仿生机器人的机构设计及运动仿真

1 / 43 文档可自由编辑打印前前 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。2 / 43 文档可自由编辑打印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，开展对海的文档可自由编辑打印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。文档可自由编辑打印目 录摘 要 .IABSTRACT .II第 1 章 绪 论 .11.1 仿生机器人概述.11.2 仿生型多足步行机器人技术综述.21.2.1 国外仿生机器人研究现状 .21.2.2 国内仿生机器人的研究现状 .41.3 多足机器人的关键技术.51.3.1 协调控制问题 .61.3.2 信息融合问题 .61.3.3 机构设计问题 .61.3.4 微传感和微驱动问题 .61.3.5 能源问题 .6第 2 章 仿生机器人总体设计方案的确定 .82.1 概述机构模型.82.2 本体结构设计.82.2.1 六面连接体设计 .82.2.2 步行足的结构模型 .92.2.3 仿生六足虫机器人的整体结构 .102.2.4 骨架的搭建 .11第 3 章 仿生机器人运动系统的设计 .123.1 腿部的运动分析和设计.123.2 传动部分结构设计.123.3 步态规划及分析.133.3.1 关于步态的参数描述 .133.3.2 三角步态运动原理.14第 4 章 控制系统的设计 .164.1 控制的硬件系统设计.164.2 慧鱼 ROBO 接口板介绍.164.2.1 外形尺寸和重量.164.2.2 电源 9V 直流，1000M.164.2.3 处理器和存储器.164.2.4 输出 M1-M4 或者 O1-O8 .164.2.5 数字量输入 I1-I8 .174.2.6 模拟阻抗输入 AX 和 AY .174.2.7 模拟电压输入 A1 和 A2 .174.2.8 距离传感器输入 D1 和 D2 .174.2.9 红外线（IR）输入.17文档可自由编辑打印4.2.10 USB 接口和串口 .174.2.11 接口的选择.184.2.12 端口的固定设置.184.2.13 红外测试功能.184.2.14 26 针插槽 .184.2.15 I/O 扩展板用插槽 .194.2.16 无线射频通信模块用插槽.194.2.17 对接口板的程序控制 .194.3 ROBO 接口板与机器人的连接 .224.4 软件系统.224.4.1 软件介绍 .224.4.2 运动规划 .224.4.3 程序设计 .23第 5 章 运动仿真 .265.1 计算机仿真技术.265.1.1 基于 proe 的机器人运动仿真 .265.1.2 实物仿真 .28第 6 章 总结与展望 .30致 谢 .31参考文献 .32I / 43 文档可自由编辑打印摘 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II / 43 文档可自由编辑打印ABSTRACT With the 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 program 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 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 introduced to PROE software for dynamic simulation, then realize the requirement of the design through the experimentation.Keywords: Bionic hexapodrobot，Structure，Control，Programming, Dynamic simulation1 / 43 文档可自由编辑打印第 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“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2 / 43 文档可自由编辑打印了极强的生命力。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3 / 43 文档可自由编辑打印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4 / 43 文档可自由编辑打印部(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Hexplorer 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 20005 / 43 文档可自由编辑打印均匀分布，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 1.5 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。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6 / 43 文档可自由编辑打印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。1.3.21.3.2 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。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。7 / 43 文档可自由编辑打印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。可以说新能源的开发研究，对机器人研究有着重要的意义。8 / 43 文档可自由编辑打印第 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9 / 43 文档可自由编辑打印人机构及性能要求。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 关节串联操作臂的 RRRS 型结构，从足根图 2.2 六面连接体零件示意图10 / 43 文档可自由编辑打印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=57mm2.2.3 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 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11 / 43 文档可自由编辑打印2.2.4 骨架的搭建使用六面连接体零件搭建如图 2.5 所示机器人骨架。12 / 43 文档可自由编辑打印第 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13 / 43 文档可自由编辑打印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14 / 43 文档可自由编辑打印步距(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15 / 43 文档可自由编辑打印动腿 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16 / 43 文档可自由编辑打印第 4 章 控制系统的设计4.14.1 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 flash4.2.44.2.4 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17 / 43 文档可自由编辑打印电器的另一个端子可连接到接地端）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/S18 / 43 文档可自由编辑打印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。4.2.124.2.12 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。19 / 43 文档可自由编辑打印引脚功能分配引脚功能分配1传感器电源 9V 正极11I1212I2模拟传感器的接地线(不可作为输出 O1-O8 的负极)13I33AX14I44AY15I55A116I66A217I77距离传感器 D118I88距离传感器 D219O19快速表输入20O210接地线,输出 O1-O8 的负极21O322O423O524O625O726O8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 05.5k 欧的模拟阻抗输入。4.2.164.2.16 无线射频通信模块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：20 / 43 文档可自由编辑打印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 LLWIN 程序。快速按动按钮（5） ，又可以回到 ROBO 接口板的接口自动选择模式了。下载模式在这种模式下，程序被下载到接口板上且独立于电脑运行。两个不同的程序可以同时下载到 FLASH 存储器中，而且断电后程序也可以保存在内。也可以将程序下载到RAM 中，一旦电源中断或者启动 FLASH 中的程序，原先 RAM 中程序就被删除了。注意：存储在 RAM 中的程序比存储在 FLASH 中运行快得多，因为要先化几秒种来将FLASH 擦掉。在测试阶段，程序只需要先装载到 RAM 中。比较理想的是，应该把最终的程序存储到 FLASH 中。这样，可以延长 FLASH 的寿命，它的极限大约是擦写 10 万次。ROBO PRO 软件的使用指导手册中说明了如何将程序下载的接口板的特定存储区中。使用按钮（4）可以选择启动和停止已存储的程序。选择程序的时候，按下并保持按钮（4） 。如果程序存储在“PROG1” ，那么大约一秒钟后， “PROG1”的 LED 点亮。如果再保持一秒钟多，则切换到“PROG2” 。再保持一秒钟多，则选择了 RAM 区中的程序（两个 LED 都点亮了） 。再保持一秒钟多，两个 LED 都灭了，没有程序被选中。FLASH 存储区中程序的选择和启动按下并保持按钮（4） ，按钮旁的绿色 LED 指明了所选的程序（1 或者 2） 。LED 只在 FLASH 区中确实存储有程序才会点亮。选择所需的程序后，释放按钮。再按一下按钮（4） ，程序就启动了。在程序运行时，LED 闪动。再按一下按钮（4） ，程序就停止了。在程序停止时，LED 持续点亮。21 / 43 文档可自由编辑打印自启动信息当程序是用 ROBO PRO 存储，相应的操作手册有给出。这样，接口板接通之后，FLASH 中的程序 1 就直接启动了。你可以看到“PROG1”的 LED 闪动得到确认。按一下按钮（4）就可以停止程序。如果你想防止程序的自动启动，那么你必须在刚刚通电，在做 LED 测试的时候，按住按钮（4）并保持到 LED（6）和（7）都闪亮，这时候才可以松开按钮（4） 。RAM 存储区中程序的选择和启动按下并保持按钮（4） ，直至按钮旁的两个绿色 LED 同时点亮，然后松开按钮。只有在 RAM 中有程序两 LED 才会同时点亮。再按一下按钮（4） ，程序就启动了。在程序运行时，两个 LED 都闪动再按一下按钮（4） ，程序就停止了。在程序停止时，两个 LED 持续点亮C 语言编程ROBO 接口板处理器也可以由 C 编译器来编程。其它的编程语言在线模式下，接口板可以用任意想要的编程语言通过 USB 或串口来激活。故障诊断红色故障 LED 指示接口板中的故障。如果它持续点亮，说明电源电压远超出了直流 9V 正常范围（直流 5V，比如电池耗尽或者15V，比如接了个不正确的电源装置。 ）这时，接口板自动切断，直到供电电压达到正常范围。如果电源接通后，故障 LED 持续闪亮，则处理器发现了故障，且绿色LED，PROG1，PROG2，USB，COM 和 IR 可以显示错误代码。电源对于接口板，只能用慧鱼公司提供的直流 9 伏电源，比如，直流开关电源或者可充电电源。电磁干扰如果接口板被强烈的电磁干扰所影响，一旦停止干扰源，接口板还是可以恢复使用。有必要将电源中断一段时间，然后重新启动程序。22 / 43 文档可自由编辑打印4.34.3 ROBOROBO接口板与机器人的连接接口板与机器人的连接M1,M2 分别连接电机 1，电机 2；I1,I2 分别连接微动开关 1，开关 2；9V 直流电源接 DC 输入接口；USB 数据线接 USB 接口即可。4.44.4软件系统软件系统4.4.1 软件介绍程序控制部分是仿生机器人的灵魂.程序用慧鱼软件(ROBOT PRO)编制.它提供图形化编程接口板，还可以提供编程前的快速硬件测试、在线检测、在线调试、下载操作等功能.4.4.24.4.2 运动规划如图 4.2 所示行进路线规划机器人的运动。程序设计的思想是:采用类似农业上耕地所用“套耕法”的行进方式规划机器人的运动。其优点是能够避免机器人频繁转弯、掉头，减少重复及遗漏地块的可能，从而有效地提高作业效率和作业质量。具体方式是先把地块从中间分为 1、2 两个小区，图 4.1 ROBO 接口板接口示意图23 / 43 文档可自由编辑打印机器人从 1 区的左边进入地中，行进到地头向右转到第二小区左边再转弯行进，到地头后又回到第一小区左边紧靠着第一直行路线行进第三次，如此循环工作，最后从第二小区的右边也就是整个待耕地块的右侧驶出地外。路线示意图如图 4.2 所示。 4.4.34.4.3 程序设计用慧鱼软件(ROBO PRO)编制程序部分.主程序如图 4.21 所示，后退 back 子程序如图 4.22，前进 forward 子程序如图 4.23，左转弯 go left 如图 4.24，右转弯go right 如图 4.25 以及一个步态调整程序如图 4.26。图 4.2 机器人行进路线示意图图 4.21 主程序24 / 43 文档可自由编辑打印图 4.22 后退子程序图 4.23 前进子程序图 4.24 左转子程序图 4.25 右转子程序25 / 43 文档可自由编辑打印图 4.26 所示程序完成的功能是：调整三角步态位置到正确位置从而保证行进正常。 图 4.26 步态调整程序26 / 43 文档可自由编辑打印第 5 章 运动仿真5.1 计算机仿真技术计算机仿真技术就应用计算机对系统的数学模型求解，以研究实际系统运行的性能的技术，由于计算机仿真是应用计算机中的数学模型做实验，与用实物做实验比较，具有经济、安全、实验周期短等特点。5.1.1 基于 proe 的机器人运动仿真如图 5.1，5.2 所示为运用 proe 建立的数学模型。图 5.1 六足机器人 PROE 模型27 / 43 文档可自由编辑打印猪笼草是有名的热带食虫植物，主产地是热带亚洲地区。猪笼草拥有一幅独特的吸取营养的器官捕虫囊，捕虫囊呈圆筒形，下半部稍膨大，因为形状像猪笼，故称猪笼草。猪笼草是食虫植物不从土壤等无机界直接摄取和制造维持生命所需营养物质，而依靠捕捉昆虫等小动物来谋生。如图 5.3 所示当小动物进入捕虫囊后囊盖自动关闭，猪笼草仿生机器人就是模仿猪笼草的捕虫方式设计的。当磁性物体进入机器人内部时磁性传感器发出信号模型门关闭。图 5.2 猪笼草仿生机器人 PROE 模型28 / 43 文档可自由编辑打印5.1.2 实物仿真运用慧鱼模型搭建的实物模型进行了试验，六足虫机器人完成了第四章的运动规划的要求，猪笼草机器人达到了仿生目的，实现了类似猪笼草捕食的条件反射的控制方式。实物如图 5.4 和 5.5 所示。图 5.3 猪笼草29 / 43 文档可自由编辑打印图 5.5 猪笼草机器人实物图图 5.4 六足机器人实物图30 / 43 文档可自由编辑打印第 6 章 总结与展望本次毕业设计在彭中波老师的精心指导下，参考了大量的机器人设计书籍和设计资料，我顺利地完成了仿生机器人的控制系统及结构设计，按时按量地完成了本次毕业设计任务。主要的工作有：依据作业要求，确定了仿生机器人的总体方案，进行了结构设计，对软件进行了设计和编程。本次毕业设计给了我一个独立分析问题，解决问题机会，同时对理论知识有了更进一步的理解和巩固，锻炼了自己动手实践的能力，对将来的工作有极大的帮助。在设计中也发现了一些不足之处，仍有一些尚待改进的地方，总结如下：1）.目前我的设计，对机器人速度、方向的控制，实现比较好的控制，但转向后步态变化大，步态的转换还不够灵敏。故需要进一步研究控制系统，完善数学模型。2）.要实现机器人的功能仿生，比如遇到障碍时，是采用避障还是越障，采用的传感器远远不足。可增加一些其他的传感器，如红外传感器、触觉传感器，实现多传感器的融合，共同完成机器人的功能仿生性能，从而使机器人达到真正意义上的仿生。3）.搭建机器人实体模型的六面连接体连接牢固度有待提高。通过本次毕业设计，使我对零件材料、加工工艺、装配关系，单片机技术和接口技术有了更加深入的理解，建模、制图水平进一步提高，最重要的是本次毕业设计开发了我的设计思想，使我受益匪浅！ 31 / 43 文档可自由编辑打印致 谢毕业设计是毕业生们在大学中的最后一门课程。通过毕业设计，综合运用本专业以及其他有关课程的理论，结合生产实践知识，培养理论联系实际以及分析和解决工程实际问题的才能，并使大学四年所学的知识得到进一步巩固、深化和扩展。本次毕业设计中所遇到困难是以往任何一次设计所没有遇到的，这是对我克服困难和解决问题能力的一次锻炼，一次考验。在此次设计中，我们这一小组的同学，互相帮助，共同探讨，充分发挥团体精神，圆满的完成了本次毕业设计。这种团体的精神和大家共同努力工作的风貌，对我以后的工作是一个很大的影响，我会更加努力刻苦，奋发拼搏。在这里，我们要感谢的人很多：首先是我的指导老师彭中波老师，从设计开始到结束，他始终如一的指导我们，为我们排忧解难，给予我们关心、支持和帮助，老师在设计过程中给我们认真讲解了很多问题，解决了我们在设计过程中遇到的许多困难；其次是我同组的同学，在设计过程中我们互相学习，共同探讨，发现和解决设计中的遗漏和问题。在此表示衷心的感谢，并致以崇高的敬意！32 / 43 文档可自由编辑打印参考文献1 机器人知识讲座P，机器人 ROBOT,2000.3,Vo1.22 No.2。2 王坤兴，机器人技术的发展趋势J，机器人技术与应用，2001. 3。3 国家 863 计划智能机器人专家组J，机器人博览，安徽：中国科学技术出版社 2001。4 陈佩云等，我国工业机器人发展状况J，机器人技术与应用，2001 年第 1期。5 刘进长，我国机器人发展战略研究J，机器人技术与应用，2001 年第 3 期。6 马颂德，基础技术研究与队伍建设J，机器人技术与应用，2001 年第 5 期。7 熊有伦，机器人技术基础M，华中理工大学出版社，1996. 8。8 孙桓，机械原理M，北京：高等教育出版社，2000.8。9 濮良贵，机械设计M，北京：高等教育出版社，2000.12。10 McCloy, D.Some comparisons of serialdriven and paralleldriven manipulatorsP. 1990. Robotica, Vol.8。11 MEI15a, Serial Robot Kinematics Example (6 dof)，Kinematics Example 3PP. nb, Winter 2443。12 P. Steinhaus, R. Dillman “The German Humanoid Robot Project” Proceedings of the 2001 International Conference on Humanoid Robots,Waseda UniversityJ, Tokyo, Japan,November 2001。13陈恳，杨向东，刘莉，杨东超，机器人技术与应用M，北京：清华大学出版社，2006。14张铁，谢存禧，机器人学M，广东：华南理工大学出版社，2005。15陈学东，贾文川，多足步行机器人运动规划与控制M，武汉：华中科技大学