六脚爬虫机器人步态算法和控制系统——阿童木

毕业设计 [ 论文 ]

题目：六脚爬虫机器人运动步态规划

和控制系统搭建

2011 年6 月9日

毕业设计开题报告

六脚爬虫机器人运动步态规划和控制系统搭建

1课题来源

本课题是受深圳德普施公司委托，为其研发第二代六脚爬虫机器人。

2课题研究的目的和意义

随着世界科技的发展和人们生活水平的提高，机器人无疑将成为未来世界的宠儿。机器人可以代替人类完成重复性和枯燥的任务，可以为人类服务，也可以到人类不能去的危险区域探索作业。鉴于此，我们有必要加大对机器人领域的研究，去开发多功能的，环境适应性强的新一代机器人。

目前，在地面上能独立行进完成相应功能的机器人主要有两类，一种是由轮子驱动的轮行机器人，另一种是基于仿生学的步行机器人。尽管轮行机器人在平坦地面上行进稳定，速度快，效率高；但其最大的不足就在于对未知的复杂地形，其适应能力很差。而步行机器人可以在复杂的自然地形中较为容易的完成前进和探测。所以针对军事侦察，危险区域作业，星球探测，矿山开采，教育娱乐等地面环境不确定性大的领域，步行机器人有更广阔的应用前景和更高的实用价值。

而在步行机器人中，多足机器人是最容易实现稳定行走的。由于六足机器人相对类人和四足机器人具有控制系统简单、肢体冗余和行走平稳等优点，本课题我们选择制作一个模仿昆虫肢体结构和运动控制策略的六足机器人。

为了适应复杂多变的自然环境，在昆虫身上进化出成百上千的感应器来感测环境信息。本课题也试图在机器人身上安装各种传感器来感测外部环境，让机器人可以在未知的，复杂的环境中行走，完成一定的任务。当然，试图实现昆虫所有感测功能是不现实的，我们只是模拟其一部分功能。同时，为了增强机器人的实用性，我们提供了另外两种控制方法，即触摸屏控制和无线控制。

本课题作为机器人设计的一部分，其目的是对六足仿生机器人的控制方法和步态策略进行研究，针对一个六足仿生机器人的本体设计新型的控制系统硬件，并尝试用触摸屏去显示机器人的状态和控制机器人的步态。同时，在机器人硬件平台上对控制策略进行实验，为进一步研究六足仿生机器人控制策略打下硬件和理论的基础。

3研究现状

六足仿昆虫机器人在很多国家都受到了重视，也是机器人领域的研究热点之一。它的研究涉及到了生物科学，仿生学，机构学，传感技术及信息处理等多门学科。经过近二三十年的研究发展，世界各国研制出了多款功能不同的六足机器人，现选取几款有代表性的六足机器人，介绍其研究现状，并对其研究趋势做出展望。

随着美国宇航局太空计划的不断深入，迫切需要一个可以在为止复杂地表行进探测的机器人。1990年，美国卡内基-梅隆大学研制出用于外星探测的六足步行机器人AMBLER，它采用了新型的腿结构，由一个在水平面内运动的旋转杆和在垂直平面内作直线运动的伸展杆组成，由一台32位的处理机进行控制，但由于体积和质量太大没能用于行星探测计划。Irobot公司则于同一时期分别研制出两台六足机器人：Genghis，Attila和Hannibal。由于其腿部只有两个舵机，所以行动稍显笨拙。90年代早起麻省理工学院的AI实验室根据机器昆虫的思想研制出两台六足机器人，分别是Genghis和Hannibal，他们腿部分别有18个自由度，其强调了模块化子系统结构。

美国东北大学和德国Fraunhofer研究所于2001年一起研制了机器人Scorpion，它的设计是根据多足节肢动物的解剖学数据。同一时期，德国杜伊斯堡大学研制出机器人Tarry，它完善了更多的智能策略并加入了腿部反射。多足机器人的研制还出现这样一种趋势，即将腿式移动机构的地形适应能力和轮式移动机构的高速高效性能相融合。如1992年日本东北大学研究开发出的腿轮分离型步行机器人Chariot。法国巴黎第六大学的Bidaud博士则研制出机器人Hylos，它的每个脚底都有一个小轮子。另一个典型的代表就是美国宇航局的火星探测机器人，它的腿部有伸缩机构，对地表的适应性很强。

六足机器人的控制算法一直是研究的重点。其控制可以分为两个部分，步态规划和行为控制。六足昆虫最常见的有三种步态，即波动步态，四足步态和三足步态，其支撑身体的腿的个数分别为5，4，3 。目前，机器人实现类似昆虫的步态主要采用以下几种步态，即固化步态，分布神经网络控制和进化神经网络。前者环境适应性差，应用受到了局限。神经网络步态控制经过了三个发展阶段，早期Randall D.Beer 提出了神经网络的基本构想，随后德国的Holk Cruse提出了昆虫行走机制的六条规则，并以此建立了一种简单的六足控制器“Walknet”。接着，Hamlet实验小组提出了影响每条腿运动的“内成约束”概念，并给出了度量这种约束的公式。而进化神经网络的控制思想则尝试让机器人通过对自身行为的不断尝试，达到自己学会如何行走的目的，目前这一方法还在尝试阶段。另外，本课题还尝试了利用腿部反射来提升机器人在复杂地表行进的能力。

4设计方案：

4.1机器人运动规划

机器人行走采取分布神经网络的半闭环控制，在机器人每个脚底均安装一个行

程开关，用于探测机器人脚部是否着地。通过腿部机构运动学分析，规划机器人每

条腿的抬起与着地路线，脚部行程开关闭合则说明脚底着地。根据地表状况不同，

机器人分别选择采取波动步态，四足步态或者三足步态。同时，我们还要规划机器

人越障和爬楼梯的步态。在对腿部进行运动学分析时，需建立其D-H坐标系，并求

出其运动学逆解。当机器人在平坦地表行进时，可以通过直接给出机器人躯干的位置，姿态，以及各足端的位置，来规划机器人的动作。当机器人在复杂地表行进时，要对每条腿的着地路径进行规划，直至行程开关闭合。

4.2控制系统搭建

机器人腿部一共有18个自由度，相应有18个舵机，所以控制系统要能够产生18路PWM波。针对这种情况，本课题将控制系统分为两个部分，即控制部分和驱动部分。驱动板采用parallax公司的Propeller Servo Controller USB。它通过串行通信方式最多可以驱动16个舵机。本设计选用两块驱动板去驱动18个舵机，每块

板分别驱动一侧的9个舵机。控制板的主控制芯片选择ST公司的STM32F107，主要是基于此款芯片的高速运算性能和低功耗。

4.3触摸屏控制

在控制板上安装有一个液晶触摸屏，用于显示机器人的运行状态和控制机器人

的运动步态。触摸屏采取UCGUI编程，UCGUI是一种用于嵌入式应用的图形支撑软件。触摸屏相当于给机器人提供了一个人机交互平台，提供了另一种控制机器人的方案。5课题研究内容

对六脚爬虫机器人进行运动步态规划并搭建机器人的控制系统。该六脚爬虫机器人是仿生昆虫的多自由度多传感器智能机器人，要求对机器人做出多种步态规划，使其满足多种任务。控制系统要求能够控制机器人的18个关节舵机平稳运行，并且安排相应IO口与各功能模块相连接。要求满足以下性能：

机器人可以完成前进，后退，左转，右转，侧移，扭动身躯等简单动作；

机器人有多种步态，如三脚步态，双脚依次迈步步态，单脚依次迈进步态；

机器人可以完成抬脚，越障，简单舞蹈动作；

机器人控制系统稳定，能驱动18个舵机；

机器人可通过无线，触摸屏，传感器检测三种方式运行；

要求机器人行进速度达到6m/min；