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《基于四足机器人的导航与路径规划方法研究》一、引言随着科技的飞速发展，四足机器人作为一种新型的移动平台，在军事、救援、物流等领域得到了广泛的应用。
其灵活的移动能力和良好的环境适应性，使得四足机器人在执行复杂任务时表现出强大的潜力。
然而，为了充分发挥四足机器人的性能，需要研究有效的导航与路径规划方法。
本文将重点研究基于四足机器人的导航与路径规划方法，旨在为四足机器人的应用提供理论支持和实用技术。
二、四足机器人概述四足机器人是一种通过四个腿进行运动的机器人，具有较高的灵活性和环境适应性。
其运动学特性和动力学特性使得四足机器人在复杂地形中能够稳定行走。
此外，四足机器人还可以通过改变腿部的运动状态，实现各种复杂的动作和姿态。
三、导航方法研究1. 传感器融合导航传感器融合导航是四足机器人导航的重要手段。
通过融合激光雷达、摄像头、惯性测量单元等传感器数据，可以实现对环境的感知和定位。
在传感器数据融合过程中，需要采用合适的算法对数据进行处理和优化，以提高导航的准确性和稳定性。
2. 地图构建与更新地图是四足机器人导航的基础。
通过传感器数据和机器视觉技术，可以构建出环境的地图。
在地图构建过程中，需要考虑地图的精度、实时性和更新速度等因素。
同时，为了适应环境的变化，需要研究地图的动态更新方法。
四、路径规划方法研究1. 全局路径规划全局路径规划是指根据起点和终点，在已知环境中规划出一条最优路径。
在全局路径规划中，需要考虑环境的复杂性、障碍物的分布、路径的长度和安全性等因素。
常用的全局路径规划算法包括A算法、Dijkstra算法等。
2. 局部路径规划局部路径规划是指在机器人运动过程中，根据实时感知的环境信息，规划出局部路径。
在局部路径规划中，需要考虑机器人的运动学特性和动力学特性，以及避障和速度规划等因素。
常用的局部路径规划算法包括动态窗口法、人工势场法等。
五、实验与分析为了验证本文提出的导航与路径规划方法的有效性，我们进行了实验。
一种基于单片机的四足步行机器人设计及步态研究周晓东,汤修映,农克俭中国农业大学工学院,北京(100083E-mail:摘要 :本论文通过对四足动物结构及其行走步态的研究, 设计制作了一台四足步行机器人样机, 按照多足步行机器人行走的稳定性原则, 设计出了慢走和对角小跑两种步态的具体过程,并采用单片机作为控制系统,实现了这两种步态,实验证明,所设计的步态具有良好的稳定性。
关键词:四足机器人;步态;慢走;对角小跑中图法分类号:TP2421. 引言步行机器人是一种腿式移动机构, 具有轮式、履带式等移动机器人所不具备的优点, 该类机器人能够在复杂的非结构环境中稳定地行走, 代替人完成许多危险作业, 被广泛地应用于军事运输、矿山开采、核能工业、星球表面探测、消防及营救、建筑业、农业及森林采伐、示教娱乐等众多行业。
因此, 长期以来, 多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域研究的热点之一 [1][2]。
而四足机器人具有实现静态步行的最少腿数 [3],也适合于动态步行,以实现高速移动,因此,对四足步行机器人的研究,具有特殊的重要性。
本文以四足爬行动物为模仿对象, 通过对其结构和步态的分析和研究, 设计出了一台四足步行机器人, 采用单片机控制系统,使其能够模仿四足动物的慢走、对角小跑等步态。
2. 四足步行机构总体结构设计与自由度2.1步行机构总体结构分析图 1为所设计的四足步行机器人总体结构示意图, 由图可知, 该机构由四条腿及机体组成,每条腿的结构完全相同,在各主动驱动关节(膝关节、臀关节、髋关节上分别装有直1踝关节 2小腿 3膝关节 4大腿 5臀关节6髋关节 7机体 8控制系统电路板图 1 总体结构示意图Fig.1 The sketch of the overall configuration流电机,整个机体上共装有 12个独立的驱动电机。
而被动关节(踝关节采用球铰链结构, 脚底部粘上胶皮以增大和地面的摩擦力, 同时可对脚与地面之间的撞击起到缓冲作用, 小腿和大腿组成平面连杆机构, 它们均可以绕着自身的关节轴在一定的角度范围内摆动, 而整条腿又可以绕着髋关节转动。
四足机器人系统设计摘要四足机器人作为仿生机器人的一种，得到了广泛的研究。
行走机构和转弯机构是四足机器人最关键的部分，目前，行走机构的研究大多采用在腿机构的关节处安装伺服电机进行驱动，增加了机器人的重量和控制策略的难度。
并且，机器人本体大多是一个刚性整体，转弯机构研究不足。
为此，项目将四足机器人本体作为一个柔性整体，采用三维建模软件Pro/E4.0设计了四足机器人的机械系统，提出了一种新颖的凸轮控制驱动式行走机构，设计了一种腿机构以及相应的凸轮控制驱动机构，并初步设计了柔性转弯机构。
在此基础上，论文采用主从式控制方式设计了四足机器人的控制系统，重点讨论了以8051单片机为控制器的行走机构和转向机构的控制系统设计。
关键词：四足机器人；行走机构；凸轮驱动；控制系统；三维设计Abstract目前，常见的步行机器人以两足式、四足式、六足式应用较多。
其中，四足步行机器人机构简单且灵活，承载能力强、稳定性好，在抢险救灾、探险、娱乐及军事等许多方面有很好的应用前景，其研制工作一直受到国内外的重视。
本文介绍了国内外在机构设计、步态、控制等方面已经取得的进展，并分析了其中的关键技术。
最后，归纳总结了未来四足步行机器人的几个发展趋势]2[，以期对以后的研究工作具有指导作用。
20世纪60年代，四足步行机器人的研究工作开始起步。
随着计算机技术和机器人控制技术的研究和应用，到了20世纪80年代，现代四足步行机器人的研制工作进入了广泛开展的阶段。
世界上第一台真正意义的四足步行机器人是由Frank和McGhee于1977年制作的。
该机器人具有较好的步态运动稳定性，但其缺点是，该机器人的关节是由逻辑电路组成的状态机控制的，因此机器人的行为受到限制，只能呈现固定的运动形式。
20世纪80、90年代最具代表性的四足步行机器人是日本Shigeo Hirose实验室研制的TITAN系列。
1981～1984年Hirose教授研制成功脚部装有传感和信号处理系统的TITAN-III。
四足机器人设计与总结报告指导老师：麦文学生：陈伟内容摘要本设计中，机器人的行走是根据四足动物的步行原理，将其运动过程分解，再结合实际模型，抽象出四足运动的基本原理，并制作出结构模型，通过对向前行走、原地左转弯、原地右转弯的控制，从而实现直行的行走。
本设计采用采用MCU控制机器人的步态设计，通过CPLD强大的信号处理功能实现PWM从而对每个舵机进行控制，实现机器人的直行行走。
同时预留了大量的端口，为以后实现寻路、显示、语音等功能提供条件。
关键词：四足步行 PWM 步态规划AbstractThis design, the robot is walking quadruped walking under the principle of decomposition of their movement, combined with the actual model, to abstract the basic principles of four-legged movement, and create structural models, by walking forward, the original to turn left, turn right to control in situ, in order to achieve straight walking.The design uses the robot gait control by MCU design, by CPLD realization of a powerful signal processing functions to each servo PWM control, the robot walk straight. At the same time a large number of ports reserved for the future find its way to achieve, display, voice and other features provide the conditions.Key words:QUADRUPED WALKING GAIT PLANNING PW M目录引言 (3)一、方案设计与论证 (4)二、肢体的结构设计 (5)2.1、舵机的结构 (6)2.2、舵机的控制方法 (7)2.3、舵机安装 (8)2.4、构件的级联 (9)2.5、整体结构介绍 (9)三、步行原理及步态、路径规划 (11)3.1、行走原理 (11)3.2、行走步态及动作时序 (12)3.2.1、初始化 (12)3.2.2、向前行走 (13)四、电路设计 (14)4.1、主控板设计 (14)4.1.1、MCU配置 (14)4.1.2、CPLD配置 (16)4.2、PWM脉宽调制（P ULSE W IDTH M ODULATION）信号产生 (16)4.3、程序流程图 (17)4.4、程序 (18)4.4.1单片机程序 (18)4.4.2、CPLD程序 (19)总结 (25)引言自从人类发明机器人以来，各种各样的机器人日渐走入我们的生活。
基于AT89C51单片机设计的简易智能机器人引言随着微电子技术的不断发展，微处理器芯片的集成程度越来越高，单片机已可以在一块芯片上同时集成CPU、存储器、定时器／计数器、并行和串行接口、看门狗、前置放大器、A／D转换器、D／A转换器等多种电路，这就很容易将计算机技术与测量控制技术结合，组成智能化测量控制系统。
这种技术促使机器人技术也有了突飞猛进的发展，目前人们已经完全可以设计并制造出具有某些特殊功能的简易智能机器人。
1 设计思想与总体方案1.1 简易智能机器人的设计思想本机器人能在任意区域内沿引导线行走，自动绕障，在有光源引导的条件下能沿光源行走。
同时，能检测埋在地下的金属片，发出声光指示信息，并能实时存储、显示检测到的断点数目以及各断点至起跑线间的距离，最后能停在指定地点，显示出整个运行过程的时间。
1.2 总体设计方案和框图本设计以A T89C5l单片机作为检测和控制核心。
采用红外光电传感器检测路面黑线及障碍物，使用金属传感器检测路面下金属铁片，应用光电码盘测距，用光敏电阻检测、判断车库位置，利用PWM(脉宽调制)技术动态控制电动机的转动方向和转速。
通过软件编程实现机器人行进、绕障、停止的精确控制以及检测数据的存储、显示。
通过对电路的优化组合，可以最大限度地利用51单片机的全部资源。
P0口用于数码管显示，P1口用于电动机的PWM驱动控制，P2，P3口用于传感器的数据采集与中断控制。
这样做的优点是：充分利用了单片机的内部资源，降低了总体设计的成本。
该方案总体方案见图1。
2 系统的硬件组成及设计原理此系统的硬件部分由单片机单元、传感器单元、电源单元、声光报警单元、键盘输入单元、电机控制单元和显示单元组成，如图2所示。
2．1 单片机单元本系统采用A T89C51单片机作为中央处理器。
其主要任务是扫描键盘输入的信号启动机器人，在机器人行走过程中不断读取传感器采集到的数据，将得到的数据进行处理后，根据不同的情况产生占空比不同的PWM脉冲来控制电机，同时将相关数据送显示单元动态显示，产生声光报警信号。
构稳定性,可改装为钢板等其它材1-4:仿生机械狗四足结构;5:电机;6:控制平台图1机械结构件设计的控制芯片是51单片机,具有很很小。
系统主要以传感器和输入输出部分包括电机、显示屏。
电源容量电池来供电,能够提供足够动电机转动和系统运作,系统机带。
振电路如图2所示。
图2晶振电路1.2复位电路部分设计其复位部分是由外部复位电路实现,接在单片RST引脚上,需要手动按下复位按键。
采用可充的电池来作为电源部分,提供动力。
的如图3所示。
图3复位电路2.2电机控制电路设计这里采用的是直流电机,当单片机输出为1时,继电器得电。
电机工作这里面得电源也是接可充电得电池。
其中三极管是为了增加电机的启动电压。
其输入基金项目:安徽新华学院2016年度省级新训练项目《四足仿生机械狗设计》(AH201612216051)。
63Science&Technology Vision科技视界端接在P1.0引脚,如图4所示。
图4电机电路电源部分本系统采用可充电的大容量电池来供电,能够提供足够的电压以及电流来驱动电机转动和系统运作。
2.3传感器及显示电路设计以单片机为核心,通过温度传感器DS18B20对当前温度的检测送到单片机进行处理与系统设定温度的比较,控制主电路双向晶闸管的导通与关断,接在单片机的P3.7引脚上,如图5所示。
图5传感器电路系统显示电路采用1602液晶屏进行显示,主要对温度数据进行显示,处理后的数据和设定阈值,均通过送单片机P0.0到P0.7口连接的显示电路以显示当前温度,如图6所示3程序设计由于基本功能比较简单,系统应用了AT89C51类型的单片机,因为能耗低,操作简单易学,其基本功能也满足机器人的需求。
本系统主要功能有:电机转动、图6显示器电路图7主程序流程图图8温度传感器子程序流程图2子程序当子程序检测到信号用子程序,首先进行初始化时序,然后发出读温度令,读出数据,最后子程序返回。
如图8所示。
结论通过构建自由度少的械结构来支撑整体框架,需要的驱动力较小,能够稳的进行行走。
第四章机械系统设计4.2机器人机构4.2.1 仿生机器人机构4.2.2 典型工业机器人机构4.2.3 工业机器人机构应用实例影视机器人现实机器人4.2 机器人机构双足机器人Petman是美军仿人机器人中的佼佼者，它的职能是为美军实验防护服装。
波士顿动力公司承诺说Petman能维持平衡，灵活行动。
行走、匍匐、以及应对有毒物质的一系列动作对它来说都不成问题。
它还能调控自身的体温、湿度和排汗量来模拟人类生理学中的自我保护功能，从而达到最佳的测试效果。
PETMAN机器人典型多连杆式四足机械结构LittleDog机器人LittleDog由南加州大学开发，估计是目前最有思考的机器狗，他的内置处理器能够判断目前地形从而采取更正确的步伐前进。
同时它最强亮点，是具有学习功能，能记住正确和错误的步伐，不会被同样的地形绊倒2次BigDog机器人由美国武器合约商波士顿动力公司研发的一套科技含量非常高的装置——“大狗”(BigDog)运输机器人。
它高约1米，重75kg采用汽油发动机驱动。
有四只强有力的腿，每条腿有三个靠传动装置提供动力的关节，并有一个“弹性”关节。
这些关节由一个机载计算机处理器控制。
它体内装有维持机身平衡的回转仪，内力传感器等，可探测到地势变化根据情况做出调整。
它的最高负载量可达340磅，以每小时4英里的速度行走，而且可在丘陵地形上攀登前行，全靠本身的立体视觉系统或远程遥控器确认路径。
躯体运动形式给每个液压缸加上驱动，通过活塞的往复运动使相配合关节相对转动动画Jansen Walker仿生机械Jansen Walker是由荷兰工艺家泰奥•扬森(Theo Jansen)利用塑胶管、塑胶瓶等普通材料创造的一种新型“生命”。
该机构运用风力作为动力实现行走，并利用塑胶瓶存储风量，在没有风的情况下也可以实现行走。
四足机械步行和轮滑自动切换的轮式四足机器人六足和多足机械六足的蚂蚁八足的蜘蛛多足的蜈蚣RISE 是一个攀爬机器人，它可以攀爬墙面,树木和篱笆。
