六足爬行機(jī)器人設(shè)計第1節(jié)緒論

1、長沙學(xué)院 CHANGSHA UNIVERSITY畢業(yè)設(shè)計（論文）資料設(shè)計（論文）題目： 六足爬行機(jī)器人設(shè)計 系部： 機(jī)電工程系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 生 姓 名： 周 斌 班 級：四班 學(xué)號 2008011405 指導(dǎo)教師姓名： 戴娟 職稱 副教授 最終評定成績 長沙學(xué)院教務(wù)處 二一一年二月制目 錄第一部分 設(shè)計說明書一、設(shè)計說明書第二部分 過程管理資料一、 畢業(yè)設(shè)計（論文）課題任務(wù)書二、 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告三、 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）中期報告四、 畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)教師評閱表五、 畢業(yè)設(shè)計（論文）評閱教師評閱表六、 畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯評審表2012屆本科生畢業(yè)設(shè)計

2、（論文）資料第一部分 設(shè)計說明書（2012屆） 本科生畢業(yè)設(shè)計說明書六足爬行機(jī)器人設(shè)計系部： 機(jī)電工程系 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 生 姓 名： 周 斌 班 級： 四班 學(xué)號 2008011405 指導(dǎo)教師姓名：戴 娟 職稱 副教授 最終評定成績 2012 年 6月 長沙學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計六足爬行機(jī)器人設(shè)計系 （部）： 機(jī)電工程系 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計制造及其自動化學(xué) 號： 2008011405 學(xué)生姓名： 周 斌 指導(dǎo)教師： 戴 娟 副教授 2012 年 6 月5 / 14文檔可自由編輯打印摘 要當(dāng)前，科技的發(fā)展極大的推動了爬行機(jī)器人的研究和應(yīng)用，由于其運(yùn)動具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，所以被廣

3、泛應(yīng)用在軍事、探測、民用等各個領(lǐng)域。本設(shè)計通過查閱大量的資料和圖紙，對六足爬行機(jī)器人展開了研究。從仿真學(xué)方面對六足爬行機(jī)器人的步態(tài)方案進(jìn)行了探討，設(shè)計了六足爬行機(jī)器人的關(guān)節(jié)腿式的機(jī)構(gòu)。在控制系統(tǒng)方面，結(jié)合當(dāng)前趨勢和此次設(shè)計內(nèi)容，采用單片機(jī)控制。驅(qū)動方式結(jié)合此次腿部運(yùn)動規(guī)律，選用舵機(jī)作為其驅(qū)動元件。本文在完成了六足爬行機(jī)器人軟件設(shè)計和硬件結(jié)構(gòu)后，利用Pro E對其進(jìn)行了建模，并對其進(jìn)行了運(yùn)動仿真，仿真結(jié)果符合此次設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：六足爬行機(jī)器人，AT89S51，舵機(jī)，運(yùn)動控制ABSTRACTAt present, the development of science and technology

4、 greatly promoted the research and application of the crawling robot, because of its movement has a strong stability, widely used in military, exploration, civil and other various fields.This design through access to large amounts of data and drawings, launched a six-legged climbing robot. From simu

5、lation science, six-legged climbing robot's gait program were discussed, and design the institutions of the joint leg of a six-legged climbing robot. In the control system, combined with the current trends and the design, the use of single-chip control. Driven approach combined with the law of m

6、otion of the leg, the choice of the steering gear as part of its drive components. Completed a six-legged climbing robot software design and hardware architecture, the use of the Pro E its modeling and motion simulation, the simulation results in line with the design requirements.Keywords: Six-foot

7、walking robot, AT89S51, steering engine, motion control目 錄摘 要IABSTRACTII第1章 緒 論11.1 國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)11.2 本次設(shè)計研究的內(nèi)容及意義4第2章 六足爬行機(jī)器人的方案設(shè)計62.1 總體設(shè)計要求62.2六足爬行機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃72.3六足爬行機(jī)器人的控制系統(tǒng)方案設(shè)計92.4六足爬行機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)的方案設(shè)計11第3章 六足爬行機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計及控制程序設(shè)計133.1微控制器的選擇133.2控制系統(tǒng)的電路總體設(shè)計143.3遙控控制端的電路設(shè)計143.4運(yùn)動控制電路的設(shè)計173.5外部傳感器的選用193.6供電方案的設(shè)

8、計213.7控制程序的設(shè)計22第4章 六足爬行機(jī)器人機(jī)械部分的設(shè)計244.1 機(jī)器人腿部結(jié)構(gòu)的設(shè)計244.2驅(qū)動電機(jī)的選擇以及電機(jī)力矩的計算294.3機(jī)器人機(jī)體底板的設(shè)計344.4機(jī)器人腿結(jié)構(gòu)的運(yùn)動分析35第5章 六足爬行機(jī)器人的運(yùn)動仿真405.1零件模型的建立405.2零件模型的裝配425.3六足爬行機(jī)器人的運(yùn)動仿真445.4六足爬行機(jī)器人的運(yùn)動分析45結(jié) 論47參考文獻(xiàn)48附錄1：控制系統(tǒng)總電路圖50附錄2：控制程序清單51致 謝82第1章 緒 論1.1 國內(nèi)外發(fā)展動態(tài)機(jī)器人按其是否可以移動可以分為固定式機(jī)器人和移動機(jī)器人。固定式機(jī)器人是指固定在某個位置上，機(jī)器人不能整體移動，只能移動各個

9、關(guān)節(jié)。目前運(yùn)行的絕大多數(shù)機(jī)器人都是固定式的，他們只能固定在某一位置進(jìn)行運(yùn)動，因而其應(yīng)用范圍和功能受到限制。移動機(jī)器人能夠移動到預(yù)定目標(biāo)，完成相應(yīng)的操作任務(wù)。移動機(jī)器人在工業(yè)和國防上具有廣泛的應(yīng)用前景，如服務(wù)機(jī)器人、巡邏機(jī)器人、防化偵察機(jī)器人、水下作業(yè)機(jī)器人、飛行機(jī)器人等。其中自主式移動機(jī)器人是研究最多的一種。自主機(jī)器人能夠按照預(yù)定給出的任務(wù)指令，不斷感知周圍局部環(huán)境信息，自主地做出判斷，引導(dǎo)自身繞開障礙物，正確安全行駛到達(dá)指定目標(biāo)，并執(zhí)行要求的動作與操作。與其他移動機(jī)器人相比，爬行機(jī)器人有如下優(yōu)點(diǎn)：第一、可以在高低不平的地段上行走；第二、由于腳的主動性，身體不隨地面晃動；第三、在柔軟的地面上運(yùn)

10、動，效率不會顯著降低。這是因為腳在軟地行走時，地面的變形是離散的，至多是損失在一個坑的能量，而且腳還可以利用下沉產(chǎn)生推力，即腳的運(yùn)動能量變成地面彈性體的位能儲存。當(dāng)腳前進(jìn)時，這個位能又釋放出來，因而可以減少步行機(jī)器人動能的損失。機(jī)器人產(chǎn)生的初衷就是創(chuàng)造出一種像人一樣的機(jī)器，以便代替人類從事各種工作。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的功能將會越來越完善，與人類的相似程度會越來越近。就機(jī)器人的移動方式而言，從固定到輪式滾動到多足爬行最后到直立行走，就像是人類的進(jìn)化規(guī)律一樣。爬行機(jī)器人可以通過復(fù)雜的地面，實現(xiàn)特殊的要求。爬行機(jī)器人的步態(tài)與體態(tài)的穩(wěn)定性、周期性和可操作性是其實現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)動的基本前提。步態(tài)是指在

11、運(yùn)動過程中，步行者的肢體在時間和空間上的一種協(xié)調(diào)關(guān)系，是移動著的腿的有規(guī)律的重復(fù)順序運(yùn)動。體態(tài)是指身體的姿勢或形態(tài)。自然界中人與各種動物的步態(tài)和體態(tài)都相差很大，同是動物，由于種類不同，所具有的生物特征也各不相同?，F(xiàn)代科技的發(fā)展已經(jīng)讓很多的機(jī)器人來到我們的身邊，不僅有工廠里面的零件加工機(jī)器人，還有家庭里的服務(wù)型機(jī)器人，我們到處可見他們的身影。根據(jù)移動方式的不同可以將移動機(jī)器人分為：輪式、足式、飛行式以及履帶式。其中，輪式和履帶式機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，但其運(yùn)動受環(huán)境因素所限，運(yùn)動能力較弱。而多足爬行機(jī)器人能夠在不平的路面上穩(wěn)定行走，可以取代輪式和履帶式機(jī)器人完成一些非結(jié)構(gòu)性的復(fù)雜環(huán)境中的作業(yè)。足式機(jī)器人

12、是根據(jù)仿生學(xué)原理，結(jié)合計算機(jī)技術(shù)，光電技術(shù)，智能控制技術(shù)通過機(jī)械的方式模仿動物的行走。隨著計算機(jī)控制技術(shù)的進(jìn)步，多足爬行機(jī)器人技術(shù)發(fā)展得很快。為了瞄準(zhǔn)國際機(jī)器人技術(shù)的前沿，為我國多足爬行機(jī)器人研究提供關(guān)鍵方案和支持，開展多足爬行機(jī)器人相關(guān)理論和技術(shù)研究具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價值。多足爬行機(jī)器人是模仿多足動物運(yùn)動形式的機(jī)器人，是一種足式移動機(jī)構(gòu)。所謂多足一般指四足以上，常見的多足爬行機(jī)器人包括四足爬行機(jī)器人、六足爬行機(jī)器人、八足爬行機(jī)器人等。多足爬行機(jī)器人是一種具有冗余驅(qū)動、多支鏈、時變拓?fù)溥\(yùn)動機(jī)構(gòu), 是模仿多足動物運(yùn)動形式的特種機(jī)器人, 是一種足式移動機(jī)構(gòu)。國內(nèi)多足爬行機(jī)器人的研究成果我國多

13、足爬行機(jī)器人發(fā)展的比較晚，直到20世紀(jì)末期才開始有所發(fā)展。研究初期上海交通大學(xué)的研究者做出了比較大的貢獻(xiàn)。1991年,上海交通大學(xué)馬培蓀等研制出JTUWM系列四足步行機(jī)器人。JTUWM-III是模仿四足哺乳動物的腿外形制成，每條腿有3個自由度,由直流伺服電機(jī)分別驅(qū)動。在進(jìn)行步態(tài)研究的基礎(chǔ)上,通過對3個自由度的協(xié)調(diào)控制,可完成單腿在空間的移動，進(jìn)而完成機(jī)器人的移動。該機(jī)器人采用計算機(jī)模擬電路兩級分布式控制系統(tǒng)， JTUWM-III以對角步態(tài)行走，采用力和位置混合控制,實現(xiàn)了四足爬行機(jī)器人JTUWM-III的慢速動態(tài)行走，極限步速為1.7 km/h。2000年,上海交通大學(xué)馬培蓀等對第一代形狀記憶

14、合金SMA驅(qū)動的微型六足機(jī)器人進(jìn)行改進(jìn),開發(fā)出具有全方位運(yùn)動能力的微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR,如圖1.1所示。其第一代的每條腿只有2個自由度,無法實現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向,只能進(jìn)行直線式靜態(tài)步行,平均行走速度為1 mm/s。改進(jìn)后采用新型的組合偏動SMA驅(qū)動器,使新一代的微型雙三足步行機(jī)器人MDTWR具有全方位運(yùn)動能力。2002年,上海交通大學(xué)的顏國正、徐小云等進(jìn)行微型六足仿生機(jī)器人的研究，如圖1.2所示。該步行機(jī)器人外形尺寸為：長30 mm,寬40 mm，高20 mm,質(zhì)量僅為6.3 kg,步行速度為3 mm/s。他們在分析六足昆蟲運(yùn)動機(jī)理的基礎(chǔ)上，利用連桿曲線圖譜確定行走機(jī)構(gòu)的尺寸，采用微型直

15、流電機(jī)、蝸輪蝸桿減速機(jī)構(gòu)和皮帶傳動機(jī)構(gòu)，在步態(tài)和穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計，步行實驗結(jié)果表明,該機(jī)器人具有較好的機(jī)動性。 圖1.1雙三足步行機(jī)器人MDTWR 圖1.2微型六足仿生機(jī)器人2003年哈爾濱工程大學(xué)的孟慶鑫、袁鵬等進(jìn)行了兩棲仿生機(jī)器蟹的研究，從兩棲仿生機(jī)器蟹的方案設(shè)計到控制框架構(gòu)建，研究了多足爬行機(jī)器人的單足周期運(yùn)動規(guī)律，提出適合于兩棲仿生機(jī)器蟹的單足運(yùn)動路線規(guī)劃方法，并從仿生學(xué)角度研究了周期性節(jié)律性的多足步行運(yùn)動的控制問題，建立了生成周期運(yùn)動的神經(jīng)振蕩子模型。國外多足步行機(jī)器人的研究成果1990年,美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)研制出用于外星探測的六足步行機(jī)器人AMBLER

16、，如圖1.3所示。該機(jī)器人采用了新型的腿機(jī)構(gòu)，由一個在水平面內(nèi)運(yùn)動的旋轉(zhuǎn)桿和在垂直平面內(nèi)作直線運(yùn)動的伸展桿組成,兩桿正交。該機(jī)器人由一臺32位的處理機(jī)來規(guī)劃系統(tǒng)運(yùn)動路線、控制運(yùn)動和監(jiān)視系統(tǒng)的狀態(tài)，所用傳感器包括彩色攝像機(jī)、激光測距掃描儀、慣性基準(zhǔn)裝置和觸覺傳感器。總質(zhì)量為3 180 kg，由于體積和質(zhì)量太大，最終沒被用于行星探測計劃。1993年,美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)開發(fā)出有纜的八足爬行機(jī)器人DANTE,用于對南極的埃里伯斯火山進(jìn)行了考察，其改進(jìn)型DANTE-II也在實際中得到了應(yīng)用,如圖1.4所示。 圖1.3六足步行機(jī)器人AMBLER圖1.4八足爬行機(jī)器人DANTE-II19962000年,美

17、國羅克威爾公司在DARPA資助下，研制自主水下爬行機(jī)ALUV (Autonomous Legged UnderwaterVehicle)，如圖5所示。其模仿螃蟹的外形，每條腿有兩個自由度，具有兩棲運(yùn)動性能，可以隱藏在水下面，在水中爬行，當(dāng)風(fēng)浪太大時，將腳埋入沙中。它的腳底裝有傳感器，用于探測岸邊的地雷，當(dāng)遇到水雷時，自己爆炸引爆水雷。在對昆蟲步態(tài)進(jìn)行研究的基礎(chǔ)上，2000年美國研制出六足仿生步行機(jī)器人Biobot，如圖6所示。為了使機(jī)器人在凸凹不平地面上仍能高速和靈活步行，采用氣動人工肌肉的方式，采用壓縮空氣驅(qū)動氣動動作器，進(jìn)而驅(qū)動各關(guān)節(jié)，使用獨(dú)特的機(jī)構(gòu)來模仿肌肉的特性。與電機(jī)驅(qū)動相比，該作動

18、器能提供更大的力和更高的速度。 圖1.5ALUV步行機(jī) 圖1.6Biobot六足機(jī)器人日本對多足爬行機(jī)的研究從20世紀(jì)80年代開始，并不斷進(jìn)行著各種技術(shù)創(chuàng)新，隨著計算機(jī)和控制技術(shù)的發(fā)展，其機(jī)械結(jié)構(gòu)由簡單到復(fù)雜，功能由單一功能到組合功能，并已研究出各種類型的爬行機(jī)。主要有四足爬行機(jī)、爬壁機(jī)器人、腿輪分離型爬行機(jī)器人和手腳統(tǒng)一型爬行機(jī)器人?，F(xiàn)在日本機(jī)器人技術(shù)和研究已經(jīng)處于世界先進(jìn)水平，已經(jīng)研制出仿人型機(jī)器人，并且智能化程度很高。1.2 本次設(shè)計研究的內(nèi)容及意義本次的設(shè)計是機(jī)器人及其控制系統(tǒng)的設(shè)計，主要是對機(jī)器人控制方案的設(shè)計和爬行腿的設(shè)計，因為機(jī)器人腿上的電機(jī)數(shù)目較多有19個，所以，對爬行腿的控制就是對機(jī)器人運(yùn)動形態(tài)的控制。另外，機(jī)器人的控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，如果控制系統(tǒng)設(shè)