仿生六足机器人中期报告

编号:

哈尔滨工业大学

大一年度项目中期检查报告

项目名称：仿生六足机器人

项目负责人：学号

联系电话：电子邮箱：

院系及专业：机电工程学院

指导教师：职称：

联系电话：电子邮箱：

院系及专业：机电工程学院

哈尔滨工业大学基础学部制表

填表日期：2014 年 6 月28 日

一、项目团队成员（包括项目负责人、按顺序）

二、指导教师意见

三、项目专家组意见

四、研究背景

1.研究现状

4.1国内研究现状

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。Boston Dynamics公司的Big Dog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1 Adaptive Suspension Vehicle 图2 Odex1步行机器人

图3 MIT腿部实验室的四足和双足机器人图4 DANTE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国外研究现状

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5 JTUWM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

它可以较易的跨过比较大的障碍，并且机器人足所具有的大量自由度可以是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。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．项目研究内容及实施方案

我们拟定躯干部分选用亚克力板，易于加工可设计拼接结构，不耐冲击。

躯干和足之间选用铆钉连接，连接强度较大，能够紧、密连接工件。

接触面积较大的地方选用胶接的方法，应用面广，不受基本结构限制。

主要驱动方式将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。

项目设计共使用12个舵机用于步态实现。每条腿上有两个舵机，分别控制髋关节和膝关节的运动，舵机安装呈正交，构成垂直和水平方向的自由度。由于腿只有水平和垂直平面的运动自由度，所以只考虑利用三角步态实现直线行走。

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，方波脉冲信号的周期为20 ms(即频率为50 Hz)。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。

舵机内部是直流电机驱动，在带载时启停的瞬间会产生较大的峰值电流，将舵机供电电源与MCU 和IC的供电电源分开，双线供电能保证控制电路不受驱动电路产生不稳定脉冲的干扰。

为保证驱动器电源输入的稳定性，结合电路抗干扰技术，采用合适方法保证电路抗脉冲干扰、抗低频干扰、抗共模干扰的能力，使12个电机的多驱动系统能够稳定工作。[3]电源采用，镍氢电池7.4V，1200mA，15CC。

单片机主控系统：AVR单片机A Tmega16

软件设计的基本思想软件的主要功能是使机器人在向前行进的过程中能够避开障碍物，即对12 个舵机进行调度和控制。可将软件功能分解为：要避开障碍物，首先应探测到障碍物，其次能绕开障碍物，这就要求机器人能完成前进、后退、左右转弯等动作。动作协调完美性的实现，要求了在任一时刻能够做出12个舵机的同步动作控制。

软件设计中首先将前进、后退、左右转弯等高层动作分解，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，所有的高层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。

接下来是机器人的运动方式，该机器人将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。