六足爬行机器人设计

目录1引言1.1新型六足机器人研究目的和意义..........................................................................11.2新型六足机器人研究概况及发展趋势..................................................................11.3课题研究内容..........................................................................................................22机械结构与芯片简介2.1机器人机械结构......................................................................................................32.2机器人运动原理......................................................................................................32.3驱动装置选择..........................................................................................................52.4机器人实物图..........................................................................................................62.5硬件结构介绍..........................................................................................................72.6单片机芯片介绍......................................................................................................82.7编码解码芯片介绍................................................................................................133控制系统结构设计3.1上位机控制............................................................................................................163.1.1程序语言及串口通讯.......................................................................................163.1.2人机交互界面...................................................................................................173.2基于无线的智能控制...........................................................................................193.2.1无线发射模块...................................................................................................193.2.2无线接收模块...................................................................................................234结论......................................................................................................29参考文献..................................................................................................30致谢......................................................................................................31南昌航空大学学士学位论文第1页共32页新型六足机器人1引言1.1新型六足机器人研究目的和意义本文六足机器人是一种基于仿生学原理研制开发的新型足式机器人。新型机器人比传统的轮式机器人有更好的移动性，它采用类拟生物的爬行机构进行运动,自动化程度高，具有丰富的动力学特性。此外，足式机器人相比其它机器人具有更多的优点：它可以较易地跨过比较大的障碍（如沟、坎等），并且机器人足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形的适应能力更强；足式机器人的立足点是离散的，跟地面的接触面积较小，因而可以在可达到的地面上选择最优支撑点，即使在表面极度不规则的情况下，通过严格选择足的支撑点，也能够行走自如。因此，足式步行机器人的研究已成为机器人学中一个引人注目的研究领域，由于六足机器人强大的运动能力，可以提供给运动学、仿生学和机械构造原理研究有力的工具[1]。在研究昆虫运动方式、关节承力、稳定姿态调整的过程中，可以运用本机器人对设想的虫体姿态、运动过程进行模拟，最大程度地接近真实，将理论和实践联系起来，从而更好地观察昆虫运动模式的优点，以及探究哪些现象能够运用到机械设计的实践中去。这对于以上学科的研究和探索都是十分有意义的。当然，我们还可以作为教学器械，通过研究昆虫爬行时各脚的运动情况，用机械形式表达出来，也可以作为仿生玩具及探险、搜救设备，还可以进入细小管道、地洞中勘察。在研究了昆虫步态的基础上，运用仿生原理，本文借鉴相关资料，使用一种六足机器人机械结构设计的新思路，制作了基于这种设计思路的机器人。相信该机器人可以实现直线运动与转向运动的合理、有效结合，转向角度、角速度可控，直线行进步距、速度可调，行动灵活可靠。1.2新型六足机器人研究概况及发展趋势近年来为实现生产过程自动化，已有不少操作机器人广泛应用于生产过程，尤其是那些人力所限和人所不及的环境或危险场所，将是机器人进一步发展的应用领域。日前，美军的蜂鸣机器人(Mini-Drohne)在巴基斯坦击毙了一名恐怖分子嫌疑人。在未来，这种昆虫型机器人有望成为战场上的主角。在美国，军事科技研究一般拥有数亿美元的巨资作为后盾。美国国防部高级研究计划局(DARPA)常为各个大学和自由经济体的科研项目慷慨解囊。军方亦拥有独立的大型研究实验室，然而其大部分研究成果从未公之于众。尽管如此，目前披露的成果南昌航空大学学士学位论文第2页共32页也足以令人惊叹不已，智能型战斗机器人、自动汽车、植入电脑芯片的动物等等令人联想起扣人心弦的科幻电影——这一切都有可能在未来的高科技战场上大显身手。目前，多足仿生机器人的研究基本上是基于模仿自然界中昆虫的运动步态（如蚂蚁）来设计的，通常都会选择周期规则步态作为仿生多足机器人的步态规划依据。虽然该类多足仿生机器人的脚具有较大的自由度，但是其控制起来较为烦琐，并且不能精确的定位。1.3课题研究内容上海交通大学测控技术与仪器系的张涛、颜国正等学者在2006年提出一种微型的六足机器人新结构[2]，其结构设计如图1.1。图1.1机器人结构示意图机器人模仿昆虫爬行的脚的运动方式，将6只足分为两组，每组3个等边分布在外接圆半径为R的正三角形3个顶点上，机器人在行走过程中，两组足交替支撑。两组足中的任一组三足可独立支撑起整个机器人身体，机器人重心始终落在A组或B组三足的三角形区域内，因此在平面爬行中没有倾覆的危险。机器人具有独立的直行和转弯机制，二者可在各自的允许范围内以任意方式结合，这就使得机器人的爬行十分灵活。本文在此基础上独立设计和加工微型机器人的结构：部件A、B组足由特殊的驱动器接成机器人主体，并且以单片机为核心设计机器人的控制电路，实现了机器人的无限遥控、智能行走[3]。南昌航空大学学士学位论文第3页共32页2机械结构与芯片简介2.1机器人机械结构图2.1是本文设计和加工的微型六足爬行机器人的三维结构示意图。其中2、4、6分别为转动、竖直、水平驱动舵机，只要控制这三个舵机就可以控制上板和下板相对上下、前后、水平面转动。1—上板2—转动舵机3—竖直移动排齿4—竖直移动舵机和齿轮5—水平移动排齿6—水平移动舵机和齿轮7—下板8—上板足9—下板足10—水平定位齿轮图2.1机器人机构图2.2机器人运动原理机器人6只足分别均分布在两个等边三角形的顶点上[4]。机器人在行走过程中，两组足交替支撑。两组足中的任一组三足可独立支撑起整个机器人身体，机器人重心始终落在A组或B组三足的三角形区域内，因此在平面爬行中没有倾覆的危险。图2.2机器人组合图南昌航空大学学士学位论文第4页共32页如图1.3所示，通过上下两组脚的相互运动就可以满足机器人多方位移动的需要：即上下板前后相互交替着地实现前后运动；上下板以三角形中点为轴相互转动交替着地实现转弯运动。运动如图2.3及2.4所示。图2.3机器人水平移动示意图图2.4机器人转动运动示意图南昌航空大学学士学位论文第5页共32页2.3驱动装置选择本文设计的微型六足爬行机器人采用了三个个舵机分别对直线驱动器、转角驱动器以及垂直驱动器来进行精确控制。舵机是一种位置伺服的驱动器[5]。它接收一定的控制信号,输出一定的角度,适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。舵机定位精确、输出力矩较大、尺寸满足要求，作为本设计的力驱动部件十分理想。以日本FUTABA-S3003型舵机为例,图2.5是FUTABA-S3003型舵机的内部电路。图2.5FUTABA-S3003型舵机的内部电路舵机的工作原理是：PWM信号由接收通道进入信号解调电路BA6688L的12脚进行解调，获得一个直流偏置电压。该直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差由BA6688的3脚输出。该输出送入电机驱动集成电路BAL6686，以驱动电机正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器Rw1旋转，直到电压差为0，电机停止转动.舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线，如图2.6所示。电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源，电压通常介于4～6V，一般取5V，以便给舵机供电的电源应能提供足够的功率[6]。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20ms（即频率为50Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系如图2.7所示。图2.6标准舵机示意图南昌航空大学学士学位论文第6页共32页图2.7舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系综合各方面考虑，选用的舵机为TOWERPRO，型号为SG90。其主要技术参数如下：外形尺寸：22*11.5*27mm重量：9g参数：无负载速度0.12/60度(4.8V)堵转扭矩：1.6Kg/厘米(4.8V)使用温度:-30摄氏度+60摄氏度使用电压：4-6V死区电压:3.0V-5.0V2.4机器人实物图图2.8机器人实物图