1、前前 言言 隨著仿生學(xué)與機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，仿生機(jī)器人已日益成為機(jī)器人領(lǐng)域的研究 熱點(diǎn)。仿生學(xué)將有關(guān)生物學(xué)原理應(yīng)用到對(duì)工程系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)中，尤其對(duì)當(dāng)今日益 發(fā)展的機(jī)器人科學(xué)起到了巨大的推動(dòng)作用3。當(dāng)代機(jī)器人研究的領(lǐng)域已經(jīng)從結(jié)構(gòu)環(huán) 境下的定點(diǎn)作業(yè)中走出來(lái)，向航空航天、星際探索、海洋探索、水下洞穴探索、軍事 偵察、軍事攻擊、軍事防御、水下地下管道探測(cè)與維修、疾病檢查治療、搶險(xiǎn)救災(zāi)等 非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主作業(yè)方面發(fā)展，未來(lái)的機(jī)器人將在人類不能或難以到達(dá)的已知或 未知環(huán)境里工作。人們要求機(jī)器人不僅要適應(yīng)原來(lái)結(jié)構(gòu)化的、己知的環(huán)境，更要適應(yīng) 未來(lái)發(fā)展中的非結(jié)構(gòu)化的、未知的環(huán)境。除了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，人們也

2、把目光對(duì)準(zhǔn)了 生物界，力求從豐富多彩的動(dòng)植物身上獲得靈感，將它們的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和行為方式運(yùn)用 到對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)理和控制的研究中，這就是仿生學(xué)在機(jī)器人科學(xué)中的應(yīng)用。 本文結(jié)合當(dāng)前仿生機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與未來(lái)發(fā)展方向，以慧魚(yú)機(jī)器人模型為平臺(tái) 制作對(duì)機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)的軟件編程進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計(jì)及介紹?，F(xiàn)對(duì) 研究和實(shí)驗(yàn)當(dāng)中取得的主要成果總結(jié)如下： 1通過(guò)對(duì)甲蟲(chóng)六條腿的結(jié)構(gòu)與功能的研究，設(shè)計(jì)了六足仿生機(jī)器人的足的結(jié)構(gòu)， 實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的結(jié)構(gòu)仿生。 2在對(duì)仿生模型的結(jié)構(gòu)仿生與運(yùn)動(dòng)仿生分析的基礎(chǔ)上，確定了采用慧魚(yú) ROBO 接 口板作為控制器。 3利用慧魚(yú) ROBO 接口板實(shí)現(xiàn)了電機(jī)和微動(dòng)的控制，從而對(duì)

3、機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)控制 。 4根據(jù)三角步態(tài)原理，設(shè)計(jì)了前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎等不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。并對(duì)機(jī)器 人進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)分析，得出了一般的結(jié)論。 5以慧魚(yú)公司開(kāi)發(fā)的編程軟件：ROBO PRO，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行軟件編程，使它按規(guī) 定的路線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其運(yùn)動(dòng)的控制。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的和意義是綜合運(yùn)用大學(xué)四年里所學(xué)到的基礎(chǔ)理論知識(shí)達(dá)到設(shè) 計(jì)目的并提高自己分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，提高機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、操縱機(jī)構(gòu)的 設(shè)計(jì)能力及運(yùn)用 PRO/E 設(shè)計(jì)軟件的建模能力，并增強(qiáng)自身的動(dòng)手能力與計(jì)算機(jī)編程能 力。 本課題的研究前景十分廣闊。例如，可以通過(guò)對(duì)海蟹的研究，進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)，制 造出海陸兩用的仿生機(jī)器人，建立基于環(huán)境適應(yīng)行

4、為的智能運(yùn)動(dòng)控制策略。在此基礎(chǔ) 上，為未來(lái)智能化近海兩棲作戰(zhàn)新概念武器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析提供新方法。 對(duì)于跟蹤國(guó)際先進(jìn)軍事技術(shù)，建立新型作戰(zhàn)武器有重要意義。同時(shí)，開(kāi)展對(duì)海的 研究也可以為水下科學(xué)考察、海底探礦等領(lǐng)域的新型機(jī)器人的開(kāi)發(fā)打下理論基礎(chǔ)。在 對(duì)未知空間的探索方面也有極大的發(fā)展空間。例如，令人討厭的蒼蠅，與宏偉的航天 事業(yè)似乎風(fēng)馬牛不相及，但仿生學(xué)卻把它們緊密地聯(lián)系起來(lái)了。蒼蠅是聲名狼藉的 “逐臭之夫” ，凡是腥臭污穢的地方，都有它們的蹤跡。蒼蠅的嗅覺(jué)特別靈敏，遠(yuǎn)在 幾千米外的氣味也能嗅到。但是蒼蠅并沒(méi)有“鼻子” ，它靠什么來(lái)充當(dāng)嗅覺(jué)的呢? 原 來(lái)，蒼蠅的“鼻子”嗅覺(jué)感受器分布在頭部的一對(duì)觸

5、角上。 每個(gè)“鼻子”只有一個(gè)“鼻孔”與外界相通，內(nèi)含上百個(gè)嗅覺(jué)神經(jīng)細(xì)胞。若有氣 味進(jìn)入“鼻孔” ，這些神經(jīng)立即把氣味刺激轉(zhuǎn)變成神經(jīng)電脈沖，送往大腦。大腦根據(jù) 不同氣味物質(zhì)所產(chǎn)生的神經(jīng)電脈沖的不同，就可區(qū)別出不同氣味的物質(zhì)。因此，蒼蠅 的觸角像是一臺(tái)靈敏的氣體分析儀。 仿生學(xué)家由此得到啟發(fā)，根據(jù)蒼蠅嗅覺(jué)器的結(jié)構(gòu)和功能，仿制成一種十分奇特 的小型氣體分析儀。這種儀器的“探頭”不是金屬，而是活的蒼蠅。就是把非常纖細(xì) 的微電極插到蒼蠅的嗅覺(jué)神經(jīng)上，將引導(dǎo)出來(lái)的神經(jīng)電信號(hào)經(jīng)電子線路放大后，送給 分析器；分析器一經(jīng)發(fā)現(xiàn)氣味物質(zhì)的信號(hào)，便能發(fā)出警報(bào)。這種儀器已經(jīng)被安裝在宇 宙飛船的座艙里，用來(lái)檢測(cè)艙內(nèi)氣體的

6、成分。這種小型氣體分析儀，也可測(cè)量潛水艇 和礦井里的有害氣體。利用這種原理，還可用來(lái)改進(jìn)計(jì)算機(jī)的輸入裝置和有關(guān)氣體色 層分析儀的結(jié)構(gòu)原理中。 也可以對(duì)陸生的甲蟲(chóng)和蜈蚣等腿部運(yùn)動(dòng)的分析核研究制造出相應(yīng)的產(chǎn)品，應(yīng)用于 軍事，工業(yè)和科研。 目 錄 摘 要 .I ABSTRACT .II 第 1 章 緒 論 .1 1.1 仿生機(jī)器人概述.1 1.2 仿生型多足步行機(jī)器人技術(shù)綜述.2 1.2.1 國(guó)外仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀 .2 1.2.2 國(guó)內(nèi)仿生機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 .4 1.3 多足機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù).5 1.3.1 協(xié)調(diào)控制問(wèn)題 .6 1.3.2 信息融合問(wèn)題 .6 1.3.3 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題 .6 1.3

7、.4 微傳感和微驅(qū)動(dòng)問(wèn)題 .6 1.3.5 能源問(wèn)題 .6 第 2 章 仿生機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案的確定 .8 2.1 概述機(jī)構(gòu)模型.8 2.2 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).8 2.2.1 六面連接體設(shè)計(jì) .8 2.2.2 步行足的結(jié)構(gòu)模型 .9 2.2.3 仿生六足蟲(chóng)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu) .10 2.2.4 骨架的搭建 .11 第 3 章 仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .12 3.1 腿部的運(yùn)動(dòng)分析和設(shè)計(jì).12 3.2 傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).12 3.3 步態(tài)規(guī)劃及分析.13 3.3.1 關(guān)于步態(tài)的參數(shù)描述 .13 3.3.2 三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)原理.14 第 4 章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .16 4.1 控制的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì).16

8、4.2 慧魚(yú) ROBO 接口板介紹.16 4.2.1 外形尺寸和重量.16 4.2.2 電源 9V 直流，1000M.16 4.2.3 處理器和存儲(chǔ)器.16 4.2.4 輸出 M1-M4 或者 O1-O8 .16 4.2.5 數(shù)字量輸入 I1-I8 .17 4.2.6 模擬阻抗輸入 AX 和 AY .17 4.2.7 模擬電壓輸入 A1 和 A2 .17 4.2.8 距離傳感器輸入 D1 和 D2 .17 4.2.9 紅外線（IR）輸入.17 4.2.10 USB 接口和串口 .17 4.2.11 接口的選擇.18 4.2.12 端口的固定設(shè)置.18 4.2.13 紅外測(cè)試功能.18 4.2.

9、14 26 針插槽 .18 4.2.15 I/O 擴(kuò)展板用插槽 .19 4.2.16 無(wú)線射頻通信模塊用插槽.19 4.2.17 對(duì)接口板的程序控制 .19 4.3 ROBO 接口板與機(jī)器人的連接 .22 4.4 軟件系統(tǒng).22 4.4.1 軟件介紹 .22 4.4.2 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 .22 4.4.3 程序設(shè)計(jì) .23 第 5 章 運(yùn)動(dòng)仿真 .26 5.1 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù).26 5.1.1 基于 proe 的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真 .26 5.1.2 實(shí)物仿真 .28 第 6 章 總結(jié)與展望 .30 致 謝 .31 參考文獻(xiàn) .32 摘 要 隨著仿生學(xué)與機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，仿生機(jī)器人已日益成為機(jī)器人領(lǐng)

10、域的研究 熱點(diǎn)。本論文結(jié)合理論與實(shí)踐，對(duì)仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)與控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究。 本論文主要研究?jī)?nèi)容包括仿生機(jī)器人的總體方案設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)?？傮w方案設(shè)計(jì)主要討論了仿生機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié) 構(gòu)，機(jī)器人足的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)主要分析了腿部的運(yùn)動(dòng),機(jī)器人的運(yùn) 動(dòng)規(guī)劃和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)是采用的慧魚(yú) ROBO 接口板。軟件設(shè)計(jì)是 結(jié)合慧魚(yú)公司開(kāi)發(fā)的編程軟件（robot pro）進(jìn)行編程。運(yùn)用 PROE 對(duì)機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng) 仿真，并通過(guò)試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)要求。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：仿生機(jī)器人，結(jié)構(gòu)，控制，編程，運(yùn)動(dòng)仿真 ABSTRACT With the

11、 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 p

12、rogram 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

13、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 in

14、troduced to PROE software for dynamic simulation, then realize the requirement of the design through the experimentation. Keywords: Bionic hexapodrobot，Structure，Control，Programming, Dynamic simulation 第 1 章 緒 論 1.11.1 仿生機(jī)器人概述仿生機(jī)器人概述 仿生學(xué)是研究生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)以為工程技術(shù)提供新的設(shè)計(jì)思想及工作原理 的科學(xué)。 仿生學(xué)一詞是 1960 年由美國(guó)斯蒂爾根據(jù)拉丁文“

15、bios”(生命方式的意思)和字 尾“nlc”(“具有的性質(zhì)”的意思)構(gòu)成的。 仿生學(xué)（bionics）在具有生命之意的希臘語(yǔ) bion 上，加上有工程技術(shù)涵義的 ics 而組成的詞。大約從 1960 年才開(kāi)始使用。生物具有的功能迄今比任何人工制造的 機(jī)械都優(yōu)越得多，仿生學(xué)就是要在工程上實(shí)現(xiàn)并有效地應(yīng)用生物功能的一門(mén)學(xué)科。例 如關(guān)于信息接受（感覺(jué)功能） 、信息傳遞（神經(jīng)功能） 、自動(dòng)控制系統(tǒng)等，這種生物體 的結(jié)構(gòu)與功能在機(jī)械設(shè)計(jì)方面給了很大啟發(fā)?？膳e出的仿生學(xué)例子，如將海豚的體形 或皮膚結(jié)構(gòu)（游泳時(shí)能使身體表面不產(chǎn)生紊流）應(yīng)用到潛艇設(shè)計(jì)原理上。仿生學(xué)也被 認(rèn)為是與控制論有密切關(guān)系的一門(mén)學(xué)科，而

16、控制論主要是將生命現(xiàn)象和機(jī)械原理加以 比較，進(jìn)行研究和解釋的一門(mén)學(xué)科。 蒼蠅，是細(xì)菌的傳播者，誰(shuí)都討厭它?？墒巧n蠅的楫翅（又叫平衡棒）是“天然 導(dǎo)航儀” ，人們模仿它制成了“振動(dòng)陀螺儀” 。這種儀器目前已經(jīng)應(yīng)用在火箭和高速飛 機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)駕駛。蒼蠅的眼睛是一種“復(fù)眼” ，由 30O0 多只小眼組成，人們模 仿它制成了“蠅眼透鏡” 。 “蠅眼透鏡”是用幾百或者幾千塊小透鏡整齊排列組合而成 的，用它作鏡頭可以制成“蠅眼照相機(jī)” ，一次就能照出千百?gòu)埾嗤南嗥?。這種照 相機(jī)已經(jīng)用于印刷制版和大量復(fù)制電子計(jì)算機(jī)的微小電路，大大提高了工效和質(zhì)量。 “蠅眼透鏡”是一種新型光學(xué)元件，它的用途很多。 自然

17、界形形色色的生物，都有著怎樣的奇異本領(lǐng)？它們的種種本領(lǐng)，給了人類哪 些啟發(fā)？模仿這些本領(lǐng)，人類又可以造出什么樣的機(jī)器？這里要介紹的一門(mén)新興科學(xué) 仿生學(xué)。 仿生學(xué)是指模仿生物建造技術(shù)裝置的科學(xué)，它是在本世紀(jì)中期才出現(xiàn)的一門(mén)新的 邊緣科學(xué)。仿生學(xué)研究生物體的結(jié)構(gòu)、功能和工作原理，并將這些原理移植于工程技 術(shù)之中，發(fā)明性能優(yōu)越的儀器、裝置和機(jī)器，創(chuàng)造新技術(shù)。從仿生學(xué)的誕生、發(fā)展， 到現(xiàn)在短短幾十年的時(shí)間內(nèi)，它的研究成果已經(jīng)非常可觀。仿生學(xué)的問(wèn)世開(kāi)辟了獨(dú)特 的技術(shù)發(fā)展道路，也就是向生物界索取藍(lán)圖的道路，它大大開(kāi)闊了人們的眼界，顯示 了極強(qiáng)的生命力。 仿生學(xué)是 20 世紀(jì) 60 年代出現(xiàn)的一門(mén)綜合性邊緣

18、科學(xué)它由生命科學(xué)與工程技術(shù) 學(xué)科相互滲透、相互結(jié)合而成，通過(guò)學(xué)習(xí)、模仿、復(fù)制和再造生物系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能、 工作原理及控制機(jī)制，來(lái)改進(jìn)現(xiàn)有的或創(chuàng)造性的機(jī)械、儀器、建筑和工藝過(guò)程。仿生 學(xué)將有關(guān)生物學(xué)原理應(yīng)用到對(duì)工程系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)中，尤其對(duì)當(dāng)今日益發(fā)展的機(jī)器 人科學(xué)起到了巨大的推動(dòng)作用口當(dāng)代機(jī)器人研究的領(lǐng)域已經(jīng)從結(jié)構(gòu)環(huán)境下的定點(diǎn)作業(yè) 中走出來(lái)向航空航天、星際探索、軍事偵察與攻擊、水下地下管道探測(cè)與維修、疾病 檢查治療、搶險(xiǎn)救災(zāi)等非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主作業(yè)方面發(fā)展未來(lái)的機(jī)器人將在人類不 能或難以到達(dá)的已知或未知環(huán)境里工作。人們要求機(jī)器人不僅要適應(yīng)原來(lái)結(jié)構(gòu)化的、 已知的環(huán)境，更要適應(yīng)未來(lái)發(fā)展中的非結(jié)構(gòu)化

19、的、未知的環(huán)境。除了傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法， 人們也把目光對(duì)準(zhǔn)了生物界，力求從豐富多彩的動(dòng)植物身上獲得靈感，將它們的運(yùn)動(dòng) 機(jī)理和行為方式運(yùn)用到對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)理和控制的研究中，這就是仿生學(xué)在機(jī)器人科 學(xué)中的應(yīng)用。這一應(yīng)用已經(jīng)成為軍用機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展方向之一。 最新發(fā)展：仿生學(xué)與遺傳學(xué)的整合是系統(tǒng)生物工程（systems bio- engineering）的理念，也就是發(fā)展遺傳工程的仿生學(xué)。人工基因重組、轉(zhuǎn)基因技術(shù) 是自然重組、基因轉(zhuǎn)移的模仿，還天然藥物分子、生物高分子的人工合成是分子水平 的仿生，人工神經(jīng)元、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、細(xì)胞自動(dòng)機(jī)是細(xì)胞系統(tǒng)水平的仿生，跟隨單基因遺 傳學(xué)、單基因轉(zhuǎn)移發(fā)展到多基

20、因系統(tǒng)調(diào)控研究的系統(tǒng)遺傳學(xué)（system genetics） 、多 基因轉(zhuǎn)基因的合成生物學(xué)（synthetic biology） ，以及納米生物技術(shù)（nano- biotechnology） 、生物計(jì)算（bio - computation、DNA 計(jì)算機(jī)技術(shù)的系統(tǒng)生物工程發(fā) 展，仿生學(xué)已經(jīng)全面發(fā)展到一個(gè)從分子、細(xì)胞到器官的人工生物系統(tǒng)（artificial biosystem）開(kāi)發(fā)的時(shí)代。 1.21.2 仿生型多足步行機(jī)器人技術(shù)綜述仿生型多足步行機(jī)器人技術(shù)綜述 1.2.1 國(guó)外仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀 由于仿生機(jī)器人所具有的靈巧動(dòng)作對(duì)于人類的生產(chǎn)和科研活動(dòng)有著極大的幫助， 所以，自 80 年代中期以

21、來(lái)，機(jī)器人科學(xué)家們就開(kāi)始了有關(guān)仿生機(jī)器人的研究 。 （1）LAURON 系列六足機(jī)器人 德國(guó)的卡爾斯魯厄大學(xué)的 KarstenBetas 教授所領(lǐng)導(dǎo)的研究小組對(duì)多足仿生機(jī)器 人進(jìn)行了多年的研究。比較有代表性的研 究成果是他們研制的 LAURON 系列六足機(jī) 器人（如圖 1.1 所示）該機(jī)器人由軀體、 頭部和六條相同的足構(gòu)成。軀體裝載有微 控制器、處理單元、電源和攝像頭所有部 件都裝在本體上，因此可以滿足自主性的 要求。它總重 16kg，長(zhǎng)寬均為 70cm，最 大承載 15kg 最大行進(jìn)速度為 05ms。 它裝有多種傳感器，包括軸編碼器、力阻 傳感器、傾角傳感器、紅外測(cè)距傳感器以及用作視覺(jué)傳感器

22、所的攝像頭。通過(guò)對(duì)多種 傳感器反饋信號(hào)的處理，LAURONII 可以實(shí)現(xiàn)不平地面上的自主運(yùn)動(dòng)。 （2）Hamlet 仿昆蟲(chóng)六足步行機(jī)器人 新西蘭的坎特伯雷大學(xué) (University of Canterbury)在 2000 年底研制成功了一種微型伺服電機(jī)驅(qū) 動(dòng)的六足步行機(jī)器人。它是以竹節(jié)蟲(chóng) 為生物模擬對(duì)象的具有全方位步態(tài)的 步行機(jī)器人(如圖 12 所示)。該機(jī)器 人共有六條三關(guān)節(jié)的步行足，單個(gè)關(guān) 節(jié)由一臺(tái)功率為 IOW 的 Maxon 電機(jī)驅(qū) 動(dòng)通過(guò)齒輪箱減速輸出 45Nm 的扭矩。 每條步行足端部裝有一個(gè)框架應(yīng)變結(jié) 構(gòu)的三維力傳感器并使用碳纖維包覆的保護(hù)稍對(duì)接觸地面的足端進(jìn)行保護(hù)。該機(jī)器人

23、 采用二級(jí)分布式控制框架，硬件部分采用了集成了 2 個(gè) MS320C44 芯片的集成控制板 卡對(duì)關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)信號(hào)和力、姿態(tài)傳感器信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算。該機(jī)器人尺寸為 650mmX500mmX400mm，重 12.7kgt 能 以 02ms 的平均速度在復(fù)雜地形 中自主行走運(yùn)動(dòng)并具有越障能力。 (3)Lobstei 機(jī)器龍蝦 在美國(guó)的國(guó)防高級(jí)研究項(xiàng)目代理 圖 1.1 LAURON 圖 1.2 Hamlet 機(jī)器人 圖 1.3 Lobstei 機(jī)器龍蝦 部(Defense Advanced Research Projects Agency DARPA)資助下，美國(guó)海軍與馬薩 產(chǎn)品公司和波士頓的東北大學(xué)聯(lián)合

24、研究的仿龍蝦八足步行機(jī)器人（如圖 1.3 所示）可 以在海底進(jìn)行水雷搜索和引爆的作業(yè)。它包括 48 英寸的殼體，殼體由 8 條 3 自由 度腿驅(qū)動(dòng)，能夠浮游與爬行，頭部裝有 2 個(gè)鉗子，起到液動(dòng)控制舵的作用，尾部伸出 8 英寸長(zhǎng)的水流動(dòng)力控制平面來(lái)保持穩(wěn)定。機(jī)器龍蝦的關(guān)節(jié)動(dòng)作采用肌肉型驅(qū)動(dòng)器(用 形狀記憶合金鎳欽諾做成的力可恢復(fù)型人造肌肉)控制。該控制器采用了一套決定機(jī) 器龍蝦行為的行為庫(kù)，行為庫(kù)是基于圍繞決定機(jī)器龍蝦行動(dòng)的一組狀態(tài)變量而組織的 命令。同時(shí)它也能承載用于銷毀水雷的傳感器和少量炸藥。 (4) Hexplorer 2000 六足步行機(jī)器人 加拿大 Waterlo 大學(xué)研究開(kāi)發(fā)的 H

25、explorer 2000 步行機(jī)器人如圖 1.4 所示，在一個(gè)圓形機(jī)體上均布有 6 條腿。 每條腿有 3 個(gè)關(guān)節(jié)，每個(gè)關(guān)節(jié)由一個(gè)獨(dú) 立的電機(jī)控制?？刂葡到y(tǒng)采用 TI 公司 的 C2000 系列 DSP，整個(gè)系統(tǒng)共采用 7 片 DSP 芯片分層控制，其中每片控制一 條腿 3 個(gè)關(guān)節(jié)，另外一片作為中心控制 器，向另外 6 片發(fā)送和接收指令。每條 腿是一個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)，依靠從中心控 制器傳來(lái)的位置信號(hào)來(lái)進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃。 通信和事件管理采用 CAN 總線接口模式。 1.2.2 國(guó)內(nèi)仿生機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 國(guó)內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的研究起步較晚，國(guó)內(nèi)對(duì)多足步行世紀(jì)八十年代末九十年代初起 步。北京航空航天大學(xué)于上個(gè)世

26、紀(jì)九十年代初研制過(guò)一臺(tái)仿牲畜的四足步行機(jī)器人， 它采用液壓驅(qū)動(dòng)，每足有二個(gè)自由度，總重約二噸。 中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所也開(kāi)展了這個(gè)領(lǐng)域的研究工作，它與長(zhǎng)春光機(jī) 所于 1989 年 3 月共同研制了海蟹號(hào)六足步行機(jī)器人。它采用的是極坐標(biāo)的具有 25 個(gè) 自由度的六足機(jī)構(gòu)，潛深 300 米，重 1.5 噸。 清華大學(xué)在 1990 年研制出了一臺(tái) QWII 型全方位四足步行機(jī)器人，各足沿圓周 圖 1.4 Hexplorer 2000 均勻分布，每條腿三個(gè)自由度，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，大小腿垂直布置。在此樣機(jī)基礎(chǔ)上做了 直走，橫走各種步態(tài)和轉(zhuǎn)彎等各種實(shí)驗(yàn)研究 。 上海交通大學(xué)的馬培蓀等人研制了一種形狀記憶合

27、金絲驅(qū)動(dòng)的微小型六足機(jī)器人， 它的行走機(jī)構(gòu)重 14.18g，平均行走速度為 1 mm/s，采用 4.5 V 電源，控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單、 小巧、輕便。上海交通大學(xué)還研制出了一種仿哺乳動(dòng)物的關(guān)節(jié)式四足步行機(jī)器人 “JTLJWM-III，它能以對(duì)角線步態(tài)行走，在足底加了 PVDF 測(cè)力傳感器，在上位機(jī)中 利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)力反饋信息進(jìn)行處理，調(diào)整步行參數(shù)，提高了步行的穩(wěn)定性。 目前有北航、上海交大、北科大、國(guó)防科大、東南大學(xué)、沈陽(yáng)自動(dòng)化所和哈工大等科 研院所正在從事仿生機(jī)器人的研究。 北航機(jī)器人 所在國(guó)家 “863”智能機(jī) 器人主題支持下， 研制出了能實(shí)現(xiàn) 簡(jiǎn)單抓取和操作 作業(yè)的多指靈巧 手(如圖 1

28、.5 所 示)。BH-4 型靈 巧手采用精密齒 輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，具有 4 手指，16 關(guān)節(jié)，每關(guān)節(jié)為一直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，并實(shí)現(xiàn)了將電機(jī)安裝 于手指中?？刂葡到y(tǒng)采用多層多目標(biāo)遞階控制系統(tǒng)。其中，由 PC 機(jī)完成物體的理想 軌跡跟蹤層、手指協(xié)調(diào)層工作，由四個(gè)控制器完成四個(gè)手指關(guān)節(jié)位置控制。手指內(nèi)各 關(guān)節(jié)控制器在物理上位于同一控制器內(nèi)，以便必要時(shí)相互交換信息提高控制精度，減 小藕合造成的控制誤差。同時(shí)北航機(jī)器人所的一個(gè)研究小組正在進(jìn)行微小型魚(yú)類仿生 機(jī)器人(潛水器)技術(shù)的研究，研制了仿生“機(jī)器魚(yú)”實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并開(kāi)展“多機(jī)器魚(yú)協(xié) 調(diào)控制”技術(shù)研究。哈工大機(jī)器人研究所研制了高靈活性的仿人手臂及擬人雙足步行 機(jī)器人

29、。其仿人手臂具有工作空間大、關(guān)節(jié)無(wú)奇異姿態(tài)、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。通過(guò)軟件 可實(shí)現(xiàn)避障、回避關(guān)節(jié)極限和優(yōu)化動(dòng)力學(xué)性能等。 圖 1.5 北航 BH-4 靈巧手 1.31.3 多足機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)多足機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù) 現(xiàn)代仿生學(xué)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合的研究和應(yīng)用己經(jīng)得到了各國(guó)相關(guān)研究人員和專 家的極大關(guān)注，取得了大量可喜成果和積極進(jìn)展，主要集中在以下幾個(gè)方面開(kāi)展廣泛 和深入的研究。 1.3.1 協(xié)調(diào)控制問(wèn)題 機(jī)器人的自由度越多，機(jī)構(gòu)越復(fù)雜，必將導(dǎo)致控制系統(tǒng)的復(fù)雜化。復(fù)雜大系統(tǒng)的 實(shí)現(xiàn)不能全靠子系統(tǒng)的堆積，要做到“整體大于組分之和” ，同時(shí)要研究高效優(yōu)化的 控制算法才能使系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)處理能力。 1.3.21.

30、3.2 信息融合問(wèn)題 在仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，為實(shí)現(xiàn)對(duì)不同物體和未知環(huán)境的感知，都裝備有一 定量的傳感器，多傳感器的信息融合技術(shù)把分布在不同位置的多個(gè)同類或不同類的傳 感器所提供的局部境的不完整信息加以綜合，消除多傳感器信息之間可能存在的冗余 和矛盾，從而提高系統(tǒng)決策、規(guī)劃、反應(yīng)的快速性和正確性。 1.3.31.3.3 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題 合理的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是仿生機(jī)器人實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。生物的形態(tài)經(jīng)過(guò)千百萬(wàn)年的進(jìn)化，其 結(jié)構(gòu)特征極具合理性，而要用機(jī)械來(lái)完全仿制生物體幾乎是不可能的，只有在充分研 究生物肌體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性的基礎(chǔ)上提取其精髓進(jìn)行簡(jiǎn)化，才能開(kāi)發(fā)全方位關(guān)節(jié)機(jī)構(gòu) 和簡(jiǎn)單關(guān)節(jié)組成高靈活性的機(jī)器人機(jī)構(gòu)。

31、1.3.41.3.4 微傳感和微驅(qū)動(dòng)問(wèn)題 微型仿生機(jī)器人作為仿生機(jī)器人中特殊的種類，絕不是傳統(tǒng)常規(guī)機(jī)器人的按比例 縮小，它的開(kāi)發(fā)涉及到電磁、機(jī)械、熱、光、化學(xué)、生物等多學(xué)科。對(duì)于微型仿生機(jī) 器人的制造，需要解決一些工程上的問(wèn)題。如動(dòng)力源、驅(qū)動(dòng)方式、傳感器集成控制以 及同外界的通訊等，實(shí)現(xiàn)微傳感和微驅(qū)動(dòng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)是機(jī)電光一體結(jié)合的微加工 技術(shù)。同時(shí)，在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮到尺寸效應(yīng)、新材料、新工藝等問(wèn)題。 1.3.51.3.5 能源問(wèn)題 要使機(jī)器人在相對(duì)較廣的范圍內(nèi)完成較長(zhǎng)時(shí)間的復(fù)雜工作，能源問(wèn)題是不得不考 慮的。目前，廣泛作為無(wú)纜機(jī)器人能源的電池還不能滿足機(jī)器人長(zhǎng)時(shí)間，大范圍的工 作要求?？梢哉f(shuō)

32、新能源的開(kāi)發(fā)研究，對(duì)機(jī)器人研究有著重要的意義。 第 2 章 仿生機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案的確定 2.12.1 概述概述機(jī)構(gòu)模型機(jī)構(gòu)模型 六足仿生機(jī)器是一個(gè)復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)，包括機(jī)械傳動(dòng)和電氣控制兩大部分，其 中機(jī)械系統(tǒng)必須具有運(yùn)動(dòng)靈活、傳動(dòng)精密的機(jī)械本體，結(jié)構(gòu)合理、高效運(yùn)作的控制框 架，以及運(yùn)算高速、工作可靠的硬件平臺(tái)。本章將從上述這幾個(gè)方面對(duì)六足生機(jī)器人 的總體設(shè)計(jì)方案進(jìn)行介紹。 2.22.2本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 六足仿生機(jī)器人是一種基于仿生設(shè)計(jì)理念的多足步行機(jī)器人，在設(shè)計(jì)時(shí)遵循了 “行為仿生，突出功能”的原則，其模型樣機(jī)的機(jī)械本體是以六足甲蟲(chóng)為生物原型建 造的。為便于研究機(jī)械部件采用積木搭建

33、方式。 2.2.12.2.1 六面連接體設(shè)計(jì)六面連接體設(shè)計(jì) 為了使六面連接體連接穩(wěn)定可 靠采用了如下連接方式： 1 主要連接方式:燕尾槽連接， 如圖 2.1。 為防止滑脫配合方式采用過(guò)盈 配合 2 材料選擇 我選擇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， 具有良好的機(jī)械性能和耐高、低溫 性能，尺寸穩(wěn)定性較好，而且價(jià)格 便宜又是通用塑料的一種容易購(gòu)得。 3 零件示意圖 如圖 2.2 所示六面連接體基本件均用 PRO/E 設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)能夠滿足本次仿生機(jī)器 圖 2.1 燕尾槽示意圖 人機(jī)構(gòu)及性能要求。 2.2.2 步行足的結(jié)構(gòu)模型 機(jī)器人的步行足模型可以簡(jiǎn)化為類似 3 關(guān)節(jié)串聯(lián)操

34、作臂的 RRRS 型結(jié)構(gòu)，從足根 圖 2.2 六面連接體零件示意圖 部與軀體連接處起計(jì)，包括 3 個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)，和位 于足尖的由三個(gè)正交轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)坐標(biāo)系組成的一個(gè) 球關(guān)節(jié)，如圖 2.3 所示。整個(gè)足由基節(jié)、股節(jié)和 脛節(jié)三部分構(gòu)成，其中基節(jié)與軀體之間，基節(jié)與 股節(jié)之間以及股節(jié)與脛節(jié)之間均為轉(zhuǎn)動(dòng)副連接， 在實(shí)際的仿生甲蟲(chóng)機(jī)器人樣機(jī)的機(jī)械本體中，步 行足各段長(zhǎng)度分別為: 基節(jié):L1=50mm 股節(jié):L2=100mm; 脛節(jié):L3=57mm 2.2.3 仿生六足蟲(chóng)機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu) 仿生六足蟲(chóng)機(jī)器人的整體結(jié) 構(gòu)由一個(gè)長(zhǎng)方形的軀體和六條結(jié) 構(gòu)完全相同的步行足構(gòu)成，六條 步行足對(duì)稱的平均分布于軀體的 兩側(cè)，如圖

35、 2.4 所示。 仿生機(jī)器人的機(jī)械本體以六 面連接體搭建，并在軀體上預(yù)設(shè) 安裝空間及安裝孔，便于控制電 路、傳感器、電源模塊等設(shè)備的 安裝。同時(shí)考慮到外形封裝的需 要，兼顧了仿生六足甲蟲(chóng)外形的特點(diǎn)，整體上采用長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)。整個(gè)機(jī)械本體的結(jié)構(gòu) 如圖 2.3 所示，具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下: 總體高度:H=150mm 縱向長(zhǎng)度:L=190mm 橫向?qū)挾?B=270mm(含步行足) 步行足長(zhǎng)度:Lg =LI+LZ+L3=50+100+57=207mm; 軀體離地高度:Hg=48mm 圖 2.4 仿生六足蟲(chóng)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)模 型 圖 2.3 仿生六足機(jī)器人腿部示意圖 2.2.4 骨架的搭建 使用六面連接體零件搭建

36、如圖 2.5 所示機(jī)器人骨架。 第 3 章 仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.13.1 腿部的運(yùn)動(dòng)分析和設(shè)計(jì)腿部的運(yùn)動(dòng)分析和設(shè)計(jì) 本機(jī)器人的腿部機(jī)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖如圖 3.1 所示為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，連桿 BC 與 EF 為一 個(gè)構(gòu)件，在曲柄 AB 的作用下，腿的部分 EF 可以前后擺動(dòng).通過(guò)調(diào)整單個(gè)構(gòu)件和腳底 部件的距離，使曲柄旋轉(zhuǎn)時(shí)，機(jī)器人的腳以橢圓的形狀擺動(dòng)，這就相當(dāng)于行走時(shí)走了 一步。 本機(jī)器人有步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，電機(jī)軸上套接直齒輪，通過(guò)齒輪聯(lián)接動(dòng)蝸桿軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。 其中電機(jī)軸是輸出軸，蝸桿軸是輸出軸。蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)其一側(cè)的三個(gè)蝸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而 帶動(dòng)腿部運(yùn)動(dòng)來(lái)控制機(jī)器人的移動(dòng)。電機(jī)逆向轉(zhuǎn)動(dòng)使機(jī)器人前進(jìn)，反向轉(zhuǎn)動(dòng)

37、使機(jī)器人 后退。 由于同一邊的腿關(guān)節(jié)由曲軸與蝸輪聯(lián)接，故可以通過(guò)調(diào)節(jié)曲軸角度來(lái)控制各腿相 位的異同以及相位差，故可以達(dá)成不同的步態(tài)。安裝六個(gè)曲柄帶動(dòng)六只腳，要嚴(yán)格保 持一致，同時(shí)觸地的三只腳，要使用同樣的曲柄安裝。此時(shí)，離地的三只腳的曲柄作 180 度旋轉(zhuǎn)。曲柄的正確安裝關(guān)系到機(jī)器人以正確的步調(diào)行走。 3.23.2 傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 結(jié)合腿的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)，考慮用兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)腿部運(yùn)動(dòng)。該機(jī)器人左右兩側(cè)分 別裝有一個(gè)電機(jī).通過(guò)將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為六條腿(曲柄搖桿機(jī)構(gòu))的協(xié)調(diào)動(dòng)作， 即“三腳行走步態(tài)”.所設(shè)計(jì)的傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3.2 所示，動(dòng)力來(lái)源于電機(jī) M1,M2， 連接到固

38、定的減速比為 50 ： 1 的法蘭齒輪組，動(dòng)力經(jīng)過(guò)齒輪傳動(dòng)傳至六個(gè)蝸桿，帶 動(dòng)六個(gè)蝸輪(曲柄)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，傳到腿部，使六條腿協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)。 圖 3.1 腿部機(jī)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖以及結(jié)構(gòu)圖 3.33.3步態(tài)規(guī)劃及分析步態(tài)規(guī)劃及分析 該機(jī)器人的行走方式為“三腳行走 步態(tài)”如圖 3.3 所示 3.3.1 關(guān)于步態(tài)的參數(shù)描述 通俗的說(shuō)，步態(tài)是行走系統(tǒng)抬腿和放腿的順序。步行機(jī)器人的腿可以看作兩狀態(tài) 器件。腿的懸空相(Transfer phase)指腿抬離地而的階段，懸空相狀態(tài)記為“1。腿 的支撐相(support phase)指腿支撐在地并推動(dòng)機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)的階段，支撐相的狀態(tài) 記為“0” 。運(yùn)動(dòng)周期 T 指周期步態(tài)中

39、某一腿運(yùn)動(dòng)一個(gè)完整循環(huán)所需要的時(shí)間。周期步 態(tài)指各腿的運(yùn)動(dòng)周期相同，且任一腿的運(yùn)動(dòng)周期不隨時(shí)間而變化。有荷因數(shù)(duty factor)指腿 i 支撐在地而上的時(shí)間占整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的比例: 則步態(tài)稱為規(guī)則步態(tài)(regular gait) o 腿 i 的相對(duì)相位，指第 i 足的觸地時(shí)刻相 對(duì)于第一足的延時(shí)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周中的比例： （1） 圖 3.2 傳動(dòng)示意圖 圖 3.3 三角步態(tài)示意圖 步距(stride length)，指一個(gè)完整的腿循環(huán)中機(jī)體重心移、動(dòng)的位置。 腿行程(leg stroke)，指支撐相時(shí)足端相對(duì)于機(jī)體移動(dòng)的距離。 腿節(jié)距（leg pitch) ,指橫向運(yùn)動(dòng)步行機(jī)機(jī)體同一端上相鄰

40、腿運(yùn)動(dòng)卞平而之間的 距離。行程N(yùn) 距(stroke pitch)，指縱向運(yùn)動(dòng)步行機(jī)機(jī)體同一端上相鄰?fù)刃谐讨悬c(diǎn)的 間距。 行程間距，指橫向運(yùn)動(dòng)步行機(jī)前后足對(duì)行程中點(diǎn)的間距。 推程時(shí)間，指腿在支撐相的持續(xù)時(shí)間;回程時(shí)間，指腿在懸空相的持續(xù)時(shí)間，平 均速度，山此可以算出行程，步距和有荷因數(shù)之間的關(guān)系式是。靜態(tài)穩(wěn)定六 足步行機(jī)器人，由于要求 =1/2 時(shí) 所以 ，即平均速度上限取決于行走系 統(tǒng)采用波形步態(tài)時(shí)，機(jī)體一側(cè)上各腿的邁步動(dòng)作形成一種由后向前的波形式。自然界 六足昆蟲(chóng)在所有速度范圍內(nèi)都采用波形步態(tài)，八足動(dòng)物也常采用波形步態(tài)。 3.3.23.3.2 三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)原理三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)原理 三角步態(tài)(或交

41、替三角步態(tài))，是 =1/2 時(shí)的波形步態(tài)運(yùn)動(dòng)時(shí)六條腿成兩組三角 形交替支邁步前進(jìn)。 “六足綱”昆蟲(chóng)(蟑螂、螞蟻等)步行時(shí)，一般不是六足同時(shí)直線 前進(jìn)，而是將三對(duì)足分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)交替前行。身體左側(cè)的前、后足及 右側(cè)的中足為一組，右側(cè)的前、后足和左側(cè)的中足為另一組，分別組成兩個(gè)三角形支 架。當(dāng)一組三角形支架中所有的足同時(shí)提起時(shí)，另一組三角形支架的三只足原地不動(dòng)， 支撐身體，并以其中足為支點(diǎn)，前足脛節(jié)的肌肉收縮，拉動(dòng)身體向前，后足脛節(jié)的肌 肉收縮，將蟲(chóng)體往前推，因此身體略作以中足為支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)蟲(chóng)體的重心落在另 一組“三角形支架”的三足上，然后再重復(fù)前一組的動(dòng)作，相互輪換周而復(fù)始。這種

42、 行走方式使昆蟲(chóng)可以隨時(shí)隨地停息下來(lái)，因?yàn)橹匦目偸锹湓谌侵Ъ苤畠?nèi)。這就是典 型的三角步態(tài)行走法，其行走軌跡并非是直線，而是旱“之”字形的曲線前進(jìn)。 機(jī)器人采用三角步態(tài)的運(yùn)動(dòng)示意如圖 2 所示。機(jī)器人開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)左側(cè)的 2 號(hào)腿和 右側(cè)的 4 ,6 號(hào)腿抬起準(zhǔn)備向前擺動(dòng)，另外三條腿 1 ,3 ,5 處于支撐狀態(tài)（見(jiàn)圖 3.4a） ， 支撐機(jī)器人本體確保機(jī)器人的原有重心位置處于三條支腿所構(gòu)成的三角形內(nèi)，使機(jī)器 人處于穩(wěn)定狀態(tài)不至于摔倒,擺動(dòng)腿 2 ,4 ,6 向前跨步(見(jiàn)圖 3.4b)，支撐腿 1 ,3 ,5 一面支撐機(jī)器人本體，一面在小型直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)和皮帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的作用下驅(qū)動(dòng)機(jī)器人 本體，使機(jī)器

43、人機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)一個(gè)半步長(zhǎng) s(見(jiàn)圖 3.4c)。在機(jī)器人機(jī)體移動(dòng)到位時(shí)， 擺動(dòng)腿 2 ,4 ,6 立即放下，呈支撐態(tài)，使機(jī)器人的重心位置處于 2,4,6 三條支撐腿所 構(gòu)成的三角形穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，原來(lái)的支撐腿 1 ,3 ,5 已抬起并準(zhǔn)備向前跨步（見(jiàn)圖 3.4d） ,擺 動(dòng)腿 1 ,3 ,5 向前跨步(見(jiàn)圖 3.4e)，支撐腿 2,4,6 此時(shí)一面支撐機(jī)器人本體，一面 驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體，使機(jī)器人機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng) S(見(jiàn)圖 3.4f)，如此不斷從步態(tài)(a) (b)(c)(d)(e)(f)(a)，循環(huán)往復(fù)，周而復(fù)始實(shí)現(xiàn)機(jī)器人不斷向前運(yùn)動(dòng)。 圖 3.4 三角步態(tài)示意圖 第 4 章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1

44、4.1 控制的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)硬件采用慧魚(yú) ROBO 接口板。ROBO 接口板可以使電腦和模型之間進(jìn)行有 效通信。它可以傳輸來(lái)自軟件的指令，比如激活馬達(dá)或者處理來(lái)自各種傳感器的信號(hào)。 4.24.2 慧魚(yú)慧魚(yú) ROBOROBO 接口板介紹接口板介紹 4.2.1 外形尺寸和重量 L*W*H 150*90*34 重約 170 克 4.2.24.2.2 電源電源 9V9V 直流，直流，1000M1000M 有兩種供電方案可選，或者用慧魚(yú) 9V 直流變壓器（貨號(hào) 37109）連到 DC 插座， 或者用可充電電源（貨號(hào) 34969）連到+/-插座。 當(dāng)采用前一種方案時(shí)，連接充電電池

45、的插座（3）就自動(dòng)斷開(kāi)。電源連通之后， 電源指示 LED 自動(dòng)點(diǎn)亮而且兩個(gè)綠色的 LED（6）和（7）交替閃爍。表明接口板可以 正常工作。 接口板的空載的電流消耗為 50 毫安。 4.2.34.2.3 處理器和存儲(chǔ)器 16 位處理器，型號(hào) M30245，時(shí)鐘頻率 16MHz，128K RAM，128K flash 4.2.44.2.4 輸出輸出 M1-M4M1-M4 或者或者 O1-O8O1-O8 可連接四個(gè) 9V 直流馬達(dá)（向前，向后，停止，八級(jí)調(diào)速） ，連續(xù)運(yùn)行電流 250 毫 安，帶短路保護(hù)。另外，也可以連接 8 個(gè)燈或者電磁線圈到單個(gè)的輸出 O1-O8。 （用 電器的另一個(gè)端子可連接到

46、接地端） 4.2.54.2.5 數(shù)字量輸入 I1-I8I1-I8 可連接傳感器，比如按鈕、光電傳感器和磁性傳感器。電壓范圍 9 伏，ON/OFF 的 切換電壓值為 2.6 伏，輸入阻抗為 10K 歐。 4.2.64.2.6 模擬阻抗輸入 AXAX 和和 AYAY 可連接電位器、光電和熱敏電阻。測(cè)量范圍為 05.5k。分辨率為 10 位 4.2.74.2.7 模擬電壓輸入 A1A1 和和 A2A2 可連接輸出為 010 伏電壓的模擬傳感器。 4.2.84.2.8 距離傳感器輸入 D1D1 和和 D2D2 專門(mén)用來(lái)連接慧魚(yú)的兩個(gè)距離傳感器。 4.2.94.2.9 紅外線（IRIR）輸入）輸入 利用

47、紅外線接收二極管，手持式紅外線發(fā)射裝置（貨號(hào) 30344）上各個(gè)鍵可以用 做數(shù)字式輸入。用鍵來(lái)激活的某項(xiàng)功能，則可以用 ROBOPro 軟件來(lái)編程。 4.2.104.2.10 USBUSB 接口和串口接口和串口 接口板可通過(guò)串口和 USB 接口和電腦相連接。每塊接口板都配備了相應(yīng)的連接電 纜。 它兼容了 USB1.1 和 2.0 的規(guī)范，其數(shù)據(jù)傳輸率為 12MB/S 4.2.114.2.11 接口的選擇 接口的選擇可通過(guò)編程軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。接口板自動(dòng)訪問(wèn)正在接收數(shù)據(jù)的接口，然后 分配到的端口對(duì)應(yīng)的 LED 點(diǎn)。USB 對(duì)應(yīng)于，串口對(duì)應(yīng)于。如果未收到任一接口的數(shù)據(jù)， 則這兩個(gè)燈交替閃爍。 4.2.1

48、24.2.12 端口的固定設(shè)置 通過(guò)按動(dòng)按鈕（5） ，可以選擇確定的端口。所選端口響相應(yīng)的 LED 則會(huì)點(diǎn)亮。如 果所選的端口數(shù)據(jù)流溢出，則相應(yīng)的 LED 會(huì)閃爍。這時(shí)候，可以通過(guò)多次按動(dòng)按鈕 （5） ，使得串口和 USB 的 LED 交替閃爍，回到自動(dòng)選擇端口的狀態(tài)。 4.2.134.2.13 紅外測(cè)試功能 如果你多次按動(dòng)按鈕（5）使得 IR LED 點(diǎn)亮，那么你可以通過(guò)手持式紅外線發(fā)射 裝置（貨號(hào) 30344）來(lái)控制接口板的輸出，而不需要直接將接口板連到電腦上。如果 這個(gè)功能被激活，那么 USB 和串口會(huì)被關(guān)閉。你還可以再多次按動(dòng)按鈕（5） ，使得 USB 和串口的 LED 交替閃爍來(lái)回到

49、自動(dòng)選擇端口狀態(tài)。 手持式紅外線發(fā)射裝置上鍵的分配： 接口板的馬達(dá)輸出 M1-M3 可以用發(fā)射裝置上相應(yīng)的鍵來(lái)啟動(dòng)和停止。馬達(dá)的速度 也可以在快速和慢速間切換。 馬達(dá) 4 的輸出可以用 1） ） ）和 2） ） ）兩個(gè)鍵來(lái)激活，但是這兩個(gè)鍵通常用來(lái)切換 接收器 1 和接收器 2。M4 的速度沒(méi)法用手持式紅外線發(fā)射裝置來(lái)改變。 4.2.144.2.14 2626 針插槽針插槽 這個(gè)插座提供了所有輸入和輸出的引腳，因此你也可以通過(guò)一個(gè)帶狀電纜和一個(gè) 26 針插頭來(lái)將模型和接口板相連。 引腳功能分配引腳功能分配 1 傳感器電源 9V 正極 11I1 212I2 模擬傳感器的接地線 (不可作為輸出 O

50、1-O8 的負(fù)極) 13I3 3AX14I4 4AY15I5 5A116I6 6A217I7 7 距離傳感器 D1 18I8 8 距離傳感器 D2 19O1 9 快速表輸入 20O2 10 接地線,輸出 O1-O8 的負(fù)極 21O3 22O4 23O5 24O6 25O7 26O8 表 1 26 針插槽引腳功能表 4.2.154.2.15 I/OI/O 擴(kuò)展板用插槽 使用 ROBO I/O 擴(kuò)展板(貨號(hào) 93294)，輸入和輸出的數(shù)量都可以得到擴(kuò)展。 擴(kuò)展板上可以有額外的四路帶速度控制的馬達(dá)輸出，八路數(shù)字量輸入和一個(gè) 0 5.5k 歐的模擬阻抗輸入。 4.2.164.2.16 無(wú)線射頻通信模塊

51、用插槽 無(wú)線射頻通信模塊是一個(gè)可選的無(wú)線接口模塊（貨號(hào) 93295） 。有了它，電腦和接 口板之間的電纜連接不再是必須的。射頻數(shù)據(jù)鏈接可以與電腦的 USB 端口通訊，頻率 為避免 2.4G 赫，范圍為 10 米。 4.2.174.2.17 對(duì)接口板的程序控制 對(duì) ROBO 接口板的標(biāo)準(zhǔn)編程軟件是圖形化的編程語(yǔ)言 ROBO PRO。接口板有如下幾 種工作模式： 在線模式： 接口板始終和電腦相連（通過(guò) USB，串口或者無(wú)線射頻通信模塊） 。程序在電腦上 運(yùn)行，顯示器作為用戶界面。 “智能接口板模式” 按下按鈕（5）并保持至少三秒鐘，接口板就切換到了“智能接口板報(bào)模式” 。你 可以通過(guò)串口 LED 的快速閃動(dòng)來(lái)確定這種操作模式。在這種模式下，只有參數(shù)為 9600，n,8,1 的串口是可用的。ROBO 接口板就作為智能接口板來(lái)用了。這樣，它就可 以用 LLWIN 軟件在在線模式下控制拉。但是無(wú)法下載 LL