毕业论文-昆虫型仿生机器人的研究与设计

昆虫型仿生机器人的研究与设计摘要本论文对六足步行机器人进行研究。六足步行机腿部机构设计时通常模仿动物腿的形式，这使其具有多个自由度可以实现大的工作空间和运动灵活性。足式移动机器人具有很好的适应能力，即使在表面极度不规则的情况下，也能够行走自如。本文综述了六足机器人的发展历程、步行机构、步态、驱动方式等。对腿部几种结构进行比较，选择最优的结构，设计出仿生六足机器人。该机器人是对称结构，有六条相同的腿，每条腿有三个关节通过舵机来驱动。基于三角步态对机器人进行步态规划，研究出六足机器人的直线行走步态和转弯时的步态。对机器人的腿部结构进行受力分析和强度校核，同时选择机器人的电源和单片机。关键词：六足步行机器人，机构设计，步态规划I昆虫型仿生机器人的研究与设计AbstractThispaperishexapodrobotontheirresearch.Thelegsofdesignusuallyimitateanimallegsform.Thismakesithasmorefreedomtoachievegreaterflexibility,space,andmotionofthework.Footmobilerobothasgoodadaptability,eveninirregularsurface,underthesituationofextremealsotobeabletowalk.Hexapodfootrobotwasreviewedinthispaper,thedevelopmenthistory,walkinggait,drivingmodeofinstitutions,etc.Forcomparison,thestructureofseverallegsoftheoptimalselectionofstructure,designhexpodbionicrobot.Thisrobotissymmetricalstructure,sixofthesameleg,eachleghavethreejointsteeringgeartodriveby.Basedonthetrianglegaitforrobotresearchsixgaitprogramming,thelinearwalkinggaitandturninggait.Thelegsoftherobotstructuremechanicsanalysisandintensity,andselectthepowerandSCM.Keywords：Hexapodrobot，Mechanismdesign,GaitplanningII目录第一章前言.11.1本文的研究背景及研究意义.11.1.1昆虫仿生机器人的研究背景.11.1.2昆虫仿生机器人的研究意义.11.2步行机器人的研究现状.21.2.1具有代表性的六足机器人.21.2.2多足机器人的步行机构.51.2.3六足步行机器人的运动规划.71.2.4六足步行机器人的驱动方式.91.3课题的研究内容.10第二章六足机器人的机构设计.112.1六足机器人的结构设计.112.1.1六足机器人的腿部结构选择.112.1.2六足机器人的三维造型.142.2材料的选择.182.3驱动方式的选择.182.4单片机的选择.202.5电源的选择.21第三章六足机器人的力学计算.223.1力学计算.223.2强度校核.24第四章六足仿生机器人的步态规划.264.1步态规划概述.264.2六足机器人坐标系.264.3三角步态稳定性分析.304.4直行行走步态.324.5转弯行走步态.34第五章结论与展望.365.1简要总结.365.2未来要做的工作.36III昆虫型仿生机器人的研究与设计参考文献.37致谢.39IV昆虫型仿生机器人的研究与设计第一章前言1.1本文的研究背景及研究意义1.1.1昆虫仿生机器人的研究背景千奇百怪的昆虫世界，奥妙无穷，无论是它们的身体结构还是生活习性都给予了人类很多启示。许多重要的发明都是源于昆虫的启发。有的昆虫可以利用和自己颜色相似的环境来保护自己，由此产生了迷彩服和其他迷彩装备；苍蝇的嗅觉非常灵敏，可以很好地搜集漂浮在空气中的各种气味，能立即把气味刺激转变成神经脉冲，科学家们据此制造出气体分析仪；昆虫能在飞行中参照周围物体来确定自身飞行速度，飞机的对地速度仪表就是根据这一原理制成；还有能一次拍上千张照片的“蝇眼”照相机是模仿苍蝇的复眼发明的。当代机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业扩展到航空航天探索、军事侦察攻击、水下地下管道检测、疾病检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业。未来的机器人将在人类不能或难以到达的已知或未知环境里为人类工作。人们要求机器人不仅适应原来结构化、已知的环境,更要适应未来发展中的非结构化的、未知的环境，这就要机器人具有很强的自主运动能力及生存能力。昆虫个体小，种类和数量却很庞大，占现存动物的75%以上，遍布全世界。它们有各自的生存绝技，有些技能连人类也自叹不如。人类模仿昆虫的特点，已在工程和技术方面取得很大成就，随着科学的发展，人们对昆虫的利用也会越来越深入.越来越广泛，昆虫将成为人类学习的不竭源泉1。方昆虫机器人是具有某种昆虫或动物动作功能的仿生机器人系统，可代替人类完成所需要的工作和任务，在工农业和局势等领域有着广泛应用需求。1.1.2昆虫仿生机器人的研究意义目前，用于在人类不宜、不便或不能进入的地域进行独立探测的机器人主要分两种，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。轮行机器人的不足之处在于对于未知的复杂自然地形，其适应能力很差，而步行机器人具有轮轮行机器人所没有的优点,步行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,步行机器人受到越来越多1昆虫型仿生机器人的研究与设计人的关注成为了研究的前沿和研究的热点。因此多足步行机器人有广阔的应用前景，如军事侦察、矿山开采、核能工业、星球探测、消防及营救、建筑业等领域。在步行机器人中，多足机器人是最容易实现稳定行走的。在众多步行机器人中，模仿昆虫以及其他节肢动物门动物的肢体结构和运动控制策略而创造出的六足机器人是极具代表性的一种2。六足机器人与两足和四足步行机器人相比，具有控制结构相对简单、行走平稳、肢体冗余等特点，这些特点使六足机器人更能胜任野外侦查、水下搜寻以及太空探测等对独立性、可靠性要求比较高的工作。1.2步行机器人的研究现状轮式车辆在平地运输中有不可替代的作用，履带车辆被广泛应用于沙地和泥泞，然而人们没能找到合适的移动工具用于山地和多障碍地面，足式步行方式就解决了这些问题。步行机器人能跨越沟、坎等障碍，并且足部落脚点的离散性和面积小的特点使其对坑洼山地的机动性和适应性更强，机器人能够在足尖点可达范围内灵活调整行走姿态，并选择合理的支撑点，使得机器人具有更高的避障和越障能力。同时其运行足部也较轮式车辆和履带车辆更加轻便。因此多足步行机器人的开发及应用，已越来越受到学术界和工业界的关注3。1.2.1具有代表性的六足仿生机器人（1）早期的六足机器人随着美国宇航总署对外太空探测计划的不断深入，迫切需要一种可以在未知复杂星球表面执行勘探任务的机器人。由于六足机器人的所具有的这方面优点，使其早在上世纪八十年代就已被列入资工业大学工学硕士学位论文助研究计划。其研究成果包括八十年代末的Genghis和九十年代初的Attila。Genghis（如图1-1）是由irobot公司研制于80年代，每条腿装有两个电机，使得它可以自由行动，但是因为每腿只有两个自由度，行动有些笨拙。采用递归控制结构，可以使Genghis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4。2昆虫型仿生机器人的研究与设计图1-1irobot公司研制的Genghis图1-2麻省理工学院研制的AttilaAttila（如图1-2）是由麻省理工学院的移动式遥控机械装置实验室研制成功。它是该实验室最早用于自主行星探测的机器人。他们外形相同，只在颜色上有差异，都是Genghis的“后代”。它们在设计上强调模块化子系统结构，各个部分（如头部、腿部和身体）被当作独立的模块来处理。它的设计重量和尺寸受系统复杂程度的制约，为了保证其在太空运行的可靠性，采用了冗余设计：从机械角度看，六条腿行走时，一旦有某条腿失效，余下的腿仍然可以行走；从传感器的角度看，这种冗余可以让来自不同位置的传感器将信号传给主控制器，以更有效地分析地形。当有传感器失效时，剩下传感器仍可以让机器正常运行。3昆虫型仿生机器人的研究与设计（2）九十年代完成的六足机器人1993年英国研制的六足步行机器人“MARV（如图1-3）。该机器人前面有两个类似触角的传感装置5。对于跨海登陆作战的部队来说，浅滩地雷是无疑是最危险也最头疼的登陆障碍，出于这点考虑，美国麻省理工大学和其下的is-robot公司得到国防部高级研究计划局的资助，研制了浅滩探雷机器人Ariel（如图1-3）。Ariel由美国is-robots公司于1995年研制。身体配备多种传感器，对周围环境和自身状况的感知非常灵敏。并配备一套自适应软件，可对一些变化做出积极的反应。它是可以完全翻转的，如果海浪将它打翻，他还可以“底朝上”的继续行走。图1-3六足步行机器人MARV图1-4麻省理工大学与is-robot公司共同研制的浅滩探雷机器人Ariel4昆虫型仿生机器人的研究与设计（3）近年完成的六足机器人Scorpion（如图1-5）是由美国波士顿东北大学海洋科学中心自主水下机器人研究小组和德国Fraunhofer自主智能系统研究所（AIS）共同完成于2001年。这项工程的目标是运用集成来自行为学实验和无脊椎动物的神经生物学数据的低级行为指令，通过高级的控制模式来组成行为序列，实现复杂的行为。机器人的设计是根据来自多足节支动物的解剖学数据。其采用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4。图1-5美国波士顿东北大学和德国Fraunhofer自主智能系统研究所共同设计的六足机器人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1-4所示，该步行机器人外形尺寸为：长30mm、宽40mm、高20mm，质量仅为6.3g，步行速度为3mm/s。图1-4上海交通大学设计的微型机器人5昆虫型仿生机器人的研究与设计1.2.2多足步行机器人的典型步行机构一般来说，腿的构造形式可分为昆虫类和哺乳动物类两种不同形式。昆虫类生物其腿的数目较多，一般在四足以上;其腿分布于身体的两侧，身体重心低，稳定性好，且运动灵活，但过低的重心不利于昆虫的越障能力;喃乳动物的行走腿则通常为两足或四足，且腿多分布于身体下方，重心高，便于快速奔跑和越障，但在转向等需要灵活性的场合不如昆虫类有优势。（1）开链式步行机构在早期的步行机器人研究中，一般是模仿动物的腿部结构来设计步行机构。如图1-7这种机构形式多是关节式的，其优点在于结构紧凑，足端可达运动空间很大，且运动灵活，由于关节式腿的关节是铰接的，因而在步行过程中的失稳状态下具有较强的姿态恢复能力。它的不足之处是在腿的主运动平面内，大小腿的运动之间存在耦合，使得运动的协调控制比较复杂，而且承载能力小。目前该机构有两种应用模型：一种是采用三个转动关节幅RRR腿机构5。图1-7关节式腿结构（2）闭链式步行机构该种形式的机构能克服开链式机构承载能力低的缺点。一般都刚性较好，功耗较小。目前也有多种型式的应用。1）埃万斯机构（四连杆机构），如图1-8，该机构及其各种衍化形式，可用连杆曲线的轨迹作为足端轨迹。该种步行机构，其特点是设计简单、方便，具有运动解耦特性，而且都能产生近似直线的运动。但结构本身存在死点问题，容易产生死锁现象，限制了其足端可达域，增加了控制难度6。6昆虫型仿生机器人的研究与设计图1-8埃万斯机构形式简图2）缩放式机构，如图1-9，Z轴驱动器用于承担机体的重量或升降机体，而X和Y轴驱动器用于推动机体前进，简化了协调控制。缩放式腿机构具有比例特性，可将驱动器的推动距离按比例放大为足端运动距离。其缺点是：无论是圆柱坐标还是直角坐标形式的三维缩放机构，都至少需要两个线性驱动关节，使得机械结构较大，质量较重。而且机器人足端的运动范围受驱动距离的限制，难以得到大的运动空间。图1-9缩放式腿机构1.2.3多足步行机器人的运动规划通俗地说，步态是行走系统抬腿和放腿的顺序。从1899年Muybridge用连续摄影法研究动物的行走开始，人们对步行行走机构的步态进行了大量的研究工7昆虫型仿生机器人的研究与设计作，尤其是近二三十年来，关于步态研究的重要成果不断涌现。下面介绍的是目前应用较广的几种多足机构行走方式。(1）三角步态三角步态也称交替三角步态，是“六足纲”昆虫最常使用的一种步态，也被誉为最快速有效的静态稳定步态。大部分六足机器人都是从仿生学的角度出发使用这一步态。昆虫三角步态的移动模式较简单，非常适合步行架构的机器人的直线行走，行进速度也比较快。目前，大部分六足机器人采用了仿昆虫的结构，6条腿分布在身体的两侧，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，依靠大腿前后划动实现支撑和摆动过程，这就是典型的三角步态行走法8。图1-10三角步态示意图(2)跟导步态通常，三角步态的研究通常都局限在平坦地面，并且假设对于不平地面也是合理的。然而随着1974年Sun首先提出了跟导步态的概念，并于1983年由Tsai成功地把这种步态应用于俄亥俄州立大学的电动六足机器人中，这些为跟导步态的研究和发展，为提高机器人在不平地面上的行走速度奠定了基础。对于六足机器人来说，跟导步态的重点是选择前两足下一步的落点，而一对中足和一对后足的下一步落点由当前前足和中足的立足点决定。跟导步态每次只需要选择前两足的立足点，因而具有控制简单，稳定性较好，越沟能力强等特点，8昆虫型仿生机器人的研究与设计所以特别适合多足步行机在不平地面行走时采用。(3）交替步态与跟导步态类似，为了充分发挥六足机器人相对于轮式机器人在复杂地形的行走优势，交替步态成为新兴的六足机器人研究的重点。这种单腿交替行走步态，也被称为五角步态。在交替步态中，各腿的运动可分为抬升和前进两个部分。当某腿的相邻各腿均己触地时，该腿开始运动，并给其相邻各腿发出信号。同样，在该腿触地时，也会给相邻各腿发出触地信号。这样，一旦整个六足系统进入行走状态，这种顺次的步态运行状态就可以一直维持下去。1.2.4六足步行机器人的驱动方式(1）电机采用电机驱动的机器人最为广泛，大多使用步进电机，直流电机等。不同电机，有不同的特点。步进电机可以方便地进行开环位置和速度控制，速度响快，定位精度高，可以直接用数字信号进行控制，并且体积较小。虽然控制方便但是动力性能不好。直流电机动力性能不错，驱动性能好，PWM调速也非常方便但是相对步进电机控制较复杂些，价格也较高，体积也更大2。(2)气动人工肌肉人工肌肉由于其良好的抗干扰性和独特的仿生性使其一诞生就受到人们的关注。常用的人工肌肉有电化学式、流体式以及机械式三种。以气动人工肌肉驱动器(PneumatieMuseleAetuator，简称PMA)为代表的流体式人工肌肉因为其良好的功率/质量比而受到人们的重视10。它由内层橡胶管和外层纤维编织层构成，两端由金属挟箍密封。当向内部送入压缩空气时，随着内部压力上升，橡胶管沿径向膨胀，再通过纤维的传力变径向膨胀力为沿轴向收缩力。气动肌肉驱动(PMA)的结构简单，紧凑，价格低廉，安装简便，有功率/质量比大，并且机构运动的动作平滑冲击小，响应快，可以实现极慢速运动，无滑动部件，无摩擦，能使机构运动更接近于自然生物运动。但是气动人工肌肉也有它的局限性，相对来说，它从无压受拉最长长度到收缩后的最短长度之间的行程比较短，这样使得机器人腿部运动范围受到一定影响，这即限制了机器人的运动速度，也限制了其越障能力11。9昆虫型仿生机器人的研究与设计(3)形状记忆合金形状一记忆合金是一种智能材料。它的主要特征是具有形状一记忆效应(ShapeMemoryEffect，简称SME)。即记忆高温相态下形状的合金SMA，不管在低温相时如何变形，一达到高温相救恢复到在高温相态下的形状。差动式结构可输出较大的力和位移。当需要逆时针转动时，可加热上边的形状一记忆合金丝;需要顺时针转动时，可加热下边的形状一记忆合金丝。形状记忆合金具有功率/质量比大、动作柔和、不受温度以外的其它外界环境的影响、不需要减速器部分，结构相对简单等特点。并且加热控制比较容易实现。但其响应速度太慢，加热丝加热和冷却都需要足够的时间，不利于机器人的快速行走。(4)液压液压动力的优势是能支撑较大重量的工作，同时比电机驱动更适合于需要直线位移的场合。机器人的每个腿机构各采用一台液压马达作为驱动源。通过控制各马达的正转、反转，使各个腿机构实现顺转、逆转;每个腿机构上装配竖直缸和水平缸两个液压缸。通过控制竖直液压缸活塞杆的伸缩。使机械腿实现抬起、落地:通过控制水平液压缸活塞杆的伸缩.使机械腿实现前伸、推动机体。当步行机器人人要用于大型、载重型的场合时，选择液压驱动是个很好的方式。1.3课题的研究内容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。六足机器人具有较多的自由度，可以使其像昆虫一样灵巧的运动，并且对复杂多变的地形具有较强的适应能力。腿部件的结构形式是多足机器人机构的重要组成部分，从某种意义上来说，对多足机器人机构的分析主要集中在腿部机构的分析。为此本文研究的主要内容包括：1.六足机器人结构方案研究。2.六足机器人整体结构设计。10昆虫型仿生机器人的研究与设计3.六足机器人步态规划与设计。4.机器人腿部结构的力学计算和强度校核。5.电机、单片机及传感器选择。11昆虫型仿生机器人的研究与设计第二章六足机器人的机构设计2.1六足机器人的结构设计2.1.1六足机器人的腿部结构选择通过对步行机器人腿机构的研究分析可知,常用的腿机构有连杆缩放式和开链式腿机构。其优点在于结构紧凑，步行机构能够达到的运动空间较大，且运动灵活，由于关节式步行机构是通过关节链接的，因而在步行过程中的失稳状态下具有较强的姿态恢复能力。不足之处是在腿的主动平面内大小腿的运动之间存在耦合，使得运动时的协调控制比较复杂，而且承载能力较小。所以我选择了开链式腿机构。该机构可分为大、小腿以及髋关节组成。由大小腿组成平面运动机构，髋关节驱动该平面机构从而实现空间运动。图2-1开链式腿机构建立如下图2-1所示的坐标系，第一关节为髋关节，在O1点围绕Z轴旋转，髋关节的旋转半径设为L1；第二个驱动关节为大腿关节，在A点围绕着与大小腿运动平面所垂直的轴旋转，大腿杆长为L2；第三个驱动关节为小腿关节，在B点围绕与大小腿运动平面垂直的轴转动，小腿杆长度为L3。图2-2开链式腿机构坐标系模型12昆虫型仿生机器人的研究与设计如上图2-2所示，当机构运动到某一位置时，设髋关节驱动转动角为，大腿关节驱动转角为，小腿杆驱动转角为，由上图可以建立足端C点的运动轨迹方程：xc=Lcosyc=usin（2-1）zc=H其中：L=L1+Lcos+Lcos+()23（2-2）H=L2sin+Lsin+()3（2-3）+=90（2-4）由上式以及图形可知，小腿杆可以在转过大臂上部空间运动（类似于人的小臂运动），所以在运动过程中，由于臂的末端C点可达区域比较大，当髋关节转动时，机构的运动空间将实现三维椭圆状。但是采用此机构用作步行机构，在机器人行驶时，足端的运动范围并不是覆盖了整个可达运动空间，不可能在转过大腿杆时仍能够到达所有区域。综上所述的原因，小腿与地面法线的夹角要在一定的范围之内。如图2-3所示，就将存在小腿的最大转动角度和小腿最大内向max（顺时针）驱动角度n此时小腿的摆动约束可表示为：max，又有nmaxmax角的求解公式：sin=HL3sin(90)L2（2-5）令小腿杆在二极限位置，对应的值为1，2所以可求得：nmaxmaxLmaxLmin=L1L1+L2L2cos1cos2+L3L3cos90()max()（2-6）ncos90max由上式可知，对于不同的高度值，足端的运动空间在X-Z平面中产生类似椭圆曲线的轨迹，当髋关节转动时，将形成三维的运动空间，如下图所示。13昆虫型仿生机器人的研究与设计图2-3小腿的摆动约束图2-4足端的运动空间2.1.2六足机器人的三维造型六足机器人有六个相同的腿，沿身体对称排列，每边三个。机器人总长200mm，可达最大高度为120mm。每条腿有三个自由度，因此机器人有18个自由度，其中每个小方块代表一个舵机。髋关节摆动半径为35mm，大腿长度为60mm，小腿半径为60mm。如图2-6（b）所示每个关节的角度范围是(,)，i32i(,)，根据机身和腿部结构尺寸设定(,)。机器人的步长为10cm。i326614昆虫型仿生机器人的研究与设计机器人整体结构如下图：图2-5机器人腿的分布图机器人的单条腿结构如下图：（a）机器人的腿部结（b）机器人的腿部结构简化图图2-6机器人的腿部结构及其简化图15昆虫型仿生机器人的研究与设计髋部结构如图：（a）髋部结构示意图（b）髋部结构的尺寸标注图2-7髋部结构及尺寸标注大腿结构如图：（a）大腿结构造型图16昆虫型仿生机器人的研究与设计（b）大腿结构的尺寸标注图2-8大腿结构及尺寸标注小腿结构如图：（a）小腿结构造型图（b）小腿结构的尺寸标注图2-8大腿结构及尺寸标注17昆虫型仿生机器人的研究与设计2.2材料的选择对于步行机器人的腿部结构来说，抗弯性能很重要。因此在本设计中，采用硬铝作为主要材料。硬铝(含2.2-4.9%Cu、0.2-1.8%Mg、0.3-0.9%Mn、少量的硅，其余是铝)，有良好的机械性能、强度大又便于加工，而且密度小，可作轻型结构材料。机身采用铝合金框架。整个机构基本由2-3mm厚的铝片材料。机器人总重量大约为1.5Kg左右。选用了一种高强度硬铝型号为2A12。2.3驱动方式的选择步进电机的力矩小，体积大，不适合作为小型步行机器的驱动。本论文中，我选用了舵机作为各个关节的驱动。近几年，舵机的技术发展是非常迅速的，更小的体积、更高的速度、更大的扭力，这些都是舵机发展的方向。舵机主要是由外壳、电路板、无核心马达、齿轮与位置检测器所构成。舵机的位置控制是最容易实现的控制，只要给出一定脉宽的控制信号，舵机就会转到相应的角度并抵抗外力，并保持该角度不变。当控制信号发生变化，控制信号的角度与舵机当前角度不一致时，舵机会以能达到的最大速度调整到控制信号的角度，这在很多情况下是不利的，因为这会导致很大的速度和加速度，有可能造成运动平衡被破坏，甚至损坏机械结构或者造成舵机过载而烧毁舵机。当舵机的目标位置与当前位置的差距较大时，应当使控制信号的脉宽值以微量递增，逐渐过渡到目标值，这就是舵机的速度控制。舵机为求转速快、耗电小，于是将细铜线缠绕成极薄的中空圆柱体形成一个重量极轻的五极中空转子，并将磁铁置砖圆柱体内，这就是无核心马达舵机的齿轮有塑胶及金属之区分，金属齿轮的舵机一般皆为大扭力及高速型，具有齿轮不会因负载过大而崩牙的优点。本次设计挑选了超音速模型科技公司的6Kg全金属齿轮舵机CYSS0060，电机重量为52g。18昆虫型仿生机器人的研究与设计图2-9CYSS0060电机的其他参数如下：型号.：CYSS0060重量：52g规格：40.8*20.1*38mm速度：5V:0.18sec/60速度：7.2V:0.16sec/60扭力：5V:0.6Nm扭力：7.2V:0.75Nm工作电压：5-7.2V此外，相关的参数还有其控制信号的脉宽特性。舵机采用的驱动信号是脉冲比例调制信号(PPM)。舵机的控制原理，如图2-10:控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。图2-10舵机控制原理框图19昆虫型仿生机器人的研究与设计采用5V的电机驱动电压，电机脉冲信号的周期为20ms，脉宽在0.5ms-2.5ms变化时，电机对应0度到180度的角度变化，脉冲宽度与转角呈线性关系。若舵机初始角度状态在O位置，那么电机只能朝一个方向运动，所以初始化的时候，应将所有电机的位置定在90的位置。舵机的分布如下图：图2-11舵机的分布图2.4单片机的选择AT89C52是51系列单片机的一个型号，它是ATMEL公司生产的。AT89C52是一个低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，功能强大的AT89C52单片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。AT89C52有40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，3个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，2个读写口线，AT89C52可以按照常规方法进行编程,但不可以在线编程(S系列的才支持在线编程)。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。20昆虫型仿生机器人的研究与设计机器人每条腿3个舵机，共18个，分配如上图。单片机AT89C52的端口P0.0P0.5分别对应16号舵机，端口P1.0P1.5对应的是712号舵机，端口P2.0P2.5则对应1318号舵机。表2-1单片机的引脚分配引脚号P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P1.0P1.1P1.2舵机号123456789引脚号P1.3P1.4P1.5P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5舵机号1011121314151617182.5电源的选择我本次设计采用的电源在镍氢电池与镍镉电池和锂电池中选择，以每一个单元电池的电压来看，镍氢与镍镉都是1.2V，而锂电池为3.6V，锂电池的电压是其他两者的3倍。并且同型电池的重量锂电池与镍镉电池几乎相等，而镍氢电池却比较重。可知，每一个电池本身重量不同，但锂电池因3.6V高电压，在输出同等电压的情况下使的单个电池组合时数目可减少3分之1而使成型后的电池重量和体积减小，因此选用锂电池作为电源。同时，锂电池还有以下优点：具有高储存能量密度；使用寿命长，使用寿命可达到6年以上；高低温适应性强，可以在-20-60的环境下使用；生产基本不消耗水；绿色环保，不论生产、使用和报废，都不含有、也不产生任何铅、汞、镉等有毒有害重金属元素和物质。21昆虫型仿生机器人的研究与设计第三章六足机器人的腿部力学计算3.1力学计算之前已经展示了六组仿生机器人的模型，如下图所示。下面对机器人的腿部构造进行受力分析及校核。图3-1六足机器人的整体结构根据机器人的结构小腿与大腿关节处看作支承座，大腿与髋关节有弯矩的作用，髋关节与机身处看作铰支座。由图分析得大腿与髋关节的弯矩是由于机身的重量造成的。其腿部受力示意图如下：图3-2腿部受力示意图22昆虫型仿生机器人的研究与设计由于铝的密度为2.7g/ml，并且弯矩是有机身重量产生的，机身大约重100g，取g=10N/kg，得到力矩大小为1N。机身到C点的距离是8.5cm，因此得出Me=8.510Nm2得出静力方程：F=0，F+=0（3-1）RAFyRBM=,M+(0.06+0.035)=0（3-2）0eFARB根据上面公式得出：FRB=0.89N（3-3）FRA=0.89N（3-4）由以上计算画出剪力弯矩图：图3-3剪力图23昆虫型仿生机器人的研究与设计图3-4弯矩图3.2强度分析由于C点的弯矩最大，因此对C点处进行强度校核。纯弯曲时正应力的计算公式为：=MIzy（3-5）横向弯曲时，弯矩随截面位置变化。一般情况下最大正应力发生于弯矩max最大的截面上，且离中性轴最远处。由上式得max=MymaxmaxIz（3-6）y上式表明，正应力不仅与M有关，而且与有关，即与截面的形状和尺寸Iz有关。引用记号IW=zymax（3-7）则公式（3-6）改写为max=MmaxW（3-8）W成为抗弯截面系数。它与界面的几何形状有关，单位m3。若截面是高为h，宽为b的矩形，则Ibh3/12bhW=z=h/2h/262（3-9）24昆虫型仿生机器人的研究与设计由设计的六足机器人的结构尺寸知h=25mm,b=2mmW=2103(2.510)226=2.08107（3-10）M0.05Nm=max=max=2.4105W2.08107Nm（3-11）根据以上计算得出远远小于铝的许用应力，所以满足强度要求。max图3-5受力简图根据受力简图可知，挠曲线方程为：Mx=e(l23bx)(0xa)6EIl22M=ex3+3l(xa)+(l3b)x(axl)2226EIl（3-12）（3-13）端截面转角、分别为：ABMA=6EIle(l23b)2MB=(l2a26EIle3)(3-14)(3-15)其中铝的弹性模量E=70上面计算最大的弯矩为0.05Nm，电机所承受的最大扭矩为0.6Nm，所以选择的舵机可以使用。25昆虫型仿生机器人的研究与设计第四章六足仿生机器人的步态规划4.1步态规划概述控制步行机器人的基本问题是步态规划。就是需要确定在行走过程中，每条腿的运动轨迹，使是参与行走的各条腿之间的协调工作，实现要求的行走方式。在自然界中，可以观察到很多种的步行动物中的行走步态。为了描述步态，我们将步行动物的腿部行走分为两种状态，一种是支撑状态，是指肢体接触地面，支撑身体的状态；另一种是摆动状态，是指肢体离开地面，向前进方向摆动，动物的行走就是由每条腿的这两种状态交替进行完成的。对于六足步行机器人的步态是多样的，其中三角步态是六足步行机器人实现步行的典型步态。该步态是将机器人的六条腿分成两组，腿1，3，5为A组，腿2，4，6为B组。两组腿交替的摆起，放下。六足步行机器人机械简图如图4-1所示。4-1机器人腿部示意图4.2六足步行机器人坐标定义六足步行机器人机械简图如图4-2所示，定义地面坐标系，xoy与机身O平行，z轴与机身垂直;机身坐标系，坐标原点与机器质心重合。C腿部顺序定义如图示，定义腿间距为n，体宽为2m。Ai为腿与髋关节连接点，Bi为大腿与小腿连接处，Ci为腿的站立点。26昆虫型仿生机器人的研究与设计图4-2机器人坐标定义六足步行机器人腿部机械简图如图4-2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i，大腿关节在Z轴旋转角度为i，小腿关节在Z轴旋转角度i，髋关节在Y轴旋转角度为i。(a)27昆虫型仿生机器人的研究与设计(b)(c)4-3六足步行机器人腿部机械简图由图4-3(a)可得六足步行机器人骸关节电机向上旋转中i角度时，立足点C在Z方向提升高度h，六足步行机器人腿部Z方向提升高度计算图如图4-3所示。图4-4六足步行机器人大腿关节旋转腿部Z方向提升高度计算图28昆虫型仿生机器人的研究与设计提升高度h的计算表达式：hH22=2L+Hsinsin(-arctan+ii122L21)（4-1）H22=2L+Hsin)icos(arctani12L2图4-5六足步行机器人小腿关节旋转腿部Z方向提升高度计算图提升高度h的计算表达式：h=Hcosi（4-2）图4-6六足步行机器人腿部Y方向前进步长计算图29昆虫型仿生机器人的研究与设计由图4-4可得S/2计算表达式为:s2=Lsini（4-3）由上面的表达式，可以确定髓关节电机向前旋转i角度与立足点Ai在Y方向前进半步长S/2的定量关系，当i较小时，可设旋转角度i后腿部在X轴上的投影长度近似为L。4.3三角步态稳定性分析4.3.1稳定性分析步行机器人任一时刻姿态图如图4-5所示。站立点Ci及质心c在地面坐标系XOY平面内投影为点Ci和c(i=1-6)。图4-7六足机器人任意时刻的示意图机器人以“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c落在支撑腿构成阴影内，如上图所示，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c落在稳定区域内。1）稳定裕量计算不失一般性，设某一时刻，机器人以“三角步态”行走时，其B组支撑腿着30昆虫型仿生机器人的研究与设计地点、机器人质心在XOY平面的投影如图4-6所示，并设质心投影C与XOY平面坐标原点重合。图4-8三角步态的稳定裕量计算图图中，设C2、C4、C6的在XOY平面坐标为:C2(xl，yl)、C4(x2，y2)、C6(x3，y3)，OM、ON、OP为原点到直线C2C4、C2C6、C4C6的垂线，设d1=OM，d2=ON，d3=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B1B2方程为:y1y2y=(xx1)+x1x2y1（4-4）其垂线OM方程为:y=x1y2x2y1x（4-5）由上两式解得直线B1B2和直线OM的交点M(xm，ym)的坐标为:xm=(y2(x1y1)(x1y2y1x2)x2)2+(y1y2)2（4-6）ym=(x1(x1x2)(x1y2y1x2)x2)2+(y1y2)2（4-7）则：d1=OMxm2+ym2同理，可以求得d2=ON，d3=OP。31昆虫型仿生机器人的研究与设计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=mindl，d2，d3。4.4三角步态的直线行走步态设计目前，大部分六足的机器人采用的行走方式是爬行，且大多运用了仿生学的方法。其中最具典型性的三角步态就是模仿六足昆虫纲。“六足纲”昆虫(嶂螂。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腿同时提起时，另一组三角形支架的三条腿原地不动，支撑身体并以中组为支点，前后胫节的肌肉收缩，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。将腿1，3，5分为A组，腿2，4，6分为B组。4.4.1直线行走的步态规划“三角步态”直线行走步态的摆腿顺序有2种:A组-B组或B组-A组。以下以A组