仿生六足機器人立項報告

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1、 編號： 哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院 基于項目學習的仿生機器人大賽 項目申請書 項目名稱： 六足仿生機器人 項目負責人： 學號： 聯(lián)系電話： 電子郵箱： 院系及專業(yè)： 機電工程學院 指導教師： 職稱： 聯(lián)系電話： 電子郵箱： 院系及專業(yè)： 機電工程學院 哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院制表 填表日期：20

2、14年4月8日 項目名稱： 六足仿生機器人 一、課題組成員： 姓名 性別 專業(yè)方向 班級 學號 本人簽字 二、指導教師意見： 簽 名： 年 月 日 三、學

3、院專家組意見： 組長簽名： （ 蓋 章 ） 年 月 日 7 四、立項報告 1、項目簡介 本項目圍繞六足仿生機器人的前沿技術，主要仿生對象為螞蟻，主要實現(xiàn)機器人前后左右移動，具有良好仿生特性，研究具有抗沖擊性以及地形適應能力的仿生機構(gòu)設計技術，六足仿生機器人系統(tǒng)模型；研究六足機器人適

4、應不同地形環(huán)境的能力。研制系統(tǒng)設計與仿真等核心單元。研制高速、高負載能力、對典型非結(jié)構(gòu)化地形具有高適應能力的六足仿生機器人，并開展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、地形適應能力以及抗擾動控制實驗驗證。 2、立項背景 人們對機器人的幻想與追求已有3000多年的歷史，人類希望制造一種像人一樣的機器，以便代替人類完成各種工作。1959年，第一臺工業(yè)機器人在美國誕生，近幾十年，各種用途的機器人相繼問世，使人類的許多夢想變成了現(xiàn)實。隨著機器人工作環(huán)境和工作任務的復雜化，要求機器人具有更高的運動靈活性和在特殊未知環(huán)境的適應性，機器人簡單的輪子和履帶的移動機構(gòu)已不能適應多變復雜的環(huán)境要求。在仿生技術、控制技術和制造技術不斷發(fā)展

5、的今天，各種各樣的仿生機器人相繼被研制出來，仿生機器人已經(jīng)成為機器人家族中的重要成員。 美國、日本、德國、英國、法國等國家都開展了蛇形機器人的研究，并研制出許多樣機。日本東京大學的Hirose教授從仿生學的角度，在1972年研制了第一臺蛇形機器人樣機。美國卡內(nèi)基--梅隆大學近日研究出一種可以攀爬管道的蛇形機器人，這種蛇形機器人大部分由輕質(zhì)的鋁或塑料組成，最大也只有成人手臂大小。機器人配有攝像機和電子傳感器，可以接受遙控指揮。蛇形機器人可以成功上下一根塑料管道，并可以跨越廢墟碎片間的巨大空隙以及在草叢中來去自由。讓蛇形機器人在坍塌廢墟中穿梭，能更快地找到幸存者，為災難救援工作帶來了技術突破。在

6、國內(nèi)，上海交通大學、中科院沈陽自動化研究所、國防科技大學等單位相繼研制出了蛇形機器人樣機。 通過參加本次活動，我們能夠?qū)W會對單片機的應用，加深對機械原理知識的理解，增強動手能力及團隊協(xié)作能力，為將來進一步學習機械相關知識打下良好基礎。 對于六足仿生機器人，在美國國防部高級計劃研究署的資助下，BostonDynamic公司與美國賓夕法尼亞大學、卡內(nèi)基--梅隆大學、加州大學伯克利分校。斯坦福大學以及路易斯-克拉克大學共同開發(fā)的六足仿生機器人于2008年面世。這款機器人長約25厘米，重約2千克，爬行速度為0.3米/秒。每條腿均由兩個馬達驅(qū)動，由多個感應器來

7、探測周圍的環(huán)境并由內(nèi)置的電腦分析后發(fā)布指令來控制每條腿的動作。它可以以非常協(xié)調(diào)的動作攀爬墻壁、樹木等垂直的平面，而且能夠根據(jù)不同的弧度做出不同的動作以保持平衡，就像是一只慢速爬行的壁虎一樣。 3、項目方案 3.1機器人功能介紹 可實現(xiàn)前進后退轉(zhuǎn)彎等基本動作，對小障礙物越過、大障礙物繞開，具有遙控模式，可通過無線裝置無線控制。 3.2機器人機械結(jié)構(gòu) 3.2.1舵機在仿生機器人中的應用： 舵機具有以下一些特點： 1) 體積緊湊，便于安裝； 2) 輸出力矩大，穩(wěn)定性好； 3) 控制簡單，便于和數(shù)字系統(tǒng)接口。 圖3.2.1 正是因為舵機有很多優(yōu)點，所以，

8、現(xiàn)在不僅僅應用在航模運動中，已經(jīng)擴展到各種機電產(chǎn)品中來，在機器人控制中應用更是越來越廣泛。 一個仿生機器人，機器人各個關節(jié)都有一定的自由度數(shù)，而每個舵機正是實現(xiàn)其中一個個關節(jié)在一個自由度上的運動。這樣，機器人有幾個自由度，一般就需要幾個舵機。 考慮到六足機器人需要實現(xiàn)前進，后退，轉(zhuǎn)彎等功能，每條腿至少需要3個自由度即需要三個舵機控制它的活動。腿與軀干部分需要兩個舵機，膝關節(jié)處一個。參考圖片如圖所示。 3.2.2軀干部分使用的材料---有機玻璃 有機玻璃又叫亞克力， 這種高分子透明材料的化學名稱叫聚甲基丙烯酸甲酯，英文簡稱PMMA，是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的。特點是表面光滑、色彩艷麗，

9、比重小，強度較大，耐腐蝕，耐濕，耐曬，絕緣性能好，隔聲性好適合做航模機器人等 3.3機器人控制系統(tǒng)開發(fā) 機器人有了主體結(jié)構(gòu)和機械結(jié)構(gòu)以后，要想讓它真正動起來以實現(xiàn)預期的功能，必須要有控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)是機器人的中樞神經(jīng)，所有想要實現(xiàn)的功能和指令都要通過它來控制機器人的各個伺服機構(gòu)做出相應的動作，而傳感器測量到的數(shù)據(jù)都要傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)進行處理。所以說控制系統(tǒng)的開發(fā)是機器人開發(fā)的核心?？梢哉f一個機器人的好壞很大程度上取決于控制系統(tǒng)和控制算法設計的好壞。 3.3.1 開發(fā)工具 Arduino 是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的arduino板）和軟件（ardui

10、no IDE)。對Arduino的編程是利用 Arduino編程語言 (基于 Wiring)和Arduino開發(fā)環(huán)境(based on Processing)來實現(xiàn)的?；贏rduino的項目，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上運行的軟件，他們之間進行通信 (比如 Flash, Processing, MaxMSP)來實現(xiàn)。 使用Arduino開發(fā)有很多優(yōu)勢：開放源代碼的電路圖設計，程序開發(fā)接口免費下載，也可依個人需求自己修改。使用低價格的微處理控制器(AVR系列控制器)，可以采用USB接口供電，不需外接電源，也可以使用外部9VDC輸入；Arduino支持I

11、SP在線燒，可以將新的“bootloader”固件燒入AVR芯片；有了bootloader之后，可以通過串口或者USB to Rs232線更新固件；支持多種互動程序，如：Flash、Max/Msp、VVVV。圖3.3.1 為Arduino開發(fā)板 圖3.3.1 3.3.2 控制系統(tǒng)原理設計 系統(tǒng)控制對象為：伺服電機（或舵機）、電機控制器。它們的控制關系為遞進關系。首先系統(tǒng)軟件控制串口發(fā)送控制字節(jié)到伺服電機控制器，伺服電機控制器發(fā)出PWM信號到伺服電機，伺服電機根據(jù)驅(qū)動信號運轉(zhuǎn)相應的角度。 為實現(xiàn)六足機器人的避障功能，必須要有傳感器來感知障礙物的距離。具備這種功能的如超聲波傳感器，和紅

12、外線距離傳感器。傳感器通過模擬接口將數(shù)據(jù)送到控制板中，控制芯片在對信號進行處理，從而做出相應的反應，并將動作信號通過PWM接口傳送到電機控制板中，控制舵機做出相應的動作。 通訊功能要通過專門的通訊模塊來實現(xiàn)比如GSM模塊，Bluetooth模塊，WIFI模塊等，控制器的信號通過通訊模塊傳輸?shù)娇刂瓢逯?，從而對機器人的姿態(tài)進行無線控制。 3.3.3 控制算法開發(fā) Arduino 語言是建立在 C/C++基礎上的，其實也就是基礎的 C 語言，使用平臺提供的開發(fā)軟件——Arduino IDE進行開發(fā)。Arduino 語言只不過把 AVR 單片機（微控制器）相關的一些寄存器參數(shù)設置等都函數(shù)化了，不

13、用我們?nèi)チ私馑牡讓?，讓不太了?AVR 單片機（微控制器）的人也能輕松上手。 由于Arduino芯片中已經(jīng)燒錄了Bootloader程序，所以編寫好的程序不需要連接器可以直接通過USB接口燒錄到芯片中非常方便。 4、特色與創(chuàng)新 六足機器人機動性好，靈活度高，適應能力強。 5、小組成員分工 每個小組成員在各個方面都有參與，主要分工如下： 許修宇：學習單片機，C語言。機械機構(gòu)設計 張高鵬：學習單片機，C語言。選擇材料，程序編寫及其調(diào)試。 鄧振強：學習單片機，C語言。零件圖紙繪制。 劉宇超：學習單片機，C語言。步態(tài)規(guī)劃，三維建模。 游賢遇：學習單片機，C語言。采購零件及加工。

14、 6、進度安排 4月---完成方案設計，三維建模，步態(tài)規(guī)劃，圖紙繪制。 5月---主要實現(xiàn)完成機械部分方案的優(yōu)化，材料部件的選取。單片機的學習，程序的編寫。 6月---確定最終方案，完成機器人的零件加工。 7月---組裝調(diào)試，完成最終優(yōu)化工作。 7、中期目標及考核方式 中期目標主要實現(xiàn)完成機械部分方案的設計及優(yōu)化，完成零件圖繪制，步態(tài)規(guī)劃，材料部件的選取。單片機的學習，程序的編寫，零件的加工。 8、制作費用 單位：元 序號 名稱 型號 數(shù)量 單價 合計 備注 1. 舵機 18 25 4

15、50 2. Arduino套件 1 280 280 3. 面包板 1 8 8 4. 舵機控制器 1 90 90 5. 航模電池 1 80 80 6. 有機玻璃板 6 10 100 含加工費 7. 電線螺母等 若干 50 8. 總計 1050 參考文獻： [1] Simon Monk著；唐樂譯. Arduino+Android互動制作[M]. 北京. 科學出版社，2012 [2] 徐小云，顏國正等. 六足移動式微型仿生機器人的研究[J]. 機器人，2012.9 [3] 王知行，鄧宗全. 機械原理[M]. 北京：高等教育出版社，2006.5