仿生六足機(jī)器人立項(xiàng)報(bào)告

編號(hào)：哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院基于項(xiàng)目學(xué)習(xí)的仿生機(jī)器人大賽項(xiàng)目申請(qǐng)書項(xiàng)目名稱： 六足仿生機(jī)器人 項(xiàng)目負(fù)責(zé)人： 學(xué)號(hào)： 聯(lián)系電話： 電子郵箱： 院系及專業(yè)： 機(jī)電工程學(xué)院 指導(dǎo)教師： 職稱： 聯(lián)系電話： 電子郵箱： 院系及專業(yè)： 機(jī)電工程學(xué)院 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院制表填表日期：2014年4月8日項(xiàng)目名稱： 六足仿生機(jī)器人 一、課題組成員：姓名性別專業(yè)方向班級(jí)學(xué)號(hào)本人簽字二、指導(dǎo)教師意見： 簽 名： 年 月 日三、學(xué)院專家組意見： 組長(zhǎng)簽名： （ 蓋 章 ） 年 月 日7四、立項(xiàng)報(bào)告1、項(xiàng)目簡(jiǎn)介 本項(xiàng)目圍繞六足仿生機(jī)器人的前沿技術(shù)，主要仿生對(duì)象為螞蟻，主要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前后左右移動(dòng)，具有良好仿生特性，研究具有抗沖擊性以及地形適應(yīng)能力的仿生機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)，六足仿生機(jī)器人系統(tǒng)模型；研究六足機(jī)器人適應(yīng)不同地形環(huán)境的能力。研制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真等核心單元。研制高速、高負(fù)載能力、對(duì)典型非結(jié)構(gòu)化地形具有高適應(yīng)能力的六足仿生機(jī)器人，并開展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、地形適應(yīng)能力以及抗擾動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。2、立項(xiàng)背景人們對(duì)機(jī)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(jī)器，以便代替人類完成各種工作。1959年，第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人在美國(guó)誕生，近幾十年，各種用途的機(jī)器人相繼問世，使人類的許多夢(mèng)想變成了現(xiàn)實(shí)。隨著機(jī)器人工作環(huán)境和工作任務(wù)的復(fù)雜化，要求機(jī)器人具有更高的運(yùn)動(dòng)靈活性和在特殊未知環(huán)境的適應(yīng)性，機(jī)器人簡(jiǎn)單的輪子和履帶的移動(dòng)機(jī)構(gòu)已不能適應(yīng)多變復(fù)雜的環(huán)境要求。在仿生技術(shù)、控制技術(shù)和制造技術(shù)不斷發(fā)展的今天，各種各樣的仿生機(jī)器人相繼被研制出來，仿生機(jī)器人已經(jīng)成為機(jī)器人家族中的重要成員。美國(guó)、日本、德國(guó)、英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家都開展了蛇形機(jī)器人的研究，并研制出許多樣機(jī)。日本東京大學(xué)的Hirose教授從仿生學(xué)的角度，在1972年研制了第一臺(tái)蛇形機(jī)器人樣機(jī)。美國(guó)卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)近日研究出一種可以攀爬管道的蛇形機(jī)器人，這種蛇形機(jī)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(jī)器人配有攝像機(jī)和電子傳感器，可以接受遙控指揮。蛇形機(jī)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(jī)器人在坍塌廢墟中穿梭，能更快地找到幸存者，為災(zāi)難救援工作帶來了技術(shù)突破。在國(guó)內(nèi)，上海交通大學(xué)、中科院沈陽自動(dòng)化研究所、國(guó)防科技大學(xué)等單位相繼研制出了蛇形機(jī)器人樣機(jī)。通過參加本次活動(dòng)，我們能夠?qū)W會(huì)對(duì)單片機(jī)的應(yīng)用，加深對(duì)機(jī)械原理知識(shí)的理解，增強(qiáng)動(dòng)手能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作能力，為將來進(jìn)一步學(xué)習(xí)機(jī)械相關(guān)知識(shí)打下良好基礎(chǔ)。 對(duì)于六足仿生機(jī)器人，在美國(guó)國(guó)防部高級(jí)計(jì)劃研究署的資助下，BostonDynamic公司與美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)、卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校。斯坦福大學(xué)以及路易斯-克拉克大學(xué)共同開發(fā)的六足仿生機(jī)器人于2008年面世。這款機(jī)器人長(zhǎng)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(gè)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，由多個(gè)感應(yīng)器來探測(cè)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(dòng)作。它可以以非常協(xié)調(diào)的動(dòng)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(dòng)作以保持平衡，就像是一只慢速爬行的壁虎一樣。3、項(xiàng)目方案3.1機(jī)器人功能介紹可實(shí)現(xiàn)前進(jìn)后退轉(zhuǎn)彎等基本動(dòng)作，對(duì)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(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)3.2.1舵機(jī)在仿生機(jī)器人中的應(yīng)用：舵機(jī)具有以下一些特點(diǎn)： 1) 體積緊湊，便于安裝； 2) 輸出力矩大，穩(wěn)定性好； 3) 控制簡(jiǎn)單，便于和數(shù)字系統(tǒng)接口。圖3.2.1正是因?yàn)槎鏅C(jī)有很多優(yōu)點(diǎn)，所以，現(xiàn)在不僅僅應(yīng)用在航模運(yùn)動(dòng)中，已經(jīng)擴(kuò)展到各種機(jī)電產(chǎn)品中來，在機(jī)器人控制中應(yīng)用更是越來越廣泛。一個(gè)仿生機(jī)器人，機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)都有一定的自由度數(shù)，而每個(gè)舵機(jī)正是實(shí)現(xiàn)其中一個(gè)個(gè)關(guān)節(jié)在一個(gè)自由度上的運(yùn)動(dòng)。這樣，機(jī)器人有幾個(gè)自由度，一般就需要幾個(gè)舵機(jī)?？紤]到六足機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)前進(jìn)，后退，轉(zhuǎn)彎等功能，每條腿至少需要3個(gè)自由度即需要三個(gè)舵機(jī)控制它的活動(dòng)。腿與軀干部分需要兩個(gè)舵機(jī)，膝關(guān)節(jié)處一個(gè)。參考圖片如圖所示。3.2.2軀干部分使用的材料-有機(jī)玻璃有機(jī)玻璃又叫亞克力， 這種高分子透明材料的化學(xué)名稱叫聚甲基丙烯酸甲酯，英文簡(jiǎn)稱PMMA，是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的。特點(diǎn)是表面光滑、色彩艷麗，比重小，強(qiáng)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(jī)器人等3.3機(jī)器人控制系統(tǒng)開發(fā)機(jī)器人有了主體結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)以后，要想讓它真正動(dòng)起來以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，必須要有控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)是機(jī)器人的中樞神經(jīng)，所有想要實(shí)現(xiàn)的功能和指令都要通過它來控制機(jī)器人的各個(gè)伺服機(jī)構(gòu)做出相應(yīng)的動(dòng)作，而傳感器測(cè)量到的數(shù)據(jù)都要傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)進(jìn)行處理。所以說控制系統(tǒng)的開發(fā)是機(jī)器人開發(fā)的核心?？梢哉f一個(gè)機(jī)器人的好壞很大程度上取決于控制系統(tǒng)和控制算法設(shè)計(jì)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(tái)，包含硬件（各種型號(hào)的arduino板）和軟件（arduino IDE)。對(duì)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(shí)現(xiàn)的。基于Arduino的項(xiàng)目，可以只包含Arduino，也可以包含Arduino和其他一些在PC上運(yùn)行的軟件，他們之間進(jìn)行通信 (比如 Flash, Processing, MaxMSP)來實(shí)現(xiàn)。使用Arduino開發(fā)有很多優(yōu)勢(shì)：開放源代碼的電路圖設(shè)計(jì)，程序開發(fā)接口免費(fèi)下載，也可依個(gè)人需求自己修改。使用低價(jià)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(dòng)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(shè)計(jì)系統(tǒng)控制對(duì)象為：伺服電機(jī)（或舵機(jī)）、電機(jī)控制器。它們的控制關(guān)系為遞進(jìn)關(guān)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(jī)控制器，伺服電機(jī)控制器發(fā)出PWM信號(hào)到伺服電機(jī)，伺服電機(jī)根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號(hào)運(yùn)轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。為實(shí)現(xiàn)六足機(jī)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(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，從而做出相應(yīng)的反應(yīng)，并將動(dòng)作信號(hào)通過PWM接口傳送到電機(jī)控制板中，控制舵機(jī)做出相應(yīng)的動(dòng)作。通訊功能要通過專門的通訊模塊來實(shí)現(xiàn)比如GSM模塊，Bluetooth模塊，WIFI模塊等，控制器的信號(hào)通過通訊模塊傳輸?shù)娇刂瓢逯?，從而?duì)機(jī)器人的姿態(tài)進(jìn)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(chǔ)上的，其實(shí)也就是基礎(chǔ)的 C 語言，使用平臺(tái)提供的開發(fā)軟件Arduino IDE進(jìn)行開發(fā)。Arduino 語言只不過把 AVR 單片機(jī)（微控制器）相關(guān)的一些寄存器參數(shù)設(shè)置等都函數(shù)化了，不用我們?nèi)チ私馑牡讓?，讓不太了?AVR 單片機(jī)（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(jī)器人機(jī)動(dòng)性好，靈活度高，適應(yīng)能力強(qiáng)。5、小組成員分工每個(gè)小組成員在各個(gè)方面都有參與，主要分工如下：許修宇：學(xué)習(xí)單片機(jī)，C語言。機(jī)械機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)張高鵬：學(xué)習(xí)單片機(jī)，C語言。選擇材料，程序編寫及其調(diào)試。鄧振強(qiáng)：學(xué)習(xí)單片機(jī)，C語言。零件圖紙繪制。劉宇超：學(xué)習(xí)單片機(jī)，C語言。步態(tài)規(guī)劃，三維建模。游賢遇：學(xué)習(xí)單片機(jī)，C語言。采購(gòu)零件及加工。6、進(jìn)度安排4月-完成方案設(shè)計(jì)，三維建模，步態(tài)規(guī)劃，圖紙繪制。5月-主要實(shí)現(xiàn)完成機(jī)械部分方案的優(yōu)化，材料部件的選取。單片機(jī)的學(xué)習(xí)，程序的編寫。6月-確定最終方案，完成機(jī)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(biāo)及考核方式中期目標(biāo)主要實(shí)現(xiàn)完成機(jī)械部分方案的設(shè)計(jì)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(jī)的學(xué)習(xí)，程序的編寫，零件的加工。8、制作費(fèi)用 單位：元序號(hào)名稱型號(hào)數(shù)量單價(jià)合計(jì)備注1.舵機(jī)18254502.Arduino套件12802803.面包板1884.舵機(jī)控制器190905.航模電池180806.有機(jī)玻璃板610100含加工費(fèi)7.電線螺母等若干508.總計(jì)1050參考文獻(xiàn)：1 Simon Monk著；唐樂譯. Arduino+Android互動(dòng)制作M. 北京. 科學(xué)出版社，20122 徐小云，顏國(guó)正等. 六足移動(dòng)式微型仿生機(jī)器人的研究J. 機(jī)器人，2012.93 王知行，鄧宗全. 機(jī)械原理M. 北京：高等教育出版社，2006.5