仿生六足機(jī)器人-結(jié)題報(bào)告

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上編號(hào)：13哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽結(jié)題報(bào)告書項(xiàng)目名稱： 仿生六足機(jī)器人 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人： 閆振 學(xué)號(hào)： 聯(lián)系電話： 電子郵箱： 院系及專業(yè)： 機(jī)電工程學(xué)院飛行器制造工程 指導(dǎo)教師： 李立青 職稱： 高級(jí)工程師 聯(lián)系電話： 電子郵箱： 院系及專業(yè)： 機(jī)電工程學(xué)院 航空宇航制造工程系 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院制表填表日期：2014 年7月 20日項(xiàng)目名稱： 仿生六足機(jī)器人 一、課題組成員：（包括項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、按順序）姓名性別專業(yè)方向班級(jí)學(xué)號(hào)本人簽字閆振男飛行器制造工程王志強(qiáng)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(dǎo)教師意見： 簽 名： 年 月 日三、院評(píng)審委員會(huì)意見： 評(píng)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(shù)發(fā)展，計(jì)算機(jī)性能的提高，使多足步行機(jī)器人技術(shù)進(jìn)入了基于計(jì)算機(jī)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(xué)開發(fā)出有纜的八足步行機(jī)器人DANTE，圖1所示,用于對(duì)南極的埃里伯斯火山進(jìn)行了考察，其結(jié)構(gòu)由2個(gè)獨(dú)立的框架構(gòu)成。這一階段研究的重點(diǎn)在于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)器人的步態(tài)生成與規(guī)劃及傳統(tǒng)的控制方法在機(jī)器人行走運(yùn)動(dòng)控制過程的應(yīng)用。1983年，Odetics公司推出的六足機(jī)器人Odex1，圖2所示，把六條腿

3、均勻分布在一個(gè)圓形框架上，可方便的實(shí)現(xiàn)全方位運(yùn)動(dòng)，而且能夠通過對(duì)形體的重構(gòu)改變機(jī)器人的形狀，是對(duì)傳統(tǒng)的長(zhǎng)方形框架六足步行機(jī)的挑戰(zhàn)。麻省理工的Raibert利用相對(duì)自由度數(shù)較少的簡(jiǎn)單腿部機(jī)構(gòu)建造了一些機(jī)器人，利用簡(jiǎn)單的控制，這些機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)走、跑、跳等動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)主動(dòng)平衡，如圖3所示。1993年,美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)開發(fā)出有纜的八足步行機(jī)器人DANTE，圖4所示,用于對(duì)南極的埃里伯斯火山進(jìn)行了考察，其結(jié)構(gòu)由2個(gè)獨(dú)立的框架構(gòu)成。這一階段研究的重點(diǎn)在于機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、機(jī)器人的步態(tài)生成與規(guī)劃及傳統(tǒng)的控制方法在機(jī)器人行走運(yùn)動(dòng)控制過程的應(yīng)用。Boston Dynamics公司的Big Dog四足機(jī)

4、器人用于為軍隊(duì)運(yùn)輸裝備，其高3英尺，重165磅，可以以3.3英里的速度行進(jìn)，其采用汽油動(dòng)力。圖1 Adaptive Suspension Vehicle 圖2 Odex1步行機(jī)器人圖3 MIT腿部實(shí)驗(yàn)室的四足和雙足機(jī)器人 圖4 DANTE步行機(jī)器人 由于新的材料的發(fā)現(xiàn)、智能控制技術(shù)的發(fā)展、對(duì)步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)高效建模方法的提出以及生物學(xué)知識(shí)的增長(zhǎng)促使了步行機(jī)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(jī)器人的研究開始較晚，真正開始是在上世紀(jì)80年代初。1980年，中國科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所采用平行四邊形和凸輪機(jī)構(gòu)研制出一臺(tái)八足螃蟹式步行機(jī),主要用于海底探測(cè)作業(yè),并做了越障、

5、爬坡和通過沼澤地的試驗(yàn)。1989年，北京航空航。天大學(xué)孫漢旭博士進(jìn)行了四足步行機(jī)的研究，試制成功一臺(tái)四足步行機(jī)，并進(jìn)行了步行實(shí)驗(yàn)；錢晉武博士對(duì)地、壁兩用六足步行機(jī)器人進(jìn)行了步態(tài)和運(yùn)動(dòng)學(xué)方面的研究。1991年，上海交通大學(xué)馬培蓀等研制出JTUWM系列四足步行機(jī)器人，該機(jī)器人采用計(jì)算機(jī)模擬電路兩級(jí)分布式控制系統(tǒng),JTUWM-III以對(duì)角步態(tài)行走,腳底裝有PVDF測(cè)力傳感器，如圖5，同時(shí)對(duì)多足步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制，以及機(jī)器人的腿、臂功能融合和模塊化實(shí)現(xiàn)的控制體系及其設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。圖5 JTUWM四足步行機(jī)器人2.研究趨勢(shì) 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(dá)1,而多足式動(dòng)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(yùn)輸中有不可替代的作用 ,履帶車輛被廣泛應(yīng)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(jìn)車輛就解決了這些問題 ,能跨越溝、坎等障礙，并且步進(jìn)車輛足部落腳點(diǎn)的離散性和面積小的特點(diǎn)使其對(duì)坑洼山地的機(jī)動(dòng)性和適應(yīng)性更強(qiáng),機(jī)器人能夠在足 尖點(diǎn)可達(dá)范圍內(nèi)靈活調(diào)整行走姿態(tài)并選擇合理的支撐點(diǎn),使得機(jī)器人具有更高的避障和越障能力2，同時(shí)其運(yùn)行足部也較輪式車輛和履帶車輛更加輕 便.以往各國學(xué)者對(duì)四足、六足八足步進(jìn)機(jī)的研究 中取得了豐碩的成果 ,但這些步進(jìn)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(yùn)輸?shù)膬?yōu)越性使其成為機(jī)器人學(xué)研究的一個(gè)引人注目的熱 點(diǎn).它在航空航天(登月,火星探測(cè))、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)(西部大開發(fā)、 物流自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備的探測(cè)和檢修) ,軍事國防等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。3.研究意義足式機(jī)器人相比其它機(jī)器人具有更多的優(yōu)點(diǎn)：它可以較易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等），并且機(jī)器人足所具有的大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，對(duì)凹凸不平的地形的適應(yīng)能力更強(qiáng)；足式機(jī)器人的立足點(diǎn)是離散的，跟地面的接觸面積較小，因而可以在可達(dá)到的地面上選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。也可以作為仿生

8、玩具及探險(xiǎn)、搜救設(shè)備，還可以進(jìn)入細(xì)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(fù)的工作，有著更強(qiáng)的適應(yīng)能力，在高氣溫、瘴氣等惡劣環(huán)境下仍然能精準(zhǔn)無誤的完成任務(wù)。5、 課題研究?jī)?nèi)容與方法 承載裝置：底盤安裝單片機(jī)支撐舵機(jī)整體機(jī)身； 運(yùn)動(dòng)控制裝置：18個(gè)舵機(jī)控制機(jī)器人的左右及上下運(yùn)動(dòng)； 運(yùn)動(dòng)裝置：六個(gè)機(jī)械足運(yùn)動(dòng)的支持； 整體控制裝置：?jiǎn)纹瑱C(jī)程序控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)； 動(dòng)力裝置：7.2伏鋰電池為機(jī)器人提供能量。 軀干部分選用亞克力板，易于加工可設(shè)計(jì)拼接結(jié)構(gòu)，但不耐沖擊。 主要驅(qū)動(dòng)方式選用驅(qū)動(dòng)器采用微型直流角位移伺服電動(dòng)機(jī)，也就是我們常說的舵機(jī)。 電源線和地線用于提供舵機(jī)內(nèi)部的直

9、流電機(jī)和控制線路所需的能源電壓通常介于46V，一般取5V。給舵機(jī)供電電源應(yīng)能提供足夠的功率?？刂凭€的輸入是一個(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號(hào)。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)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?？刂品矫妫捎?Arduino的開發(fā)來實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人在向前行進(jìn)的過程中對(duì)18個(gè)舵機(jī)的調(diào)節(jié)和控制，使機(jī)器人能完成前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作。軟件開發(fā)中首先將前進(jìn)、后退、左右轉(zhuǎn)彎等動(dòng)作分解，具體到完成一個(gè)動(dòng)作各個(gè)舵機(jī)所要完成的動(dòng)作和時(shí)序。采用模塊化的設(shè)計(jì)思想，將對(duì)所有舵機(jī)的調(diào)度做成一個(gè)獨(dú)立的模塊，所有的動(dòng)作都是通過調(diào)用底層舵機(jī)控制的模塊來完成。多個(gè)舵機(jī)的控制是采用多舵機(jī)分時(shí)控制的思想

10、來實(shí)現(xiàn)的。同時(shí)，通過開發(fā)Arduino，能更快的實(shí)現(xiàn)的項(xiàng)目開發(fā)，節(jié)約了學(xué)習(xí)的成本，縮短了開發(fā)的周期。 爬行機(jī)器人的腿部結(jié)構(gòu)是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)活動(dòng)最多的部位，多足爬行機(jī)器人的腿有多種形式。常見的有縮放式、伸縮式及關(guān)節(jié)式等，不同的腿部結(jié)構(gòu)形式又具有不同的特點(diǎn)。該機(jī)器人采用三角步態(tài)來實(shí)現(xiàn)爬行。如下圖機(jī)器人開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，六條腿先同時(shí)著地，然后2、4、6三條腿抬起進(jìn)行向前擺動(dòng)的姿態(tài)準(zhǔn)備，另外三條腿1、3、5處于支撐狀態(tài)，支撐起機(jī)器人本體以確保機(jī)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(jī)器人處于穩(wěn)定狀態(tài)而不至于摔倒，擺動(dòng)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(jī)器人本體

11、，一面在動(dòng)力的作用下驅(qū)動(dòng)機(jī)器人機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)半步長(zhǎng)s(如圖2.1(c)所示)。在機(jī)器人機(jī)體移動(dòng)結(jié)束后，擺動(dòng)腿2、4、6立即放下，呈支撐態(tài)，使機(jī)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(shí)原來的支撐腿1、3、5經(jīng)短暫停留后抬起并準(zhǔn)備向前跨步(如圖2.1(d)所示)，當(dāng)擺動(dòng)腿1、3、5向前跨步時(shí)(如圖2.1(e)所示)，支撐腿2、4、6此時(shí)一面支撐機(jī)器人，一面驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體，使機(jī)器人機(jī)體向前行進(jìn)半步長(zhǎng)s(如圖2-1(f)所示)，如此不斷循環(huán)往復(fù)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的向前運(yùn)動(dòng)，由于設(shè)計(jì)速度并不是非常精確，所以其行進(jìn)軌跡并不是一條筆直的直線。 6、 研究結(jié)果1.根據(jù)立項(xiàng)要求，設(shè)計(jì)并制作出六

12、足機(jī)器人實(shí)物樣本。2.經(jīng)過對(duì)實(shí)物樣本進(jìn)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(dòng)作。機(jī)器人相關(guān)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(jī)器人實(shí)物如圖：7、 創(chuàng)新點(diǎn)1. Arduino 的理念就是開源，軟硬件完全開放，技術(shù)上不做任何保留。針對(duì)周邊I/O設(shè)備的Arduino 編程，很多常用的I/O 設(shè)備都已經(jīng)帶有庫文件或者樣例程序，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行簡(jiǎn)單的修改，即可編寫出比較復(fù)雜的程

13、序，完成功能多樣化的作品。通過對(duì)Arduino的學(xué)習(xí)和開發(fā)，使得能更快的完成自己的項(xiàng)目開發(fā)，大大節(jié)約了學(xué)習(xí)的成本，縮短了開發(fā)的周期。2實(shí)現(xiàn)了仿生動(dòng)物機(jī)器人的制作，并一定程度上實(shí)現(xiàn)了一些基本動(dòng)作。.8、 結(jié)束語科創(chuàng)是對(duì)我們運(yùn)用能力的一次全面的考核，也是對(duì)我們進(jìn)行科學(xué)研究基本功的訓(xùn)練，培養(yǎng)我們綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)獨(dú)立地分析問題和解決問題的能力，為以后撰寫專業(yè)學(xué)術(shù)論文和工作打下良好的基礎(chǔ)。 在這次大二的科創(chuàng)中我們延續(xù)了大一科創(chuàng)認(rèn)真求實(shí)的優(yōu)良傳統(tǒng)，并且用到了很多大二學(xué)到的知識(shí)，譬如電工學(xué)和機(jī)械原理，是對(duì)把課本上的知識(shí)轉(zhuǎn)換成實(shí)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(jìn)步。還要感謝組內(nèi)隊(duì)友

14、的團(tuán)結(jié)與合作，大家平時(shí)設(shè)計(jì)中一起探討問題，并指出對(duì)方設(shè)計(jì)上的誤區(qū)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題把設(shè)計(jì)順利的進(jìn)行下去，順利結(jié)題來自于五個(gè)人的辛勤付出，科創(chuàng)讓我們的小學(xué)期變得充實(shí)而有意義。9、 參考文獻(xiàn) 【1】雷靜桃，高峰，崔瑩.多足步行機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及展望J.機(jī)械設(shè)計(jì)，2006（9）:13 【2】蔡自興.機(jī)器人學(xué)M.北京:清華大學(xué)出版社，2000 【3】黃俊軍，葛世榮，曹為.多足步行機(jī)器人研究狀況及展望D. 江蘇徐州：中國礦業(yè)大學(xué)可靠性與救災(zāi)機(jī)器人研究所, . 【4】陳學(xué)東等.多足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制M.湖北:華中科技大學(xué)出版社，2006 【5】克拉克·丹尼斯等.機(jī)器人設(shè)計(jì)與控制M.北京:科學(xué)出

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