六足爬行機器人設計

第2章六足爬行機器人的方案設計2.1總體設計要求技術參數(shù)：自由度數(shù)：每條腿有3個，共有16個本體體重：W6kg；行走速度：±20mm/s；設計要求：能夠完成前進、倒退、轉彎、擺頭、避障等任務，并且便于人工控制。工作要求：機器人的重量控制在6公斤左右，但是這是設計的爬行機器人，為適應不同地形，它的最大負重加20%。為1.2公斤；機器人機體運動時離地最低為100mm；機器人機步長不低于50mm；為保證電機良好工作和不至于使電機在重負重下工作，機器人小腿和地的夾角不小于10度，不大于40度，小腿往內傾斜；多足爬行機器人的一般設計準則：能夠實現(xiàn)機器人多種姿態(tài)間的靈活調整；機器人機體結構簡單、緊湊，重量輕；機器人整體結構強度高、剛度好、負載能力達到要求；在滿足功能要求的情況下，盡量減少驅動及配套裝置數(shù)量，簡化控制的復雜性。2.2六足爬行機器人的步態(tài)規(guī)劃步態(tài)設計是實現(xiàn)爬行的關鍵之一，也是系統(tǒng)控制難易的標志，為達到較為理想的爬行，考慮下列要求：步行平穩(wěn)、協(xié)調，進退自如，無明顯的左右搖晃和前后沖擊；機體和關節(jié)間沒有較大的沖擊，特別是當擺動腿著地時，與地面接觸為軟著陸；機體保持與地面平行，且始終以等高運動，沒有太大的上下波動；擺動腿胯步迅速，腿部運動軌跡圓滑，關節(jié)速度與加速度軌跡無奇點；占空系數(shù)B的合理取值。根據(jù)占空系數(shù)B的大小可分為3種情況：B=0.5，在擺動腿著地的同時，支撐腿立即抬起，即任意時刻同時只有支撐相或擺動相；B>0.5，機器人移動較慢時，擺動相與支撐相有一短暫的重疊過程，即機器人有所有腿同時著地的狀態(tài)；B<0.5，機器人移動較快時，所有腿有同時為擺動相的時刻，即所有腿同時在空中，處于騰空狀態(tài)，因此在交替過程中要求機器人機構具有彈性和較快的速度，否則難以實現(xiàn)。通過以上分析，我們設計出B>0.5(3=0.55)的六足機器人步態(tài)為滿足其平穩(wěn)性的要求，六足機器人采用占空系數(shù)為0.55(即在運動過程中有六條腿同時著地)的三角步態(tài)。如圖2.1(a)所示，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。

圖2.1直線行走時的步態(tài)六足爬行機器人步態(tài)除了三角步態(tài)以外還有一種少見的六足步態(tài)，六足步態(tài)和三角步態(tài)的主要區(qū)別是在三角步態(tài)中六個足都有豎直和水平兩個自由度，而六足步態(tài)中僅有前腿和后腿能前后移動，中間腿只有豎直方向一個自由度，所以當機器人采用這種步態(tài)行走時軀體很難穩(wěn)定，有較大幅度的搖擺。所以這種步態(tài)只有少數(shù)自由度數(shù)較少的機器人才會采用。本文還設計了一種機器人轉彎步態(tài)，見圖2.2。以機體中心為旋轉中心的旋轉方式即中心轉軸步態(tài)主要是這樣的：機器人在靜止狀態(tài)下六個足端點的分布（俯視圖）如圖2.5所示。把左面三足分別命名為LI、L2、L3,右面三足分別命名為Rl、R2、R3。采用中心轉軸步態(tài)原地右轉彎，首先Ll、R2、L3三條腿抬起并向右旋轉，而Rl、L2、R3三條腿支撐地面；待Ll、R2、L3落地后，Rl、L2、R3再抬起回到中位，然后落地，如此循環(huán)。每個動作周期機器人在原地旋轉一定度數(shù)，重復多次后，就完成了右轉彎的動作。Ll足端將最終落在（Ll）位置處，其余足端類似。圖2.2中心軸步態(tài)示意圖2.3六足爬行機器人的控制系統(tǒng)方案設計機器人的控制系統(tǒng)是機器人的大腦，是實現(xiàn)機器人運動的最重要的保障。此次爬行機器人的關鍵部件主要包括機身和若干個足，每一個足擁有若干個自由度，每個自由度由一個關節(jié)驅動。但是機器人不僅只有運動，還必須對周圍環(huán)境進行處理，當遇到障礙物時必須轉彎，遇到不能走的地方時是停止運動還是以其他的方式通過。表2.1各控制系統(tǒng)優(yōu)缺點運動控制方案優(yōu)點缺點適應范圍模擬電路硬接線方式建立的運動控制系統(tǒng)通過對輸入信號的實時處理，可實現(xiàn)系統(tǒng)的高速控制；由于硬接線方式可以實現(xiàn)無限的采樣頻率，因此控制器的精度較高且具有較大的帶寬器件老化和環(huán)境溫度變化對構成系統(tǒng)的元器件的參數(shù)影響很大；構成模擬系統(tǒng)所需的元器件較多，增加了系統(tǒng)的復雜性；受最終系統(tǒng)規(guī)模的限制，很難實現(xiàn)運算量大、精度咼、性能更先進的復雜控制算法功能要求比較低的場合以微控制器為核心的運動控制系統(tǒng)絕大多數(shù)控制邏輯由軟件實現(xiàn)，電路變得簡單；微控制器具有更強的邏輯功能,運算速度快、精度高、具有大容量的存儲器，因此有能力實現(xiàn)較為復雜的算法；微控制器的控制方式主要由軟件實現(xiàn)，因此修改控制規(guī)律時，僅需對軟件進行修改；無零點漂移，控制精度高；可提供人機界面，實現(xiàn)多機聯(lián)網(wǎng)工作。處理速度和能力有限；軟件編程難度較大功能要求不高的場合在通用計算機上用軟件實現(xiàn)運動控制可以實現(xiàn)高性能、高精度、復雜的控制算法；而且軟件的修改也很方便；系統(tǒng)體積大，難以應用于戶外現(xiàn)場；難以實現(xiàn)實時性要求較咼的信號處理算法；功能要求比較咼，控制系統(tǒng)復雜的場合可編程邏輯器件為核心的運動控制系統(tǒng)減少了兀器件個數(shù)，縮小了系統(tǒng)體積；系統(tǒng)以硬件實現(xiàn)，響應速度，快，可實現(xiàn)并行處理；成本較咼；控制算法越復雜，對可編程邏輯器件的集成度要求越咼；控制精度要求高的場合目前，控制系統(tǒng)的實現(xiàn)方法主要有以下幾種：以模擬電路硬接線方式建立的運動控

制系統(tǒng)、以微控制器為核心的運動控制系統(tǒng)、在通用計算機上用軟件實現(xiàn)運動控制策略和可編程邏輯器件為核心的運動控制系統(tǒng)，各個控制系統(tǒng)的優(yōu)缺點如表2.1。由于此次的六足爬行機器人要完成的功能較為簡單，且控制不是很復雜，并且自己所學的對單片機比較熟悉，并且考慮到通用性的問題，所以選擇以微控制器為核心的運動控制系統(tǒng)作為本次設計的控制系統(tǒng)。此次設計的控制系統(tǒng)結構框圖如圖2.3。圖2.3六足爬行機器人控制系統(tǒng)的結構框圖2.4六足爬行機器人腿部結構的方案設計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