六足仿生机器人设计

摘要摘要：本次课程设计题目为六足机器人，首先主要对六足机器人腿部整体设计思路、对于机器人腿部的建模进行了详细的描述，对于腿部简图的绘制，与运动轨迹的正解、反解求取过程与方式进行了演示与详尽的阐明，最后对于六足机器人腿部整个运动过程、运动路线的轨迹规划进行精确的分析，保证六足机器人腿部的运动过程正确性、准确性以及所实现预期结果。在机器人腿部设计完成的情况下，进行了六足机器人机械结构的整体设计，将六条腿通过两块亚克力板连接起来，形成整体的仿生六足机器人机械结构。在传感器的选择上，使用的是dyp-me007v1超声波传感器。通过对超声波传感器反馈的障碍位置信息进行处理，可以实现避障功能。在舵机的选择上使用的是MG995型号的舵机。之后进行了控制电路的设计，对应使用的舵机，采用的是微型舵机控制板。在其GND引脚及VS引脚上分别串联到减压模块的OUT-和OUT+引脚上。GND、33V、RXD及TXD引脚对应接到STM32模块的GND、33V、PA9、PA10引脚上，并且在STM32模块上再接超声波模块。在软件系统的设计上采用的是rios-usc控制软件，通过其控制位于机器人六条腿上的十八个舵机进行不同角度的转动，使机器人完成相应的动作。最终完成的产品可以进行行走，转弯，避障等功能。关键词：六足机器人 舵机 行走目录摘要第一章 设计综述.11.1 智能机器人系统国内外发展现状.11.2 智能机器人系统设计任务概述.11.3 课程设计主要内容. . . .2第二章 方案设计. . . .22.1机械结构方案设计.22.2驱动方案选择.32.3 传感器的选择.3第三章 机械系统设计.33.1 机械系统总体方案.43.2 关键尺寸设计.53.3 驱动关节运动轨迹规划.5第四章 控制系统设计.74.1 控制系统总体方案.74.2 运动控制器选型.74.3电路设计.8第五章 软件系统设计.85.1 软件系统总体方案.85.2位姿控制方案与流程.105.3 速度控制方案与流程.12第六章 装配与调试.135.1 机器人系统整体装配. .145.2系统调试流程与状况. .155.3 设计创新点. .155.3 系统缺陷与改进. .15第七章 市场应用前景分析.16项目心得.16参考文献.17附录二 成本分析.18附录三 程序源代码.19 3 第一章 设计综述1.1 智能机器人系统国内外发展现状智能机器人是第三代机器人，这种机器人带有多种传感器,能够将多种传感器得到的信息进行融合，能够有效的适应变化的环境，具有很强的自适应能力、学习能力和自治功能。目前研制中的智能机器人智能水平并不高，只能说是智能机器人的初级阶段。智能机器人研究中当前的核心问题有两方面：一方面是，提高智能机器人的自主性，这是就智能机器人与人的关系而言，即希望智能机器人进一步独立于人，具有更为友善的人机界面。从长远来说，希望操作人员只要给出要完成的任务，而机器能自动形成完成该任务的步骤，并自动完成它。另一方面是，提高智能机器人的适应性，提高智能机器人适应环境变化的能力，这是就智能机器人与环境的关系而言，希望加强它们之间的交互关系。智能机器人涉及到许多关键技术，这些技术关系到智能机器人的智能性的高低。这些关键技术主要有以下几个方面：多传感信息耦合技术，多传感器信息融合就是指综合来自多个传感器的感知数据,以产生更可靠、更准确或更全面的信息，经过融合的多传感器系统能够更加完善、精确地反映检测对象的特性,消除信息的不确定性,提高信息的可靠性；导航和定位技术，在自主移动机器人导航中，无论是局部实时避障还是全局规划，都需要精确知道机器人或障碍物的当前状态及位置，以完成导航、避障及路径规划等任务；路径规划技术，最优路径规划就是依据某个或某些优化准则，在机器人工作空间中找到一条从起始状态到目标状态、可以避开障碍物的最优路径；机器人视觉技术，机器人视觉系统的工作包括图像的获取、图像的处理和分析、输出和显示,核心任务是特征提取、图像分割和图像辨识；智能控制技术，智能控制方法提高了机器人的速度及精度；人机接口技术，人机接口技术是研究如何使人方便自然地与计算机交流。在各国的智能机器人发展中，美国的智能机器人技术在国际上一直处于领先地位，其技术全面、先进，适应性也很强，性能可靠、功能全面、精确度高，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应用。日本由于一系列扶植政策，各类机器人包括智能机器人的发展迅速。欧洲各国在智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。中国起步较晚，而后进入了大力发展的时期，以期以机器人为媒介物推动整个制造业的改变，推动整个高技术产业的壮大。1.2 智能机器人系统设计任务概述设计产品为一个六足机器人，要求其具有仿生形态，机器人整体外形与生物形态具有一定的相似度；具备步态控制能力，能够按照所仿生物体进行行走、转弯等相关运动；具备重心调节能力，可携带移动电源；具备障碍探测及避障功能，能够实现智能仿生机器人的避障行走。1.3 课程设计主要内容（1）查阅相关文献资料，对资料进行分析总结。（2）机器人总体设计：确定机器人的具体任务要求，根据任务初步拟定机器人的技术参数、运动形式、机械结构、驱动方案、传动方案、控制方案等。（3）机器人机械结构设计：将机器人分解为车身结构、机械臂和手爪等若干部分，分别对各个结构的关键部件进行详细设计并校核，绘制机器人总装图和关键零部件图。（4）传感和信息检测及信息传输：根据任务要求，完成相关信息检测、处理，并完成信息的正确传输。（4）运动控制方案设计；基于传感信息，采用单片机完成机器人控制系统硬件和软件的设计和系统调试。（5）编制课程设计说明书第2章 方案设计2.1机械结构方案设计 图2.1 机器人整体模型六足机器人整体的机械结构为：在中间的两块亚克力板之间连接六条机械腿，每条机械腿由腿部和足部组成，在腿部和足部的连接处装有一个舵机用来控制足部相对于腿部的转动。在腿部和中间亚克力板的连接处装有两个舵机，可以实现腿部相对于亚克力板的在水平方向和竖直方向上的转动。通过对每条腿上的三个舵机转动角度的控制，可以实现机器人的行走、转弯等动作。2.2驱动方案的选择在机器人的驱动上通过比对最终使用的是MG995型号的舵机。在每条腿上均安装有3个舵机，通过微型舵机控制板对这三个舵机进行控制，根据所要进行的动作控制不同的舵机转过相应的角度，实现机器人的行走、转弯、避障等动作。2.3传感器的选择 为了实现避障功能，需要使用超声波传感器对障碍位置进行检测，并把位置信息传递到单片机中，由单片机对这些信息进行分析处理，并且计算出要绕过障碍的路线，进而生成对各个舵机的控制信息。通过控制不同位置舵机转过不同的角度，来实现特定的运动。针对这种要求，我们选用的是dyp-me007v1超声波传感器。第3章 机械系统设计3.1机械系统整体方案图3.1机械系统二维图 六足机器人又叫蜘蛛机器人，其属于仿生机器人，所依据的是昆虫的运动原理。昆虫有3对足，在前胸、中胸和后胸各有 一对，我们相应地称为前足、中足和后足。每个足由基节、转节、腿节、胫节、跗节和 前跗节几部分组成。基节是足最基部的一节，多粗短。转节常与腿节紧密相连而不活动。腿节是最长最粗的一节。第四节叫胫节，一般比较细长，长着成排的刺。第五节叫跗节，一般由2-5个亚节组成为的是便于行走。在最末节的端部还长着两个又硬又尖的爪，可以用它们来抓住物体。 行走是以三条腿为一组进行的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组。这样就形成了一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面并向后蹬时，另外三条腿即抬起向前准备替换。 前足用爪固定物体后拉动虫体向前，中足用来支持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。根据这种原理，我们采用两块亚克力板模拟昆虫的本体，用六对机械腿模拟昆虫的六对足。每条机械腿由腿部和足部组成，在腿部和足部的连接处装有一个舵机用来控制足部相对于腿部的转动。在腿部和中间亚克力板的连接处装有两个舵机，可以实现腿部相对于亚克力板的在水平方向和竖直方向上的转动。3.2关键零部件设计底盘作为机器人的中心零件，相当于昆虫的躯干部分。其外缘的六个凸起可以通过万能连接支架连接舵机，因此在六个凸起处设计有一个用来与轴承配合大孔和用来装螺丝的小孔。由孔要与其他件进行配合，所以对其尺寸及粗糙度要求较高。图3.2底盘二维图腿部作为连接底盘与足部的零件，相当于昆虫的大腿部分。腿部一端连接底盘亚克力板，一端连接足部执行器。因此两端也像底盘末端一样设计了一个用来与轴承配合大孔和用来装螺丝的小孔，相应的也设计了较高的精度要求。图3.3腿部二维图 足部作为末端执行器，不仅尺寸精度要求较高，而且需要有足够的强度才能支撑起整个六足机器人。因此我们设计了如上外形，并采用亚克力板进行切割外图3.4足部二维图3.3驱动关节运动轨迹规划 六足机器人的运动主要靠舵机控制腿部运动，所以仅此处描述机器人的腿部轨迹规划。图3.5腿部三维模型图以下为腿部规划的MATBAL 程序。程序：syms a0 a1 a2 a3 v t tf;v0=0;f(t)=a0+a1*t+a2*t2+a3*t3;v(t)=diff(f(t),t) a(t)=diff(f(t),t,2) vtf=0; a1=0;a0=0 ;bf=pi/2;%运动时间tf设为3s,关节角1终值为bf,初值为0a1=0; a0=0;tf=3;ftf=a0+a1*tf+a2*tf2+a3*tf3-bf ;vtf=a1+2*a2*tf+3*a3*tf2a2,a3=solve(ftf,vtf,a2,a3)%绘制关节角随时间的变化的三次曲线t=0:0.01:tf;f3=a0+a1*t+a2*t.2+a3*t.3;plot(t,f3)gridxlabel(时间 t/s)ylabel(关节变量值 /) title(关节角1轨迹规划曲线)syms a2 a3 tf t a0 a1 v ;v0=0;f(t)=a0+a1*t+a2*t2+a3*t3;%利用三次多项式对关节角1进行轨迹规划设三次多项式v(t)=diff(f(t),t) %轨迹上的关节速度a(t)=diff(f(t),t,2) %?轨迹上的关节加速度%由在起始点和终止点的关节速度要求，规定vtf=0;a1=0;a0=0 ;%运动时间tf设为3s,关节角1终值为bf,初值为0bf=pi/2;a1=0; a0=0;tf=3;ftf=a0+a1*tf+a2*tf2+a3*tf3-bf ;vtf=a1+2*a2*tf+3*a3*tf2a2,a3=solve(ftf,vtf,a2,a3)%绘制关节角随时间的变化的三次曲线t=0:0.01:tf;f3=a0+a1*t+a2*t.2+a3*t.3;subplot(1,2,1) v=a1+2*a2*t+3*a3*t.2plot(t,v) grid xlabel(时间 t/s) ylabel(关节角1的关节速度 /s)title(关节角1速度轨迹曲线)subplot(1,2,2)a=2*a2+6*a3*tplot(t,a)gridxlabel(时间 t/s) ylabel(关节角1的加速度 /s2) title(关节角1加速度轨迹曲线)第4章 控制系统设计4.1控制系统总体方案由于我们只是采用舵机进行驱动，所以在控制系统的选择上只需要用到STM32芯片和微型舵机控制板即可。由单片机对采集到的外界信息进行处理，并且依据这些信息产生控制信号传递给微型舵机控制器，由舵机控制器对不同位置的舵机进行控制。4.2运动控制器选型依据控制系统总体方案，我们选择的运动控制器为微型舵机控制器和STM32芯片4.3电路设计图4.1电路原理图对应使用的舵机采用相应的微型舵机控制板。在其GND引脚及VS引脚上分别串联到减压模块的OUT-和OUT+引脚上。GND、33V、RXD及TXD引脚对应接到STM32模块的GND、33V、PA9、PA10引脚上，并且将STM32模块上的3V、GND、PC7、PC8接口接超声波模块VCC、GND、echo、TR1G接口。第5章 软件系统设计5.1软件系统总体方案在完成机械系统及电路控制系统的设计的基础上进行了软件系统的设计，在软件系统的设计上采用的是rios-usc控制软件，在rios-usc的图形操作界面上可以实现对舵机的直接控制，方便系统的调试，并且最终以代码的形式将程序保存下来。通过其控制位于机器人六条腿上的十八个舵机进行不同角度的转动，使机器人完成相应的动作。最终完成的产品可以进行行走，转弯，避障等功能。5.2位姿控制方案 对机器人腿部进行解析，简化机器人腿部结构，如下所示。图5.1腿部结构示意图连杆参数表：序号关节变量初值10002a1=50003a2=12000表5.1 连杆参数表对机器人进行正解：运动学方程： = cos(), -sin(), 0, 0 sin(), cos(), 0, 0 0, 0, 1, 0 0, 0, 0, 1 = cos(), -sin(), 0, 50 0, 0, 1, 0 -sin(), -cos(), 0, 0 0, 0, 0, 1 = cos(), -sin(), 0, 120 sin(), cos(), 0, 0 0, 0, 1, 0 0, 0, 0, 1=*= cos()*cos()*cos()- cos()*sin()*sin(), - cos()*cos()*sin() - cos()*cos()*sin(), -sin(), 50*cos() + 120*cos()*cos()cos()*cos()*sin()-sin()*sin()*sin(),- cos()*sin()*sin() - cos()*sin()*sin(), cos(), 50*sin() + 120*cos()*sin() - cos()*sin() - cos()*sin(), sin()*sin() - cos()*cos(), 0, -120*sin() 0, 0, 0, 1=*= 0.0000 1.0000 0 170.0000 0 0 1.0000 0 1.0000 -0.0000 0 0 0 0 0 1.00005.3速度控制方案对于速度，我们用机器人技术中学到的雅克比矩阵求解。雅可比矩阵：1、解。=cos()*cos() - sin()*sin(), - cos()*sin() - cos()*sin(), 0, 120*cos() + 50 0, 0, 1, 0 - cos()*sin() - cos()*sin(), sin()*sin() - cos()*cos(), 0, -120*sin() 0, 0, 0, 1= 0 0 0 1 =cos()*cos() - sin()*sin()，=0=- cos()*sin() - cos()*sin()=- cos()*sin() - cos()*sin()=0=sin()*sin() - cos()*cos()=0=1=0=120*cos() + 50=0=-120*sin()解得=0; 0; 0;cos()*sin() - cos()*sin();sin()*sin() - cos()*cos();0解。 = cos(), -sin(), 0, 120 = sin(), cos(), 0, 0 0, 0, 1, 0 0, 0, 0, 1 0 0 0 1 同理，解得=120sin();120cos();0;0;0;1=0;0;0;0;0;1综上所述，雅克比矩阵为= 0, 120sin(), 0 0, 120cos(), 0 0, 0 , 0 cos()*sin() - cos()*sin(),0,0 sin()*sin() - cos()*cos(),0,0 0, 1, 1= 0, -120, 0 0, 0, 0 0, 0 , 0 -1 ,0 ,0 0 ,0 ,0 0, 1, 1第6章 装配与调试6.1机器人系统整体装配机器人主要由中间两块亚克力板和六条腿组成，首先在中间的两块亚克力板之间连接六条机械腿，首先通过万能连接支架将两个舵机连在一起，然后根据设计好的三维模型将两个舵机一端连接到两块亚克力板中间，一端连接机械腿。每条机械腿由腿部和足部组成，在腿部和足部的连接处安装一个舵机用来控制足部相对于腿部的转动。在腿部和中间亚克力板的连接处安装两个舵机用以实现腿部相对于亚克力板的在水平方向和竖直方向上的转动。将机械主体连接完成之后需要对舵机连接处进行预紧，避免连接处有大的自由转动。之后将各个舵机的控制线连接到舵机控制板上，再按照电路原理图连接舵机控制板、单片机、超声波传感器等电子器件。6.2系统调试出现的状况1、 机器人前行不走直线 用舵机控制版控制机器人前行，机器人不走直线。因为六足机器人步态不好调试，每个腿转动的角度不一样，都有可能影响机器人整体的前进方向。2、 六足机器人三足站立前行的重心问题 六足机器人前行用的是三角步态，即前行时始终是三个足着地支撑。那么在三足交替时，机器人的重心会发生向后偏移的状况，导致机器人会向后移动一下。6.3设计创新点普通的六足机器人适用于一些恶劣环境的探测，六足可以使它在不规则的地形上正常工作，但是在普通平面上却行动缓慢。所以我们给六足机器人的底部加上了四个轮子。这样它就有了两种方式，第一种为工作模式，六足工作，可以在不规则地面上进行作业。第二种为行动模式，四轮工作，六足收起，它可以在规则平面上快速运动。6.4系统缺陷与改进由于时间比较紧张，我们目前还没能将底部四个轮子加到六足机器人上，导致我们这个设计最大的创新点还没能体现出来。在最后的时间我们会进一步加紧机器人六个腿部的调试工作，在这些基本工作完成之后将底部的四个轮子加上去，使机器人能够适应平坦和不规则的两种地面。第7章 市场应用前景分析 随着技术的的飞速发展，机器人行业越来越壮大，六足机器人作为其中的一个分支，也得到了良好的发展，尤其是在探测这个方面，前景大好。而且随着地球人口不断的增多，地球资源越来越少，环境越来越恶化，人类不能亲自探索的地方越来越多，六足机器人可以在恶劣条件下工作，深受广大用户的喜爱，其市场前景不可估量。我们设计的产品有小型机和大型机两种：小型机可以作为儿童玩具，可以调动孩子活动的积极性，还能增进对外界事物的感性认识。可以引起幼儿的联想活动，积极进行思维、想象等活动。而大型机主要用于一些探测活动，在自然界和人类社会中存在一些人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合。如行星表面、灾难发生矿井、防灾救援和反恐斗争等，对这些危险环境进行不断地探索和研究，寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。地形不规则和崎岖不平是这些环境的共同特点。从而使轮式机器人和履带式机器人的应用受到限制。以往的研究表明轮式移动方式在相对平坦的地形上行驶时，具有相当的优势运动速度迅速、平稳，结构和控制也较简单，但在不平地面上行驶时，能耗将大大增加，而在松软地面或严重崎岖不平的地形上，车轮的作用也将严重丧失移动效率大大降低。为了改善轮子对松软地面和不平地面的适应能力，履带式移动方式应运而生但履带式机器人在不平地面上的机动性仍然很差行驶时机身晃动严重。与轮式、履带式移动机器人相比在崎岖不平的路面六足机器人具有独特优越性能在这种背景下多足步行机器人的研究蓬勃发展起来。而仿生六足机器人的出现更加显示出步行机器人的优势。因为我们的六足机器人有创新点，所以不太在意市场恶意竞争。我们的合作对象可以是探测机构还有玩具厂，让我们的产品大众化，科技化。项目心得我们在这次的项目中有些方面做得还不够完善，比如说预计的最大创新点没有体现出来，由于进度比较缓慢，本来计划的装在机器人底部的四个轮子还没有装上。但是在本次项目中我们学到了很多有用的知识。作为第一次自己做机器人的新手，我们不可避免的遇到了很多困难，为了解决这些问题，我们去查阅资料，向老师请教，合同学们讨论，最终都克服了这些困难，而每一次困难的解决都会让我们受益匪浅，更让我们体会到团队合作的重要性，想要完成一个比较复杂的机器人的设计制作，仅仅依靠一个人的力量是远远不够的。参考文献：1 刘杰.机电一体化技术基础与产品设计,冶金工业出版社,20032 李广弟 朱月秀 冷祖祁.单片机基础,北京航空航天大学出版社,20073 熊有伦.机器人技术基础,华中科技大学出版社,1995附录一 成本分析 名称数量单价总计MG995舵机1819.9358.2STM32单片机119.919.924路舵机控制板18080减压模块123.623.62200mah电源15050蓝牙模块117.917.9超声波模块13.53.5总计24553.1附录二 程序源代码主程序：#include stm32f10x.h#include drive.h#include hongwai.h#include chaoshengbo.h#include timer.h#include delay.h#include stm32f10x_gpio.h #include usart.h#include stm32f10x_it.h#include led.hint main()/2.15 0.98 SystemInit(); driveGPIO_Init();delay_init(); / UltrasonicWave_Configuration(); / uart_init(9600); / NVIC_Configuration(); / Timerx_Init(5000,7199); /10Khz5000500ms duoji(0x23,0x31,0x30,0x47,0x43,0x31,0x0D,0x0A);delay_ms(2000);while(1)/GPIO_SetBits(TRIG_PORT,TRIG_PIN);UltrasonicWave_StartMeasure(); /10us delay_ms(500);UltrasonicWave_bizhang();/GPIO_SetBits(TRIG_PORT,TRIG_PIN); /10USTRIG_PORT,TRIG_PINdefine?/ delay_us(20); /20US/ GPIO_ResetBits(TRIG_PORT,TRIG_PIN);/delay_ms(500);/GPIO_ResetBits(TRIG_PORT,TRIG_PIN);/delay_ms(100);#include chaoshengbo.h#include usart.h#include timer.h#include delay.h#include drive.h#include stm32f10x_it.h#include led.h/* (C) 1209 Lab * * : UltrasonicWave.c * UltrasonicWave_Configuration UltrasonicWave_StartMeasure 1 * Mini STM32 STM32F103RBT6 * - * | PC8 - TRIG | * | PC7 - ECHO | * - * ST3.5.0 * * Lee */extern volatile float UltrasonicWave_Distance;/* * UltrasonicWave_Configuration * * * */void UltrasonicWave_Configuration(void) GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;/GPIOEXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;/ NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;/GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable , ENABLE);/jtag RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOC|RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = TRIG_PIN; /PC8TRIG GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; / GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(TRIG_PORT, &GPIO_InitStructure); /GPIO GPIO_Init