仿生機(jī)器人的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

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1、1 / 43 文檔可自由編輯打印前前 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，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)原來結(jié)構(gòu)化的、己知的環(huán)境，更要適應(yīng)未來發(fā)展中的非結(jié)構(gòu)化的、未知的環(huán)境。除了傳統(tǒng)的

2、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。本文結(jié)合當(dāng)前仿生機(jī)器人的研究現(xiàn)狀與未來發(fā)展方向，以慧魚機(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通過對(duì)甲蟲六條腿的結(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 ROBO 接口板作為控制器。3利用慧魚 ROBO 接口板實(shí)現(xiàn)了電機(jī)和微動(dòng)的控制，從而對(duì)機(jī)器

3、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以慧魚公司開發(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題和解決問題的能力，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)行為的智能運(yùn)動(dòng)控制策略。在

4、此基礎(chǔ)上，為未來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。2 / 43 文檔可自由編輯打印對(duì)于跟蹤國際先進(jìn)軍事技術(shù)，建立新型作戰(zhàn)武器有重要意義。同時(shí)，開展對(duì)海的文檔可自由編輯打印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。蒼蠅的嗅覺特別靈敏，遠(yuǎn)在幾千米外的氣味也能嗅到。但是蒼蠅并沒有“鼻子” ，它靠什么來充當(dāng)嗅覺的呢? 原來，蒼蠅的“鼻子”嗅覺感受器分布在頭

5、部的一對(duì)觸角上。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神經(jīng)上，將引導(dǎo)出來的神經(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，用來檢測(cè)艙內(nèi)氣體的成分。

6、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。文檔可自由編輯打印目 錄摘 要 .IABSTRACT .II第 1 章 緒 論 .11.1 仿生機(jī)器人概述.11.2 仿生型多足步行機(jī)器人技術(shù)綜述.21.2.1 國外仿生機(jī)器人研究現(xiàn)狀 .21.2.2 國內(nèi)仿生機(jī)器人的研究現(xiàn)狀 .41.3 多足機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù).51.3.1 協(xié)調(diào)控制問題 .61.3.2 信息融合問題 .61.3.3 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)問題 .61.3.4 微傳感和微驅(qū)動(dòng)問

7、題 .61.3.5 能源問題 .6第 2 章 仿生機(jī)器人總體設(shè)計(jì)方案的確定 .82.1 概述機(jī)構(gòu)模型.82.2 本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).82.2.1 六面連接體設(shè)計(jì) .82.2.2 步行足的結(jié)構(gòu)模型 .92.2.3 仿生六足蟲機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu) .102.2.4 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) .123.1 腿部的運(yùn)動(dòng)分析和設(shè)計(jì).123.2 傳動(dòng)部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).123.3 步態(tài)規(guī)劃及分析.133.3.1 關(guān)于步態(tài)的參數(shù)描述 .133.3.2 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) .164.1 控制的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì).164.2 慧魚 ROBO 接口板介紹.164.2.1 外形

8、尺寸和重量.164.2.2 電源 9V 直流，1000M.164.2.3 處理器和存儲(chǔ)器.164.2.4 輸出 M1-M4 或者 O1-O8 .164.2.5 數(shù)字量輸入 I1-I8 .174.2.6 模擬阻抗輸入 AX 和 AY .174.2.7 模擬電壓輸入 A1 和 A2 .174.2.8 距離傳感器輸入 D1 和 D2 .174.2.9 紅外線（IR）輸入.17文檔可自由編輯打印4.2.10 USB 接口和串口 .174.2.11 接口的選擇.184.2.12 端口的固定設(shè)置.184.2.13 紅外測(cè)試功能.184.2.14 26 針插槽 .184.2.15 I/O 擴(kuò)展板用插槽 .1

9、94.2.16 無線射頻通信模塊用插槽.194.2.17 對(duì)接口板的程序控制 .194.3 ROBO 接口板與機(jī)器人的連接 .224.4 軟件系統(tǒng).224.4.1 軟件介紹 .224.4.2 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 .224.4.3 程序設(shè)計(jì) .23第 5 章 運(yùn)動(dòng)仿真 .265.1 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù).265.1.1 基于 proe 的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真 .265.1.2 實(shí)物仿真 .28第 6 章 總結(jié)與展望 .30致 謝 .31參考文獻(xiàn) .32I / 43 文檔可自由編輯打印摘 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)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

10、了研究。本論文主要研究內(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 ROBO 接口板。軟件設(shè)計(jì)是結(jié)合慧魚公司開發(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II / 43 文檔可自由編輯打印ABSTRACT With the fast development of the b

11、ionics 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 program design, the drive sy

12、stem 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 planning and the structure

13、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 introduced to PROE software f

14、or dynamic simulation, then realize the requirement of the design through the experimentation.Keywords: Bionic hexapodrobot，Structure，Control，Programming, Dynamic simulation1 / 43 文檔可自由編輯打印第 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 年由美國斯蒂爾根據(jù)拉丁文“bios”(生命方式的意思)和字尾

15、“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 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)用生物功能的一門學(xué)科。例如關(guān)于信息接受（感覺功能） 、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)。可舉出的仿生學(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)系的一門學(xué)科，而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

16、和解釋的一門學(xué)科。蒼蠅，是細(xì)菌的傳播者，誰都討厭它。可是蒼蠅的楫翅（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)” ，一次就能照出千百張相同的相片。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?！跋壯弁哥R”是一種新型光學(xué)元件，它的用途很多。自然界形形色色的生物，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

17、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)的問世開辟了獨(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，它大大開闊了人們的眼界，顯示2 / 43 文檔可自由編輯打印了極強(qiáng)的生命力。仿生學(xué)是 20 世紀(jì) 60 年代出現(xiàn)的一門綜合性邊緣科學(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，

18、通過學(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，來改進(jìn)現(xiàn)有的或創(chuàng)造性的機(jī)械、儀器、建筑和工藝過程。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)原來結(jié)構(gòu)化的、已知的環(huán)境，更要適應(yīng)未來發(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，人們也把目光對(duì)準(zhǔn)了生物界，力求從豐

19、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

20、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 年代中期以來，機(jī)器人科學(xué)家們就開始了有關(guān)仿生機(jī)器人的研究。（1）LAURON 系列六足機(jī)器人德國的卡爾斯魯厄大

21、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3 / 43 文檔可自由編輯打印人進(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傳感器所的攝像頭。通過對(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)。（

22、2）Hamlet 仿昆蟲六足步行機(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

23、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)器龍蝦在美國的國防高級(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4 / 43 文檔可自由編輯打印部(Defense Advanced Research Projects Agency DARPA)資助下，美國海軍與馬薩產(chǎn)品公司和波士頓的東北大學(xué)聯(lián)合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

24、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 英寸長的水流動(dòng)力控制平面來保持穩(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，行為庫是基于圍繞決定機(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)研究開發(fā)的Hexplorer 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

25、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的位置信號(hào)來進(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 國內(nèi)仿生機(jī)器人的研究現(xiàn)狀國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的研究起步較晚，國內(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)世紀(jì)九十年代初研制過一臺(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。 中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所也開展了這個(gè)領(lǐng)域的研究工作，它與長春

26、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 20005 / 43 文檔可自由編輯打印均勻分布，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

27、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、國防科大、東南大學(xué)、沈陽自動(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 1.5 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)

28、。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”實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，并開展“多機(jī)器魚協(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。其仿人手臂具有工作空間大、關(guān)節(jié)無奇異姿態(tài)、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)。通過軟件可實(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6 / 43 文檔可自由編輯打印1.31.

29、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)方面開展廣泛和深入的研究。1.3.1 協(xié)調(diào)控制問題 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。1.3.21.3.2 信息融合問題 在仿生機(jī)器人的設(shè)計(jì)開發(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

30、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)過千百萬年的進(jìn)化，其結(jié)構(gòu)特征極具合理性，而要用機(jī)械來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)。1.3.41.3.4 微傳感和微驅(qū)動(dòng)問題微型仿生機(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

31、，需要解決一些工程上的問題。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、新工藝等問題。7 / 43 文檔可自由編輯打印1.3.51.3.5 能源問題要使機(jī)器人在相對(duì)較廣的范圍內(nèi)完成較長時(shí)間的復(fù)雜工作，能源問題是不得不考慮的。目前，廣泛作為無纜機(jī)器人能源的電池還不能滿足機(jī)器人長時(shí)間，大范圍的工作要求。可以說新能源的開發(fā)研究，對(duì)機(jī)器人研究有著重要的意義。8 / 43 文檔可自由編輯打印第 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

32、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為生物原型建造的。為便于研究機(jī)械部件采用積木搭建方式。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

33、采用過盈配合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9 / 43 文檔可自由編輯打印人機(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10 / 43 文檔可自由編輯打印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)

34、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)際的仿生甲蟲機(jī)器人樣機(jī)的機(jī)械本體中，步行足各段長度分別為:基節(jié):L1=50mm股節(jié):L2=100mm;脛節(jié):L3=57mm2.2.3 仿生六足蟲機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)仿生六足蟲機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)由一個(gè)長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 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

35、外形的特點(diǎn)，整體上采用長方體結(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縱向長度:L=190mm橫向?qū)挾?B=270mm(含步行足)步行足長度: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11 / 43 文檔可自由編輯打印2.2.4 骨架的搭建使用六面連接體零件搭建如圖 2.5 所示機(jī)器人骨架。12 / 43 文檔可自由編輯打印第 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

36、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)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，故可以通過調(diào)節(jié)曲軸角度來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

37、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)力來源于電機(jī) M1,M2，連接到固定的減速比為 50 ： 1 的法蘭齒輪組，動(dòng)力經(jīng)過齒輪傳動(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13 /

38、43 文檔可自由編輯打印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，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

39、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14 / 43 文檔可自由編輯打印步距(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?fù)冗\(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

40、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(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

41、，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。這種行走方式使昆蟲可以隨時(shí)隨地停息下來，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

42、 所示。機(jī)器人開始運(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)器人機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)一個(gè)半步長 s(見圖 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)，原來的支撐

43、腿 1 ,3 ,5 已抬起并準(zhǔn)備向前跨步（見圖 3.4d） ,擺15 / 43 文檔可自由編輯打印動(dòng)腿 1 ,3 ,5 向前跨步(見圖 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 S(見圖 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16 / 43 文檔可自由編輯打印第 4 章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.14.1 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 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

44、來自軟件的指令，比如激活馬達(dá)或者處理來自各種傳感器的信號(hào)。4.24.2 慧魚慧魚 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 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)，連接充電電池的插座（3）就自動(dòng)斷開。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

45、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 flash4.2.44.2.4 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17 / 43 文檔可自由編輯打印電器的另一個(gè)端子可連接到接地端）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

46、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專門用來連接慧魚的兩個(gè)距離傳感器。4.2.94.2.9 紅外線（IRIR）輸入）輸入利用紅外線接收二極管，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。用鍵來激活的某項(xiàng)功能，則可以用 ROBOPro 軟件來編程。4.2.104.2.

47、10 USBUSB 接口和串口接口和串口接口板可通過串口和 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/S18 / 43 文檔可自由編輯打印4.2.114.2.11 接口的選擇接口的選擇可通過編程軟件來實(shí)現(xiàn)。接口板自動(dòng)訪問正在接收數(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。4.2.124.2.12 端口的固定設(shè)置通過按動(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

48、會(huì)閃爍。這時(shí)候，可以通過多次按動(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，那么你可以通過手持式紅外線發(fā)射裝置（貨號(hào) 30344）來控制接口板的輸出，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 交替閃爍來回到自動(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

49、出可以用 1） ） ）和 2） ） ）兩個(gè)鍵來激活，但是這兩個(gè)鍵通常用來切換接收器 1 和接收器 2。M4 的速度沒法用手持式紅外線發(fā)射裝置來改變。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，因此你也可以通過一個(gè)帶狀電纜和一個(gè)26 針插頭來將模型和接口板相連。19 / 43 文檔可自由編輯打印引腳功能分配引腳功能分配1傳感器電源 9V 正極11I1212I2模擬傳感器的接地線(不可作為輸出 O1-O8 的負(fù)極)13I33AX14I44AY15I55A116I66A217I77距離傳感器 D118I88距離傳感器 D219O19快速表輸入20O210接地線

50、,輸出 O1-O8 的負(fù)極21O322O423O524O625O726O8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) 05.5k 歐的模擬阻抗輸入。4.2.164.2.16 無線射頻通信模塊用插槽無線射頻通信模塊是一個(gè)可選的無線接口模塊（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

51、.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言 ROBO PRO。接口板有如下幾種工作模式：在線模式：20 / 43 文檔可自由編輯打印接口板始終和電腦相連（通過 USB，串口或者無線射頻通信模塊） 。程序在電腦上運(yùn)行，顯示器作為用戶界面?！爸悄芙涌诎迥Ｊ健卑聪掳粹o（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” 。你可以通過串口 LED 的快速閃動(dòng)來確定這種操作模式。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用了。這樣，它就可以用 LLWIN 軟件在在線模式下控制拉。但是無法下載 LLWIN

52、 程序?？焖侔磩?dòng)按鈕（5） ，又可以回到 ROBO 接口板的接口自動(dòng)選擇模式了。下載模式在這種模式下，程序被下載到接口板上且獨(dú)立于電腦運(yùn)行。兩個(gè)不同的程序可以同時(shí)下載到 FLASH 存儲(chǔ)器中，而且斷電后程序也可以保存在內(nèi)。也可以將程序下載到RAM 中，一旦電源中斷或者啟動(dòng) FLASH 中的程序，原先 RAM 中程序就被刪除了。注意：存儲(chǔ)在 RAM 中的程序比存儲(chǔ)在 FLASH 中運(yùn)行快得多，因?yàn)橐然瘞酌敕N來將FLASH 擦掉。在測(cè)試階段，程序只需要先裝載到 RAM 中。比較理想的是，應(yīng)該把最終的程序存儲(chǔ)到 FLASH 中。這樣，可以延長 FLASH 的壽命，它的極限大約是擦寫 10 萬次。R

53、OBO PRO 軟件的使用指導(dǎo)手冊(cè)中說明了如何將程序下載的接口板的特定存儲(chǔ)區(qū)中。使用按鈕（4）可以選擇啟動(dòng)和停止已存儲(chǔ)的程序。選擇程序的時(shí)候，按下并保持按鈕（4） 。如果程序存儲(chǔ)在“PROG1” ，那么大約一秒鐘后， “PROG1”的 LED 點(diǎn)亮。如果再保持一秒鐘多，則切換到“PROG2” 。再保持一秒鐘多，則選擇了 RAM 區(qū)中的程序（兩個(gè) LED 都點(diǎn)亮了） 。再保持一秒鐘多，兩個(gè) LED 都滅了，沒有程序被選中。FLASH 存儲(chǔ)區(qū)中程序的選擇和啟動(dòng)按下并保持按鈕（4） ，按鈕旁的綠色 LED 指明了所選的程序（1 或者 2） 。LED 只在 FLASH 區(qū)中確實(shí)存儲(chǔ)有程序才會(huì)點(diǎn)亮。選擇

54、所需的程序后，釋放按鈕。再按一下按鈕（4） ，程序就啟動(dòng)了。在程序運(yùn)行時(shí)，LED 閃動(dòng)。再按一下按鈕（4） ，程序就停止了。在程序停止時(shí)，LED 持續(xù)點(diǎn)亮。21 / 43 文檔可自由編輯打印自啟動(dòng)信息當(dāng)程序是用 ROBO PRO 存儲(chǔ)，相應(yīng)的操作手冊(cè)有給出。這樣，接口板接通之后，F(xiàn)LASH 中的程序 1 就直接啟動(dòng)了。你可以看到“PROG1”的 LED 閃動(dòng)得到確認(rèn)。按一下按鈕（4）就可以停止程序。如果你想防止程序的自動(dòng)啟動(dòng)，那么你必須在剛剛通電，在做 LED 測(cè)試的時(shí)候，按住按鈕（4）并保持到 LED（6）和（7）都閃亮，這時(shí)候才可以松開按鈕（4） 。RAM 存儲(chǔ)區(qū)中程序的選擇和啟動(dòng)按下并保

55、持按鈕（4） ，直至按鈕旁的兩個(gè)綠色 LED 同時(shí)點(diǎn)亮，然后松開按鈕。只有在 RAM 中有程序兩 LED 才會(huì)同時(shí)點(diǎn)亮。再按一下按鈕（4） ，程序就啟動(dòng)了。在程序運(yùn)行時(shí)，兩個(gè) LED 都閃動(dòng)再按一下按鈕（4） ，程序就停止了。在程序停止時(shí)，兩個(gè) LED 持續(xù)點(diǎn)亮C 語言編程ROBO 接口板處理器也可以由 C 編譯器來編程。其它的編程語言在線模式下，接口板可以用任意想要的編程語言通過 USB 或串口來激活。故障診斷紅色故障 LED 指示接口板中的故障。如果它持續(xù)點(diǎn)亮，說明電源電壓遠(yuǎn)超出了直流 9V 正常范圍（直流 5V，比如電池耗盡或者15V，比如接了個(gè)不正確的電源裝置。 ）這時(shí)，接口板自動(dòng)切斷

56、，直到供電電壓達(dá)到正常范圍。如果電源接通后，故障 LED 持續(xù)閃亮，則處理器發(fā)現(xiàn)了故障，且綠色LED，PROG1，PROG2，USB，COM 和 IR 可以顯示錯(cuò)誤代碼。電源對(duì)于接口板，只能用慧魚公司提供的直流 9 伏電源，比如，直流開關(guān)電源或者可充電電源。電磁干擾如果接口板被強(qiáng)烈的電磁干擾所影響，一旦停止干擾源，接口板還是可以恢復(fù)使用。有必要將電源中斷一段時(shí)間，然后重新啟動(dòng)程序。22 / 43 文檔可自由編輯打印4.34.3 ROBOROBO接口板與機(jī)器人的連接接口板與機(jī)器人的連接M1,M2 分別連接電機(jī) 1，電機(jī) 2；I1,I2 分別連接微動(dòng)開關(guān) 1，開關(guān) 2；9V 直流電源接 DC 輸入

57、接口；USB 數(shù)據(jù)線接 USB 接口即可。4.44.4軟件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)4.4.1 軟件介紹程序控制部分是仿生機(jī)器人的靈魂.程序用慧魚軟件(ROBOT PRO)編制.它提供圖形化編程接口板，還可以提供編程前的快速硬件測(cè)試、在線檢測(cè)、在線調(diào)試、下載操作等功能.4.4.24.4.2 運(yùn)動(dòng)規(guī)劃如圖 4.2 所示行進(jìn)路線規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。程序設(shè)計(jì)的思想是:采用類似農(nóng)業(yè)上耕地所用“套耕法”的行進(jìn)方式規(guī)劃機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是能夠避免機(jī)器人頻繁轉(zhuǎn)彎、掉頭，減少重復(fù)及遺漏地塊的可能，從而有效地提高作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量。具體方式是先把地塊從中間分為 1、2 兩個(gè)小區(qū)，圖 4.1 ROBO 接口板接口示意圖23 /

58、 43 文檔可自由編輯打印機(jī)器人從 1 區(qū)的左邊進(jìn)入地中，行進(jìn)到地頭向右轉(zhuǎn)到第二小區(qū)左邊再轉(zhuǎn)彎行進(jìn)，到地頭后又回到第一小區(qū)左邊緊靠著第一直行路線行進(jìn)第三次，如此循環(huán)工作，最后從第二小區(qū)的右邊也就是整個(gè)待耕地塊的右側(cè)駛出地外。路線示意圖如圖 4.2 所示。 4.4.34.4.3 程序設(shè)計(jì)用慧魚軟件(ROBO PRO)編制程序部分.主程序如圖 4.21 所示，后退 back 子程序如圖 4.22，前進(jìn) forward 子程序如圖 4.23，左轉(zhuǎn)彎 go left 如圖 4.24，右轉(zhuǎn)彎go right 如圖 4.25 以及一個(gè)步態(tài)調(diào)整程序如圖 4.26。圖 4.2 機(jī)器人行進(jìn)路線示意圖圖 4.21

59、 主程序24 / 43 文檔可自由編輯打印圖 4.22 后退子程序圖 4.23 前進(jìn)子程序圖 4.24 左轉(zhuǎn)子程序圖 4.25 右轉(zhuǎn)子程序25 / 43 文檔可自由編輯打印圖 4.26 所示程序完成的功能是：調(diào)整三角步態(tài)位置到正確位置從而保證行進(jìn)正常。 圖 4.26 步態(tài)調(diào)整程序26 / 43 文檔可自由編輯打印第 5 章 運(yùn)動(dòng)仿真5.1 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)就應(yīng)用計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型求解，以研究實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行的性能的技術(shù)，由于計(jì)算機(jī)仿真是應(yīng)用計(jì)算機(jī)中的數(shù)學(xué)模型做實(shí)驗(yàn)，與用實(shí)物做實(shí)驗(yàn)比較，具有經(jīng)濟(jì)、安全、實(shí)驗(yàn)周期短等特點(diǎn)。5.1.1 基于 proe 的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)仿真如圖 5.1，5.2

60、 所示為運(yùn)用 proe 建立的數(shù)學(xué)模型。圖 5.1 六足機(jī)器人 PROE 模型27 / 43 文檔可自由編輯打印豬籠草是有名的熱帶食蟲植物，主產(chǎn)地是熱帶亞洲地區(qū)。豬籠草擁有一幅獨(dú)特的吸取營養(yǎng)的器官捕蟲囊，捕蟲囊呈圓筒形，下半部稍膨大，因?yàn)樾螤钕褙i籠，故稱豬籠草。豬籠草是食蟲植物不從土壤等無機(jī)界直接攝取和制造維持生命所需營養(yǎng)物質(zhì)，而依靠捕捉昆蟲等小動(dòng)物來謀生。如圖 5.3 所示當(dāng)小動(dòng)物進(jìn)入捕蟲囊后囊蓋自動(dòng)關(guān)閉，豬籠草仿生機(jī)器人就是模仿豬籠草的捕蟲方式設(shè)計(jì)的。當(dāng)磁性物體進(jìn)入機(jī)器人內(nèi)部時(shí)磁性傳感器發(fā)出信號(hào)模型門關(guān)閉。圖 5.2 豬籠草仿生機(jī)器人 PROE 模型28 / 43 文檔可自由編輯打印5.1

61、.2 實(shí)物仿真運(yùn)用慧魚模型搭建的實(shí)物模型進(jìn)行了試驗(yàn)，六足蟲機(jī)器人完成了第四章的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的要求，豬籠草機(jī)器人達(dá)到了仿生目的，實(shí)現(xiàn)了類似豬籠草捕食的條件反射的控制方式。實(shí)物如圖 5.4 和 5.5 所示。圖 5.3 豬籠草29 / 43 文檔可自由編輯打印圖 5.5 豬籠草機(jī)器人實(shí)物圖圖 5.4 六足機(jī)器人實(shí)物圖30 / 43 文檔可自由編輯打印第 6 章 總結(jié)與展望本次畢業(yè)設(shè)計(jì)在彭中波老師的精心指導(dǎo)下，參考了大量的機(jī)器人設(shè)計(jì)書籍和設(shè)計(jì)資料，我順利地完成了仿生機(jī)器人的控制系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按時(shí)按量地完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)。主要的工作有：依據(jù)作業(yè)要求，確定了仿生機(jī)器人的總體方案，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)軟件

62、進(jìn)行了設(shè)計(jì)和編程。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)給了我一個(gè)獨(dú)立分析問題，解決問題機(jī)會(huì)，同時(shí)對(duì)理論知識(shí)有了更進(jìn)一步的理解和鞏固，鍛煉了自己動(dòng)手實(shí)踐的能力，對(duì)將來的工作有極大的幫助。在設(shè)計(jì)中也發(fā)現(xiàn)了一些不足之處，仍有一些尚待改進(jìn)的地方，總結(jié)如下：1）.目前我的設(shè)計(jì)，對(duì)機(jī)器人速度、方向的控制，實(shí)現(xiàn)比較好的控制，但轉(zhuǎn)向后步態(tài)變化大，步態(tài)的轉(zhuǎn)換還不夠靈敏。故需要進(jìn)一步研究控制系統(tǒng)，完善數(shù)學(xué)模型。2）.要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的功能仿生，比如遇到障礙時(shí)，是采用避障還是越障，采用的傳感器遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。可增加一些其他的傳感器，如紅外傳感器、觸覺傳感器，實(shí)現(xiàn)多傳感器的融合，共同完成機(jī)器人的功能仿生性能，從而使機(jī)器人達(dá)到真正意義上的仿生。3）.搭

63、建機(jī)器人實(shí)體模型的六面連接體連接牢固度有待提高。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我對(duì)零件材料、加工工藝、裝配關(guān)系，單片機(jī)技術(shù)和接口技術(shù)有了更加深入的理解，建模、制圖水平進(jìn)一步提高，最重要的是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)開發(fā)了我的設(shè)計(jì)思想，使我受益匪淺！ 31 / 43 文檔可自由編輯打印致 謝畢業(yè)設(shè)計(jì)是畢業(yè)生們?cè)诖髮W(xué)中的最后一門課程。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用本專業(yè)以及其他有關(guān)課程的理論，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)踐知識(shí)，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際以及分析和解決工程實(shí)際問題的才能，并使大學(xué)四年所學(xué)的知識(shí)得到進(jìn)一步鞏固、深化和擴(kuò)展。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中所遇到困難是以往任何一次設(shè)計(jì)所沒有遇到的，這是對(duì)我克服困難和解決問題能力的一次鍛煉，一次考驗(yàn)。在此次設(shè)計(jì)中，

64、我們這一小組的同學(xué)，互相幫助，共同探討，充分發(fā)揮團(tuán)體精神，圓滿的完成了本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。這種團(tuán)體的精神和大家共同努力工作的風(fēng)貌，對(duì)我以后的工作是一個(gè)很大的影響，我會(huì)更加努力刻苦，奮發(fā)拼搏。在這里，我們要感謝的人很多：首先是我的指導(dǎo)老師彭中波老師，從設(shè)計(jì)開始到結(jié)束，他始終如一的指導(dǎo)我們，為我們排憂解難，給予我們關(guān)心、支持和幫助，老師在設(shè)計(jì)過程中給我們認(rèn)真講解了很多問題，解決了我們?cè)谠O(shè)計(jì)過程中遇到的許多困難；其次是我同組的同學(xué)，在設(shè)計(jì)過程中我們互相學(xué)習(xí)，共同探討，發(fā)現(xiàn)和解決設(shè)計(jì)中的遺漏和問題。在此表示衷心的感謝，并致以崇高的敬意！32 / 43 文檔可自由編輯打印參考文獻(xiàn)1 機(jī)器人知識(shí)講座P，機(jī)器人

65、ROBOT,2000.3,Vo1.22 No.2。2 王坤興，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)J，機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2001. 3。3 國家 863 計(jì)劃智能機(jī)器人專家組J，機(jī)器人博覽，安徽：中國科學(xué)技術(shù)出版社 2001。4 陳佩云等，我國工業(yè)機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩rJ，機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2001 年第 1期。5 劉進(jìn)長，我國機(jī)器人發(fā)展戰(zhàn)略研究J，機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2001 年第 3 期。6 馬頌德，基礎(chǔ)技術(shù)研究與隊(duì)伍建設(shè)J，機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用，2001 年第 5 期。7 熊有倫，機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)M，華中理工大學(xué)出版社，1996. 8。8 孫桓，機(jī)械原理M，北京：高等教育出版社，2000.8。9 濮良貴，機(jī)械設(shè)計(jì)M，北

66、京：高等教育出版社，2000.12。10 McCloy, D.Some comparisons of serialdriven and paralleldriven manipulatorsP. 1990. Robotica, Vol.8。11 MEI15a, Serial Robot Kinematics Example (6 dof)，Kinematics Example 3PP. nb, Winter 2443。12 P. Steinhaus, R. Dillman “The German Humanoid Robot Project” Proceedings of the 2001 International Conference on Humanoid Robots,Waseda UniversityJ, Tokyo, Japan,November 2001。13陳懇，楊向東，劉莉，楊東超，機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用M，北京：清華大學(xué)出版社，2006。14張鐵，謝存禧，機(jī)器人學(xué)M，廣東：華南理工大學(xué)出版社，2005。15陳學(xué)東，賈文川，多足步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃與控制M，武漢：華中科技大學(xué)