双足机器人上楼梯的步态规划 Zhang Qin, Fan Chang-xiang and Yao Tao School of Mechanical and Automotive Engineering South China University of Technology Guang zhou, Guangdong Province, China zhangqin@https://www.doczj.com/doc/ad14766617.html, Yoshitsugu Kamiya Department of Mechanical Systems Engineering Kanazawa University Kanazawa, Japan kamiya@t.kanazawa-u.ac.jp 【摘要】上楼梯是双足机器人的一种基本动作。一个有效的算法对双足步行的稳定性是至关重要的。在本文中，我们以双足机器人爬楼梯为例，提出一个基于重复变换法（RDK）的算法来规划上楼梯动作和前向运动。在本文提出的算法中，为了满足上楼梯的稳定性，机器人通过上身来调整质心的位置，并且由重复变换法（RDK）进行计算和修正。重复变换法的作用是有保证性的，其可行性和有效性已经通过双足机器人上楼梯仿真实验的验证；而本文提出的算法也适用于双足机器人下楼梯。 【索引词】双足机器人；上楼梯；重复变换法；重心运动； 1.介绍 双足机器人和人类一样拥有多自由度的特点，每一个关节可以通过巧妙的组合从而可以完成各种动作。而且双足机器人对环境具有良好的适应性，并能进入相对狭窄空间替代人类执行各种操作，所以它们具有广阔的应用前景。上下楼梯只是双足机器人具有的基本功能。而建立机器人的运动学模型，分析其上下楼梯的过程，并研究其步态规划方法，是实现双足机器人稳定的步态非常重要的保证。 一些目前的研究成果已经计算出双足机器人的上下楼梯的步态规划。如Yusuke Sugahara以及其他人提出通过调整腰部关节的角度和预先设置的零点力矩（ZMP）轨迹来设计机器人的步态规划方法爬楼梯。而Jeon以及其他人通过四项多项式计算关节的运动轨迹，并优化的机器人上下楼所需的最小能耗，实现机器人上楼梯的步态规划。Eun-Su等人则通过优化多项式参数与动态加密算法和自适应遗传算法，并且结合低阶多项式来计算各关节的运动轨迹，最后研究轴承扭矩和能源消耗和ZMP，直至机器人能稳定上下楼梯从而规划机器人的上楼梯轨迹。Song Xian-xi等学者利用踝关节的运动轨迹，并调整踝关节的旋转角与利用模糊控制算法使ZMP的位置接近支撑区域的中心，实现机器人稳定上楼梯的步态规划。除此之外，其他一些国际和国内学者也做了相关研究关于双足机器人的上下楼梯或上下斜坡的步态规划。上面的算法主要是基于关节轨迹的预先计算，然后通过模糊控制算法或遗传算法优化步态等，这些算法相当复杂，因为计算量是非常巨大的，而且处理时间非常长。
目录 第1章序言 (2) 1.1 双足机器人现状 (2) 1.2 技能综合训练意义 (2) 1.3 技能训练的内容 (2) 第2章元件选择、结构设计 (3) 2.1元件选择 (3) 2.2结构设计三维设计图 (4) 2.2.1零件三位模型以及装配 (4) 2.2.2装配三维模型 (7) 第3章控制系统设计 (10) 第4章系统软件编程与仿真 (12) 第5章结论...................................................................... 错误！未定义书签。参考文献 (17)
第1章序言 1.1双足机器人现状 随着世界第一台工业机器人1962年在美国诞生，机器人已经有了三十多年的发展史。三十多年来，机器人由工业机器人到智能机器人，成为21世纪具有代表性的高新技术之一，其研究涉及的学科涵盖机械、电子、生物、传感器、驱动与控制等多个领域。 世界著名机器人学专家，日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能。”双足机器人属于类人机器人，典型特点是机器人的下肢以刚性构件通过转动副联接，模仿人类的腿及髋关节、膝关节和踝关节，并以执行装置代替肌肉，实现对身体的支撑及连续地协调运动，各关节之间可以有一定角度的相对转动。 双足机器人不仅具有广阔的工作空间，而且对步行环境要求很低，能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，其步行性能是其它步行结构无法比拟的。研究双足行走机器人具有重要的意义 1.2技能综合训练意义 技能训练是在学生修完除毕业设计外全部理论和时间课程以后的一次综合性时间教学环节，其目的和意义在于： 通过技能训练，了解机器人机构及控制系统设计的基础知识； 掌握机器人系统中元部件的正确选择方法和特性参数的确定； 培养学生对所学知识的综合应用，理论联系实际的能力； 培养学生的动手能力和实际操作能力； 1.3技能训练的内容 1、主要内容： 1）、机器人结构设计； 2）、控制系统软硬件设计与仿真； 3）、八自由度机器人运动控制。 2、训练形式 学生以小组为单位，集体讨论确定整体方案；指导教师给出实训方向，技术指标等，协助学生完成训练任务。
编号: 哈尔滨工业大学 大一年度项目中期检查报告 项目名称：仿生六足机器人 项目负责人：学号 联系电话：电子邮箱： 院系及专业：机电工程学院 指导教师：职称： 联系电话：电子邮箱： 院系及专业：机电工程学院 哈尔滨工业大学基础学部制表 填表日期：2014 年 6 月28 日
一、项目团队成员（包括项目负责人、按顺序） 二、指导教师意见 三、项目专家组意见
四、研究背景 1.研究现状 4.1国内研究现状 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。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 图3 MIT腿部实验室的四足和双足机器人图4 DANTE步行机器人 由于新的材料的发现、智能控制技术的发展、对步行机器人运动学、动力学高效建模方法的提出以及生物学知识的增长促使了步行机器人向模仿生物的方向发展。 4.2国外研究现状 我国步行机器人的研究开始较晚，真正开始是在上世纪80年代初。1980年，中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机,主要用于海底探测
风之秀队机器人制作过程日志 07 月 04 日 日子过的好快，从决定参加机器人到现在才短短的20天， 今天已经算是上“战场”了，回顾这些天，从招人到组队以及 收集一手的参考材料，也算是费尽心机。不管怎样，都开始 了，那么就应该全力以赴的争取最好的成绩。 上午由谢芳老师给我们做了机器人硬件方面的培训，主要是利用PROTAL SE 99软件电路的原理图、PCB图的制 作。有些技巧、注意事项现在总结如下： 利用PROTeL SE 99建立SCH。。。D 的原理图，然后是建立 PCB-D。建立完原理图，要调整画布大小，选择默认的B。 1，小技巧：PAGE UP/DOWN可以放大缩小画布。 2，在编辑原理图时，使用E+D可以删除节点和线部件。 3，使用TOOL—ERC:可以快速检查编辑的错误。 4，DESIGN—UPDATE.PCB 可以生成PCB图。 5，在编辑PCB 图时，用鼠标点住部件，右键，可对PCB进行微调。 6，在编辑PCB图时使用END可消除移动留下的痕迹。90 7，建立好原理图，要添加“元件库”，在BROWSE.SCH---默认库（MISCE….D..FB）—元器件（双击可改变属性） 举例说明了电阻RES2的属性 : part: r10 ; 读电阻，如102，实际电阻值为10乘以（10的2次方）； 8，元件旋转：右键点住器件+空格，可360度旋转。右键点住器件+X，可水平旋转；右键点住器件+Y，可垂直旋转。 9，小技巧：NET ：自动连线（连线两端必须命名相同） 10，关于接地：电源地vcc和GND均在一个按钮上，只需改变属性。 11，PCB画边框：方框里有双波浪的按钮，点住不放。测量工具：report—m.. 12，PCB：红色区域表示正面，蓝紫色为反面 13，编辑PCB时，一定要手工布线 14，铺通：Design—rules—ruoting 15，熟悉芯片AS1117. 要求在7月6—10日，做出PCB图，设计出特殊机器人的机构和剧本。
一、前言 談到足式機器人，當然目前主流大多是聯想到和人相似、有親切感的雙足機器“人”，從某一層面來看，以雙足步行為演化上的一個極為小眾的特例，本身對達到穩定運作控制的困難度很高，從瞭解「生物出生到可以開始自行運動所需的時間」便可以窺知一二。從另一個角度來看，人類所能自在運動的地表也侷限在某一些型態之中，若要探討如何在各式自然地形上運動的法則，勢必得回過頭來探討多足動物的運動機制。而從物理直覺來評析，單就在崎嶇路面上運動的穩定性來探討，採用多足機器人會比較簡單且實際。基於這一些原因，仿生多足機器人的研發便有了背後的動機，模仿經過長時間演化後動物的構造，藉由觀察牠們的運動，了解為什麼有如此的動作，再利用機構或是控制去完成。在自然界中，我們看到體型較大、有優秀運動能力的動物像馬、獵豹、羚羊等等都是四隻腳的哺乳類動物，但考慮到穩定性卻是六足比較佔優勢，只要用簡單的三腳步態（tripod gait)即可讓重心輕易落在支撐的三角形中。四足動物的腳可能需要比較大的力量才能表現出他的特性，但人類尚無法仿造出重要的肌肉和控制系統，以現有機構和馬達組成的系統，重量太重而無法有效運動。這時，自由度的選擇以及機構設計便成了一個很重要的課題。 這二、三十年學業界創造出了許多各式各樣的多足機器人，在後續的文章中便為各位讀者進行介紹[2, 3]。 二、學術界開發仿生多足機器人 （1）Quadruped 圖一 Quadruped[4] 由Prof. Marc Reibert所領導的MIT Leg Lab於1984~1987年製作，重38公斤，整體長度1.05公尺，高度0.95公尺，採用長柱狀的腳，每一隻腳連接身體的關節是由兩個液壓致動器（hydraulic actuators)組成，分別控制腳的前後及左右的旋轉，腳上有一個線性致動器來提供推進力。在控制上將腳簡易的分成兩組，不同的分組方法便產生了小跑（trot)、跑
摘要 六足机器人有强大的运动能力，采用类似生物的爬行机构进行运动，自动化程度高，可以提供给运动学、仿生学原理研究提供有力的工具。本设计中六足机器人系统基于仿生学原理，采用六足昆虫的机械结构，通过控制18个舵机，采用三角步态和定点转弯等步态，实现六足机器人的姿态控制。系统使用 RF24L01射频模块进行遥控。为提高响应速度和动作连贯性，六足机器人的驱动芯片采用ARM Cortex M4芯片，基于μC/OS-II操作系统，遥控器部分采用ARM9处理器S3C2440，基于Linux系统。通过建立六足机器人的运动模型，运用正运动学和逆运动学对机器人进行分析，验证机器人步态的可靠性。 关键字：六足机器人，Linux，ARM，NRF24L01，运动学 Abstract Bionic hexapod walking robot has a strong ability of movement, the use of similar creatures crawling mechanism movement, high degree of automation, can be provided to the kinematics, the principle of bionics research provides powerful tool. 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
双足机器人教材 ———基于Arduino开发平台V1.0 目录 一、机器人的组装 (1) 1.1. 组装工具 (1)
Arduino双足机器人教材 1.2. 机器人零部件 (1) 1.3. 部件装配 (3) 二、系统概述 (17) 2.1.arduino介绍 (17) 2.2.Arduino驱动安装 (21) 2.3.Arduino IDE菜单介绍 (27) 2.4.24路舵机驱动板介绍 (32) 2.5.图形化动作编辑软件 (33) 三、实验操作 (44) 3.1舵机实验 (44) 3.1.1 舵机介绍 (44) 3.1.2 舵机的内部结构 (44) 3.1.3舵机的控制协议 (48) 3.1.4 舵机实验操作 (49) 3.2 PS2手柄 (51) 3.2.1 PS2手柄介绍 (51) 3.2.2 PS2手柄实验操作 (52) 四、使用说明 (60) 4.1.接线端口介绍 (60) 4.2.操作说明 (60) 4.3.开发指南 (61)
注意事项 请认真阅读该手册并注意产品功能和用途说明。本手册在CD光盘上以PDF格式提供，如有需要可以进行复制或打印。 该手册内容可能因产品升级或其他原因而改变，本公司不另行通知客户。 安全防备 根据严重程度，安全防备分两种：警告和注意。在动手安装之前请先通篇阅读警告和注意事项。 安装和操作注意 本段包含防止机械损伤方面的内容。 危险！ 当操作机器人的时候要注意安全。 如果没有正确组装，机器人将不能正常工作甚至会损坏。组装方法详见第一章机器人组装说明。 在一个足够大的地方进行调试工作 警告！ 远离小孩。尽管该产品看起来像个玩具，在无人照看的情况下，它可能会对小孩造成伤害。 故障发生时，请立即关闭电源。如果电池被弄破，暴露在液体，火或其他热源面前，可能会导致电击。 不要拆开或修改充电器和其电缆。 当不充电时，请把充电器从电源上拔下。 不要拆卸或修改电机里面的电路板。 不要在热，潮湿或寒冷的环境下使用，因为该产品包含精密的元件。如果处在一个极端的条件下，错误可能发生。 充电时请确认充电器插座是牢固的。 请仔细阅读本手册，在调试时注意机器人各关节的方向，尽量避免关节相撞。 注意！ 机器人的电机需要定期维护以获得和维持恰当的性能。 在一个较大，平整的地方操作时机器人的表现效果会更好。如果工作空间很小又不平的话，机器人可能会摔倒甚至损坏。 在启动了机器人或操作的时候请不要把住机器人。 在程序的下载过程中不要关闭机器人电源，否则程序会丢失或损坏。 电池！ 套件里面包含锂离子(Li－Ion)电池做电源。该锂离子(Li－Ion)电池是高能量可充电的电池，必须妥善保管，充电和使用。 把充电器接入交流电源并把他连到电池的充电接口上。当充电器接到交流电源后，它上面的电源灯会亮起来并呈红色。状态指示灯会呈绿色，当电池充电完成，绿色指示灯熄灭。
仿机械式爬行机器人运动分析1机器人结构组成 该机器人大体由两部分组成，分别为A．B。两部分之间由横杆进行连接。左侧横杆固连在A，右侧横杆固连在B。A，B与横杆之间存在转动副。内部电机驱动A，B以一定相位差绕横杆转动，即A 先向前运动，然后B再跟进运动同样的距离，按照这样的运动形式实现向前运动。A，B质量均设置为40g，杆为2g。 2机器人运动分析 2．1在光滑平面上的运动分析 设置A，B之间为转动副，转动副之间存在摩擦力，静摩擦系数为0．5，动摩擦系数为0．3，摩擦力臂为1．0。施加驱动disp(time)=0．1cos(time)。设置A，B与地面接触力不存在摩擦。通过Z向角速度与时间曲线可以看出，在没有摩擦存在的情况下，机器人出现在原地打转现象，不能正常运动。由此可得，机器人运动是依靠与地面的摩擦力进行运动的。 2．2在粗糙平面上的运动分析 转动副设置参数与光滑平面中的类似。设置A，B与地面接触力存在库伦摩擦，静摩擦系数为0．3，动摩擦系数为0．1，得到图2位移随时间变化曲线。可以看出，在摩擦系数较低的情况下，机器人在运动过程中存在频繁的倒退现象，导致运动速度十分缓慢。 2．3更改摩擦系数，在粗糙平面上的运动分析 分别取以下几组摩擦系数代入仿真:(1)静摩擦系数为0．8动摩擦系数为0．1。(2)静摩擦系数为0．3动摩擦系数为0．8。(3)动摩擦系数静摩擦系数均为0．8。得出位移随时间变化曲线进行对比，可以得出(1)情况下相同时间运动位移最长，可以达到2(静摩擦系数
为0．3，动摩擦系数0．1情况下)位移长度的3倍(但是仍然存在后退现象)。 2．4单向摩擦下的运动分析 将接触力中的库仑摩擦去除，在机器人与地面接触面上加上单向力以模仿单向摩擦状态(即机器人在正运动方向上不存在摩擦力，机器人在反向运动方向上存在摩擦力为0．04N(摩擦系数为0．5情况下)的摩擦力)。可以得到位移随时间变化曲线。可以看出，在单向摩擦状态下，机器人后退现象明显减少，运动速度变快。由此得出，机器人平均速度与静摩擦系数成正比，与动摩擦系数成反比，且使用单向摩擦材料可以避免后退。 3模拟在水平放置管道运动，进行运动分析 目前仿尺蠖机器人广泛应用于胶囊机器人与救援方面，其工作环境往往为狭窄的圆形管道，因此有必要进行机器人在管道中的运动分析。将机器人放置在一圆形管道内，设置动摩擦系数为0．5，静摩擦系数为0．3，其余参数与2一致。得到位移随时间变化曲线。由此可得机器人可以在管道内正常运动，但是在低摩擦系数的管道内，运动速度较慢。 4机器人内部驱动 图3为在A，B部分内的装置，由一步进电机与一行星齿轮组成。以A中装置举例，一步进电机转子带动齿轮1转动，齿轮1再驱动齿轮2转动。齿轮2与固连在B上的横杆相连接，带动横杆作行星运动从而带动B运动;同时B中装置同样可以带动A运动。由于步进电机的角位移与脉冲个数成正比，因此可以通过输入同样的脉冲个数，使A，B内步进电机角位移一致，从而驱动机器人运动。 5仿尺蠖机器人的特点
l六足昆虫机器人机械原理 一、基本原理 本项目的机器人，传动系统还是继续利用“摆动曲柄滑块机构”原理，把减速电机的旋转运动转换为驱动腿迈步的往复摆动运动，再结合简单的连杆结构，协调六条腿按照昆虫的步态规律实现爬行运动。 1、运动方式 本项目机器人是模仿拥有六条腿的昆虫的爬行运动。昆虫爬行想必大家都是见过的，但是由于昆虫的六条腿还是多了些，而且一般昆虫的动作都比较迅速，观察起来有点眼花缭乱，所以可能很多人并不是很了解昆虫爬行时这六条腿是如何协调动作的。而要做好六足爬行机器人，就要清晰的了解这六条腿的每个阶段的步伐状态，也就是我们常说的“步态”。 实际上，一般六条腿的昆虫，是以三条腿为一组、共两组交叉进行协调运动的。同一时间内，有一组也就是三条腿着地，另外一组的三条腿是离开地面的，然后两组交替切换往前爬行。我们都知道，三点可以确定一个平面，即三条腿可以保证整个身体的平衡，这也许就是很多昆虫都是长了六条腿的主要原因吧。 以下是六足昆虫爬行步态的分解，以前进方向为例进行说明: 1、静止时六条腿都是同时着地; 2、前进时，先迈出第1组三条腿(左前、右中、左后)，第2组三条腿着地(右前、左中、右后); 3、第1组三条腿(左前、右中、左后)往前迈出着地后保持不动，然后换第2 组三条腿(右前、左中、右后)往前迈出; 4、第2组三条腿(右前、左中、右后)往前迈出着地后保持不动，再换第1组……
如此循环往复，同一时间都保证有一组三条腿着地以保持身体的平衡，并不断往前进。 2、驱动机理 本项目机器人是采用六足爬行的方式运动，对于六足的驱动力量也是有一定要求的，所 以与前几个仿生类机器人项目一样都是借助减速电机所具有的“低转速、高扭矩”的特性来实现的。 与PVC-Robot 11号、PVC-Robot 12号机器人驱动双臂以及与PVC-Robot 13号驱动双足类似，本项目机器人六足中的中间两足是主动足，是由减速电机直接驱动的，而采用的减速电机同样也必须要满足两个条件: 1、拥有足够的动力，能够支撑双足行走; 2、减速电机左右两侧同轴输出。 为此，需要利用“蜗杆传动机构”对现有减速电机进行改造，相关方案在前面的项目中也已经进行了详细的阐述，这里不再重复，具体可以点击这里:PVC-Robot 11号——减速机构 本项目机器人实现六足爬行机械结构，其实是和PVC-Robot 12号、PVC- Robot13号类似的“连杆机构”——“摆动曲柄滑块机构”，只不过说这个在PVC-Robot 15号中这个连杆机构驱动六足的中间两足，然后再通过连杆带动其他四足 联动的。相关资料请参考:PVC-Robot 12号——驱动机理、PVC-Robot 13号——驱动机理。
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/ad14766617.html, 双足机器人 作者：张葛杨奕李恋 来源：《科学导报·学术》2018年第17期 摘要：本作品研究了基于STM32F407的双足机器人，此机器人采用了U型梁、多个180°数字舵机、多功能支架等构成了多自由度的机械结构，通过舵机驱动模块来控制舵机旋转从而实现机器人的稳定行走，以及模拟人类做一些简单的动作。本作品结构相对简单、安装快捷调试方便，且试验结果显示，该步行机器人能够实现平稳的行走，以及模拟人做一些较为复杂的动作，且性能优越，应用广泛。 关键词：双足机器人舵机驱动远程控制 引言 随着科学技术的发展以及人类对未知领域探索的加速，机器人的应用越来越广泛。一方面，机器人能取代人类完成一些机械繁重的工作，让人类从重复而无意义的体力劳动中解放出来；另一方面，机器人能代替人类完成具有危险性的任务，让人类减少生命安全财产的损失。种种方面使得人类对机器人的需求越来越强烈，故研究一种步行的机器人显得尤为重要。在机器人的行动方式中双足步行是自动化程度最高、最为复杂的动态系统。本作品主要研究双足机器人的行走过程。通过对外界环境的判断让机器人处理一些简单的应变，为机器人在以后更为复杂的工作环境稳定工作打下基础。因此双足机器人具有十分重大的研究价值和研制意义。 1总体方案 1.1硬件方面 1.1.1控制部分单片机是系统中控制部分最为关键的元件，其主要控制整个机器人的行动 方式，处理外部环境的变化，以及改变机器人行走的路线。系统还包括发射机电路和接收机电路，无线数据发射接收电路。其中，发射机电路采用多个可变电位器将控制者的控制动作转变为模拟控制信号，经发射端的单片机将输入的多路模拟信号经过A/D转换后变为数字信号， 再进行编码并由串行口发射；接收机电路的任务则是把接收到的信号进行适当放大并从中解调出编码信号，然后通过接收端的单片机将该信号转换成相应的舵机控制信号和电动机驱动控制信号，从而完成各个舵机的旋转以完成双足机器人不同的动作和姿态。 1.1.2电源部分采用LM7805cv是常用的三端稳压器，一般使用的是TO-220封装，在宽输入的条件下能提供5V直流的稳压输出，同时内部含过流和过载保护电路。若使用外围器件，它还能提供不同的电压和电流，输出波纹很小，适用于对双足机器人供电。
工业机器人 姓名： 班级： 学号：
爬行式弧焊机器人 摘要：本文介绍爬行式弧焊机器人结构光三维视觉传感器的传感原理、系统组成和设计依据。用会聚透镜和柱透镜组合产生线长35～40 mm、线宽1 mm 的光纹投向焊缝, 热敏电阻组成桥式自功控温电路,用5 L /s 流量的空气(或氩气) 吹开烟尘、蒸汽和飞溅物等, 微型CCD 摄像机加装窄带滤光片摄像, 经二值化、图像分割和中心取样等图像处理并计算出偏移量送控制系统引导爬行机器人正确施焊。 关键词:弧焊机器人; 爬行机构; 焊缝跟踪; 图像处理 Abstract:M ake use of combinat ion of assemble lens and co lumns lens to produce ligh t veins of 35～40mm length and 1 mm w idth w hich is thrown to weld seam. Therm isto r compo ses of bridge2type electric circuit w h ich conto ls temperature automat ically.The rate of flow ing of 5 L /s blow s fumes, steam and splash th ing etc. M inni CCD is added narrow 2tape filter ligh t p late to take p icture, through image processing such as 2 valuemelt ing, image cut t ing, cent ral samp ling and calculate deviation to send to control system,w h ich guides craw ling robo t to w eld correctly. Key words:Arcw lding robo t; Craw lmachine; Weld seam tracking; Image processing 1.引言 焊接是一种劳动强度比较大、工作环境比较恶劣的工艺方法。在焊接过程
本文的设计为六足爬虫机器人，机器人以交流-直流开关电源作为动力源，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 六足爬虫式机器人的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
?16? 一种双足步行机器人的步态规划方法 □胡洪志马宏绪 国防科技大学机电工程与自动化学院 [摘要]本文介绍了一种双足步行机器人的步态规划方法,以前向运动为例,详细介绍了先分阶段规划然后合成的方法,并 讨论了行走过程中的冲击振动问题及减振措施,实验及仿真结果验证了这一规划方法的有效性。[关键字]双足步行机器人步态规划减振 [Abstract]In this p a p er ,w e p ut forw ard a m ethod for hum anoid robot g ait p lannin g .W e take forw ard m otion for exam p le ,illustrate the p hase p lannin g and com p ound m ethod in detail.T his p a p er also discusses the im p act v ibration p roblem and how to g et rid of it.T he ex 2p erim ent and simulation result verified the validation of the m ethod. [K e y w ords]bi p ed robot ;g ait p lannin g ;v ibration decrease [作者简介]胡洪志:男,1978年3月生,国防科技大学机电工程与自动化学院研究生,研究方向:智能机器人系统。 马宏绪:男,1966年8月生,国防科技大学机电工程与自动化学院教授,硕士生导师,研究方向:智能机器人系统。 1引言 双足步行机器人的研究是由仿生学、机械工程学和控制理论等多种学科相互融合而形成的一门综合学科,是机器人研究的一个重要分支。双足步行机器人的研究可以促进多个学科的研究,并为相关学科的研究提供一个平台,具有很大的理论价值。在实际应用中,双足步行机器人可用于有放射性、危险及其它对人体有害的环境中取代人类劳动,把人从高强度、长时间及单调乏味的工作中解脱出来,具有广阔的市场前景。步行机器人最大的特征是步行,步态是在步行运动过程中,步行体的身体各部位在时序和空间上的一种协调关系,步态规划是双足步行机器人研究中的一个关键技术。要实现和提高机器人的行走性能,必须研究实用 而有效的步态规划方法,实现机器人的稳定步行。 2双足步行机器人模型 本文的研究对象是一台具有12关节自由度的双足步行机构,每条腿各有6个自由度,即:踝关节有前向和侧向两个自由度;膝关节一个前向自由度,髋关节具有三个 自由度,包括前向、侧向及转弯自由度。由仿真分析及实验研究可知,在步行运动中,双足步行机器人前向各关节的运动与侧向各关节运动之间的耦合很小,可以忽略这一耦合的影响,对机器人前向和侧向的运动分开建模。本文主要讨论前向运动的步态规划问题。 前向运动模型如下图一: 定义:双腿关节,先左腿,后右腿,左腿由下至上,右腿由上至下,依次标注为1,2,3,...,10,11,12,各关节对应的转角依次为θ1,θ2,θ3,…,θ10,θ11,θ12,其中θ1,θ5,θ8,θ12,分别为双腿侧向关节对应的转角;θ2,θ3,θ4,θ11,θ10,θ9为双腿前向关节对应的转角;θ6, θ7转弯关节在前向运动中始终保持为零。 图一
双足机器人制作及其步态运行 一、实验目的 1 . 掌握实验室设备使用方法 2 . 学会AutoCAD知识并运用以及学习arduino单片机的基本开发 3 . 了解双足机器人平衡控制方法。 二、原理说明 1．Arduino使用说明 Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE)。它构建于开放原始 码simple I/O介面版，并且具有使用类似Java、C语言的 Processing/Wiring开发环境。主要包含两个主要的部分：硬件部分是可 以用来做电路连接的Arduino电路板；另外一个则是Arduino IDE，你的 计算机中的程序开发环境。你只要在IDE中编写双足步态程序代码，将 程序上传到Arduino电路板后，程序便会告诉Arduino电路板要做怎样 的步态运行。 2 . 双足步态算法 双足机器人平衡控制方法其中的“静态步行”（static walking），这种方法是在机器人步行的整个过程中，重心（COG，Center of Gravity）在机器人底部水平面的投影一直处在不规则的支撑区域（support region）内，这种平衡控制方法的好处是整个机器人行走的过程中，保证机器人 稳定行动，不会摔倒。但是这个平衡控制方法缺点是行动速度非常缓慢 （因为整个过程中重心的投影始终位于支撑区域）。另一种使用的平衡 控制方法是“动态步行”（dynamic walking），在这个控制方法中机器 人的步行速度得到了极大的飞跃，显而易见，在得到快速的步行速度同 时，机器人很难做到立即停止。从而使得机器人在状态转换的过程中显 现不稳定的状态，为了避免速度带来的影响。零力矩点（ZMP）被引入 到这个控制策略中，在单脚支撑相中，引入ZMP=COG。引入ZMP的好 处在于，如果ZMP严格的存在于机器人的支撑区域中，机器人绝不摔倒。
管内爬行机器人行走机构的设计 【摘要】随着管内检测爬行机器人技术的不断成熟，它在工业中的应用也越来越广，本文所设计的管内爬行机器人驱动机构，即管内步伐式行走机构，是在分析以往的轮式和履带式机器人的基础上设计的一种新型的管内爬行机器人行走机构。 【关键词】管内爬行机器人；步伐式；驱动机构 0.引言 目前工业管道系统已广泛应用于冶金、石油、化工及城市水暖供应等领域,因其工作环境非常恶劣,容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部潜在缺陷发展成破损而引起泄漏事故等，必须定期地对这些管道进行检修和维护，然而管道所处的环境往往是人力所限或人手不及,检修难度很大, 所以燃气管道管内探测是一项十分重要的实用化工程,关系到燃气的安全、合理地应用和管理。管道检测机器人（管内爬行机器人驱动机构）就是为满足该需要而产生的。 根据管内步伐式行走机器人的运动模仿人在井筒中四肢扶壁上下运动的模式，设计了机器人的行走机构，有效的解决了机器人在管道内的行走。 1.管内爬行机构总体设计 管内爬行机构主要由撑脚机构及其传动，牵引机构及传动，转向机构3部分组成：见图1所示： 该管内爬行机构的运动控制过程大致为：主、副电机不同时工作，分别控制其牵引机构和撑脚机构，并且镜面对称的两单元，其支撑脚同一时间径向所处状态相反，即前脚踩在管壁上时，后脚处在抬起状态；反之亦然。具体过程为通过副电机16带动齿轮与齿圈啮合旋转，齿圈背面的平面螺纹驱动滑杆沿滑道径向移动，从而实现支撑脚的转换。主电机1通过联轴器与丝杠连接，带动丝杠旋转，将丝杠的旋转运动转换为螺母的轴向移动，从而通过连杆机构拖动身躯和前后单元向前移动，另一部分的控制过程相同。上述动作是管内爬行机构的一个步进过程，循环执行步进过程机器人继续前进，实现管内的均匀连续行走。 2.撑脚机构及其传动 撑脚机构的作用是使管道机器人被支承在管道中心线上。其机构及传动(见图1)由电机16、小齿轮15、齿圈及平面螺纹14、滑杆13、脚靴12组成。当电机16带动小齿轮15和齿圈14旋转时,齿圈背面的平面螺纹驱动滑杆13在筒体10的径向轨道内外伸推动脚靴踩在管壁上,电机反向旋转时,滑杆内缩带动脚靴径向抬起离开管壁。脚靴三套在圆周上间隔120°布置,三套脚靴同步伸缩,其动作与车床三爪卡盘的动作类同。三套脚靴伸出踩在管壁上时,使机器人处在管道的中心线上。为了使机器人在脚靴缩回时,仍能维持在中心线上,安装4组辅助支承轮18,每组三套,在圆周上间隔120°安装,支承轮通过支承柱19、弹簧20分别与支架3和筒体10固连。当撑脚缩回时支承轮使机器人基本上维持在管道中心线上。当机器人行走过程中支承轮遇到障碍时弹簧被压缩通过障碍。 3.牵引机构及传动 牵引机构的作用是拖动机器人前进.牵引机构(见图1)由电机1、螺杆2、螺母5拨销4、拨杆7和支承杆9组成。当电机1带动螺杆转动时,螺母受拨杆的约束不能转动而沿螺杆轴向移动,固连其上的拨销4拨动拨杆7顺时针方向转动,由于脚靴12锁死在管壁上,支承杆9不能向后运动,拨杆7通过销6带动支架3及其
淮北师范大学实验室开放项目
总结报告
基于 STC12C5A60S2 单片机的六足机器人
学
院： 物理与电子信息学院 韩润 陆家双
负 责 人：
小组成员： 史浩东 史良东 张莹莹 指导老师： 方 振 康强强 国
一 、项目重述
1.1 项目名称：智能六足机器人 1.2 项目背景及意义：
背景：在社会迅速发展的今天,单片机的的运用已经渗透到我们生活的每个 角落,也似乎很难找到哪个领域没有单片机的足迹。智能仪表、医疗器械,导弹的 导航装置, 智能监控、通讯与数据传输 ,工业自动化过程的实时控制和数据处理 , 广泛使用的各种智能 IC 卡, 汽车的安全保障系统, 动控制领域的机器人 , 数码像 机、电视机、全自动洗衣机的控制,电话机以及程控玩具、电子宠物等等,这些都 离不开单片机。 意义:单片机的学习、开发与应用将对于现代社会的发展,经济的繁荣,和提高 满足人类日益增长的物质文化需求有着至关重要的作用。 也成就了一批又一智能 化控制的工程师和科学家。科技越发达,智能化的东西就越多。学习单片机是社 会发展的必然需求,也是我们现代高级技工所必须要掌握的技能。
1.3 项目内容：
以 51 单片机为控制器的核心， 利用单片机内部中断产生 PWM 波控制舵机。 利用开环函数组成的动作组使六足做仿生动作，制作出了动作灵活、价格低廉以 及模块化结构的六足机器人。该机器人能够严格按三角步态进行行走,实现诸如 直线、转弯、躲避障碍物和追踪物体等行走功能。
二、方案简介
本项目可细分为控制部分、机械部分、恒流源部分、超声波检测部分。 控制部分采用 STC12C5A60S2 单片机为核心处理器。通过 PWM 波使舵机 转动，机械部分采取合理的机械构造，实现机器人在行走的情况下的平稳。恒流 源部分采取 LM7805 稳压芯片为单片机和舵机供电， 由于舵机在运转的过程中会 有较大的电流波动。 因此采用恒流电路进行恒流。超声波壁障采用超声波遇故障 反射的原理。实现对物体识别和规避。
基于Arduino的双足机器人控制方法 摘要：本论文就如何实现机器人预定的功能展开讨论。该双足竞步机器人系统 基于软件平台Arduino为软件开发环境；硬件由窄足机器人、stm32f103zet6单片机、arduino开发板、漫反射激光传感器、超声波测距模块、舵机模块等器件构成。通过Arduino编写主逻辑程序控制32开发板产生PWM波，并通过漫反射激光传 感器和超声波测距模块采集数据，在程序中经过数据处理调整占空比来改变舵机 的运动状态，进而实现控制六个舵机的同时转动，从而达到智能控制机器人的效果。为了提高双足竞步机器人的动作以及寻迹的准确性和可靠性，我们试验了多 套方案并进行升级，进行了大量的测试与调试，最终确定了现有的系统结构和各 项控制参数。 关键词：双足竞步；漫反射激光传感器；超声波测距；舵机；PWM 正文 随着人们对机器人技术智能化本质认识的加深，机器人技术开始源源不断地 向人类活动的各个领域渗透。结合这些领域的应用特点，人们发展了各式各样的 具有感知、决策、行动和交互能力的机器人和各种智能机器。机器人技术是一门 综合了传感和检测、控制理论、信息科学与技术、电子工程、机械工程、图像采 集与识别技术以及人工智能等前沿科技的新型学科，它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、单片机、人工智能等许多学科的知识，涉及到当前许多 前沿领域的技术。随着电子技术的飞速发展，智能机器人在越来越多的领域发挥 着人类无法代替的作用。其中，双足机器人就是当今机器人研究领域最为前沿的 课题之一，双足机器人是一种高度非线性、强耦合的对象，反映了一个国家的智 能化和自动化研究水平，双足机器人研究已成为目前非常活跃的的一个研究领域。为了推动我国机器人技术的发展，培养学生创新能力，在全国范围内相继出现了 一系列的机器人竞赛。进行双足机器人的研究可以使学生把理论与实践紧密地结 合起来，提高学生的动手能力、创造能力、协作能力和综合能力，进而达到课堂 知识学以致用的目的。 双足机器人是一种非常典型的仿人机器人，国外早在上世纪60年代末就开 始了双足机器人的研究开发。随着1968年美国首研发出一台操纵型双足机器人，就此揭开了双足机器人研究的序幕。同时因为双足机器人在各个领域的应用日趋 广泛，各个国家在该领域相继投入巨资开展研究。自20世纪90年代开始，双足 机器人的研究已从模仿人类腿部行走发展到全方位拟人阶段。双足机器人在外形 上具有人类的特征，适合用于人类生活的环境，为人们提供方便，因此具有广阔 的市场前景。 双足机器人与其他多足机器人相比具有体积较小、重量轻、动作灵活、迅速，而且更接近人类步行的特点，因此它们对环境有最好的适应性，对步行环境要求 很低，能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，不仅能在平面行走，而且 能够方便地通过一些不规则路段，故它的移动“盲区”很小，具有广阔的工作空间；双足行走也是生物界难度最大的步行工作，双足机器人步行性能是其他步行结构 无法比拟的；除此之外，因双足机器人类人的特点，它可以在人类的生活和工作 环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对环境进行大规模改造，所以双足机 器人在日常生活中更具有广泛的应用前景。与此同时，通过研究双足机器人可以