仿生六足機器人-結(jié)題報告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上編號：13哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院基于項目學習的機械創(chuàng)新設計大賽結(jié)題報告書項目名稱： 仿生六足機器人 項目負責人： 閆振 學號： 聯(lián)系電話： 電子郵箱： 院系及專業(yè)： 機電工程學院飛行器制造工程 指導教師： 李立青 職稱： 高級工程師 聯(lián)系電話： 電子郵箱： 院系及專業(yè)： 機電工程學院 航空宇航制造工程系 哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院制表填表日期：2014 年7月 20日項目名稱： 仿生六足機器人 一、課題組成員：（包括項目負責人、按順序）姓名性別專業(yè)方向班級學號本人簽字閆振男飛行器制造工程王志強男飛行器制造工程晏理邦男飛行器制造工程趙京昊男飛行器制造工程穆思宇男飛行

2、器制造工程二、指導教師意見： 簽 名： 年 月 日三、院評審委員會意見： 評審主任簽名（或蓋章 ）： 年 月 日四、研究背景1.研究現(xiàn)狀4.1國外研究現(xiàn)狀 隨著電子技術發(fā)展，計算機性能的提高，使多足步行機器人技術進入了基于計算機控制的發(fā)展階段。其中有代表性的研究為1993年,美國卡內(nèi)基-梅隆大學開發(fā)出有纜的八足步行機器人DANTE，圖1所示,用于對南極的埃里伯斯火山進行了考察，其結(jié)構(gòu)由2個獨立的框架構(gòu)成。這一階段研究的重點在于機器人的運動機構(gòu)的設計、機器人的步態(tài)生成與規(guī)劃及傳統(tǒng)的控制方法在機器人行走運動控制過程的應用。1983年，Odetics公司推出的六足機器人Odex1，圖2所示，把六條腿

3、均勻分布在一個圓形框架上，可方便的實現(xiàn)全方位運動，而且能夠通過對形體的重構(gòu)改變機器人的形狀，是對傳統(tǒng)的長方形框架六足步行機的挑戰(zhàn)。麻省理工的Raibert利用相對自由度數(shù)較少的簡單腿部機構(gòu)建造了一些機器人，利用簡單的控制，這些機器人能夠?qū)崿F(xiàn)走、跑、跳等動作，實現(xiàn)主動平衡，如圖3所示。1993年,美國卡內(nèi)基-梅隆大學開發(fā)出有纜的八足步行機器人DANTE，圖4所示,用于對南極的埃里伯斯火山進行了考察，其結(jié)構(gòu)由2個獨立的框架構(gòu)成。這一階段研究的重點在于機器人的運動機構(gòu)的設計、機器人的步態(tài)生成與規(guī)劃及傳統(tǒng)的控制方法在機器人行走運動控制過程的應用。Boston Dynamics公司的Big Dog四足機

4、器人用于為軍隊運輸裝備，其高3英尺，重165磅，可以以3.3英里的速度行進，其采用汽油動力。圖1 Adaptive Suspension Vehicle 圖2 Odex1步行機器人圖3 MIT腿部實驗室的四足和雙足機器人 圖4 DANTE步行機器人 由于新的材料的發(fā)現(xiàn)、智能控制技術的發(fā)展、對步行機器人運動學、動力學高效建模方法的提出以及生物學知識的增長促使了步行機器人向模仿生物的方向發(fā)展。4.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀我國步行機器人的研究開始較晚，真正開始是在上世紀80年代初。1980年，中國科學院長春光學精密機械研究所采用平行四邊形和凸輪機構(gòu)研制出一臺八足螃蟹式步行機,主要用于海底探測作業(yè),并做了越障、

5、爬坡和通過沼澤地的試驗。1989年，北京航空航。天大學孫漢旭博士進行了四足步行機的研究，試制成功一臺四足步行機，并進行了步行實驗；錢晉武博士對地、壁兩用六足步行機器人進行了步態(tài)和運動學方面的研究。1991年，上海交通大學馬培蓀等研制出JTUWM系列四足步行機器人，該機器人采用計算機模擬電路兩級分布式控制系統(tǒng),JTUWM-III以對角步態(tài)行走,腳底裝有PVDF測力傳感器，如圖5，同時對多足步行機器人的運動規(guī)劃與控制，以及機器人的腿、臂功能融合和模塊化實現(xiàn)的控制體系及其設計進行了研究。圖5 JTUWM四足步行機器人2.研究趨勢 根據(jù)美國陸軍1967年調(diào)查 ,地球上近一半的地面不能為傳統(tǒng)的輪式車輛或

6、履帶車輛到達1,而多足式動物卻可以在這些地面上行走自如.從中得到啟示:輪式車輛在平地運輸中有不可替代的作用 ,履帶車輛被廣泛應用于沙地和泥濘 ,然而人們沒能找 到合適的方法用于山地和多障礙地面足式步進車輛就解決了這些問題 ,能跨越溝、坎等障礙，并且步進車輛足部落腳點的離散性和面積小的特點使其對坑洼山地的機動性和適應性更強,機器人能夠在足 尖點可達范圍內(nèi)靈活調(diào)整行走姿態(tài)并選擇合理的支撐點,使得機器人具有更高的避障和越障能力2，同時其運行足部也較輪式車輛和履帶車輛更加輕 便.以往各國學者對四足、六足八足步進機的研究 中取得了豐碩的成果 ,但這些步進車大多局限于采 用矩形框架分布六足 ,而使其自由度

7、分布因足部干 涉而受到限制 ,這不能不說是一種遺憾。足式運輸?shù)膬?yōu)越性使其成為機器人學研究的一個引人注目的熱 點.它在航空航天(登月,火星探測)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(西部大開發(fā)、 物流自動化機械設備的探測和檢修) ,軍事國防等領域有廣泛的應用前景。3.研究意義足式機器人相比其它機器人具有更多的優(yōu)點：它可以較易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等），并且機器人足所具有的大量的自由度可以使機器人的運動更加靈活，對凹凸不平的地形的適應能力更強；足式機器人的立足點是離散的，跟地面的接觸面積較小，因而可以在可達到的地面上選擇最優(yōu)支撐點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。也可以作為仿生

8、玩具及探險、搜救設備，還可以進入細小管道、地洞中勘察它可以較易的跨過比較大的障礙。能夠代替人類完成單調(diào)重復的工作，有著更強的適應能力，在高氣溫、瘴氣等惡劣環(huán)境下仍然能精準無誤的完成任務。5、 課題研究內(nèi)容與方法 承載裝置：底盤安裝單片機支撐舵機整體機身； 運動控制裝置：18個舵機控制機器人的左右及上下運動； 運動裝置：六個機械足運動的支持； 整體控制裝置：單片機程序控制機器人的運動； 動力裝置：7.2伏鋰電池為機器人提供能量。 軀干部分選用亞克力板，易于加工可設計拼接結(jié)構(gòu)，但不耐沖擊。 主要驅(qū)動方式選用驅(qū)動器采用微型直流角位移伺服電動機，也就是我們常說的舵機。 電源線和地線用于提供舵機內(nèi)部的直

9、流電機和控制線路所需的能源電壓通常介于46V，一般取5V。給舵機供電電源應能提供足夠的功率。控制線的輸入是一個寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號。當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比?？刂品矫?，采用 Arduino的開發(fā)來實現(xiàn)對機器人在向前行進的過程中對18個舵機的調(diào)節(jié)和控制，使機器人能完成前進、后退、左右轉(zhuǎn)彎等動作。軟件開發(fā)中首先將前進、后退、左右轉(zhuǎn)彎等動作分解，具體到完成一個動作各個舵機所要完成的動作和時序。采用模塊化的設計思想，將對所有舵機的調(diào)度做成一個獨立的模塊，所有的動作都是通過調(diào)用底層舵機控制的模塊來完成。多個舵機的控制是采用多舵機分時控制的思想

10、來實現(xiàn)的。同時，通過開發(fā)Arduino，能更快的實現(xiàn)的項目開發(fā)，節(jié)約了學習的成本，縮短了開發(fā)的周期。 爬行機器人的腿部結(jié)構(gòu)是機器人運動活動最多的部位，多足爬行機器人的腿有多種形式。常見的有縮放式、伸縮式及關節(jié)式等，不同的腿部結(jié)構(gòu)形式又具有不同的特點。該機器人采用三角步態(tài)來實現(xiàn)爬行。如下圖機器人開始運動時，六條腿先同時著地，然后2、4、6三條腿抬起進行向前擺動的姿態(tài)準備，另外三條腿1、3、5處于支撐狀態(tài)，支撐起機器人本體以確保機器人的重心位置始終處于三條支腿所構(gòu)成的三角形內(nèi)，使機器人處于穩(wěn)定狀態(tài)而不至于摔倒，擺動腿2、4、6抬起向前跨步(如圖2.1(b)所示)，支撐腿1、3、5一面支撐機器人本體

11、，一面在動力的作用下驅(qū)動機器人機體向前運動半步長s(如圖2.1(c)所示)。在機器人機體移動結(jié)束后，擺動腿2、4、6立即放下，呈支撐態(tài)，使機器人的重心位置處于2、4、6三腿支撐所構(gòu)成的三角形穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，同時原來的支撐腿1、3、5經(jīng)短暫停留后抬起并準備向前跨步(如圖2.1(d)所示)，當擺動腿1、3、5向前跨步時(如圖2.1(e)所示)，支撐腿2、4、6此時一面支撐機器人，一面驅(qū)動機器人本體，使機器人機體向前行進半步長s(如圖2-1(f)所示)，如此不斷循環(huán)往復，以實現(xiàn)機器人的向前運動，由于設計速度并不是非常精確，所以其行進軌跡并不是一條筆直的直線。 6、 研究結(jié)果1.根據(jù)立項要求，設計并制作出六

12、足機器人實物樣本。2.經(jīng)過對實物樣本進行調(diào)試，最終能夠?qū)崿F(xiàn)直線行走、轉(zhuǎn)彎、后退等基本動作。機器人相關參數(shù)如下：        重量：400g    尺寸：260*150*80mm 平均功率：1A*6V=6W 六足仿生機器人實物如圖：7、 創(chuàng)新點1. Arduino 的理念就是開源，軟硬件完全開放，技術上不做任何保留。針對周邊I/O設備的Arduino 編程，很多常用的I/O 設備都已經(jīng)帶有庫文件或者樣例程序，在此基礎上進行簡單的修改，即可編寫出比較復雜的程

13、序，完成功能多樣化的作品。通過對Arduino的學習和開發(fā)，使得能更快的完成自己的項目開發(fā)，大大節(jié)約了學習的成本，縮短了開發(fā)的周期。2實現(xiàn)了仿生動物機器人的制作，并一定程度上實現(xiàn)了一些基本動作。.8、 結(jié)束語科創(chuàng)是對我們運用能力的一次全面的考核，也是對我們進行科學研究基本功的訓練，培養(yǎng)我們綜合運用所學知識獨立地分析問題和解決問題的能力，為以后撰寫專業(yè)學術論文和工作打下良好的基礎。 在這次大二的科創(chuàng)中我們延續(xù)了大一科創(chuàng)認真求實的優(yōu)良傳統(tǒng)，并且用到了很多大二學到的知識，譬如電工學和機械原理，是對把課本上的知識轉(zhuǎn)換成實際產(chǎn)品的一次演練，每一次采購每一次小組討論每一次組裝都是一次進步。還要感謝組內(nèi)隊友

14、的團結(jié)與合作，大家平時設計中一起探討問題，并指出對方設計上的誤區(qū)，及時發(fā)現(xiàn)問題把設計順利的進行下去，順利結(jié)題來自于五個人的辛勤付出，科創(chuàng)讓我們的小學期變得充實而有意義。9、 參考文獻 【1】雷靜桃，高峰，崔瑩.多足步行機器人的研究現(xiàn)狀及展望J.機械設計，2006（9）:13 【2】蔡自興.機器人學M.北京:清華大學出版社，2000 【3】黃俊軍，葛世榮，曹為.多足步行機器人研究狀況及展望D. 江蘇徐州：中國礦業(yè)大學可靠性與救災機器人研究所, . 【4】陳學東等.多足步行機器人運動規(guī)劃與控制M.湖北:華中科技大學出版社，2006 【5】克拉克·丹尼斯等.機器人設計與控制M.北京:科學出

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