仿生六足機器人立項報告.doc

編號：哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院基于項目學習的仿生機器人大賽項目申請書項目名稱： 六足仿生機器人 項目負責人： 學號： 聯(lián)系電話： 電子郵箱： 院系及專業(yè)： 機電工程學院 指導教師： 職稱： 聯(lián)系電話： 電子郵箱： 院系及專業(yè)： 機電工程學院 哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院制表填表日期：2014年4月8日項目名稱： 六足仿生機器人 一、課題組成員：姓名性別專業(yè)方向班級學號本人簽字二、指導教師意見： 簽 名： 年 月 日三、學院專家組意見： 組長簽名： （ 蓋 章 ） 年 月 日7四、立項報告1、項目簡介 本項目圍繞六足仿生機器人的前沿技術，主要仿生對象為螞蟻，主要實現(xiàn)機器人前后左右移動，具有良好仿生特性，研究具有抗沖擊性以及地形適應能力的仿生機構設計技術，六足仿生機器人系統(tǒng)模型；研究六足機器人適應不同地形環(huán)境的能力。研制系統(tǒng)設計與仿真等核心單元。研制高速、高負載能力、對典型非結構化地形具有高適應能力的六足仿生機器人，并開展系統(tǒng)結構、地形適應能力以及抗擾動控制實驗驗證。2、立項背景人們對機器人的幻想與追求已有3000多年的歷史，人類希望制造一種像人一樣的機器，以便代替人類完成各種工作。1959年，第一臺工業(yè)機器人在美國誕生，近幾十年，各種用途的機器人相繼問世，使人類的許多夢想變成了現(xiàn)實。隨著機器人工作環(huán)境和工作任務的復雜化，要求機器人具有更高的運動靈活性和在特殊未知環(huán)境的適應性，機器人簡單的輪子和履帶的移動機構已不能適應多變復雜的環(huán)境要求。在仿生技術、控制技術和制造技術不斷發(fā)展的今天，各種各樣的仿生機器人相繼被研制出來，仿生機器人已經(jīng)成為機器人家族中的重要成員。美國、日本、德國、英國、法國等國家都開展了蛇形機器人的研究，并研制出許多樣機。日本東京大學的hirose教授從仿生學的角度，在1972年研制了第一臺蛇形機器人樣機。美國卡內(nèi)基-梅隆大學近日研究出一種可以攀爬管道的蛇形機器人，這種蛇形機器人大部分由輕質(zhì)的鋁或塑料組成，最大也只有成人手臂大小。機器人配有攝像機和電子傳感器，可以接受遙控指揮。蛇形機器人可以成功上下一根塑料管道，并可以跨越廢墟碎片間的巨大空隙以及在草叢中來去自由。讓蛇形機器人在坍塌廢墟中穿梭，能更快地找到幸存者，為災難救援工作帶來了技術突破。在國內(nèi)，上海交通大學、中科院沈陽自動化研究所、國防科技大學等單位相繼研制出了蛇形機器人樣機。通過參加本次活動，我們能夠?qū)W會對單片機的應用，加深對機械原理知識的理解，增強動手能力及團隊協(xié)作能力，為將來進一步學習機械相關知識打下良好基礎。 對于六足仿生機器人，在美國國防部高級計劃研究署的資助下，bostondynamic公司與美國賓夕法尼亞大學、卡內(nèi)基-梅隆大學、加州大學伯克利分校。斯坦福大學以及路易斯-克拉克大學共同開發(fā)的六足仿生機器人于2008年面世。這款機器人長約25厘米，重約2千克，爬行速度為0.3米/秒。每條腿均由兩個馬達驅(qū)動，由多個感應器來探測周圍的環(huán)境并由內(nèi)置的電腦分析后發(fā)布指令來控制每條腿的動作。它可以以非常協(xié)調(diào)的動作攀爬墻壁、樹木等垂直的平面，而且能夠根據(jù)不同的弧度做出不同的動作以保持平衡，就像是一只慢速爬行的壁虎一樣。3、項目方案3.1機器人功能介紹可實現(xiàn)前進后退轉彎等基本動作，對小障礙物越過、大障礙物繞開，具有遙控模式，可通過無線裝置無線控制。3.2機器人機械結構3.2.1舵機在仿生機器人中的應用：舵機具有以下一些特點： 1) 體積緊湊，便于安裝； 2) 輸出力矩大，穩(wěn)定性好； 3) 控制簡單，便于和數(shù)字系統(tǒng)接口。圖3.2.1正是因為舵機有很多優(yōu)點，所以，現(xiàn)在不僅僅應用在航模運動中，已經(jīng)擴展到各種機電產(chǎn)品中來，在機器人控制中應用更是越來越廣泛。一個仿生機器人，機器人各個關節(jié)都有一定的自由度數(shù)，而每個舵機正是實現(xiàn)其中一個個關節(jié)在一個自由度上的運動。這樣，機器人有幾個自由度，一般就需要幾個舵機?？紤]到六足機器人需要實現(xiàn)前進，后退，轉彎等功能，每條腿至少需要3個自由度即需要三個舵機控制它的活動。腿與軀干部分需要兩個舵機，膝關節(jié)處一個。參考圖片如圖所示。3.2.2軀干部分使用的材料-有機玻璃有機玻璃又叫亞克力， 這種高分子透明材料的化學名稱叫聚甲基丙烯酸甲酯，英文簡稱pmma，是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的。特點是表面光滑、色彩艷麗，比重小，強度較大，耐腐蝕，耐濕，耐曬，絕緣性能好，隔聲性好適合做航模機器人等3.3機器人控制系統(tǒng)開發(fā)機器人有了主體結構和機械結構以后，要想讓它真正動起來以實現(xiàn)預期的功能，必須要有控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)是機器人的中樞神經(jīng)，所有想要實現(xiàn)的功能和指令都要通過它來控制機器人的各個伺服機構做出相應的動作，而傳感器測量到的數(shù)據(jù)都要傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)進行處理。所以說控制系統(tǒng)的開發(fā)是機器人開發(fā)的核心。可以說一個機器人的好壞很大程度上取決于控制系統(tǒng)和控制算法設計的好壞。3.3.1 開發(fā)工具arduino 是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包含硬件（各種型號的arduino板）和軟件（arduino ide)。對arduino的編程是利用 arduino編程語言 (基于 wiring)和arduino開發(fā)環(huán)境(based on processing)來實現(xiàn)的。基于arduino的項目，可以只包含arduino，也可以包含arduino和其他一些在pc上運行的軟件，他們之間進行通信 (比如 flash, processing, maxmsp)來實現(xiàn)。使用arduino開發(fā)有很多優(yōu)勢：開放源代碼的電路圖設計，程序開發(fā)接口免費下載，也可依個人需求自己修改。使用低價格的微處理控制器(avr系列控制器)，可以采用usb接口供電，不需外接電源，也可以使用外部9vdc輸入；arduino支持isp在線燒，可以將新的“bootloader”固件燒入avr芯片；有了bootloader之后，可以通過串口或者usb to rs232線更新固件；支持多種互動程序，如：flash、max/msp、vvvv。圖3.3.1 為arduino開發(fā)板圖3.3.13.3.2 控制系統(tǒng)原理設計系統(tǒng)控制對象為：伺服電機（或舵機）、電機控制器。它們的控制關系為遞進關系。首先系統(tǒng)軟件控制串口發(fā)送控制字節(jié)到伺服電機控制器，伺服電機控制器發(fā)出pwm信號到伺服電機，伺服電機根據(jù)驅(qū)動信號運轉相應的角度。為實現(xiàn)六足機器人的避障功能，必須要有傳感器來感知障礙物的距離。具備這種功能的如超聲波傳感器，和紅外線距離傳感器。傳感器通過模擬接口將數(shù)據(jù)送到控制板中，控制芯片在對信號進行處理，從而做出相應的反應，并將動作信號通過pwm接口傳送到電機控制板中，控制舵機做出相應的動作。通訊功能要通過專門的通訊模塊來實現(xiàn)比如gsm模塊，bluetooth模塊，wifi模塊等，控制器的信號通過通訊模塊傳輸?shù)娇刂瓢逯?，從而對機器人的姿態(tài)進行無線控制。3.3.3 控制算法開發(fā)arduino 語言是建立在 c/c+基礎上的，其實也就是基礎的 c 語言，使用平臺提供的開發(fā)軟件arduino ide進行開發(fā)。arduino 語言只不過把 avr 單片機（微控制器）相關的一些寄存器參數(shù)設置等都函數(shù)化了，不用我們?nèi)チ私馑牡讓樱尣惶私?avr 單片機（微控制器）的人也能輕松上手。由于arduino芯片中已經(jīng)燒錄了bootloader程序，所以編寫好的程序不需要連接器可以直接通過usb接口燒錄到芯片中非常方便。4、特色與創(chuàng)新六足機器人機動性好，靈活度高，適應能力強。5、小組成員分工每個小組成員在各個方面都有參與，主要分工如下：許修宇：學習單片機，c語言。機械機構設計張高鵬：學習單片機，c語言。選擇材料，程序編寫及其調(diào)試。鄧振強：學習單片機，c語言。零件圖紙繪制。劉宇超：學習單片機，c語言。步態(tài)規(guī)劃，三維建模。游賢遇：學習單片機，c語言。采購零件及加工。6、進度安排4月-完成方案設計，三維建模，步態(tài)規(guī)劃，圖紙繪制。5月-主要實現(xiàn)完成機械部分方案的優(yōu)化，材料部件的選取。單片機的學習，程序的編寫。6月-確定最終方案，完成機器人的零件加工。7月-組裝調(diào)試，完成最終優(yōu)化工作。7、中期目標及考核方式中期目標主要實現(xiàn)完成機械部分方案的設計及優(yōu)化，完成零件圖繪制，步態(tài)規(guī)劃，材料部件的選取。單片機的學習，程序的編寫，零件的加工。8、制作費用 單位：元序號名稱型號數(shù)量單價合計備注1.舵機18254502.arduino套件12802803.面包板1884.舵機控制器1909