机械电子工程毕业论文开题报告-基于AVR单片机的六足机器人控制系统设计

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名：李亚涛学 号：1302034242学 院：机械与动力工程学院专 业：机械电子工程设计(论文)题 目：基于AVR单片机的六足机器人控制系统设计指导教师:王日俊2017年 3 月 6 日开题报告填写要求1开题报告作为毕业设计（论文）答辩委员会对学生答辩资格审查的依据材料之一。此报告应在指导教师指导下，由学生在毕业设计（论文）工作前期内完成，经指导教师审查后生效；2开题报告内容必须用按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网页上下载）打印，禁止打印在其它纸上后剪贴，完成后应及时交给指导教师签署意见；3文中应用参考文献处应标出文献序号，文后“参考文献”的书写，应按照国标GB 771487文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性；4学生的“学号”要写全号（如0201140102,为10位数），不能只写最后2位或1位数字；5. 有关年月日等日期的填写，应当按照国标GB/T 740894数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“2004年3月15日”或“2004-03-15”；6. 指导教师意见用黑墨水笔工整书写，不得随便涂改或潦草书写。毕 业 设 计 开 题 报 告1选题依据：课题研究背景：在我国，机器人的开发和应用不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨大的经济效益，而且将为我国的隧道开采、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。目前可移动式机器人中轮式和履带式移动方式在实际生产生活中已获得广泛的应用，但足式移动方式相对比轮式和履带式移动方式具有以下独特的优点：（1）足式移动方式有较好穿越障碍通过能力，对不平地面的适应能力很强。步行移动方式的立足点是离散的，在一定范围内有可能达到的地面上最优的选择支撑点，步行移动系统还可以通过跨越较大的障碍如沟，坎等以及松软地面如沼泽沙漠等。（2）足式移动系统在复杂地形环境中高速运动时不容易被卡死，且能耗相对较小。（3）足式移动系统具有主动隔振能力，可以允许足端运动轨迹与机身运动轨迹解耦，在地面高低不平，机器人机身运动仍可保持相对平稳。因此，开发具有卓越足式移动能力的仿生机器人，对于移动式机器人技术的研究与应用具有重要的理论和现实意义。本课题通过对六足仿生机器人控制系统的研究设计来为足式移动系统机器人的研究基础理论和关键技术提供一定的理论和现实意义。 使用价值与研究意义：在人类认识世界和改造世界的过程中，存在许多人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合，如星球探测、深海探测、减灾救援和隧道开采等，而多足仿生机器人为解决上述问题提供了一条有效途径。多足机器人是涉及到生物科学、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，它的研究能够充分发挥机器人的功能特性，使机器人在特定工作情况下能够模仿仿生物体的某些生理特征，适应环境的变化进而做出正确的选择判断，使机器人的设计更加合理准确。之前国内外研究的机器人大多采用轮式移动机构，在适应复杂地形时无法满足工况的需求，但足式机器人恰巧弥补这些缺点。在崎岖路面上，足式系统有很大的优越以及较好的机动性，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。长期以来，多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域研究的热点之一。为探索多足步行机器人技术的研究前沿，给我国多足步行机器人工程实用化开发提供关键技术的支持，开展多足步行机器人相关理论和技术的研究具有十分重要的科学意义和应用价值。而六足仿生机器人控制系统的研究将为多足仿生机器人，研究六足仿生机器人避障、目标识别、单足多关节运动及六足协调运动控制问题，结合先进控制方法研究仿生机器人的控制系统，课题的研究对仿生机器人的基础理论和关键技术等方面具有重要的理论与科学价值，特别是多足减灾救援仿生机器人的研究提供理论基础和技术支持。国内外文献综述： 随着人工智能计算机技术与生物仿生学理论的飞速发展，对仿生多足机器人的设计研究工作，渐渐成为业界关注的焦点。世界多所著名大学和一些研究机构，相继成功设计并研制出了高性能多功能的仿生多脚机器人。文献1在1989年由美国麻省理工学院人工智能实验室研发出六足机器人Genghis，其用于美国在地外行星（如月球，火星）表面完成探测测量任务。采用了基于位置反馈的直流电机驱动，集成了电流测量控制单元使其可以获取关节力矩相关信息，装备了两个单轴加速度计、两个触须传感器，同时每条腿部躯干具有2个旋转自由度，这样其机器人可以在复杂路面上较高效步态行走。九十年代初，MIT对于仿生六足机器人进行了改进，每条腿部躯干增加了1个旋转自由度，由原来的2个变成了3个旋转自由度。在设计上，采用了模块化结构的设计，相对独立的各模块具有各自的传感器、微处理器和电机驱动器，这样的结果具有了较强的容错自检能力，可识别硬件故障，可以采用软件方式进行补偿。 文献2由美国加州理大学喷气推进实验室设计并开发出的仿生六脚机器人LEMURH，其主要用于太空设备的装配、检测和维护。它更灵活，每条腿部躯干4个旋转自由度，整个肢体呈正六边形躯干里轴对称分布，同时集成了当时世界上各种先进的末端执行器（如超音速钻孔器），其有快速执行，快速连接，快速更换等工具，对步态运动及相关操作过程均采用动力控制方式。文献3由日木大阪大学工程科技研究所研制的六足机器人ASterisk，每条腿4个自由度，均釆用舵机驱动。配备了一个三轴加速度计和一个两轴陀螺仪，足端装备了三维力传感器、红外传感器及无线CCD相机，可在崎岖地形或金属网格天花板上全方位步行或进行作业。文献4由斯坦福大学仿生机器人实验室研制的六足机器人Sprawl，腿部为被动弹性结构，每腿一个由汽缸驱动的直线自由度、一个由电机驱动的旋转自由度，具有瞪踏和稳定功能。质心位于躯干后下侧，可实现姿态自稳定，釆用定时的开环前馈控制。国内在仿生机器人领域研究起步较晚，目前有北航、上海交大、沈阳自动化研究所和哈工大等科研院所正在从事仿生机器人的研究。文献5研究六足步行机器人全方位行走步态，分析其静态稳定性；规划了典型直线行走步态和定点转弯步态，确定了直线行走步态最大跨步和定点转弯步态最大转角；进行了步态控制算法模拟仿真及实地步行实验。文献6针对仿生六足步行机器人关节较多,其步态轨迹规划和关节控制量计算都较为复杂的现状,采用Solidworks软件与MSC.ADAMS软件相结合的方式对六足仿生步行机器人的样机模型进行了运动学仿真与分析.通过仿真,验证了所设计的三角步态的适用性和所选择的三次样条曲线作为机器人足端点轨迹曲线方案的可行性.文献7从机械结构、运动模式和步态控制3个方面, 对六足步行机器人的仿生机制进行了分析. 提出一种灵活度评价函数, 基于该函数对六足机器人的结构参数进行了优化; 推导了步态模式与步行速度关系的数学表达; 构建了分布式局部规则网络, 可自适应地调整错乱的腿间相序,生成静态稳定的自由步态.仿真实验验证了上述仿生机制的有效性。 文献8对双足人、四足动物、六足昆虫的行走方式和躯体形态以及它们在步态、体态方面的差别进行了综合论述,进而对不同行走方式的机器人的步态策略进行了论述,并对行走机构足数与性能进行了定性评价,展望了动物步态和仿生步行机器人研究的发展前景。文献9讨论了基于AVR和STM32双芯片联合控制的18自由度小型仿生机器人的制作过程和最终实验效果。基于Ardunio平台开发的ATmega328p芯片作为主控芯片使得程序开发更为简单，而选用更高端的STM32F103C8T6芯片作为从控芯片弥补了主控芯片所不具备的一些高级功能。主控芯片通过串口通信方式给从控芯片传送命令，从控芯片按照指令执行封装好的底层程序代码，完美实现两款芯片的优势互补，通过实物实验验证了小型仿生六足机器人能够实现自主避障以及水平姿态自动调整的功能，具有很强的通用性。 毕 业 设 计 开 题 报 告设计方案：研究具体内容：机械设计模块：通过Solidworks三维建模软件对六足机器人进行设计建模，考虑六足机器人的质量要求、舵机扭矩、足部动作与地面的摩擦问题以及步态动作的流畅性，完成三维模型设计并进行加工制作。 硬件设计模块：根据设计要求，以Altium Designer作为电子电路设计软件，并对实现功能的器件进行选型，完成各个功能模块的硬件设计，绘制出电路原理图并完成PCB板的加工制作。软件设计模块：分析六足机器人控制算法和步态算法原理，进行软件设计，以舵机控制板进行动作编排和步态分析，最终设计一个以三角步态法作为控制原理的仿生六足机器人，实现以下功能：（1）普通六足蜘蛛和普通螃蟹两种行走模式；（2）红外无线通讯遥控控制；（3）多种仿生运行动作；（4）3种可调节运行速度。研究方法：1.查阅文献资料，从文献资料中掌握一些关于六足机器人的基本知识和目前国内外研究动态。2. 通过分析机器人的行走步态和移动原理，确定运动设计方案，并从理论上分析其可行性。3.根据选定方案需求利用solidworks进行三维建模设计，完成六足机器人的三维图纸，根据图纸进行加工制作六足机器人的机械结构 4.利用电路设计软件进行电路图设计，完成电路控制模块的设计制作，并根据电路图对所需器材进行选型，最后完成焊接。5.搭建六足机器人，进行步态分析与软件调试。 6.撰写毕业设计说明书，完成毕业论文。进度安排：02月13日 03月13日: 查阅文献,完成开题报告。03月14日 04月20日: 学习AVR单片机基础知识，熟悉机械结构建模平台和电路原理图设计软件，掌握六足机器人的构成与工作原理。04月20日 05月20日: 根据设计要求，对实现功能的器件进行选型，完成各个功能模块的硬件设计，绘制出电路原理图，并分析六足机器人控制算法和步态算法原理，进行软件设计，最终初步实现一个以三角步态法作为控制原理的仿生六足机器人。05月21日 06月10日: 撰写毕业论文，准备相关材料，进行论文答辩。 毕 业 设 计 开 题 报 告指导教师意见：本课题针对仿生六足机器人的控制系统设计问题，基于AVR单片机设计一个以三角步态法作为控制原理的仿生六足机器人。该同学根据任务书的要求，查阅并学习了相关参考文献与资料，提出了初步的设计方案，并根据研究内容，分配了具体的时间节点。开题报告写作比较认真严谨，基本符合规范；技术路线基本可行，需在具体的设计过程中来完善实施方案。同意李亚涛同学毕业论文开题。 指导教师： 年 月 日参考文献1R.A.Brooks.A Robot that works:Emergent Behaviors from a Carefully Evolved NetworkJ.Neural Computataion,1989:253-262.2B.Iannotta.Creating Robros for Space Repairs J.Aerospace Ameriea, 2005,36-40.3Fujii,K.Inoue,T.Takubo,Y.Mae,T,Arai.Ladder Climbing Control for Limb Meehanism Robot”ASTERISK”,C.The IEEE International Conferenee on Roboties and Automation, Passadena,CA,USA,2008:3052-3057.4 韦东山.嵌入式Linux应用开发完全手册M.北京：人民邮电出版社.2008.58.5苏军,陈学东,田文罡.六足步行机器人全方位步态的研究J.机械与电子，2004， (3) :48-52.6韩宝玲,王秋丽,罗庆生.六足仿生步行机器人足端工作空间和灵活度研究J.机械设计与研究，2006,22 (4):10-12.7陈甫,臧希喆,赵杰等.六足步行机器人仿生机制研究J.机械与电子，2009，（9）：53-56. 8张伏,张国英,邱兆美等.仿生地面行走机构的步态研究现状与进展J.农机化研究,2011, (1):240-243.9 韩宝玲,刘广新,黄祥斌等基于AVR和STM32的仿生六足机器人控制系统J.计算机系统应用，2016,25 (6):59-63.10 梁锋,王志良,解仑,等多舵机控制在类人机器人上的应用J.微计算机信息 ,2008,(2):242-243.11 蒙博宇.STM32自学笔记M.北京:北京航空航天大学出版社,2012:15-20.12Kim JY. 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