毕业论文-六足机器人的设计

1、毕业论文-六足机器人的设计录插表清单III插图清单IV第一章绪论11.1机器人的发展历史11.2机器人的定义和基本组成2 1.2. 1机器人的定义21.2.2机器人的基本组成：2 1.3移动机器人概述31.4移动机器人分类41.5多足机器人的发展现状5 1.6本设计的主要工作71.7本章小结7第二章六足仿生机器人的结构分析及设计82. 1 “六足纲”昆虫的运动原理8 2. 1. 1步态的参数描述82.1.2三角步态运动原理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123. 2六足机器人的稳定性分析143

2、. 3. 1稳定性分析143. 3. 2稳定裕量计算143. 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163. 4.2步态动作分析163. 5 三角步态”定点转弯步态设计19 3. 6本章小结21第四章六足仿生机器人的控制系统设计22 4. 1功能分解224. 2控制系统的硬件设计234. 2. 1微处理器AT89S52简介234. 2. 2舵机模块设计244. 2. 3避障模块设计254.3控制系统软件设计274. 3. 1单个舵机控制方法284. 3. 2多舵机控制324. 3. 3六足仿生机器人全方位步态程序设计37 4.4软件的抗干扰及可靠性设 计40 4.5本章小

3、结41第五章软硬件联调425. 1 Keil C51开发系统基本知识425.2 Proteus仿真软件基本知识425. 2. 1 Proteus 介绍 425. 2. 2 Proteus 的仿真 435. 2. 3 Proteus PCB 43 5. 3 调试结果 435. 2相关数值测试445. 3本章小结45笫六章结束语466. 1论文总结466.2论文写作的感想466. 3本章小结46参考文献47致谢辞48插表清单表IT机器人Fred De 1 cornyn的参(,9,9,9,9,999,9,9 99,9,9,9,9,9,“6表2-1本设计机器人相关参,9,9,9,999,9,9,999

4、,9,9 ,9 ”9 表 4TI/O引脚分配9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9 ,9,9 23表4-2时基脉冲与舵机角度对应,”,”9,9,9,9,”9,9,9,9,”9” .24表4-2探测障碍物的传感器与单片机引脚对应关系表23表4-3舵机与六足机器人足对应关系9,9,9,9,9,9,9,9,9,9 ,9,9,936表4-4舵机与单片机端口的对应关系,9,9,9,9,9,9 ，,9,936表5-1关系数值,999,9,9,9,9,9,999,9,9,9,9,9,999,9,9,9 ,9 ,9,9,944图4-10 8路信号舵机控制脉冲插图清单1 lFred

5、Deleomyn /、丿上彳万1二期1諾计丿匕 ”l-2Gengh机器人9、999、9999999,9、99 99 9、9999999,9、99- 99 99 99 9,9、-、999图1-3 DRROB系列高级机器9,9,9,9,9,9,9,9,9 ,9,9 , ,9 , ,9,9,9,9,9,9,9图2-1本设计的六足仿生机器图2-2机器人腿部实件勿,”,”9,9,”9,9,”9,9,9图3-1腿部组图简图11图3-3腿部简图.12图3-4步行机器人任一时刻姿态9,9,9,9,999,9,9,9,9,999,9,9,9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

6、、C、D）定点转弯步态示意图16图4-1基本功能框图214-2 PDIP H装图23图4-3微动开关示意-99,9,9,9,9,9,9,9,9,9,925图4-4微动开关安装位置,9,9 ,9,9,925图4-5硬件设计仿真佟|,999,9,9,9,9,9,999,9,9,9,9,9,999,9,9,9,9,9,9，小26图4-6系统软件的总体流9,9,999,9,9,999,9,9,999,9,9,99 ,999,9,9,99 ”,9”27图4-7舵盘的位置线性变化,9,9,928图4-8舵机的控制脉冲,9,9,9,9,9,99,9,9,9,9,9,9,9,9,928图4-9控制脉冲程序流程

7、29佟|,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9 5,9,9,9 99,9,933图4-11 12个舵机控制流程,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,图4-12舵机位置示意佟| ,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9 ,9,”9361.1机器人的发展历史图4-13直行程序流程,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9 W,9,937图4-14转弯程序流程，”9,9,938图4-13避障程序流程9,9,9,93944图5-1硬件仿真结果佟I,”,9”,9 ”,9,9 ”,”9 ”,9,9”,”,第

8、一章绪论机器人的应用越来越广泛,儿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义的新兴学科，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。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

9、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

10、伺服理论的发展，机器人进入了使用化阶 段。1954年美国的/.。1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O 1974年Cincinnati Milacron公司开发成功多 关节机器人；1979年,Unimat ion公司乂推出了 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

11、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，出现了笫二代机器人?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。笫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

12、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。1.2机器人的定义和基本组成1.2. 1机器人的定义山于研究的侧重点不同，对于机器人的定义，国际上LI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。1.2.2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

13、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U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黑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III主计算

14、机讣算后，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。通常的机器人采用主计算机与关节驱动伺服计算机两级讣算机控制，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山另一台计算机上级 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

15、. 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. 3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 Xilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制岀了取名为 Shakey的自主式移动机器人。LI的是研究应用人工智

16、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 机器人研究乂出现了新的高潮。特别是在80年中期，设il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

17、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、讣算 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汁算与生存能力”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

18、富于挑战性的交义研究领域之一。31.4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、宁宙开发、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

19、制造生产线上和无人化工厂中也得到了广泛的应用。 当前，山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山人通过遥控来控制，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

20、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 轮数的多少乂可分为二轮、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。

21、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U的研究领域。4、特种移动机器人:根据具体的应用U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 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；

22、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。1.5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

23、机器人的足所具有 的大量自山度可以使机器人的运动更加灵活，对阿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。图1-lFred Delcomyn六足仿生机器人图1-1是模仿美国的一种叫Perip laneta Americana的嫌螂而设计的仿生机

24、器人，机器人的整个身体比例约是该嫌螂的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*高各部位比例骯*股节*胫节体重(KG)Fred Delcomyn 美国 0. 58*0. 14*0. 23 1 ： 1. 1 ： 1. 5 11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l-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DR

25、ROB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。图1-3 DRROB系列高级机器人1. 6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

26、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，验证整体设讣方案的正确 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， 设讣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U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

27、控制系统的硬件设讣和软件设计。1. 7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，并交代了本次设讣的设讣背景,为后续的设计指明了方向。第二章六足仿生机器人的结构分析及设计“六足纲”昆虫蝉螂，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

28、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 “六足纲”昆虫的运动原理2. 1. 1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

29、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表示,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QiO, il, 2, ”, 2k2k为总足数， 则步态称为规则步态regular腿i的相对相位，指笫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

30、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。山此可以导岀行程R、步距a和有荷因数Q之间的关系式是Ra*Q.静态稳定六 足步行机器人，由于要求Q1/2,所以tr?tp ,即平均速度上限取决于tc行走系统 釆用波形步态时，机体每一侧各腿的迈步动作形成一种山后向前的波形式.自然界六 足昆虫在所有速度范围内都采用波形步态.2. 1. 2三角步态运动原理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

31、：1 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 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 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

32、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。72. 2六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

33、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. 3KG 310*279*135 0. 5KG 12 3. 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 设讣的，腿部的比

34、例是要有特定数值的。整个腿有大腿和小腿组成，通过髓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：图2-2机器人腿部实物2.3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

35、组,分别为Al, A2, A3,腿2、4、6为B组,分别为Bl, 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。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. 1六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。图3-2机器人腿

36、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，骯关节在Z轴旋转角度为，骯关节在Y轴旋转角度为。由图3 -3a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：山表达式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髓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：山表达式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

37、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 Lo3. 2六足机器人的稳定性分析3. 3. 1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0在地面坐 标系X0Y平面内投影为点Bl、DI、F1和01。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01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01落在稳定区域内。图3-4步行机器人任一时刻姿态图3. 3. 2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X0Y平面

38、的投影如图3-5所示,并设质心投影01与X0Y平面坐标原点重合。图中，设 A、B、C 在 X0Y 平面坐标为:A XI, Yl、B X2,Y2、C X3, Y3 , 0M、ON, OP 为原点到直线AB, BC, CA的垂线，设则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：垂线0M的方程为：III上两式解得直线AB和直线0M的交点M XM , YM的坐标为：贝IJ：dl同理，可以求得d2 , d3 o则六足机器人以三角步态行走时，其最小稳定裕量判据为dmindl, d2, d33.4六足仿生机器人的直线运动步态设讣3. 4. 1步态规划前面我们已经介绍过了 “六

39、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。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(0:1、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

40、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。3. 4. 2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3-6A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Lo此时,各腿的支撑点 位置矢量为：(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：(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：(4) 2、4、6放下后，1、3、5抬起;则位置矢量：(5) 2、4、6向后移

41、动半步长，做姿势调整，此时的位置矢量：(6) 六条腿均落地，回到最初的状态。此时的位置矢量：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. 5 三角步态”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3-8A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L9。2如图3-7B所示,机器人B

42、组腿作支撑腿,A组抬起，此时，腿的位置矢量为：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：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: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. 6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 的讣算，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

43、人行 走奠定基础。第四章六足仿生机器人的控制系统设讣控制系统的设计主要任务是完成全方位步态的软件设讣，也就是对12个舵机的 调度和控制。设定一个口标功能: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. 1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。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

44、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。在本次设讣中，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. 2控制系统的硬件设汁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. 1微处理器AT89S52简介AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位单片机10,片内含SKBI SPIn- system

45、 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

46、置了振荡频率可为0Hz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 不同产品的设讣要求。常用的AT89S52封装电路为PDIP形式，其图如图4-2所示。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

47、. 0-P0. 5接左边的六个舵机Pl. 0-P1. 5接右边的六个舵机P3. 0-P3. 1接触位开关4. 2. 2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，E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，飞机上有以下儿个地方 需要控制：1. 发动机进气量，来控制发动机的拉力（或推力）；2. 副翼舵面（安装在飞机机翼后缘），用来控制机的横滚运动；3. 水平尾舵面，用来控制E机的俯仰角；4. 垂直尾舵面，用来控制E机的偏航角；遥控器有四个通道，分别对应四个舵机，而舵机乂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

48、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。山此可见，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. oms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，

49、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，舵机主要由以下儿个部分组成，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

50、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LI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辽.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) 0.5 1.0 1.5 2.0 2. 5对应角度(度)0 45 90 135 1804. 2. 3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