仿生六足机器人研究报告
项目研究报告
北京理工大学机电学院 20081043 吴帆
——小型仿生六足探测机器人
一、课题背景：
仿生运动模式的多足步行机器人具有优越的越障能力，它集仿生学原理、机构学理论、自动控制原理与技术、计算机软件开发技术、传感器检测技术和电机驱动技术于一体。
不论在何种地面上行走，仿生六足机器人的运动都具有灵活性与变化性，但其精确控制的难度很大，需要有良好的控制策略与精密的轨迹规划，这些都是很好的研究题材。
二、项目创新点：
作为简单的关节型伺服机构，仿生六足机器人能够实现实时避障，合理规划行走路线。
简单的关节型机器人伺服系统不仅具有可批量制造的条件，作为今后机器人群系统的基本组成，也可以作为探索复杂伺服机构的研究对象。
三、研究内容：
1.仿生学原理分析：
仿生式六足机器人，顾名思义，六足机器人在我们理想架构中，我们借鉴了自然界昆虫的运动原理。
足是昆虫的运动器官。昆虫有3对足，在前胸、中胸和后胸各有一对，我们相应地称为前足、中足和后足。每个足由基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节几部分组成。基节是足最基部的一节，多粗短。转节常与腿节紧密相连而不活动。腿节是最长最粗的一节。第四节叫胫节，一般比较细长，长着成排的刺。第五节叫跗节，一般由2-5个亚节组成﹔为的是便于行走。在最末节的端部还长着两个又硬又尖的爪，可以用它们来抓住物体。
行走是以三条腿为一组进行的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组。这样就形成了一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面并向后蹬时，另外三条腿即抬起向前准备替换。
前足用爪固定物体后拉动虫体向前，中足用来支持并举起所属一侧的身体，后足则推动虫体前进，同时使虫体转向。
这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。并不是所有成虫都用六条腿来行走，有些昆虫由于前足发生了特化，有了其他功用或退化，行走就主要靠中、后足来完成了。
大家最为熟悉的要算螳螂了，我们常可看到螳螂一对钳子般的前足高举在胸前，而由后面四条足支撑地面行走。
参考以上的昆虫足部结构，我们想出了较简单的方式来表达。一支脚共有两个关节(假设没有爪的情况下)，一个关节采左右式移摆；另一个关节则是采偏摆式，使脚可提
高，当做上下运动的一种，结构设计图如下。
2.运动学分析：
六足步行机器人的步态是多样的，其中三角步态是六足步行机器人实现步行的
典型步态。
（1）三角步态介绍：
“六足纲”昆虫步行时，一般不是六足同时直线前进，而是将三对足分成两组，以三角形支架结构交替前行。目前，大部分六足机器人采用了仿昆虫的结构，6条腿分布在身体的两侧，身体左侧的前、后足及右侧的中足为一组，右侧的前、后足和左侧的中足为另一组，分别组成两个三角形支架，依靠大腿前后划动实现支撑和摆动过程，这就是典型的三角步态行走法，如下图所示。图中机器人的髋关节在水平和垂直方向上运动。此时，B、D、F 脚为摆动脚，A、C、E脚原地不动，只是支撑身体向前。由于身体重心低，
不用协调Z向运动，容易稳定，所以这种行走方案能得到广泛运用。
（2）机器人行走步态分析：
项目设计共使用12个舵机用于步态实现。每条腿上有两个舵机，分别控制髋关节和膝关节的运动，舵机安装呈正交，构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运动自由度，所以只考虑利用三角步态实现直线行走。分别给12个舵机编号(1～12)，如图所示。
直线行走步态分析
由1、2、5、6、9、10 号舵机控制的A、C、E腿所处的状态总保持一致（都是正在摆动，或者都在支撑）；同样，3、4、7、8、11、12 所控制的B、D、F腿的状态也保持一致。当处在一个三角形内的3 条腿在支撑时，另3条腿正在摆动。支撑的3条腿使得身体前进，而摆动的腿对身体没有力和位移的作用，只是使得小腿向前运动，做好接下去支撑的准备。步态函数的占空系数为 0.5，支撑相和摆动相经过调整，达到满足平坦地形下的行走步态要求和稳定裕量需求。
转弯步态分析
项目设计的机器人采用以一中足为中心的原地转弯方式实现转弯，下图为右转的示意图，图中E腿为支撑中足。右转弯运动的过程如下：1）首先A、C、E 腿抬起，然后A、C 腿向前摆动，E腿保持不动，B、D、F腿支撑。2）A、C、E腿落地支撑，同时B、D、F腿抬起保持不动。3）A、C腿向后摆动。整个运动过程中B、D、E、F 不做前后运动，只是上下运动。
3.结构设计：
六足机器人的基本结构的设计主要包括机器人足部关节自由度转换结构的设计和躯干整体支架的设计。
（1）足部结构：
仿生六足机器人足部机构主要是电机间的链接与自由度转换结构。
采用Auto公司开发的3D机械制图软件辅助设计的方法，分析电机尺寸，设计固定作用的固定架，传动作用的U型架。
结构通过平面钣金加工制作，通过紧固件进行基本结构件的连接。
基本足部自由度转换结构设计实物图。
（2）躯干结构：
经过改进后的机器人躯干结构在结构设计软件中的设计图如下
躯干结构模拟图整体结构模拟图
4.驱动器与驱动原理：
仿生六足机器人采用电动驱动的方式进行驱动
驱动器采用微型直流角位移伺服电动机【舵机】。
（1）舵机原理
舵机是一种结构简单的、集成化的直流伺服系统，其内部结构由直流电机、减速齿轮、电位计和控制电路组成。舵机采用的驱动信号是脉冲比例调制信号(PWM)，即在通常为20ms 的周期内，输入以0.5～2.5ms 变化的脉冲宽度，对应的转角范围从O°变化到180°，脉冲宽度与转角呈线性关系[5]。控制信号线提供一定脉宽的脉冲时，其输出轴保持在相对应的角度上。若舵机初始角度状态在0°位置，那么电机只能朝一个方向运动，所以初始化的时候，应将所有电机的位置定在90°的位置。六足机器人腿部偶数舵机转轴为垂直运动，控制机器人腿部抬起和放下；奇数舵机转轴为水平转动，控制机器人腿部前进和后退。
（2）舵机控制方法
标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线。
电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源．电压通常介于4～6V，一般取5V。给舵机供电电源应能提供足够的功率。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20 ms(即频率为50 Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用下图表示。
从上述舵机转角的控制方法可看出，舵机的控制信号实质是一个可嗣宽度的方波信号(PWM)。该方波信号可由FPGA、模拟电路或单片机来产生。采用FPGA成本较高，用模拟电路来实现则电路较复杂，不适合作多路输出。一般采用单片机作舵机的控制器。
（2）选型：
辉盛SG90舵机
参数：扭矩：1.5KG/CM 死区：10us 转速：0.12秒/60度(4.8V) 重量：9克尺寸：21.5mmX11.8mmX22.7mm 工作电压4.8V-6V
5.控制电路的硬件设计
（1）电源模块--驱动电路和抗干扰技术
双电源供电：
舵机内部是直流电机驱动，在带载时启停的瞬间会产生较大的峰值电流，将舵机供电电源与 MCU和IC的供电电源分开，双线供电能保证控制电路不受驱动电路产生不稳定脉冲的干扰。
为保证驱动器电源输入的稳定性，结合电路抗干扰技术，采用合适方法保证电路抗脉冲干扰、抗低频干扰、抗共模干扰的能力，使12个电机的多驱动系统能够稳定工作。
电源采用，镍氢电池7.4V，1200mA，15CC；
控制电路电源输入由1117低压差电压调节转换电路提供。
驱动电路电源由LM2596 DC-DC直流开关电压转换电路提供。
（2）控制核心--单片机接口电路和传感器检测
控制电路主要由1602显示调试屏幕，12路舵机控制输出，抗干扰等部分组成，结合PROTEUS仿真技术，分析控制程序。原理图如下：
6.计算机与软件开发：
单片机主控系统：AVR单片机 ATmega16
软件设计的基本思想软件的主要功能是使机器人在向前行进的过程中能够避开障碍物，即对12 个舵机进行调度和控制。可将软件功能分解为：要避开障碍物，首先应探测到障碍物，其次能绕开障碍物，这就要求机器人能完成前进、后退、左右转弯等动作。动作协调完美性的实现，要求了在任一时刻能够做出12个舵机的同步动作控制。
软件设计中首先将前进、后退、左右转弯等高层动作分解，具体到完成一个动作各个舵机所要完成的动作和时序。采用模块化的设计思想，将对所有舵机的调度做成一个独立的模块，所有的高层动作都是通过调用底层舵机控制的模块来完成。多个舵机的控制是采用多舵机分时控制的思想来实现的。程序采用C语言模块化程序设计的基本思路程序模块如下。
（1）驱动模块：
12路PWM驱动信号通过软件计数法多路输出利用MCU片内定时器和I/O模块控制输出多路占空比可调的PWM控制信号
多舵机分时控制思想
由于单片机在某一时刻只能对一个中断进行响应，所以一个单片机驱动多个舵机的条件是每个舵机产生的中断时间间隔必须相互错开。由于舵机的驱动周期内的2 次电平变化的最短时间是高电平的脉宽时间，即0.5～2.5ms，那么在不产生冲突的情况下，若分时对多个舵机产生驱动信号，则最多可实现的驱动舵机数量为20/2.5=8。就是说一个单片机最多可以控制8 个舵机运行在完整转角空间。采用多舵机分时控制的思想，可实现对12个舵机的协调控制。将12 个舵机分成两组，定时器0 控制舵机1～6，定时器1 控制舵机7～12，每个定时器在一个周期内将产生12次定时器中断。使数据发生错误也很难连续起来，大大提高整体的纠错能力。
（2）动作模块：
将计算得到的机器人运动数据封装为前进、后退、左转、右转的动作函数子程序。设计电机控制的速度伺服、角度伺服程序，采用流程控制法调用动作函数。
（3）传感器模块：
针对传感器检测的输入，传感器检测使用 AVR单片机片内引脚中断资源，并且对不稳定信号进行软件滤波处理，增加控制系统的稳定性。
（4）1602液晶显示调试模块：
1602液晶显示模块显示程序运行情况，作为程序调试的重要工具。通过单片机IO口引脚发送数据，指令信息，显示当前舵机实时运行状态。
(5) 全局控制上位机程序：
整合多模块，形成系统化控制结构图如下。
四、项目总结
完成的设计：
1.仿生学原理分析
2.机构学理论分析
3.自动控制系统设计
4.计算机软件开发
5.传感器检测控制系统设计
6.电机驱动电路设计
达到的要求：
1.控制系统对12路驱动器的稳定角度控制，速度控制。
2.整体结构与行走步态稳定性达到要求。
3.多种静态步态与传感器检测控制一体化的实现。
4.机器人能够快速准确探测前方障碍物，针对不同情况探索行进路线。
项目成果总结：
项目已经设计制作出三代机器人样本实物，经过实际行走测试，稳定性，速度，蔽障性能等参数达到甚至超过预先设定的指标。
机器人相关参数与性能指标如下：
重量：460g
尺寸：160*100*40mm
平均行走速度：0.06m/s
平均功率：1.2A*5V=6W
探测响应时间：约0.5s
能够在平地上进行前进、后退、左转、右转等稳定步行能够准确探测前方障碍物，根据不同情况执行合适的步态，探索行走路径
五．附录程序：
//===========主程序 main.c================// #include
#include
#include <1602LCD.h>
#include
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
uchar f[12];
uchar m[12][7];
uchar sign,rooptime,roopnum;
uchar direc;
uchar canmove=1;
uchar run=0;
char parameter[12]={9,-9,-15,3,9,-3,-13,6,8,9,-14,-10};
void sys_init(void)
{
DDRA=0xe0;
DDRB=0xff;
DDRC=0xff;
DDRD=0x0f;
PORTA=0x1f;
PORTB=0x00;
PORTC=0x00;
PORTD=0xf0;
TCCR2=0x0a;
OCR2=10;
TIMSK|=0x80;
Lcd_init();
_delay_ms(1000);
}
void residual(void)
{
uchar i,j;
for(i=0;i<12;i++)
f[i]+=parameter[i];
for(i=0;i<12;i++)
for(j=0;j<7;j++)
m[i][j]+=parameter[i];
}
void gait1(void)//动作函数前进
{
uchar i;
roopnum=4;
rooptime=6;
sign=0;
i=0;
m[i][0]=140;m[i][1]=150;m[i][2]=150;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=1;
m[i][0]=150;m[i][1]=160;m[i][2]=150;m[i][3]=140;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150;
i=2;
m[i][0]=150;m[i][1]=150;m[i][2]=160;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=3;
m[i][0]=150;m[i][1]=160;m[i][2]=150;m[i][3]=140;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=4;
m[i][0]=150;m[i][1]=150;m[i][2]=140;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=5;
m[i][0]=150;m[i][1]=140;m[i][2]=150;m[i][3]=160;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=6;
m[i][0]=160;m[i][1]=150;m[i][2]=150;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=7;
m[i][0]=150;m[i][1]=140;m[i][2]=150;m[i][3]=160;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=8;
i=9;
m[i][0]=150;m[i][1]=160;m[i][2]=150;m[i][3]=140;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=10;
m[i][0]=150;m[i][1]=150;m[i][2]=160;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=11;
m[i][0]=150;m[i][1]=160;m[i][2]=150;m[i][3]=140;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; for(i=0;i<12;i++)
f[i]=m[i][3];
residual();
}
void gait2(void)//动作函数后退
{
uchar i;
roopnum=4;
rooptime=6;
sign=0;
i=0;
m[i][0]=150;m[i][1]=150;m[i][2]=140;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=1;
m[i][0]=150;m[i][1]=160;m[i][2]=150;m[i][3]=140;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=2;
m[i][0]=160;m[i][1]=150;m[i][2]=150;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=3;
m[i][0]=150;m[i][1]=160;m[i][2]=150;m[i][3]=140;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=4;
m[i][0]=140;m[i][1]=150;m[i][2]=150;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=5;
m[i][0]=150;m[i][1]=140;m[i][2]=150;m[i][3]=160;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=6;
m[i][0]=150;m[i][1]=150;m[i][2]=160;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150;
m[i][0]=150;m[i][1]=140;m[i][2]=150;m[i][3]=160;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150;
i=8;
m[i][0]=150;m[i][1]=150;m[i][2]=140;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=9;
m[i][0]=150;m[i][1]=160;m[i][2]=150;m[i][3]=140;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=10;
m[i][0]=160;m[i][1]=150;m[i][2]=150;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=11;
m[i][0]=150;m[i][1]=160;m[i][2]=150;m[i][3]=140;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; for(i=0;i<12;i++)
f[i]=m[i][3];
residual();
}
void gait3(void)//动作函数左转
{
uchar i;
roopnum=4;
rooptime=6;
sign=0;
i=0;
m[i][0]=140;m[i][1]=150;m[i][2]=150;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=1;
m[i][0]=150;m[i][1]=145;m[i][2]=150;m[i][3]=155;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=2;
m[i][0]=150;m[i][1]=150;m[i][2]=160;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=3;
m[i][0]=150;m[i][1]=160;m[i][2]=150;m[i][3]=140;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=4;
m[i][0]=150;m[i][1]=150;m[i][2]=140;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=5;
m[i][0]=160;m[i][1]=150;m[i][2]=150;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=7;
m[i][0]=150;m[i][1]=140;m[i][2]=150;m[i][3]=160;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=8;
m[i][0]=140;m[i][1]=150;m[i][2]=150;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=9;
m[i][0]=150;m[i][1]=145;m[i][2]=150;m[i][3]=155;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=10;
m[i][0]=150;m[i][1]=150;m[i][2]=160;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=11;
m[i][0]=150;m[i][1]=160;m[i][2]=150;m[i][3]=140;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; for(i=0;i<12;i++)
f[i]=m[i][3];
residual();
}
void gait4(void)//动作函数右转
{
uchar i;
roopnum=4;
rooptime=6;
sign=0;
i=0;
m[i][0]=140;m[i][1]=150;m[i][2]=150;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=1;
m[i][0]=150;m[i][1]=160;m[i][2]=150;m[i][3]=140;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=2;
m[i][0]=150;m[i][1]=150;m[i][2]=160;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=3;
m[i][0]=150;m[i][1]=145;m[i][2]=150;m[i][3]=155;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=4;
m[i][0]=150;m[i][1]=140;m[i][2]=150;m[i][3]=160;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=6;
m[i][0]=160;m[i][1]=150;m[i][2]=150;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=7;
m[i][0]=150;m[i][1]=155;m[i][2]=150;m[i][3]=145;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=8;
m[i][0]=140;m[i][1]=150;m[i][2]=150;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=9;
m[i][0]=150;m[i][1]=160;m[i][2]=150;m[i][3]=140;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=10;
m[i][0]=150;m[i][1]=150;m[i][2]=160;m[i][3]=150;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; i=11;
m[i][0]=150;m[i][1]=145;m[i][2]=150;m[i][3]=155;m[i][4]=0;m[i][5]=0;m[i][6]=150; for(i=0;i<12;i++)
f[i]=m[i][3];
residual();
}
ISR(TIMER2_COMP_vect) //定时器2比较匹配中断
{
static uint time=0,rtime;
uchar i;
time++;
if(time==2000)
{
PORTB=0xff;
PORTD=0xff;
time=1;
}
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Six feet in the design of this robot system based on bionics principle, the mechanical structure of the six-legged insect, through 18 steering gear control, use the gait, such as triangle gait and turning point to control the position of six-legged robot. Remote control system use RF24L01 rf modules. In order to improve the response speed and motion consistency, six-legged robot driver chip USES the ARM architecture (M4 chip, based on mu C/OS - II operation system, remote control part adopts ARM9 processor S3C2440, based on Linux system. By establishing a six-legged robot motion model, using forward kinematics and inverse kinematics analysis of robot, verify the reliability of the robot gait. KEYWORD:Bionic hexapod walking robot;Linux,ARM,NRF24L01;Kinematics vvv学院毕业论文（设计）任务书 毕业论文（设计）题目 仿生机械蜘蛛设计与仿真 学生姓名 vvv 专业 机制 班级 0912 指导教师 vvv 一、毕业论文（设计）的主要内容及要求 设计一种步行仿生机械蜘蛛，要求： 1、绘制仿生机械蜘蛛零部件三维图型和装配图； 2、绘制仿生机械蜘蛛零部件工程图； 3、对仿生机械蜘蛛进行运动仿真； 4、设计仿生机械蜘蛛运动控制方案。 二、毕业论文（设计）应收集的资料及主要参考文献 [1]孙立宁,王鹏飞,黄博. 四足仿生机器人嵌入式多关节伺服控制器的研究[J]. 机 器人,2005,06:517-520. [2] 许宏岩 , 付宜利 , 王树国 , 刘建国 . 仿生机器人的研究 [J]. 机器 人,2004,03:283-288. [3]徐小云,颜国正,丁国清. 微型六足仿生机器人及其三角步态的研究[J]. 光学精 密工程,2002,04:392-396. [4]马光. 仿生机器人的研究进展[J]. 机器人,2001,05:463-466. [5]迟冬祥,颜国正. 仿生机器人的研究状况及其未来发展[J]. 机器 人,2001,05:476-480. [6]徐小云,颜国正,丁国清,刘华,付轩,吴岩. 六足移动式微型仿生机器人的研究[J]. 机器人,2002,05:427-431. [7]刘鹏,郑浩峻,关旭. 基于并联腿机构的四足仿生机器人开发[J]. 微计算机信 息,2007,No.19205:226-227+264. [8]漆向军,陈霖,刘明丹. 控制六足仿生机器人三角步态的研究[J]. 计算机仿 真,2007,04:158-161. [9]张争艳,刘彦飞,冯敏,杨艳芳. 基于虚拟样机技术的六足仿生机器人设计与仿 真[J]. 装备制造技术,2007,No.15410:35+43. [10]王丽慧,周华. 仿生机器人的研究现状及其发展方向[J]. 上海师范大学学报 (自然科学版),2007,06:58-62. [11]赵涓涓,李强,任美荣,郭晓东,李晓飞. 六足仿生机器人运动控制系统的设计[J]. 机电工程技术,2008,v.37?No.20112:44-45+76+106. [12]王鹏飞,黄博,孙立宁. 四足仿生机器人稳定性判定方法[J]. 哈尔滨工业大学 学报,2008,07:1063-1066. [13] 孙立宁 , 胡海燕 , 李满天 . 连续型机器人研究综述 [J]. 机器 人,2010,v.3205:688-694. [14]谭云福,党培. 一种四足仿生机器人步态协调控制的策略[J]. 微计算机信 息,2010,v.26?No.34132:152-154. [15]姜铭,李鹭扬. 混联仿生机器狗构型研究[J]. 机械工程学报,2012,v.4801:19-24. 三、毕业论文（设计）进度及要求 1、1~3周阅读资料、撰写开题报告； 2、4~10周完成毕业设计任务指定工作； 3、11~13周撰写毕业论文； 4、14周毕业答辩 5、要求每周至少向指导教师汇报一次工作进度。 毕业设计（论文）仿生蜘蛛机器人的设计与研究 姓名：寇艳虎 学号： 专业：机械工程与自动化 系别：机械与电气工程系 指导教师：孔繁征 2021年4月 摘要 本文总结了背景和目标,仿生蜘蛛机器人的简单介绍。通过研究机器人的六足仿生的运动,这种设计已确定脚结构,使用3自由度的分析实现向前运动,把运动的机器人。想象的组件和装配映射仿生蜘蛛机器人以与相关部件的检查,确保机械设计的可行性都包含在总设计。 关键词：仿生；机器人；机构 ABSTRACT The paper has summarized the background and the goal of its topic and has made the simple introduction of the bionic hexapod robot. Through the research of the motion of the six feet of the robot, This design has determined the foot structure，using the analysis of 3 degrees of freedom realizes the forward motion and turning motion of the robot . Picturing of the component and assembly mapping of the bionic hexapod robot as well as the inspection of related parts which ensures the feasibility of the machinery design are both included in the total design. KEYWORDS：bionics ；hexapod robot ；machinery 本文的设计为六足爬虫机器人，机器人以锂电池为动力源，单片机为控制元件，伺服电机为执行部件，机器人采用三足着地进行运动，通过单片机对伺服电机的控制，机器人能够实现前进、后退等运动方式，三足着地运动方式保证了机器人能够平稳运行。伺服电机具有力量大，扭矩大，体积小，重量轻等特点。单片机产生20ms 的PWM 波形，通过软件改写脉冲的占空比，从而达到改变伺服电机角度的目的。 1 机器人运动分析 1.1 六足爬虫式机器人运动方案比较 方案一：六足爬虫式机器人的每条腿都能单独完成抬腿、前进、后退运动。 此方案的特点： 每条腿都能自由活动，每条腿都能单独进行二自由度的运动。每条腿的灵活性好，更容易进行仿生运动，六足爬虫机器人可以完成除要求外的很多动作，运动的视觉效果更好。由于每条腿能单独完成二自由度的运动，所以每条腿上要安装两个舵机，舵机使用数量大，舵机的安装难度加大，机械结构部分的制作相对复杂，又由于每个舵机都要有单独的信号控制，电路控制部分变得复杂了，控制程序也相应的变得复杂。 方案二：六足爬虫式机器人采取三腿为一组的运动模式，且同一侧的前腿、后腿的前后转动由同一侧的中腿进行驱动。采用三腿为一组(一侧的前足、后足与另一侧的中足为一组)的运动方式，各条腿能够协调的进行运动，机器人的运动相对平稳。 此方案特点：相比上述方案，个腿能够协调运动，在满足运动要求的情况下，舵机使用数量少，节约成本。机器人运动平稳，控制、驱动部分都得到相应的简化，控制简单。选择此方案，机器人还可进行横向运动。 两方案相比，选择方案二更合适。 1.2 六足爬虫式机器人运动状态分析 1.2.1 机器人运动步态分析 本科毕业设计（论文） 六足步行机器人设计与仿真 燕山大学 2012年6月 本科毕业设计（论文） 六足步行机器人设计与仿真 学院（系）：里仁学院 专业：机械电子工程 学生姓名：牛智 学号： 0811******** 指导教师：田行斌 答辩日期： 20012.6.17 燕山大学毕业设计（论文）任务书 摘要 摘要 基于仿生学原理，在分析六足昆虫运动机理的基础上，采用了仿哺乳类的腿部结构，并针对这种腿部结构设计了六足的行走方式，通过对18个直流伺服电机的控制，采用三角步态，实现了六足机器人的直行功能。仿真证明，这种结构能较好地维持六足机器人自身的平衡，并且对今后更深入地研究六足机器人抬腿行走姿态及可行性，具有较高的参考价值。 针对仿生六足步行机器人关节较多，其步态轨迹规划和关节控制量计算都较为复杂的现状，采用Solidworks软件与UG软件相结合的方式对六足仿生步行机器人的样机模型进行了运动学仿真与分析。通过仿真，验证了所设计的三角步态的适用性。 关键词六足机器人；步行；三角步态；运动学仿真 燕山大学本科生毕业设计（论文） Abstract A bionic leg structure which is similar to the legs of mammals was used，and a hexapod walking mode was designed according to this structure．By controlling 18 step motors straight walking function of the hexapod robot has been implemented with tripod gait movement．Simulation and experiment show that this structure can keep the hexapod robot balance better，providing high reference value to research the advantage and feasibility of leg raising walking gesture． As there are many joints in the bionic hexapod walking robot and the calculation of its walking track and joints control unit are comparatively comp- licated，the kinematical simulation and analysis of the model of bionic hexapod walking robot have been done by using solidworks and UG．Through simulation，the applicability of designed tripod gait are validated． Keywords Hexapod robot；Walking；Tripod gait；Kinematics simulation 项目研究报告 ——小型仿生六足探测机器人 一、课题背景： 仿生运动模式的多足步行机器人具有优越的越障能力，它集仿生学原理、机构学理论、自动控制原理与技术、计算机软件开发技术、传感器检测技术和电机驱动技术于一体。 不论在何种地面上行走，仿生六足机器人的运动都具有灵活性与变化性，但其精确控制的难度很大，需要有良好的控制策略与精密的轨迹规划，这些都是很好的研究题材。 二、项目创新点： 作为简单的关节型伺服机构，仿生六足机器人能够实现实时避障，合理规划行走路线。 简单的关节型机器人伺服系统不仅具有可批量制造的条件，作为今后机器人群系统的基本组成，也可以作为探索复杂伺服机构的研究对象。 三、研究内容： 1.仿生学原理分析： 仿生式六足机器人，顾名思义，六足机器人在我们理想架构中，我们借鉴了自然界昆虫的运动原理。 足是昆虫的运动器官。昆虫有3对足，在前胸、中胸和后胸各有一对，我们相应地称为前足、中足和后足。每个足由基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节几部分组成。基节是足最基部的一节，多粗短。转节常与腿节紧密相连而不活动。腿节是最长最粗的一节。第四节叫胫节，一般比较细长，长着成排的刺。第五节叫跗节，一般由2-5个亚节组成﹔为的是便于行走。在最末节的端部还长着两个又硬又尖的爪，可以用它们来抓住物体。 行走是以三条腿为一组进行的，即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组。这样就形成了一个三角形支架结构，当这三条腿放在地面并向后蹬时，另外三条腿即抬起向前准备替换。 前足用爪固定物体后拉动虫体向前，中足用来支持并举起所属一侧的身体，后足则推动虫体前进，同时使虫体转向。 这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。并不是所有成虫都用六条腿来行走，有些昆虫由于前足发生了特化，有了其他功用或退化，行走就主要靠中、后足来完成了。 大家最为熟悉的要算螳螂了，我们常可看到螳螂一对钳子般的前足高举在胸前，而由后面四条足支撑地面行走。 六足仿生机器人 人们对机器人的幻想与追求已有3000多年的历史，人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人们完成各种工作。1959年，第一台工业机器人在美国诞生，近几十年，各种用途的机器人相继问世，使人类的许多梦想变为现实。随着机器人工作环境和工作任务的复杂化，要求机器人具备有更高的运动灵活性和特殊位置环境的适应性，机器人简单的轮子和履带的移动机构已不能适应多变复杂的环境要求。在仿生技术、控制技术和制造技术不断发展的今天，各种各样的仿生机器人相继被研制出来，仿生机器人已经成为机器人家族重要的成员。 仿生爬行机器人是一种基于仿生学原理研制开发的新型足式机器人。与传统的轮式或者履带机器人相比，足式机器人自由度多，可变性大、结构发杂、控制繁琐，但其在运动特性方面具有独特的优点：首先是足式机器人具有较好的机动性，对不平地面的适应能力十分突出，由于其立足点是离散的，与地面的接触面积较小，因而可以在可能达到的地面上选择最优支撑点，从而能够相对容易的通过松软地面以及跨过比较大的障碍；其次是足式机器人的运动系统可以实现主动隔振，允许机身运动轨迹与足轨迹解耦。尽管地面高 低不平，机身的运动仍可达到相对平稳。 本课题主要研究的内容是一种六足仿生机器人的机械机构部分的设计和分析，围绕六足仿生机器人的前沿技术，主要仿生对象为蚂蚁，主要实现机器人前后左右移动，具有良好的仿生特性，研究具有抗冲击性以及地形适应能力的仿生机设计技术，六足仿生机器人系统模型；研究六足机器人适应不同地形环境的能力。研制系统设计与仿真等核心单元。研制高速、高负载力、对典型非结构化地形具有高适应能力的六足仿生机器人，并开展系统结构、地形适应能力以及对抗控制实验验证。本次设计的预期要达到的效果是可以实现灵活进退和转向，跨越障碍物，通过洼地和台阶并且保持平衡防止倾翻，能够实现实时避障，合理规划行走路线。 1、技术方案 一、机器人功能介绍： a）可实现前进后退转弯等基本动作，加装传感器后对小障碍物越过、大障碍物绕开，具有遥控模式，可通过无线装置无线控制。 b）机器人机械机构： 舵机在仿生机器人中的应用：舵机有体积紧凑，便于安装，输出力矩大，稳定性好等优点。一个放上机器人，机器人各个关节都有一定的自由度数，而每个舵机正是实现其中一个个关节在一个自由度上的运动。 编号：13 哈尔滨工业大学机电工程学院基于项目学习的机械创新设计大赛 结题报告书 项目名称：仿生六足机器人 项目负责人：闫振学号：1120830201 联系电话：电子邮箱： 院系及专业：机电工程学院飞行器制造工程 指导教师：李立青职称：高级工程师 联系电话：电子邮箱： 院系及专业：机电工程学院航空宇航制造工 程系 姓名性别专业方向班级学号本人签字 闫振男飞行器制造工程 王志强男飞行器制造工程 晏理邦男飞行器制造工程 赵京昊男飞行器制造工程 穆思宇男 飞行器制造工程 签 名： 年 月 日 哈尔滨工业大学机电工程学院制表填表日期：2014 年7月 20日 项目名称： 仿生六足机器人 一、课题组成员：（包括项目负责人、按顺序） 二、指导教师意见： 三、院评审委员会意见： 评审主任签名（或盖章 ）： 年 月 日 四、研究背景 1.研究现状 4.1国外研究现状 随着电子技术发展，计算机性能的提高，使多足步行机器人技术进入了基于计算机控制的发展阶段。其中有代表性的研究为 1993年,美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人 DANTE，图1所示,用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察，其结构由2个独立的框架构成。这一阶段研究的重点在于机器人的运动机构的设计、机器人的步态生成与规划及传统的控制方法在机器人 行走运动控制过程的应用。1983年，Odetics公司推出的六足机器人Odex1，图2所示，把六条腿均匀分布在一个圆形框架上，可方 便的实现全方位运动，而且能够通过对形体的重构改变机器人的 形状，是对传统的长方形框架六足步行机的挑战。麻省理工的 Raibert利用相对自由度数较少的简单腿部机构建造了一些机器 人，利用简单的控制，这些机器人能够实现走、跑、跳等动作， 实现主动平衡，如图3所示。1993年,美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人DANTE，图4所示,用于对南极的埃里伯斯火 基于Arduino的多功能六足仿生机器人 如今这个时代人们对地球的探索进行的越来越深入，探索的区域越来越不适合人类工作，因此探索方式由传统的人工探测改为较为先进的机器人探测。然而传统的轮式机器人已不能满足人类的需求，严重的受于地形限制，尤其是工作环境不稳定的废墟、丛林、山洞等特殊场合。因此仿生学引起普遍重视，仿生学机器人被大量生产制作。 我们此次设计采用仿生学原理，制作了这个仿生学六足机器人。六足仿生机器人就可以很好地克服普通轮式机器人的缺点，可以很好地适应各种工作环境不稳定的废墟、丛林、山洞等，使得其工作区域增大。 该仿生机器人以arduino作为主控，用24路舵机控制板控制18路舵机以实现机器人的平稳运行，用PS2无线手柄控制机器人运动。有关机器人运动方式，采用传统的三角步态。三角步态（或交替三角步态），是β =1/2 时的波形步态，运动时六条腿成两组三角形交替支撑迈步前进。“六足纲”昆虫（蟑螂、蚂蚁等）步行时，一般不是六足同时直线前进，而是将三对足分成两组，以三角形支架结构交替前行。身体左侧的前、后足及右侧的中足为一组，右侧的前、后足和左侧的中足为另一组，分别组成两个三角形支架。当一组三角形支架中所有的足同时提起时，另一组三角形支架的三只足原地不动，支撑身体，并以其中足为支点，前足胫节的肌肉收缩，拉动身体向前，后足胫节的肌肉收缩，将虫体往前推，因此身体略作以中足为支点的转动，同时虫体的重心落在一另一组“三角形支架”的三足上，然后再重复 前一组的动作，相互轮换周而复始。这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。这就是典型的三角步态行走法，其行走轨迹并非是直线，而是呈“之”字形的曲线前进。 采用ADXL335模块进行运动姿态步伐的检测，判断其运动中躯干是否平稳。超声波红外模块结合以实现大角度区域内完美避障，有PS2无线手柄控制，采用将人工控制与自主控制相结合的方式，确保其运动的稳定性。机器人上还有GSM通信模块，可以将其搭载的数据采集系统的数据实时传输回PC端，并在PC端进行数据分析。 本次设计创新点在于它所带的无线充电模块，使它还可以作为小型机站，前期搭载小型无人机进行工作，当运动至陆地机器人无法通 编号：13 哈尔滨工业大学机电工程学院 基于项目学习的机械创新设计大赛 结题报告书 项目名称：仿生六足机器人 项目负责人：闫振学号：1120830201 联系电话：电子邮箱： 院系及专业：机电工程学院飞行器制造工程 指导教师：李立青职称：高级工程师 联系电话：电子邮箱： 院系及专业：机电工程学院航空宇航制造工程系 哈尔滨工业大学机电工程学院制表 填表日期：2014 年7月 20日 项目名称：仿生六足机器人 一、课题组成员：（包括项目负责人、按顺序） 二、指导教师意见： 三、院评审委员会意见： 四、研究背景 1.研究现状 4.1国外研究现状 随着电子技术发展，计算机性能的提高，使多足步行机器人技术进入了基于计算机控制的发展阶段。其中有代表性的研究为1993年,美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人DANTE，图1所示,用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察，其结构由2个独立的框架构成。这一阶段研究的重点在于机器人的运动机构的设计、机器人的步态生成与规划及传统的控制方法在机器人行走运动控制过程的应用。1983年，Odetics公司推出的六足机器人Odex1，图2所示，把六条腿均匀分布在一个圆形框架上，可方便的实现全方位运动，而且能够通过对形体的重构改变机器人的形状，是对传统的长方形框架六足步行机的挑战。麻省理工的Raibert利用相对自由度数较少的简单腿部机构建造了一些机器人，利用简单的控制，这些机器人能够实现走、跑、跳等动作，实现主动平衡，如图3所示。1993年,美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人DANTE，图4所示,用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察，其结构由2个独立的框架构成。这一阶段研究的重点在于机器人的运动机构的设计、机器人的步态生成与规划及传统的控制方法在机器人行走运动控制过程的应用。Boston Dynamics 公司的Big Dog四足机器人用于为军队运输装备，其高3英尺，重165磅，可以以3.3英里的速度行进，其采用汽油动力。 图1 Adaptive Suspension Vehicle 图2 Odex1步行机器人 模拟电路DIY项目报告基于单片机控制的多关节仿生机器人 题目基于单片机控制的多关节仿生机器人姓名肖翔天(组长) 贾潇郑家雄雄杨波闵 浩迪张鸣远赵政舒张泽中 专业电子工程学类 指导教师张利君王小静 基于单片机控制的多关节仿生机器人 摘要：随着人类探索自然界步伐的不断加速，各应用领域对具有复杂环境自主移动能力机器人的需求，日趋广泛而深入。理论上，足式机器人具有比轮式机器人更加卓越的应对复杂地形的能力，因而被给予了巨大的关注，但到目前为止，由于自适应步行控制算法匮乏等原因，足式移动方式在许多实际应用中还无法付诸实践。另一方面，作为地球上最成功的运动生物，多足昆虫则以其复杂精妙的肢体结构和简易灵巧的运动控制策略，轻易地穿越了各种复杂的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。因此，将多足昆虫的行为学研究成果，融入到步行机器人的结构设计与控制中，开发具有卓越移动能力的仿生机器人，对于足式移动机器人技术的研究与应用具有重要的理论和现实意义。 在此我们对一种基于单片机控制的多关节仿生机器人——六足机器人进行研究。其地形适应能力强，具有冗余肢体，可以在失去若干肢体的情况下继续执行一定的工作，适合担当野外侦查、水下搜寻以及太空探测等对自主性、可靠性要求比较高的工作。 关键词：六足机器人，运动，结构设计，红外避障 Abstract：With the increasingly rapid step of human exploration of nature, the demand for robots with autonomous mobility under complex environment has been getting broader and deeper in more and more application areas. Theoretically, legged robot offers more superior performance of dealing with complicated terrain conditions than that provided by wheeled robot and therefore has been given great concern, however up to now, for the reason of absence of adaptive walk control algorithm, legged locomotion means still could not be put into practice in many practical applications yet. While on the other hand, as the most successful moving creature on the earth, multi-legged insect has facilely managed to surmount various complex natural landforms and even to walk upside down on smooth surfaces by right of its sophisticated limb structure and dexterous locomotion control strategies. Accordingly, it contains great theoretical and practical significance for the research and application 基于STM32的六足机器人制作 【摘要】基于仿生原理，以STM32为控制器的核心，制作动作灵活，结构简单的六足机器人，并且完成了直线、转弯步态的规划和控制。实验表明成功控制实现三足步态进行直线行走功能。文中详细介绍了该“蜘蛛”的结构组成、行走原理、步态规划算法与控制系统设计。 【关键词】六足机器人;仿生;步态规划;固定步态 机器人技术是融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术[1]。轮式车辆在平地公路运输中有着无可替代的用途，在沙地和泥泞的地面履带车辆被广泛应用，足式步行机合适于山地和复杂多障碍地面的移动[2]。由于多足步行机器人足端点与地面的接触面积小的特点，使机器人能够在足端点可达工作范围内自由调整步行姿态，因而能灵活的选择机械腿的落脚点，能灵活的越过障碍物和小沟壑，使多足步行机器人具有很高的避障、越障能力[3]。 1.仿生行走原理 六足机器人作为一个系统，它的运动关节、机械足以及机身构成了机器人的整体，六条机械足与机身通过舵机相连，机械腿的布局是模仿昆虫腿部布局围绕机身形成不完全对称的圆形布局。 本文设计控制六足机器人躯干纵向长150mm，宽130mm，站立时高160mm，共有六条腿，每条腿由三个自由度实现躯干的灵活攀爬。第一个自由度，由驱动关节带动腿部转节前后摆动;第二个自由度，由驱动关节带动腿部股节上下摆动;第三个自由度，由驱动关节带动腿部胫节上下摆动。为了增加整个躯干的支撑稳定性，六条腿呈环绕式分布在躯干周围。舵机选用TR213型号，可以提供达13Kg·cm的扭矩。 2.步态规划和控制实现 2.1 步态规划 在自然界中，可以观察到很多种的步行动物中的行走步态。为了描述步态，我们将步行动物的腿部行走分为两种状态[3]，一种是支撑状态，是指肢体接触地面，支撑身体的状态;另一种是摆动状态，是指肢体离开地面，向前进方向摆动，动物的行走就是由每条腿的这两种状态交替进行完成的。 2.1.1 摆动状态 摆腿的第一个动作为L1抬起腿，转动一定角度向前进方向跨出一定步长S;当L1缓慢落下变为支撑腿时，L2（此时状态为支撑状态）向前进方向的反方向仿生六足机器人中期报告
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