论证等。具体如下： (1) 设计一种能符合步行机行走时对其足端轨迹的要求腿部机构，确定腿部机构后对仿生虫的动力传动路线进行设计，给出仿生虫整体结构图。 (2) 对设计的腿部机构进行运动学分析，得到在运动过程中该机构是否存在速度或加速度突变；对仿生虫整体的运动学进行分析。 (3) 对所设计的仿生虫腿部结构在其运动过程中是否经过奇异位置等特殊位置进行了研究，其方法对判断复杂机构的特殊位置提供了参考。 (4) 设计仿生虫的直线前进和转弯步态来实现步行机的直线运动和转弯运动 。 1.4.1 拟解决主 要问题 基于 UP-STAR 自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程 12 1. 六足机器人的结构模型，具体结构设计方案的制定与实施。 2. 六足机器人的几何学步态研究，如何协调六足的运动关系，使之平稳的行走。 3. 解决机器人的自主巡航问题，定位系统与视频识别技术的结合。 1.5 研究步骤、方法 1. 提出设想， 基于 最新的 UP-InnoSTAR 创意之星 机器人套件为基础， 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。 5. 按照设计方案安装及调试机器人。 6. 维护及完善机器人方案。 基于 UP-STAR 自主巡航六足机器人的行走动作规划及编程 13 第二章 自主巡航机器人 自主巡航机器人结构设计 2.1 “创意之星”机器人套件介绍 “创意之星”有很多零部件，有塑料零件、电路板、电机、线等等。下面将从机械结构、控制器、传 感器、执行器、开发环境等方面来详细介绍“创意之星”机器人套件。由于有些部件的详细使用说明篇幅比较长，不能将之完全纳入本文中，此处主要介绍此次设计中 涉及 到的部件的性能和参数 及 应该主意的事项。 2.1.1 结构套件简介 结构件概述 2.1.1.1 结构件概述 “创意之星”是一种模块化机器人组件，其特点是组成机器人的各种零件都是通用、可重组的，各个零件之间有统一的连接方式，零件之间可以自由组合，从而构建出各种各样的机器人构型。 “创意之星”结构件根据功能可以分为 7 大类： LUI 型结构件、连接件、舵机结构件、机械手结构 件、履带全向轮结构件、仿人结构件和其它结构件。 LUI型零件和舵机结构件是机器人骨架的主体，通过连接件将其组合在一起构成机器人主体；仿人结构件、履带全向轮结构件、机械手结构件都是比较专用的零件。 2.1.1.2 ConnFLEX 连接结构 在“创意之星”机器人套件里，各种结构件的连接遵循统一的标准。我们这种标准连接方式称为“ ConnFLEX 连接结构”。 ConnFLEX 连接结构主体是统一尺寸的花键和键槽，每个花键或键槽具有 20 个 齿，每个花键可以转动的角度是18 度 的整数倍。因此， ConnFLEX 连接结构使得各个零 件之间可以不同角度连接，例如平行连接、垂直连接，或者其它以 18为增量的角度来连接。为了适用各种连接场合，还派生出两并联、三并联、加长型、扁形等零件，如图 2-1 所示。ConnFLE