仿生六足机器人-结题报告

编号：13哈尔滨工业大学机电工程学院基于项目学习的机械创新设计大赛结题报告书项目名称：仿生六足机器人项目负责人：闫振学号：1120830201联系电话：电子邮箱：院系及专业：机电工程学院飞行器制造工程指导教师：李立青职称：高级工程师联系电话：电子邮箱：院系及专业：机电工程学院航空宇航制造工程系哈尔滨工业大学机电工程学院制表填表日期：2014年7月20日项目名称：仿生六足机器人一、课题组成员：（包括项目负责人、按顺序）二、指导教师意见：三、院评审委员会意见：姓名性别专业方向班级学号本人签字闫振男飞行器制造工程王志强男飞行器制造工程晏理邦男飞行器制造工程赵京昊男飞行器制造工程穆思宇男飞行器制造工程签名：年月日评审主任签名（或盖章）：年月日四、研究背景1.研究现状4.1国外研究现状随着电子技术发展，计算机性能的提高，使多足步行机器人技术进入了基于计算机控制的发展阶段。其中有代表性的研究为1993年,美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人DANTE，图1所示,用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察，其结构由2个独立的框架构成。这一阶段研究的重点在于机器人的运动机构的设计、机器人的步态生成与规划及传统的控制方法在机器人行走运动控制过程的应用。1983年，Odetics公司推出的六足机器人Odex1，图2所示，把六条腿均匀分布在一个圆形框架上，可方便的实现全方位运动，而且能够通过对形体的重构改变机器人的形状，是对传统的长方形框架六足步行机的挑战。麻省理工的Raibert利用相对自由度数较少的简单腿部机构建造了一些机器人，利用简单的控制，这些机器人能够实现走、跑、跳等动作，实现主动平衡，如图3所示。1993年,美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人DANTE，图4所示,用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察，其结构由2个独立的框架构成。这一阶段研究的重点在于机器人的运动机构的设计、机器人的步态生成与规划及传统的控制方法在机器人行走运动控制过程的应用。BostonDynamics公司的BigDog四足机器人用于为军队运输装备，其高3英尺，重165磅，可以以3.3英里的速度行进，其采用汽油动力。图1AdaptiveSuspensionVehicle图2Odex1步行机器人图3MIT腿部实验室的四足和双足机器人图4DANTE步行机器人由于新的材料的发现、智能控制技术的发展、对步行机器人运动学、动力学高效建模方法的提出以及生物学知识的增长促使了步行机器人向模仿生物的方向发展。4.2国内研究现状我国步行机器人的研究开始较晚，真正开始是在上世纪80年代初。1980年，中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机,主要用于海底探测作业,并做了越障、爬坡和通过沼泽地的试验。1989年，北京航空航。天大学孙汉旭博士进行了四足步行机的研究，试制成功一台四足步行机，并进行了步行实验；钱晋武博士对地、壁两用六足步行机器人进行了步态和运动学方面的研究。1991年，上海交通大学马培荪等研制出JTUWM系列四足步行机器人，该机器人采用计算机模拟电路两级分布式控制系统,JTUWM-III以对角步态行走,脚底装有PVDF测力传感器，如图5，同时对多足步行机器人的运动规划与控制，以及机器人的腿、臂功能融合和模块化实现的控制体系及其设计进行了研究。图5JTUWM四足步行机器人2.研究趋势根据美国陆军1967年调查,地球上近一半的地面不能为传统的轮式车辆或履带车辆到达[1],而多足式动物却可以在这些地面上行走自如.从中得到启示:轮式车辆在平地运输中有不可替代的作用,履带车辆被广泛应用于沙地和泥泞,然而人们没能找到合适的方法用于山地和多障碍地面足式步进车辆就解决了这些问题,能跨越沟、坎等障碍，并且步进车辆足部落脚点的离散性和面积小的特点使其对坑洼山地的机动性和适应性更强,机器人能够在足尖点可达范围内灵活调整行走姿态并选择合理的支撑点,使得机器人具有更高的避障和越障能力[2]，同时其运行足部也较轮式车辆和履带车辆更加轻便.以往各国学者对四足、六足八足步进机的研究中取得了丰硕的成果,但这些步进车大多局限于采用矩形框架分布六足,而使其自由度分布因足部干涉而受到限制,这不能不说是一种遗憾。足式运输的优越性使其成为机器人学研究的一个引人注目的热点.它在航空航天(登月,火星探测)、工农业生产(西部大开发、物流自动化机械设备的探测和检修),军事国防等领域有广泛的应用前景。3.研究意义足式机器人相比其它机器人具有更多的优点：它可以较易地跨过比较大的障碍（如沟、坎等），并且机器人足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形的适应能力更强；足式机器人的立足点是离散的，跟地面的接触面积较小，因而可以在可达到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。也可以作为仿生玩具及探险、搜救设备，还可以进入细小管道、地洞中勘察它可以较易的跨过比较大的障碍。能够代替人类完成单调重复的工作，有着更强的适应能力，在高气温、瘴气等恶劣环境下仍然能精准无误的完成任务。五、课题研究内容与方法•承载装置：底盘——安装单片机支撑舵机整体机身；•运动控制装置：18个舵机——控制机器人的左右及上下运动；•运动装置：六个机械足——运动的支持；•整体控制装置：单片机——程序控制机器人的运动；•动力装置：7.2伏锂电池——为机器人提供能量。躯干部分选用亚克力板，易于加工可设计拼接结构，但不耐冲击。主要驱动方式选用驱动器采用微型直流角位移伺服电动机，也就是我们常说的舵机。电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V。给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。控制方面，采用Arduino的开发来实现对机器人在向前行进的过程中对18个舵机的调节和控制，使机器人能完成前进、后退、左右转弯等动作。软件开发中首先将前进、后退、左右转弯等动作分解，具体到完成一个动作各个舵机所要完成的动作和时序。采用模块化的设计思想，将对所有舵机的调度做成一个独立的模块，所有的动作都是通过调用底层舵机控制的模块来完成。多个舵机的控制是采用多舵机分时控制的思想来实现的。同时，通过开发Arduino，能更快的实现的项目开发，节约了学习的成本，缩短了开发的周期。爬行机器人的腿部结构是机器人运动活动最多的部位，多足爬行机器人的腿有多种形式。常见的有缩放式、伸缩式及关节式等，不同的腿部结构形式又具有不同的特点。该机器人采用三角步态来实现爬行。如下图机器人开始运动时，六条腿先同时着地，然后2、4、6三条腿抬起进行向前摆动的姿态准备，另外三条腿1、3、5处于支撑状态，支撑起机器人本体以确保机器人的重心位置始终处于三条支腿所构成的三角形内，使机器人处于稳定状态而不至于摔倒，摆动腿2、4、6抬起向前跨步(如图2.1(b)所示)，支撑腿1、3、5一面支撑机器人本体，一面在动力的作用下驱动机器人机体向前运动半步长s(如图2.1(c)所示)。在机器人机体移动结束后，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、6三腿支撑所构成的三角形稳定区内，同时原来的支撑腿1、3、5经短暂停留后抬起并准备向前跨步(如图2.1(d)所示)，当摆动腿1、3、5向前跨步时(如图2.1(e)所示)，支撑腿2、4、6此时一面支撑机器人，一面驱动机器人本体，使机器人机体向前行进半步长s(如图2-1(f)所示)，如此不断循环往复，以实现机器人的向前运动，由于设计速度并不是非常精确，所以其行进轨迹并不是一条笔直的直线。六、研究结果1.根据立项要求，设计并制作出六足机器人实物样本。2.经过对实物样本进行调试，最终能够实现直线行走、转弯、后退等基本动作。机器人相关参数如下：重量：400g尺寸：260*150*80mm平均功率：1A*6V=6W六足仿生机器人实物如图：七、创新点1.Arduino的理念就是开源，软硬件完全开放，技术上不做任何保留。针对周边I/O设备的Arduino编程，很多常用的I/O设备都已经带有库文件或者样例程序，在此基础上进行简单的修改，即可编写出比较复杂的程序，完成功能多样化的作品。通过对Arduino的学习和开发，使得能更快的完成自己的项目开发，大大节约了学习的成本，缩短了开发的周期。2．实现了仿生动物机器人的制作，并一定程度上实现了一些基本动作。.八、结束语科创是对我们运用能力的一次全面的考核，也是对我们进行科学研究基本功的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决问题的能力，为以后撰写专业学术论文和工作打下良好的基础。在这次大二的科创中我们延续了大一科创认真求实的优良传统，并且用到了很多大二学到的知识，譬如电工学和机械原理，是对把课本上的知识转换成实际产品的一次演练，每一次采购每一次小组讨论每一次组装都是一次进步。还要感谢组内队友的团结与合作，大家平时设计中一起探讨问题，并指出对方设计上的误区，及时发现问题把设计顺利的进行下去，顺利结题来自于五个人的辛勤付出，科创让我们的小学期变得充实而有意义。九、参考文献【1】雷静桃，高峰，崔莹.多足步行机器人的研究现状及展望[J].机械设计，2006（9）:1~3【2】蔡自兴.机器人学[M].北京:清华大学出版社，2000【3】黄俊军，葛世荣，曹为.多足步行机器人研究状况及展望[D].江苏徐州：中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所,221008.【4】陈学东等.多足步行机器人运动规划与控制[M].湖北:华中科技大学出版社，2006【5】克拉克·丹尼斯等.机器人设计与控制[M].北京:科学出版社，2004【6】赵杰等.应用于六足机器人平台的舵机控制器设计[J].机械与电子，2005（9）:48~51【7】王倩陈甫臧希喆赵杰.新型六足机器人机构与控制系统设计.哈尔滨工业大学机器人研究所，哈尔滨150001【8】曾桂英，刘少军.六足步行机器人的设计研究.中南大学机电工程学院,长沙410083【9】陈学东.多足步行机器人运动规划与控制[M].中科技大学出版社,2006121.【10】徐轶群,万隆君.四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制[D].厦门集美大学.200108【11】王新杰，黄涛，陈鹿明.四足步行机器人爬行步态的计算机仿真[D].郑州.200704【12】郭鸿勋，陈学东.六足步行机器人机械系统[D].武汉：华中科技大学.200804【13】安丽桥，朱磊.六脚足式步行机器人的设计与制作[D].上海：上海交通大学.200602【14】刘静，赵晓光，谭民.腿式机器人的研究综述[J].中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室,北京100080【15】马东兴，王延华，岳林.新型四足机器人步态仿真与实现[J].南京航空航天大学机电学院，江苏南京，210016.十、项目经费使用序号项目名称数量单价（元）合计（元）用途备注1航模电池以及充电器11881882加工费1333DC-DC降压模块145454大扭舵机18559905杯士轴承63186支架1861087电子元件285028舵盘18590总计1944元