自做六自由度双足步行机器人

中国矿业大学徐海学院双足竞步机器人设计与制作技术报告队名：擎天柱班级：电气13-5班成员：郭满意游世豪侯敏锐唐丽丽侯伟俊王胜刘利强杨光题目：双足竞步机器人任课教师：***2015 年12月双足竞步机器人设计与制作任务书班级电气13-5班学号22130263 学生姓名郭满意任务下达日期：2015年10月16 日设计日期：2015 年11 月1 日至2014年12月31日设计题目：双足竞步（窄足）机器人的设计与制作设计主要内容和完成功能：1、双足竞步机器人机械图设计；2、双足竞步机器人结构件加工；3、双足竞步机器人组装；4、双足竞步机器人电气图设计；5、双足竞步机器人控制板安装；6、整机调试7、完成6米的马拉松比赛。

教师签字：摘要合仿人双足机器人控制的机构。

文章首先从机器人整体系统出发，制定了总体设计方案，再根据总体方案进行了关键器件的选型，最后完成了各部分机构的详细设计工作。

经过硬件设计、组装；软件设计、编写；整体调试，最终实现外型上具有仿人的效果，在功能上完全满足电气各部件机载化的安装要求。

本文介绍一个六个自由度的小型双足机器人的设计、调试与实现。

包括机械结构设计、电路设计与制作，机器人步态规划算法研究，利用Atmega8 芯片实现了对六个舵机的分时控制，编写 VC 上位机软件,通过串口通信对双足竞步机器人进行调试，通过人体仿生学调试出机器人的步态规划。

实现了双足竞步机器人稳定向前行走、立正。

关键词：双足机器人、机械结构目录1 系统概述 (1)2 硬件设计 (2)2.1机械结构 (2)3.2 PC 上位机调试软件设计 (4)4 系统调试 (5)5 结束语 (6)6 参考文献 (7)7 附录 (8)7.1源程序 (8)7.2相关图片 (9)1 系统概述针对项目根据实际拟订目标，结合我们所学知识，从仿人外形和仿人运动功能实现，首先确定了双足双足机器人自由度。

双足机器人的机构是所有部件的载体，也是设计两足双足机器人最基本的和首要的工作。

一、引言随着科技的发展，机器人技术已经渗透到各个领域，其中双足机器人因其独特的结构和工作方式，在行走、平衡控制、避障等方面具有广泛的应用前景。

为了更好地掌握双足机器人的设计与制作技术，提高动手能力和创新意识，我们小组在指导老师的带领下，开展了双足机器人制作实训。

二、实训目的1. 了解双足机器人的基本原理和结构特点。

2. 掌握双足机器人的设计方法和制作流程。

3. 提高动手能力和创新意识，培养团队协作精神。

4. 通过实训，提高对机器人技术的认识和兴趣。

三、实训内容1. 需求分析：根据实训要求，我们小组对双足机器人的功能和性能进行了详细分析，确定了以下设计目标：- 机器人能够实现基本的行走和平衡控制。

- 机器人具有一定的避障能力。

- 机器人结构简单，便于制作和调试。

2. 方案设计：根据需求分析，我们小组提出了以下设计方案：- 机器人采用双足结构，模拟人类行走方式。

- 机器人采用步进电机作为驱动装置，实现行走和平衡控制。

- 机器人采用Arduino单片机作为控制核心，实现各项功能的协调与控制。

- 机器人采用红外传感器进行避障。

3. 元器件选型：根据设计方案，我们小组选用了以下元器件：- 步进电机：用于驱动机器人的行走和平衡控制。

- Arduino单片机：作为控制核心，实现各项功能的协调与控制。

- 红外传感器：用于检测周围环境，实现避障功能。

- 亚克力板：用于制作机器人的外壳和结构件。

- 伺服电机：用于控制机器人的腿部运动。

4. 制作过程：- 机械结构设计：我们小组使用AutoCAD软件进行了机器人的机械结构设计，包括腿部、躯干、头部等部分。

- 结构件加工：根据设计图纸，我们小组使用激光切割机将亚克力板切割成所需的形状，并进行了打磨和组装。

- 电路设计：我们小组设计了机器人的电路图，包括电机驱动电路、单片机控制电路、传感器电路等。

- 组装与调试：我们将所有元器件按照电路图连接起来，并进行组装和调试，确保机器人能够正常工作。

浅谈简易双足步行机器人的设计作者：黄晓霞来源：《农家科技》2019年第02期摘要：双足步行是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。

与其它足式机器人相比，双足机器人具有支撑面积小，支撑面的形状随时间变化较大，质心的相对位置高的特点。

双足机器具有更高的灵活性，更适合在人类的生活或工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对这些环境进行大规模改造。

未来社会环境的变化使得双足机器人在护理老人、康复医学以及一般家务处理等方面也有很大的潜力。

文章主要阐述了双足步行机器人的设计过程，论述了双足步行机器人的硬件设计，完成简易双足步行机器人的设计工作。

关键词：双足机器人;舵机;控制系统一、双足步行机器人自由度双足步行机器人的机构是所有部件的载体，也是设计双足步行机器人首要的工作。

它必须能够实现机器人的前后左右以及爬斜坡和上楼梯等的基本功能，所以自由度的配置必须合理。

首先确定双足步行机器人的运动过程和行走步骤：重心右移（先右腿支撑）、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。

双足机器人向前迈步时，髓关节与踝关节必须各自配置有一个俯仰自由度以配合实现支撑腿和上躯体的移动，要实现重心转移，髋关节和踝关节的偏转自由度是必不可少的。

机器人要达到目标位置，需要转弯时，所以需要有髋关节上的转体自由度。

膝关节处配置一个俯仰自由度能够调整摆动腿的着地高度，使上下台阶成为可能，还能实现不同的步态。

这样最终决定髋关节配置3个自由度，包括转体、俯仰和偏转自由度，膝关节配置一个俯仰自由度，踝关节配置有俯仰和偏转两个自由度。

这就共需要配置12个自由度。

髋关节、膝关节和踝关节的俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在纵向平面（前进方向）内的直线行走功能，髋关节的转体自由度可实现机器人的转弯功能，髋关节和踝關节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。

二、确定双足机器人的动力源双足步行机器人要求的精度比较高，交直流电机通电就转，断电就停，很难进行机器人的位置控制，步进电机虽能按一定的精度工作，因其是一个开环系统，精度达不到要求。

双足步行机器人产品介绍：双足步行机器人是专业的小型双足机器人。

该款机器人采用宽足版结构体，全身由金属零件构成，具有6个自由度；学生可以轻松组装，并按照自己的想法添加传感器。

腿部采用加长直腿结构，提高行走速度，有利于标准Robocup比赛；脚部采用中空结构，增大摩擦力，并可以加装脚底传感器，可以进行步态检测；该款机器人可以完成标准宽足行走，可以协助用户构建完整的宽足行走模型。

具有最简静平衡步伐方程。

该方程参数由机体尺寸和质量决定。

该款机器人可以完成高难度动作。

如行走、下蹲、倒地、起身、前滚翻、后滚翻等。

加装特种装置可以完成上楼梯、视觉追踪等高难度动作。

该机器人可以作为机器人研究、二次开发的平台，并可参加各类机器人比赛，尤其是Robocup大赛。

特点：1.人形机器人入门平台。

多自由度双腿行走机器人，具有6个自由度。

2.符合ROBOCUP竞赛双足竟步竞赛标准。

3.C语言编程，易懂、易学，无需使用者有多少计算机专业知识。

可用于工程素质训练，可作为一年级大学生认知实训的平台，也可作为非工程专业学生工程素质训练的平台。

4.使用专用下载器，下载更方便。

控制板采用mini USB port,方便随时方便的烧录控制程序。

5.采用14kg扭矩机器人专用伺服舵机，全金属齿轮。

配置清单■套件内容・舵机：KC-M146个・5系铝合金・21路舵机运动控制板・KEIL C软件（CD-ROM）・机器人专用下载器(内含芯片)・Side AA×6电池盒・7.4V-1000mAh Li-Po电池・使用手册／CD-ROM（同内容）・服务反馈卡■机体规格（组装后）・高度：200mm・宽度：115mm・足宽：100mm・重量：约0.8kg■核心驱动电机・机器人专用模拟舵机・扭矩：14kg·cm・尺寸：40.8×20.1×38mm・齿轮：塑料齿・重量：56g・速度：0.12秒/60°■控制板・芯片：STC12C5410AD・高速serial board：115,200bps・低速serial board：1200bps(可无线串口通讯)・可选配遥控器・可添加多种传感器・AD转换输入接口：8路（10bit）・额定电圧：5V・运动控制板尺寸：60×65mm创新实践教学与研究产品主要用于毕业设计、课程设计、电子设计大赛和工程素质训练，可作为一年级大学生认知实训的平台，也可作为非工程专业学生工程素质训练的平台。

小型舞蹈双足机器人的设计及实现引言随着科技的不断发展，机器人技术在各个领域得到了广泛的应用，其中机器人舞蹈已经成为了一种时尚和艺术表现。

在这个背景下，设计并制作一款小型舞蹈双足机器人成为了一个新的挑战和机遇。

本文将从设计的角度，详细介绍小型舞蹈双足机器人的设计及实现过程。

一、需求分析在设计小型舞蹈双足机器人之前，我们首先需要明确这款机器人的应用场景以及功能需求。

具体来说，小型舞蹈双足机器人需要具备以下功能和特点：1.双足行走：机器人需要能够通过双足行走的方式在平地上进行移动。

2.舞蹈表演：机器人需要能够执行各种舞蹈动作，包括转身、跳跃、摆臂等。

3.稳定性：机器人在进行舞蹈表演时需要保持稳定，不易倒地或者失去平衡。

4.远程控制：机器人需要能够通过无线遥控器或者APP进行远程控制。

5.动作自由度：机器人需要具备足够的关节自由度，以便实现各种复杂的舞蹈动作。

二、机械结构设计基于以上的功能需求，我们进行了小型舞蹈双足机器人的机械结构设计。

机械结构设计主要包括机器人的身体结构、关节设计以及驱动设计。

1.身体结构：为了保证机器人具备足够的稳定性，我们采用了双足设计，并在双足之间设置了一个重心平衡器。

重心平衡器可以根据机器人的姿态动态调整，以保持机器人的稳定性。

2.关节设计：机器人的关节设计是机械结构设计中的关键部分。

我们采用了多自由度的关节设计，包括膝关节、髋关节、踝关节等。

这些关节可以使机器人具备足够的灵活性，可以执行各种舞蹈动作。

3.驱动设计：为了保证机器人的动作自由度，我们采用了多电机驱动设计。

每个关节都配备了独立的电机，可以实现各种舞蹈动作的执行。

三、控制系统设计控制系统设计是小型舞蹈双足机器人设计中的另一个关键部分。

控制系统设计包括姿态控制、运动规划以及远程控制等。

1.姿态控制：为了保证机器人在舞蹈表演过程中保持稳定，我们采用了倒立摆控制算法。

通过倒立摆控制算法，可以实时调整机器人的姿态，保持其平衡。

双足仿生机器人行走机构设计1. 引言双足仿生机器人是一种模仿人类步行方式的机器人，其行走机构的设计是实现机器人自主行走的关键。

本文将介绍双足仿生机器人行走机构的设计原理、结构与控制方法。

2. 设计原理双足仿生机器人的行走机构设计基于人类步行的原理。

人类步行是一种交替进行的两足动作，每步分为摆动相和支撑相。

在摆动相中，一只脚离地，并向前摆动；在支撑相中，另一只脚着地支撑身体。

机器人的行走机构需要模拟这一过程，通过控制各关节的运动实现机器人的步行。

3. 结构设计双足仿生机器人的行走机构包括传感模块、控制模块和执行模块。

传感模块用于感知机器人身体姿态和环境信息，如倾斜角、步长和地面状态等。

控制模块根据传感器信号和预设的步态参数计算关节的运动轨迹和力矩控制信号。

执行模块根据控制模块的指令，控制各关节运动，实现机器人的步行。

具体的结构设计包括：3.1 关节设计双足仿生机器人的关节设计需要考虑力矩传输、运动范围和结构强度等因素。

一般采用电机驱动的关节设计，通过控制电机的转动角度和力矩，实现机器人的步行动作。

3.2 脚底设计机器人的脚底设计需要考虑地面的摩擦力、稳定性和抗震性等因素。

一般采用具有摩擦力的材料作为脚底，例如橡胶或塑料材料。

同时，在脚底设计中还可以添加传感器，用于感知地面的状态和表面特征。

3.3 稳定性设计双足仿生机器人的稳定性设计是保证机器人能够在不倒地的情况下行走。

稳定性设计包括重心的控制、姿态的调节和动态平衡控制等。

通过控制机器人的关节运动和重心转移，使机器人能够保持平衡并行走。

4. 控制方法双足仿生机器人的行走机构控制方法包括开环控制和闭环控制两种。

4.1 开环控制开环控制是指根据预设的步态参数，通过控制各关节的运动轨迹和力矩，实现机器人的步行。

开环控制简单但稳定性较差，容易受到外界干扰影响。

4.2 闭环控制闭环控制是根据传感器信号和控制模块的反馈信息，实时调整关节的运动轨迹和力矩，以实现更加稳定的步行。

1 绪论两足步行机器人是指可以使用两只脚交替地抬起和放下，以适当的步伐运动的机器人，可分为拟人机器人和桌面型两足机器人 (仿人机器人)大小和人相似，不仅具有拟人的步行功能，而且通常还具有视觉、语音、触觉等一系列拟人的功能；桌面型两足机器人通常指体积较小，只具有步行功能及其他少数特定功能的两足机器人，例如具有步行功能和视觉功能的自主踢足球机器人。

与拟人机器人相比，桌面型两足步行机器人的成本较低，除了具有科研性外，还具有广泛地娱乐性，也可以应用在教学和比赛中。

国内外的机器人大赛中，常常可以看到桌面型两足步行机器人的身影[1]。

1.1 课题的研究背景和意义于两足步行机器人的拟人性和对环境良好的适应性等特点，受到各国政府和研究者的广泛重视，是当今世界的高新技术的代表之一。

它在科研、教学、比赛和娱乐等方面都很到了很好的应用。

江苏省大学生机器人大赛和全国大学生机器人大赛中经常有两足步行机器人，它可以参加舞蹈机器人比赛、两足竞走机器人比赛、Robocop类人组机器人踢足球[10]器人创新比赛、Robocop救援组比赛等。

舞蹈机器人比赛时使用了日本“KONDO”两足步行机器人，性能出众，发挥稳定，获得了舞蹈机器人比赛的冠军。

但是该机器人是集成度很高的商业产品，它的控制系统不开放底层代码，难以进行二次开发和步态研究。

所以本文基于机器人控制系统中常用的众多处理器和操作系统各自的特点，并结合“KONDO”机器人机械结构的特性，选用了高性能、低功耗的 8 位AVR® 微处理器内核处理器ATMega8P来实现对机器人的控制来。

设计的控制系统控制指令精简，控制转角精度高，波特率可以实时更改，体积小，重量轻，其可作为类人型机器人、仿生机器人、多自由度机械手的主控制器。

随着中国机械产业的不断进步，各高校相继开设机械类创新课程和比赛，学生可将其应用在各类机械创新作品中，优化控制系统参加比赛。

日本“KONDO”机器人如图1.1所示。

双足竞步机器人设计与制作技术报告模板一、引言二、设计原理1.步态模拟双足竞步机器人的关键技术之一是步态模拟。

通过传感器和控制算法，机器人能够模拟人类的步态，并在不同的地形和速度下保持稳定。

这一设计原理是基于人体力学和动力学的研究，通过对关节和肌肉的仿真，实现了机器人的步态模拟。

2.传感器和控制系统双足竞步机器人需要通过传感器来感知外界环境，并通过控制系统来进行运动控制。

常用的传感器包括倾斜传感器、力/力矩传感器和视觉传感器等，用于测量机器人的倾斜角度、步态力矩和周围环境。

控制系统则是根据传感器测量的数据进行计算和控制的核心部分，常用的控制算法包括PID控制、模糊控制和神经网络控制等。

三、制作过程1.机械结构设计双足竞步机器人的机械结构设计是机器人制作的重要环节。

由于机器人需要模拟人类的步态，机械结构需要能够实现人类步态的运动。

常用的设计原理包括杆件模型、连杆模型和刚体模型等，通过在设计中考虑杆件的长度、角度和连接方式等因素，实现机器人的步态运动。

2.电子系统设计3.软件系统设计双足竞步机器人的软件系统设计主要包括控制算法和用户界面设计。

控制算法需要根据机器人的步态模拟原理进行编写，实现机器人的稳定行走和竞速。

用户界面设计则是为了方便用户对机器人进行操作和控制，常用的设计方式包括图形界面和命令行界面等。

四、实验结果与分析经过设计和制作，我们成功地完成了一台双足竞步机器人，并进行了相关实验。

实验结果表明，机器人能够模拟人类的步态，并在不同的地形和速度下保持稳定。

同时，机器人还能够进行竞速比赛，并达到了预期的速度。

然而，我们也发现了一些问题。

首先，机器人在不同地形下的稳定性仍然有待提高，特别是在不平坦的地形上。

其次，机器人的竞速能力还有待改善，我们计划在之后的研究中进一步优化机器人的设计和控制算法。

五、总结通过本次的设计与制作，我们对双足竞步机器人的设计与制作技术有了更深入的了解。

步态模拟、传感器和控制系统、机械结构设计、电子系统设计和软件系统设计等都是构成双足竞步机器人的重要技术。

双足机器人制作及其步态运行首先，在双足机器人的制作过程中，机械设计是一个重要的环节。

双足机器人需要设计适合人体行走的腿部结构，通常采用三自由度的设计，即腿部可以在水平方向上摆动、伸缩和旋转。

此外，机械设计还需要考虑到双足机器人的稳定性和承重能力，以确保机器人在行走时不会失去平衡。

其次，控制系统是双足机器人制作中不可或缺的一部分。

控制系统需要将运动指令转化为机械运动，使机器人能够按照设定的步态进行行走。

控制系统通常包括传感器、执行器和控制算法等多个组件。

传感器主要用于获取机器人当前的状态和环境信息，比如陀螺仪和加速度计可以用来检测机器人的倾斜角度和加速度；执行器则用于实现机器人的运动，比如电机可以驱动腿部关节的运动；控制算法则负责解析传感器的数据并控制执行器的运动。

最后，双足机器人的步态运行是整个制作过程中最具挑战性的一部分。

步态运行可以分为静态步态和动态步态两种。

静态步态是指机器人在行走过程中，保持至少有三只腿支撑在地面上，而剩余的腿则处于摆动中；动态步态则是指机器人在行走过程中，每一步都会有腿从摆动态转化为支撑态。

步态运行的关键在于如何控制机器人的稳定性和步幅，以确保机器人在行走时不会失去平衡。

为了实现双足机器人的步态运行，需要通过控制算法来对机器人的运动进行优化。

控制算法可以根据传感器获取的数据来调整机器人的姿态和步频，以保持机器人的稳定性和步幅。

常用的控制算法包括PID控制、模糊控制和强化学习等，这些算法通过对机器人的运动进行建模和优化，可以使机器人在行走时更加稳定和高效。

总的来说，双足机器人的制作和步态运行是一个综合性的任务，需要涉及到机械、控制和算法等多个领域的知识。

只有在这些领域的相互配合下，才能够制作出一个稳定、灵活的双足机器人，并使其能够模仿人类的行走方式。

随着科技的不断发展，双足机器人的制作和步态运行将会变得更加成熟和先进，为人类带来更多的便利和可能性。

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。