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編號:

哈爾濱工業(yè)大學

大一年度項目中期檢查報告

項目名稱：仿生六足機器人

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)大學基礎學部制表

填表日期：2014年6月28日

一、項目團隊成員（包括項目負責人、按順序）

姓名

性別

所在院

學號

身份證號

本人簽字

二、指導教師意見

簽名：

年月日

三、項目專家組意見

1．是否達到中期目標（在□內打√）：

□達到中期目標□基本達到中期目標□未達到中期目標

2．成績評定（在□內打√）：

□合格

□改進后可繼續(xù)執(zhí)行

□不合格，項目實施意見：□提出警告、觀察后再定繼續(xù)執(zhí)行或中止

□中止實施

3．其它意見和建議：

組長簽名：（蓋章）（學部蓋章）

年月日

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四、研究背景

1.研究現(xiàn)狀

4.1國內研究現(xiàn)狀

隨著電子技術發(fā)展，計算機性能的提高，使多足步行機器人技術進入了基于計算機控制的發(fā)展階段。其中有代表性的研究為1993年,美國卡內基-梅隆大學開發(fā)出有纜的八足步行機器人DANTE，圖1所示,用于對南極的埃里伯斯火山進行了考察，其結構由2個獨立的框架構成。這一階段研究的重點在于機器人的運動機構的設計、機器人的步態(tài)生成與規(guī)劃及傳統(tǒng)的控制方法在機器人行走運動控制過程的應用。BostonDynamics公司的BigDog四足機器人用于為軍隊運輸裝備，其高3英尺，重165磅，可以以3.3英里的速度行進，其采用汽油動力。

圖1AdaptiveSuspensionVehicle圖2Odex1步行機器人

圖3MIT腿部實驗室的四足和雙足機器人圖4DANTE步行機器人

由于新的材料的發(fā)現(xiàn)、智能控制技術的發(fā)展、對步行機器人運動學、動力學高效建模方法的提出以及生物學知識的增長促使了步行機器人向模仿生物的方向發(fā)展。

4.2國外研究現(xiàn)狀

我國步行機器人的研究開始較晚，真正開始是在上世紀80年代初。1980年，中國科學院長春光學精密機械研究所采用平行四邊形和凸輪機構研制出一臺八足螃蟹式步行機,主要用于海底探測作業(yè),并做了越障、爬坡和通過沼澤地的試驗。1989年，北京航空航。天大學孫漢旭博士進行了四足步行機的研究，試制成功一臺四足步行機，并進行了步行實驗；錢晉武博士對地、壁兩用六足步行機器人進行了步態(tài)和運動學方面的研究。1991年，上海交通大學馬培蓀等研制出JTUWM系列四足步行機器人，該機器人采用計算機模擬電路兩級分布式控制系統(tǒng),JTUWM-III以對角步態(tài)行走,腳底裝有PVDF測力傳感器，如圖5，同時對多足步行機器人的運動規(guī)劃與控制，以及機器人的腿、臂功能融合和模塊化實現(xiàn)的控制體系及其設計進行了研究。

圖5JTUWM四足步行機器人

2.研究趨勢

根據(jù)美國陸軍1967年調查,地球上近一半的地面不能為傳統(tǒng)的輪式車輛或履帶車輛到達[1],而多足式動物卻可以在這些地面上行走自如.從中得到啟示:輪式車輛在平地運輸中有不可替代的作用,履帶車輛被廣泛應用于沙地和泥濘,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車輛就解決了這些問題,能跨越溝、坎等障礙，并且步進車輛足部落腳點的離散性和面積小的特點使其對坑洼山地的機動性和適應性更強,機器人能夠在足尖點可達范圍內靈活調整行走姿態(tài)并選擇合理的支撐點,使得機器人具有更高的避障和越障能力[2]，同時其運行足部也較輪式車輛和履帶車輛更加輕便.以往各國學者對四足、六足八足步進機的研究中取得了豐碩的成果,但這些步進車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,這不能不說是一種遺憾。足式運輸?shù)膬?yōu)越性使其成為機器人學研究的一個引人注目的熱點.它在航空航天(登月,火星探測)、工農業(yè)生產(chǎn)(西部大開發(fā)、物流自動化機械設備的探測和檢修),軍事國防等領域有廣泛的應用前景。

3.研究意義

它可以較易的跨過比較大的障礙，并且機器人足所具有的大量自由度可以是機器人的運動更加靈活，對凹凸不平的地形的適應能力更強。能夠代替人類完成單調重復的工作，有著更強的適應能力，在高氣溫、瘴氣等惡劣環(huán)境下仍然能精準無誤的完成任務。

項目研究內容及實施方案

我們擬定軀干部分選用亞克力板，易于加工可設計拼接結構，不耐沖擊。

軀干和足之間選用鉚釘連接，連接強度較大，能夠緊、密連接工件。

接觸面積較大的地方選用膠接的方法，應用面廣，不受基本結構限制。

主要驅動方式將選用驅動器采用微型直流角位移伺服電動機，也就是我們常說的舵機。

項目設計共使用12個舵機用于步態(tài)實現(xiàn)。每條腿上有兩個舵機，分別控制髖關節(jié)和膝關節(jié)的運動，舵機安裝呈正交，構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運動自由度，所以只考慮利用三角步態(tài)實現(xiàn)直線行走。

電源線和地線用于提供舵機內部的直流電機和控制線路所需的能源．電壓通常介于4～6V，一般取5V。給舵機供電電源應能提供足夠的功率。控制線的輸入是一個寬度可調的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號的周期為20ms(即頻率為50Hz)。當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。

舵機內部是直流電機驅動，在帶載時啟停的瞬間會產(chǎn)生較大的峰值電流，將舵機供電電源與MCU和IC的供電電源分開，雙線供電能保證控制電路不受驅動電路產(chǎn)生不穩(wěn)定脈沖的干擾。

為保證驅動器電源輸入的穩(wěn)定性，結合電路抗干擾技術，采用合適方法保證電路抗脈沖干擾、抗低頻干擾、抗共模干擾的能力，使12個電機的多驅動系統(tǒng)能夠穩(wěn)定工作。[3]電源采用，鎳氫電池7.4V，1200mA，15CC。

單片機主控系統(tǒng)：AVR單片機ATmega16

軟件設計的基本思想軟件的主要功能是使機器人在向前行進的過程中能夠避開障礙物，即對12個舵機進行調度和控制。可將軟件功能分解為：要避開障礙物，首先應探測到障礙物，其次能繞開障礙物，這就要求機器人能完成前進、后退、左右轉彎等動作。動作協(xié)調完美性的實現(xiàn)，要求了在任一時刻能夠做出12個舵機的同步動作控制。

軟件設計中首先將前進、后退、左右轉彎等高層動作分解，具體到完成一個動作各個舵機所要完成的動作和時序。采用模塊化的設計思想，將對所有舵機的調度做成一個獨立的模塊，所有的高層動作都是通過調用底層舵機控制的模塊來完成。多個舵機的控制是采用多舵機分時控制的思想來實現(xiàn)的。

接下來是機器人的運動方式，該機器人將采用三角步態(tài)來實現(xiàn)爬行。如下圖

機器人開始運動時，六條腿先同時著地，然后2、4、6三條腿抬起進行向前擺動的姿態(tài)準備，另外三條腿1、3、5處于支撐狀態(tài)，支撐起機器人本體以確保機器人的重心位置始終處于三條支腿所構成的三角形內，使機器人處于穩(wěn)定狀態(tài)而不至于摔倒，擺動腿2、4、6抬起向前跨步(如圖2.1(b)所示)，支撐腿1、3、5一面支撐機器人本體，一面在動力的作用下驅動機器人機體向前運動半步長s(如圖2.1(c)所示)。在機器人機體移動結束后，擺動腿2、4、6立即放下，呈支撐態(tài)，使機器人的重心位置處于2、4、6三腿支撐所構成的三角形穩(wěn)定區(qū)內，同時原來的支撐腿1、3、5經(jīng)短暫停留后抬起并準備向前跨步(如圖2.1(d)所示)，當擺動腿1、3、5向前跨步時(如圖2.1(e)所示)，支撐腿2、4、6此時一面支撐機器人，一面驅動機器人本體，使機器人機體向前行進半步長s(如圖2-1(f)所示)，如此不斷循環(huán)往復，以實現(xiàn)機器人的向前運動，由于設計速度并不是非常精確，所以其行進軌跡并不是一條筆直的直線。

爬行機器人的腿部結構是機器人運動活動最多的部位，也是主要的執(zhí)行機構，機構型式的好壞，將直接影響到整個系統(tǒng)的整體性能。多足爬行機器人的腿有多種形式。常見的有縮放式、伸縮式及關節(jié)式等，不同的腿部結構形式又具有不同的特點。

為了滿足六足爬行機器人腿功能的要求。我選擇關節(jié)式腿這樣的結構形式，不僅可以承受較大的負載，而且可以減小運動空間，簡化了結構。六足機器人的六條腿對稱分布在機器人機身兩側，每條腿由三段組成，各段之間由關節(jié)連接，當機器人站立在水平地面時，關節(jié)1的轉軸垂直于地面，關節(jié)2和關節(jié)3的轉軸平行于地面。

控制系統(tǒng)方面將采用如下框圖

六、進度情況

6.1初步取得的成果

底部采用半圓頭，適應性強，較易地跨過比較大的障礙（如溝、坎等）。

股節(jié)裝配體圖

由舵機通過一個四桿機構A2B2C2D2，帶動股節(jié)D2G上下擺動，實現(xiàn)抬腿運動。

脛節(jié)裝配體圖

由舵機通過四桿機構A1B1C1D1和D1E1F1G，帶動脛節(jié)GH擺動，實現(xiàn)左右搖擺運動。

單足組裝圖

第一個自由度，由舵機直接帶動轉節(jié)前后擺動，從而使整條腿前后擺動。

第二個自由度，由舵機通過一個四桿機構A2B2C2D2，帶動股節(jié)D2G上下擺動，

第三個自由度，由舵機通過四桿機構A1B1C1D1和D1E1F1G，帶動脛節(jié)GH擺動，實現(xiàn)左右搖擺運動。

機器人腿部完整的機構簡圖如圖6所示。三個自由度的原動件分別為軸OO1、桿A2B2和桿A1B1，它們都是由舵機直接驅動。

圖6舵機三維圖

由單片機控制舵機旋轉，然后再由舵機控制每個自由度的運動軌跡。

圖7固定架圖

用于連接軀體和腿部，由于結構的復雜性，因此多處需要焊接來實現(xiàn)。

用于連接腿部機構，并安裝單片機以實現(xiàn)六足行走機器人的智能化。

圖八三維組裝圖

6.2當前遇到的困難

大二下學期專業(yè)課消耗時間較多，因復習備考的需要，不得不縮減科創(chuàng)上的時間；而有關科創(chuàng)上，單片機的學習、程序的學習和編程等都需要我們從零點開始，一步步客服無知而完成預定目標，這從客觀上限制了我們的進度進展。

6.3下一步工作計劃

單片機程序編譯工作，制作出和三維模型基本相符的樣本進行調試與優(yōu)化，并準備好結題答辯。

七、結題預期目標

進行運動學仿真，查看運動合理性；進行受力分析，驗證結構強度、剛度修改并敲定最后的尺寸，開始編程工作。

根據(jù)確定的方案，進行功能模塊軟件開發(fā)；按照所敲定的尺寸購買零件，開始組裝。

導入程序并對整體進行最后的調試與修改，制作機械部件、硬件電路和調試。

軟硬件整體組裝、調試、優(yōu)化，并制作出最終樣本。

撰寫結題報告并準備結題答辯。

八、小組分工

閆振，趙京昊：負責六足機器人的三維建模，進行合理的力學結構分析，確定相關尺寸并查閱相關三維建模的書籍。

王志強

晏理邦：負責單片機的編譯，進行硬件軟件的調試工作，最后進行機器人的步態(tài)和運動機構的合理調試。

穆思宇：負責零件，材料的購買，完成部件的尺寸切割和加工。

九、制作費用（單位：元）

序號

名稱

型號

數(shù)量

單價

合計

備注

舵機

18

50

900

Arduino套件

1

500

500

含傳感器，通訊模塊

面包板

3

10

30

舵機控制器

1

200

200

航模電池

1

200

200

有機玻璃板

4

20

80

含加工費

電線、螺母、工具等

若干

280

總計

2190

十、參考文獻

【1】雷靜桃，高峰，崔瑩.多足步行機器人的研究現(xiàn)狀