仿生机器人的机构设计与运动仿真

1、前前 言言 随着仿生学与机器人技术的飞速发展，仿生机器人已日益成为机器人领域的研究 热点。仿生学将有关生物学原理应用到对工程系统的研究与设计中，尤其对当今日益 发展的机器人科学起到了巨大的推动作用3。当代机器人研究的领域已经从结构环 境下的定点作业中走出来，向航空航天、星际探索、海洋探索、水下洞穴探索、军事 侦察、军事攻击、军事防御、水下地下管道探测与维修、疾病检查治疗、抢险救灾等 非结构环境下的自主作业方面发展，未来的机器人将在人类不能或难以到达的已知或 未知环境里工作。人们要求机器人不仅要适应原来结构化的、己知的环境，更要适应 未来发展中的非结构化的、未知的环境。除了传统的设计方法，人们也

2、把目光对准了 生物界，力求从丰富多彩的动植物身上获得灵感，将它们的运动机理和行为方式运用 到对机器人运动机理和控制的研究中，这就是仿生学在机器人科学中的应用。 本文结合当前仿生机器人的研究现状与未来发展方向，以慧鱼机器人模型为平台 制作对机械本体结构、传动系统，控制系统的软件编程进行了系统设计及介绍。现对 研究和实验当中取得的主要成果总结如下： 1通过对甲虫六条腿的结构与功能的研究，设计了六足仿生机器人的足的结构， 实现了机器人的结构仿生。 2在对仿生模型的结构仿生与运动仿生分析的基础上，确定了采用慧鱼 ROBO 接 口板作为控制器。 3利用慧鱼 ROBO 接口板实现了电机和微动的控制，从而对

3、机器人进行运动控制 。 4根据三角步态原理，设计了前进、后退以及转弯等不同运动状态。并对机器 人进行了运动分析，得出了一般的结论。 5以慧鱼公司开发的编程软件：ROBO PRO，对机器人进行软件编程，使它按规 定的路线运动，实现对其运动的控制。 本次毕业设计的目的和意义是综合运用大学四年里所学到的基础理论知识达到设 计目的并提高自己分析问题和解决问题的能力，提高机械控制系统设计、操纵机构的 设计能力及运用 PRO/E 设计软件的建模能力，并增强自身的动手能力与计算机编程能 力。 本课题的研究前景十分广阔。例如，可以通过对海蟹的研究，进行仿生设计，制 造出海陆两用的仿生机器人，建立基于环境适应行

4、为的智能运动控制策略。在此基础 上，为未来智能化近海两栖作战新概念武器结构设计与分析提供新方法。 对于跟踪国际先进军事技术，建立新型作战武器有重要意义。同时，开展对海的 研究也可以为水下科学考察、海底探矿等领域的新型机器人的开发打下理论基础。在 对未知空间的探索方面也有极大的发展空间。例如，令人讨厌的苍蝇，与宏伟的航天 事业似乎风马牛不相及，但仿生学却把它们紧密地联系起来了。苍蝇是声名狼藉的 “逐臭之夫” ，凡是腥臭污秽的地方，都有它们的踪迹。苍蝇的嗅觉特别灵敏，远在 几千米外的气味也能嗅到。但是苍蝇并没有“鼻子” ，它靠什么来充当嗅觉的呢? 原 来，苍蝇的“鼻子”嗅觉感受器分布在头部的一对触

5、角上。 每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通，内含上百个嗅觉神经细胞。若有气 味进入“鼻孔” ，这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲，送往大脑。大脑根据 不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同，就可区别出不同气味的物质。因此，苍蝇 的触角像是一台灵敏的气体分析仪。 仿生学家由此得到启发，根据苍蝇嗅觉器的结构和功能，仿制成一种十分奇特 的小型气体分析仪。这种仪器的“探头”不是金属，而是活的苍蝇。就是把非常纤细 的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上，将引导出来的神经电信号经电子线路放大后，送给 分析器；分析器一经发现气味物质的信号，便能发出警报。这种仪器已经被安装在宇 宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的

6、成分。这种小型气体分析仪，也可测量潜水艇 和矿井里的有害气体。利用这种原理，还可用来改进计算机的输入装置和有关气体色 层分析仪的结构原理中。 也可以对陆生的甲虫和蜈蚣等腿部运动的分析核研究制造出相应的产品，应用于 军事，工业和科研。 目 录 摘 要 .I ABSTRACT .II 第 1 章 绪 论 .1 1.1 仿生机器人概述.1 1.2 仿生型多足步行机器人技术综述.2 1.2.1 国外仿生机器人研究现状 .2 1.2.2 国内仿生机器人的研究现状 .4 1.3 多足机器人的关键技术.5 1.3.1 协调控制问题 .6 1.3.2 信息融合问题 .6 1.3.3 机构设计问题 .6 1.3

7、.4 微传感和微驱动问题 .6 1.3.5 能源问题 .6 第 2 章 仿生机器人总体设计方案的确定 .8 2.1 概述机构模型.8 2.2 本体结构设计.8 2.2.1 六面连接体设计 .8 2.2.2 步行足的结构模型 .9 2.2.3 仿生六足虫机器人的整体结构 .10 2.2.4 骨架的搭建 .11 第 3 章 仿生机器人运动系统的设计 .12 3.1 腿部的运动分析和设计.12 3.2 传动部分结构设计.12 3.3 步态规划及分析.13 3.3.1 关于步态的参数描述 .13 3.3.2 三角步态运动原理.14 第 4 章 控制系统的设计 .16 4.1 控制的硬件系统设计.16

8、4.2 慧鱼 ROBO 接口板介绍.16 4.2.1 外形尺寸和重量.16 4.2.2 电源 9V 直流，1000M.16 4.2.3 处理器和存储器.16 4.2.4 输出 M1-M4 或者 O1-O8 .16 4.2.5 数字量输入 I1-I8 .17 4.2.6 模拟阻抗输入 AX 和 AY .17 4.2.7 模拟电压输入 A1 和 A2 .17 4.2.8 距离传感器输入 D1 和 D2 .17 4.2.9 红外线（IR）输入.17 4.2.10 USB 接口和串口 .17 4.2.11 接口的选择.18 4.2.12 端口的固定设置.18 4.2.13 红外测试功能.18 4.2.

9、14 26 针插槽 .18 4.2.15 I/O 扩展板用插槽 .19 4.2.16 无线射频通信模块用插槽.19 4.2.17 对接口板的程序控制 .19 4.3 ROBO 接口板与机器人的连接 .22 4.4 软件系统.22 4.4.1 软件介绍 .22 4.4.2 运动规划 .22 4.4.3 程序设计 .23 第 5 章 运动仿真 .26 5.1 计算机仿真技术.26 5.1.1 基于 proe 的机器人运动仿真 .26 5.1.2 实物仿真 .28 第 6 章 总结与展望 .30 致 谢 .31 参考文献 .32 摘 要 随着仿生学与机器人技术的飞速发展，仿生机器人已日益成为机器人领

10、域的研究 热点。本论文结合理论与实践，对仿生机器人的结构与控制系统进行了研究。 本论文主要研究内容包括仿生机器人的总体方案设计、驱动系统与运动系统的设 计、运动控制系统的软硬件设计。总体方案设计主要讨论了仿生机器人的机械本体结 构，机器人足的结构设计。驱动系统和运动系统主要分析了腿部的运动,机器人的运 动规划和驱动系统结构。运动系统硬件设计是采用的慧鱼 ROBO 接口板。软件设计是 结合慧鱼公司开发的编程软件（robot pro）进行编程。运用 PROE 对机器人进行运动 仿真，并通过试验实现了设计要求。 关键词关键词：仿生机器人，结构，控制，编程，运动仿真 ABSTRACT With the

11、 fast development of the bionics and robot technology, bionic robot becomes a popular topic in the area of robot research. By combining theory and practice, the control system and structure of the bionic mobile robot were studied in this paper . This paper main studies bionic hexapodrobots overall p

12、rogram design, the drive system and the movement system design, and the hardware and software design of the motion control system. Overall design of the bionic robot mainly describes mechanical body structure of the robot and the structure design of the robots foot, The legs campaign, robots motion

13、planning and the structure of driving system were analyzed in the drive system and motion system . The fisher technik computing robo interface was used as the hardware of the movement system . Software design combines programming software （robot pro）of the Emily fish to program. Then the model is in

14、troduced to PROE software for dynamic simulation, then realize the requirement of the design through the experimentation. Keywords: Bionic hexapodrobot，Structure，Control，Programming, Dynamic simulation 第 1 章 绪 论 1.11.1 仿生机器人概述仿生机器人概述 仿生学是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理 的科学。 仿生学一词是 1960 年由美国斯蒂尔根据拉丁文“

15、bios”(生命方式的意思)和字 尾“nlc”(“具有的性质”的意思)构成的。 仿生学（bionics）在具有生命之意的希腊语 bion 上，加上有工程技术涵义的 ics 而组成的词。大约从 1960 年才开始使用。生物具有的功能迄今比任何人工制造的 机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。例 如关于信息接受（感觉功能） 、信息传递（神经功能） 、自动控制系统等，这种生物体 的结构与功能在机械设计方面给了很大启发。可举出的仿生学例子，如将海豚的体形 或皮肤结构（游泳时能使身体表面不产生紊流）应用到潜艇设计原理上。仿生学也被 认为是与控制论有密切关系的一门学科，而

16、控制论主要是将生命现象和机械原理加以 比较，进行研究和解释的一门学科。 苍蝇，是细菌的传播者，谁都讨厌它。可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然 导航仪” ，人们模仿它制成了“振动陀螺仪” 。这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞 机上，实现了自动驾驶。苍蝇的眼睛是一种“复眼” ，由 30O0 多只小眼组成，人们模 仿它制成了“蝇眼透镜” 。 “蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成 的，用它作镜头可以制成“蝇眼照相机” ，一次就能照出千百张相同的相片。这种照 相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路，大大提高了工效和质量。 “蝇眼透镜”是一种新型光学元件，它的用途很多。 自然

17、界形形色色的生物，都有着怎样的奇异本领？它们的种种本领，给了人类哪 些启发？模仿这些本领，人类又可以造出什么样的机器？这里要介绍的一门新兴科学 仿生学。 仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在本世纪中期才出现的一门新的 边缘科学。仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技 术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。从仿生学的诞生、发展， 到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。仿生学的问世开辟了独特 的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示 了极强的生命力。 仿生学是 20 世纪 60 年代出现的一门综合性边缘

18、科学它由生命科学与工程技术 学科相互渗透、相互结合而成，通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、 工作原理及控制机制，来改进现有的或创造性的机械、仪器、建筑和工艺过程。仿生 学将有关生物学原理应用到对工程系统的研究与设计中，尤其对当今日益发展的机器 人科学起到了巨大的推动作用口当代机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业 中走出来向航空航天、星际探索、军事侦察与攻击、水下地下管道探测与维修、疾病 检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展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工作。人们要求机器人不仅要适应原来结构化的、 已知的环境，更要适应未来发展中的非结构化

19、的、未知的环境。除了传统的设计方法， 人们也把目光对准了生物界，力求从丰富多彩的动植物身上获得灵感，将它们的运动 机理和行为方式运用到对机器人运动机理和控制的研究中，这就是仿生学在机器人科 学中的应用。这一应用已经成为军用机器人研究领域的热点和未来发展方向之一。 最新发展：仿生学与遗传学的整合是系统生物工程（systems bio- engineering）的理念，也就是发展遗传工程的仿生学。人工基因重组、转基因技术 是自然重组、基因转移的模仿，还天然药物分子、生物高分子的人工合成是分子水平 的仿生，人工神经元、神经网络、细胞自动机是细胞系统水平的仿生，跟随单基因遗 传学、单基因转移发展到多基

20、因系统调控研究的系统遗传学（system genetics） 、多 基因转基因的合成生物学（synthetic biology） ，以及纳米生物技术（nano- biotechnology） 、生物计算（bio - computation、DNA 计算机技术的系统生物工程发 展，仿生学已经全面发展到一个从分子、细胞到器官的人工生物系统（artificial biosystem）开发的时代。 1.21.2 仿生型多足步行机器人技术综述仿生型多足步行机器人技术综述 1.2.1 国外仿生机器人研究现状 由于仿生机器人所具有的灵巧动作对于人类的生产和科研活动有着极大的帮助， 所以，自 80 年代中期以

21、来，机器人科学家们就开始了有关仿生机器人的研究 。 （1）LAURON 系列六足机器人 德国的卡尔斯鲁厄大学的 KarstenBetas 教授所领导的研究小组对多足仿生机器 人进行了多年的研究。比较有代表性的研 究成果是他们研制的 LAURON 系列六足机 器人（如图 1.1 所示）该机器人由躯体、 头部和六条相同的足构成。躯体装载有微 控制器、处理单元、电源和摄像头所有部 件都装在本体上，因此可以满足自主性的 要求。它总重 16kg，长宽均为 70cm，最 大承载 15kg 最大行进速度为 05ms。 它装有多种传感器，包括轴编码器、力阻 传感器、倾角传感器、红外测距传感器以及用作视觉传感器

22、所的摄像头。通过对多种 传感器反馈信号的处理，LAURONII 可以实现不平地面上的自主运动。 （2）Hamlet 仿昆虫六足步行机器人 新西兰的坎特伯雷大学 (University of Canterbury)在 2000 年底研制成功了一种微型伺服电机驱 动的六足步行机器人。它是以竹节虫 为生物模拟对象的具有全方位步态的 步行机器人(如图 12 所示)。该机器 人共有六条三关节的步行足，单个关 节由一台功率为 IOW 的 Maxon 电机驱 动通过齿轮箱减速输出 45Nm 的扭矩。 每条步行足端部装有一个框架应变结 构的三维力传感器并使用碳纤维包覆的保护稍对接触地面的足端进行保护。该机器人

23、 采用二级分布式控制框架，硬件部分采用了集成了 2 个 MS320C44 芯片的集成控制板 卡对关节驱动信号和力、姿态传感器信号进行处理运算。该机器人尺寸为 650mmX500mmX400mm，重 12.7kgt 能 以 02ms 的平均速度在复杂地形 中自主行走运动并具有越障能力。 (3)Lobstei 机器龙虾 在美国的国防高级研究项目代理 图 1.1 LAURON 图 1.2 Hamlet 机器人 图 1.3 Lobstei 机器龙虾 部(Defense Advanced Research Projects Agency DARPA)资助下，美国海军与马萨 产品公司和波士顿的东北大学联合

24、研究的仿龙虾八足步行机器人（如图 1.3 所示）可 以在海底进行水雷搜索和引爆的作业。它包括 48 英寸的壳体，壳体由 8 条 3 自由 度腿驱动，能够浮游与爬行，头部装有 2 个钳子，起到液动控制舵的作用，尾部伸出 8 英寸长的水流动力控制平面来保持稳定。机器龙虾的关节动作采用肌肉型驱动器(用 形状记忆合金镍钦诺做成的力可恢复型人造肌肉)控制。该控制器采用了一套决定机 器龙虾行为的行为库，行为库是基于围绕决定机器龙虾行动的一组状态变量而组织的 命令。同时它也能承载用于销毁水雷的传感器和少量炸药。 (4) Hexplorer 2000 六足步行机器人 加拿大 Waterlo 大学研究开发的 H

25、explorer 2000 步行机器人如图 1.4 所示，在一个圆形机体上均布有 6 条腿。 每条腿有 3 个关节，每个关节由一个独 立的电机控制。控制系统采用 TI 公司 的 C2000 系列 DSP，整个系统共采用 7 片 DSP 芯片分层控制，其中每片控制一 条腿 3 个关节，另外一片作为中心控制 器，向另外 6 片发送和接收指令。每条 腿是一个独立的子系统，依靠从中心控 制器传来的位置信号来进行步态规划。 通信和事件管理采用 CAN 总线接口模式。 1.2.2 国内仿生机器人的研究现状 国内在相关领域的研究起步较晚，国内对多足步行世纪八十年代末九十年代初起 步。北京航空航天大学于上个世

26、纪九十年代初研制过一台仿牲畜的四足步行机器人， 它采用液压驱动，每足有二个自由度，总重约二吨。 中国科学院沈阳自动化研究所也开展了这个领域的研究工作，它与长春光机 所于 1989 年 3 月共同研制了海蟹号六足步行机器人。它采用的是极坐标的具有 25 个 自由度的六足机构，潜深 300 米，重 1.5 吨。 清华大学在 1990 年研制出了一台 QWII 型全方位四足步行机器人，各足沿圆周 图 1.4 Hexplorer 2000 均匀分布，每条腿三个自由度，由电机驱动，大小腿垂直布置。在此样机基础上做了 直走，横走各种步态和转弯等各种实验研究 。 上海交通大学的马培荪等人研制了一种形状记忆合

27、金丝驱动的微小型六足机器人， 它的行走机构重 14.18g，平均行走速度为 1 mm/s，采用 4.5 V 电源，控制系统简单、 小巧、轻便。上海交通大学还研制出了一种仿哺乳动物的关节式四足步行机器人 “JTLJWM-III，它能以对角线步态行走，在足底加了 PVDF 测力传感器，在上位机中 利用模糊神经网络系统对力反馈信息进行处理，调整步行参数，提高了步行的稳定性。 目前有北航、上海交大、北科大、国防科大、东南大学、沈阳自动化所和哈工大等科 研院所正在从事仿生机器人的研究。 北航机器人 所在国家 “863”智能机 器人主题支持下， 研制出了能实现 简单抓取和操作 作业的多指灵巧 手(如图 1

28、.5 所 示)。BH-4 型灵 巧手采用精密齿 轮传动结构，具有 4 手指，16 关节，每关节为一直流电机驱动，并实现了将电机安装 于手指中。控制系统采用多层多目标递阶控制系统。其中，由 PC 机完成物体的理想 轨迹跟踪层、手指协调层工作，由四个控制器完成四个手指关节位置控制。手指内各 关节控制器在物理上位于同一控制器内，以便必要时相互交换信息提高控制精度，减 小藕合造成的控制误差。同时北航机器人所的一个研究小组正在进行微小型鱼类仿生 机器人(潜水器)技术的研究，研制了仿生“机器鱼”实验模型，并开展“多机器鱼协 调控制”技术研究。哈工大机器人研究所研制了高灵活性的仿人手臂及拟人双足步行 机器人

29、。其仿人手臂具有工作空间大、关节无奇异姿态、结构紧凑等特点。通过软件 可实现避障、回避关节极限和优化动力学性能等。 图 1.5 北航 BH-4 灵巧手 1.31.3 多足机器人的关键技术多足机器人的关键技术 现代仿生学与机器人技术相结合的研究和应用己经得到了各国相关研究人员和专 家的极大关注，取得了大量可喜成果和积极进展，主要集中在以下几个方面开展广泛 和深入的研究。 1.3.1 协调控制问题 机器人的自由度越多，机构越复杂，必将导致控制系统的复杂化。复杂大系统的 实现不能全靠子系统的堆积，要做到“整体大于组分之和” ，同时要研究高效优化的 控制算法才能使系统具有实时处理能力。 1.3.21.

30、3.2 信息融合问题 在仿生机器人的设计开发中，为实现对不同物体和未知环境的感知，都装备有一 定量的传感器，多传感器的信息融合技术把分布在不同位置的多个同类或不同类的传 感器所提供的局部境的不完整信息加以综合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余 和矛盾，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性。 1.3.31.3.3 机构设计问题 合理的机构设计是仿生机器人实现的基础。生物的形态经过千百万年的进化，其 结构特征极具合理性，而要用机械来完全仿制生物体几乎是不可能的，只有在充分研 究生物肌体结构和运动特性的基础上提取其精髓进行简化，才能开发全方位关节机构 和简单关节组成高灵活性的机器人机构。

31、1.3.41.3.4 微传感和微驱动问题 微型仿生机器人作为仿生机器人中特殊的种类，绝不是传统常规机器人的按比例 缩小，它的开发涉及到电磁、机械、热、光、化学、生物等多学科。对于微型仿生机 器人的制造，需要解决一些工程上的问题。如动力源、驱动方式、传感器集成控制以 及同外界的通讯等，实现微传感和微驱动的一个关键技术是机电光一体结合的微加工 技术。同时，在设计时必须考虑到尺寸效应、新材料、新工艺等问题。 1.3.51.3.5 能源问题 要使机器人在相对较广的范围内完成较长时间的复杂工作，能源问题是不得不考 虑的。目前，广泛作为无缆机器人能源的电池还不能满足机器人长时间，大范围的工 作要求。可以说

32、新能源的开发研究，对机器人研究有着重要的意义。 第 2 章 仿生机器人总体设计方案的确定 2.12.1 概述概述机构模型机构模型 六足仿生机器是一个复杂的机器人系统，包括机械传动和电气控制两大部分，其 中机械系统必须具有运动灵活、传动精密的机械本体，结构合理、高效运作的控制框 架，以及运算高速、工作可靠的硬件平台。本章将从上述这几个方面对六足生机器人 的总体设计方案进行介绍。 2.22.2本体结构设计本体结构设计 六足仿生机器人是一种基于仿生设计理念的多足步行机器人，在设计时遵循了 “行为仿生，突出功能”的原则，其模型样机的机械本体是以六足甲虫为生物原型建 造的。为便于研究机械部件采用积木搭建

33、方式。 2.2.12.2.1 六面连接体设计六面连接体设计 为了使六面连接体连接稳定可 靠采用了如下连接方式： 1 主要连接方式:燕尾槽连接， 如图 2.1。 为防止滑脱配合方式采用过盈 配合 2 材料选择 我选择工程塑料中的聚酰胺， 原因如下： 聚酰胺能承受一定外力作用， 具有良好的机械性能和耐高、低温 性能，尺寸稳定性较好，而且价格 便宜又是通用塑料的一种容易购得。 3 零件示意图 如图 2.2 所示六面连接体基本件均用 PRO/E 设计软件设计能够满足本次仿生机器 图 2.1 燕尾槽示意图 人机构及性能要求。 2.2.2 步行足的结构模型 机器人的步行足模型可以简化为类似 3 关节串联操

34、作臂的 RRRS 型结构，从足根 图 2.2 六面连接体零件示意图 部与躯体连接处起计，包括 3 个转动关节，和位 于足尖的由三个正交转动关节坐标系组成的一个 球关节，如图 2.3 所示。整个足由基节、股节和 胫节三部分构成，其中基节与躯体之间，基节与 股节之间以及股节与胫节之间均为转动副连接， 在实际的仿生甲虫机器人样机的机械本体中，步 行足各段长度分别为: 基节:L1=50mm 股节:L2=100mm; 胫节:L3=57mm 2.2.3 仿生六足虫机器人的整体结构 仿生六足虫机器人的整体结 构由一个长方形的躯体和六条结 构完全相同的步行足构成，六条 步行足对称的平均分布于躯体的 两侧，如图

35、 2.4 所示。 仿生机器人的机械本体以六 面连接体搭建，并在躯体上预设 安装空间及安装孔，便于控制电 路、传感器、电源模块等设备的 安装。同时考虑到外形封装的需 要，兼顾了仿生六足甲虫外形的特点，整体上采用长方体结构。整个机械本体的结构 如图 2.3 所示，具体设计参数如下: 总体高度:H=150mm 纵向长度:L=190mm 横向宽度:B=270mm(含步行足) 步行足长度:Lg =LI+LZ+L3=50+100+57=207mm; 躯体离地高度:Hg=48mm 图 2.4 仿生六足虫机器人整体结构模 型 图 2.3 仿生六足机器人腿部示意图 2.2.4 骨架的搭建 使用六面连接体零件搭建

36、如图 2.5 所示机器人骨架。 第 3 章 仿生机器人运动系统的设计 3.13.1 腿部的运动分析和设计腿部的运动分析和设计 本机器人的腿部机构示意简图如图 3.1 所示为曲柄摇杆机构，连杆 BC 与 EF 为一 个构件，在曲柄 AB 的作用下，腿的部分 EF 可以前后摆动.通过调整单个构件和脚底 部件的距离，使曲柄旋转时，机器人的脚以椭圆的形状摆动，这就相当于行走时走了 一步。 本机器人有步进电机驱动，电机轴上套接直齿轮，通过齿轮联接动蜗杆轴的转动。 其中电机轴是输出轴，蜗杆轴是输出轴。蜗杆转动带动其一侧的三个蜗轮转动，继而 带动腿部运动来控制机器人的移动。电机逆向转动使机器人前进，反向转动

37、使机器人 后退。 由于同一边的腿关节由曲轴与蜗轮联接，故可以通过调节曲轴角度来控制各腿相 位的异同以及相位差，故可以达成不同的步态。安装六个曲柄带动六只脚，要严格保 持一致，同时触地的三只脚，要使用同样的曲柄安装。此时，离地的三只脚的曲柄作 180 度旋转。曲柄的正确安装关系到机器人以正确的步调行走。 3.23.2 传动部分结构设计传动部分结构设计 结合腿的结构和运动设计，考虑用两个电机带动腿部运动。该机器人左右两侧分 别装有一个电机.通过将电机的旋转运动转化为六条腿(曲柄摇杆机构)的协调动作， 即“三脚行走步态”.所设计的传动系统结构如图 3.2 所示，动力来源于电机 M1,M2， 连接到固

38、定的减速比为 50 ： 1 的法兰齿轮组，动力经过齿轮传动传至六个蜗杆，带 动六个蜗轮(曲柄)协调运动，传到腿部，使六条腿协调运动。 图 3.1 腿部机构示意简图以及结构图 3.33.3步态规划及分析步态规划及分析 该机器人的行走方式为“三脚行走 步态”如图 3.3 所示 3.3.1 关于步态的参数描述 通俗的说，步态是行走系统抬腿和放腿的顺序。步行机器人的腿可以看作两状态 器件。腿的悬空相(Transfer phase)指腿抬离地而的阶段，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

39、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。有荷因数(duty factor)指腿 i 支撑在地而上的时间占整个运动周期的比例: 则步态称为规则步态(regular gait) o 腿 i 的相对相位，指第 i 足的触地时刻相 对于第一足的延时在一个运动周中的比例： （1） 图 3.2 传动示意图 图 3.3 三角步态示意图 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) ,指横向运动步行机机体同一端上相邻

40、腿运动卞平而之间的 距离。行程N 距(stroke pitch)，指纵向运动步行机机体同一端上相邻腿行程中点的 间距。 行程间距，指横向运动步行机前后足对行程中点的间距。 推程时间，指腿在支撑相的持续时间;回程时间，指腿在悬空相的持续时间，平 均速度，山此可以算出行程，步距和有荷因数之间的关系式是。静态稳定六 足步行机器人，由于要求 =1/2 时 所以 ，即平均速度上限取决于行走系 统采用波形步态时，机体一侧上各腿的迈步动作形成一种由后向前的波形式。自然界 六足昆虫在所有速度范围内都采用波形步态，八足动物也常采用波形步态。 3.3.23.3.2 三角步态运动原理三角步态运动原理 三角步态(或交

41、替三角步态)，是 =1/2 时的波形步态运动时六条腿成两组三角 形交替支迈步前进。 “六足纲”昆虫(蟑螂、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

42、 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，而是旱“之”字形的曲线前进。 机器人采用三角步态的运动示意如图 2 所示。机器人开始运动时左侧的 2 号腿和 右侧的 4 ,6 号腿抬起准备向前摆动，另外三条腿 1 ,3 ,5 处于支撑状态（见图 3.4a） ， 支撑机器人本体确保机器人的原有重心位置处于三条支腿所构成的三角形内，使机器 人处于稳定状态不至于摔倒,摆动腿 2 ,4 ,6 向前跨步(见图 3.4b)，支撑腿 1 ,3 ,5 一面支撑机器人本体，一面在小型直流驱动电机和皮带传动机构的作用下驱动机器人 本体，使机器

43、人机体向前运动一个半步长 s(见图 3.4c)。在机器人机体移动到位时， 摆动腿 2 ,4 ,6 立即放下，呈支撑态，使机器人的重心位置处于 2,4,6 三条支撑腿所 构成的三角形稳定区内，原来的支撑腿 1 ,3 ,5 已抬起并准备向前跨步（见图 3.4d） ,摆 动腿 1 ,3 ,5 向前跨步(见图 3.4e)，支撑腿 2,4,6 此时一面支撑机器人本体，一面 驱动机器人本体，使机器人机体向前运动一个步长 S(见图 3.4f)，如此不断从步态(a) (b)(c)(d)(e)(f)(a)，循环往复，周而复始实现机器人不断向前运动。 图 3.4 三角步态示意图 第 4 章 控制系统的设计 4.1

44、4.1 控制的硬件系统设计控制的硬件系统设计 控制系统硬件采用慧鱼 ROBO 接口板。ROBO 接口板可以使电脑和模型之间进行有 效通信。它可以传输来自软件的指令，比如激活马达或者处理来自各种传感器的信号。 4.24.2 慧鱼慧鱼 ROBOROBO 接口板介绍接口板介绍 4.2.1 外形尺寸和重量 L*W*H 150*90*34 重约 170 克 4.2.24.2.2 电源电源 9V9V 直流，直流，1000M1000M 有两种供电方案可选，或者用慧鱼 9V 直流变压器（货号 37109）连到 DC 插座， 或者用可充电电源（货号 34969）连到+/-插座。 当采用前一种方案时，连接充电电池

45、的插座（3）就自动断开。电源连通之后， 电源指示 LED 自动点亮而且两个绿色的 LED（6）和（7）交替闪烁。表明接口板可以 正常工作。 接口板的空载的电流消耗为 50 毫安。 4.2.34.2.3 处理器和存储器 16 位处理器，型号 M30245，时钟频率 16MHz，128K RAM，128K flash 4.2.44.2.4 输出输出 M1-M4M1-M4 或者或者 O1-O8O1-O8 可连接四个 9V 直流马达（向前，向后，停止，八级调速） ，连续运行电流 250 毫 安，带短路保护。另外，也可以连接 8 个灯或者电磁线圈到单个的输出 O1-O8。 （用 电器的另一个端子可连接到

46、接地端） 4.2.54.2.5 数字量输入 I1-I8I1-I8 可连接传感器，比如按钮、光电传感器和磁性传感器。电压范围 9 伏，ON/OFF 的 切换电压值为 2.6 伏，输入阻抗为 10K 欧。 4.2.64.2.6 模拟阻抗输入 AXAX 和和 AYAY 可连接电位器、光电和热敏电阻。测量范围为 05.5k。分辨率为 10 位 4.2.74.2.7 模拟电压输入 A1A1 和和 A2A2 可连接输出为 010 伏电压的模拟传感器。 4.2.84.2.8 距离传感器输入 D1D1 和和 D2D2 专门用来连接慧鱼的两个距离传感器。 4.2.94.2.9 红外线（IRIR）输入）输入 利用

47、红外线接收二极管，手持式红外线发射装置（货号 30344）上各个键可以用 做数字式输入。用键来激活的某项功能，则可以用 ROBOPro 软件来编程。 4.2.104.2.10 USBUSB 接口和串口接口和串口 接口板可通过串口和 USB 接口和电脑相连接。每块接口板都配备了相应的连接电 缆。 它兼容了 USB1.1 和 2.0 的规范，其数据传输率为 12MB/S 4.2.114.2.11 接口的选择 接口的选择可通过编程软件来实现。接口板自动访问正在接收数据的接口，然后 分配到的端口对应的 LED 点。USB 对应于，串口对应于。如果未收到任一接口的数据， 则这两个灯交替闪烁。 4.2.1

48、24.2.12 端口的固定设置 通过按动按钮（5） ，可以选择确定的端口。所选端口响相应的 LED 则会点亮。如 果所选的端口数据流溢出，则相应的 LED 会闪烁。这时候，可以通过多次按动按钮 （5） ，使得串口和 USB 的 LED 交替闪烁，回到自动选择端口的状态。 4.2.134.2.13 红外测试功能 如果你多次按动按钮（5）使得 IR LED 点亮，那么你可以通过手持式红外线发射 装置（货号 30344）来控制接口板的输出，而不需要直接将接口板连到电脑上。如果 这个功能被激活，那么 USB 和串口会被关闭。你还可以再多次按动按钮（5） ，使得 USB 和串口的 LED 交替闪烁来回到

49、自动选择端口状态。 手持式红外线发射装置上键的分配： 接口板的马达输出 M1-M3 可以用发射装置上相应的键来启动和停止。马达的速度 也可以在快速和慢速间切换。 马达 4 的输出可以用 1） ） ）和 2） ） ）两个键来激活，但是这两个键通常用来切换 接收器 1 和接收器 2。M4 的速度没法用手持式红外线发射装置来改变。 4.2.144.2.14 2626 针插槽针插槽 这个插座提供了所有输入和输出的引脚，因此你也可以通过一个带状电缆和一个 26 针插头来将模型和接口板相连。 引脚功能分配引脚功能分配 1 传感器电源 9V 正极 11I1 212I2 模拟传感器的接地线 (不可作为输出 O

50、1-O8 的负极) 13I3 3AX14I4 4AY15I5 5A116I6 6A217I7 7 距离传感器 D1 18I8 8 距离传感器 D2 19O1 9 快速表输入 20O2 10 接地线,输出 O1-O8 的负极 21O3 22O4 23O5 24O6 25O7 26O8 表 1 26 针插槽引脚功能表 4.2.154.2.15 I/OI/O 扩展板用插槽 使用 ROBO I/O 扩展板(货号 93294)，输入和输出的数量都可以得到扩展。 扩展板上可以有额外的四路带速度控制的马达输出，八路数字量输入和一个 0 5.5k 欧的模拟阻抗输入。 4.2.164.2.16 无线射频通信模块

51、用插槽 无线射频通信模块是一个可选的无线接口模块（货号 93295） 。有了它，电脑和接 口板之间的电缆连接不再是必须的。射频数据链接可以与电脑的 USB 端口通讯，频率 为避免 2.4G 赫，范围为 10 米。 4.2.174.2.17 对接口板的程序控制 对 ROBO 接口板的标准编程软件是图形化的编程语言 ROBO PRO。接口板有如下几 种工作模式： 在线模式： 接口板始终和电脑相连（通过 USB，串口或者无线射频通信模块） 。程序在电脑上 运行，显示器作为用户界面。 “智能接口板模式” 按下按钮（5）并保持至少三秒钟，接口板就切换到了“智能接口板报模式” 。你 可以通过串口 LED 的快速闪动来确定这种操作模式。在这种模式下，只有参数为 9600，n,8,1 的串口是可用的。ROBO 接口板就作为智能接口板来用了。这样，它就可 以用 LLWIN 软件在在线模式下控制拉。但是无法下载 LL