【正文】 行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了追光的功能。對(duì)這些環(huán)境進(jìn)行不斷的探索和研究，尋 求一條解決問 題的可行途徑成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人類社會(huì)進(jìn)步的需要。而多足步行機(jī)器人能夠在復(fù)雜崎嶇的路面上穩(wěn)定行走。 二、足球機(jī)器人在國內(nèi)外的成果 移動(dòng)機(jī)器人按移動(dòng)方式大體分為兩大類；一是由現(xiàn)代車輛技術(shù)延伸發(fā)展成輪式移動(dòng)機(jī)器人（包括履帶式）；二是基于仿生技術(shù)的運(yùn)動(dòng)仿生機(jī)器人。自然環(huán)境中有約 50％的地形，輪式或履帶式車輛到達(dá)不了，而這些地方如森林，草地濕地，山林地等地域中擁有巨大的資源，要探測和利用且要盡可能少的破壞環(huán)境，足式機(jī)器人以其固有的移動(dòng)優(yōu)勢(shì)成為野外探測工作的首選，另外，如海底和極地的科學(xué)考察和探索，足式機(jī)器人也具有明顯的優(yōu)勢(shì)，因而足式機(jī)器人的研究得到世界各國的廣泛重視。曾長期作為人類主要交通工具的馬，牛，驢，駱駝等四足動(dòng)物因其優(yōu)越的野外行走能力和負(fù)載能力自然是人們研 究足式機(jī)器人的重點(diǎn)仿生對(duì)象。長期從事足式機(jī)器人研究的日本東京工業(yè)大學(xué)的広瀨茂男等學(xué)者認(rèn)為：從穩(wěn)定性和控制難易程度及制造成本等方面綜合考慮，四足機(jī)是最佳的足式機(jī)器人，四足機(jī)器人的研究深具社會(huì)意義和實(shí)用價(jià)值。中國古代的 “木牛流馬 ”以及國外十九世紀(jì)由 Rygg 設(shè)計(jì)的 “機(jī)械馬 ”，是人類對(duì)足式行走行機(jī)器的早期探索。 20 世紀(jì) 60 年代，機(jī)器人進(jìn)入了以機(jī)械和液壓控制實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的發(fā)展階段。這一階段的研究成果最具代表性的是美國的 Mosher 于 1968 年設(shè)計(jì)的四足車“Walking Truck”。 現(xiàn)代自主機(jī)器人的研究狀況以微型計(jì)算機(jī)技術(shù)廣泛應(yīng)用為標(biāo)志的現(xiàn)代四足機(jī)器人的研究和應(yīng)用受到世界廣泛的關(guān)注。福田機(jī)器人研究室（ HIROSE國內(nèi)也進(jìn)行了四足機(jī)器人的基礎(chǔ)研究和試驗(yàn)研究，如吉林工業(yè)大學(xué)，北京航空航天大學(xué)、上海交通大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，中國科技大學(xué)等單位。福田機(jī)器人研究實(shí)驗(yàn)室。第一代四足移動(dòng)機(jī)器人 KUMOI 外形 似長腿蜘蛛，它是世界上第一個(gè)具有自主行走的現(xiàn)代足式機(jī)器人。之后研制成功兩款 NINJA 系列爬壁系列機(jī)器人和 8 款 TITAN 系列以野外探測和挖掘地雷為使用目標(biāo)的機(jī)器人。該款機(jī)器人的軟硬件齊全，功能比較完備，具有多種運(yùn)動(dòng)步態(tài)選擇。二代 Patrush－ II（圖 7），用兩個(gè)微處理機(jī)控制，采用瑞士 Maxon 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)光電碼盤，每只腳安裝了兩個(gè)微開關(guān)。而 CPG 是足式機(jī)器人近 10 年來在控制方面取得的最具突破性成果。第四代 TekkenIV 用一臺(tái) PC 機(jī)系統(tǒng)控制，瑞士 Maxon 直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，每個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)光電碼盤、 陀螺儀、傾 角計(jì)和觸覺傳感器。 Tekken4 能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則地面的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)步行，顯示了生物激勵(lì)控制對(duì)未知的不規(guī)則地面 有自適應(yīng)能力的優(yōu)點(diǎn)。另外還有日本的空氣動(dòng)力實(shí) 驗(yàn)室（ Kyoto Lab）也在研究四足機(jī)。美國的四足機(jī)的典型代表是卡耐基美隆大學(xué)的 Boston dynamics 實(shí)驗(yàn)室研制的 BigDog（圖 9）和 LittleDog（圖 10）。盡管其機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性卻很令人滿意； ScoutII 是自主型奔跑機(jī)器人，每條腿的髖部仍只有 1 個(gè)驅(qū)動(dòng)器，不同的是，每條腿具有兩個(gè)自由度。 德國 1998 年開發(fā)的四足機(jī)器人 BISAM。法國的 Bourges 3 (France)大學(xué)也研制成功 SILO4 系列四足機(jī)器人。美國和日本多年來引領(lǐng)國際機(jī)器人的發(fā)展方向， 代表著國際上機(jī)器人領(lǐng)域的 最高科技 水平。 本課題的創(chuàng)新之處是首先是利用類似于積木的模塊化的機(jī)器人套件搭建機(jī)器人，其特點(diǎn)在于其靈活性和方便性。進(jìn)行步態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)有兩種方案，第一種是最簡單的步態(tài)設(shè)計(jì)，要求四足都不能離開地面，利用四足同時(shí)蹬地來完成追光的行為；第二種時(shí)改進(jìn)后的步態(tài)，只要整個(gè)機(jī)器人的重心再任意三足形成的區(qū)域內(nèi)，就能保持機(jī)器人的靜態(tài)穩(wěn)定性，剩下的一足就能進(jìn)行前進(jìn)、后退的邁進(jìn)。 4 第 1 章 會(huì) 追光的四足步行機(jī)器人的原理 四足步行機(jī)器人 四足步行機(jī)器人即腿式機(jī)器人，顧名思義就是使用腿系統(tǒng)作為主要行進(jìn)方式的機(jī)器人。當(dāng)然，腿式機(jī)器人的最主要缺點(diǎn)是動(dòng)力、控制、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。但是，機(jī)器人需要抬腿走路，所以 3 個(gè)點(diǎn)的平衡是不夠的，為了能夠在行走中能夠?qū)崿F(xiàn)靜平 衡，需要至少 4 條腿。 二、腿的自由度 機(jī)器人運(yùn)用場合的不同，對(duì)自由度的要求也不一樣。 圖 11 腿的自由度 三、穩(wěn)定性 不需要依靠運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力而實(shí)現(xiàn)的平衡叫做靜平衡。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，如果重力、慣性力、離心力等讓機(jī)器人處于一個(gè)可持續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)，這種穩(wěn)定狀態(tài)為動(dòng)平衡狀態(tài)。四足機(jī)器人是介于最困難的仿人機(jī)器人和相對(duì)容易的多足機(jī)器人之間， 是最典型的腿式機(jī)器人研究平臺(tái)。 機(jī)器人設(shè)計(jì)原理 機(jī)器人整體的設(shè)計(jì)原理：頭部的光敏傳感器觀察到目標(biāo)物后，產(chǎn)生返回值左部光強(qiáng) _x 和右部光強(qiáng) _y 值，將兩者之差返回到控制器。 步態(tài)規(guī)劃 腿式機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中，各腿交替呈現(xiàn)兩種不同的狀態(tài)：支持狀態(tài)和轉(zhuǎn)移狀態(tài)。 步態(tài)的定義是：腿式機(jī)器人各條腿的支持狀態(tài)與轉(zhuǎn)移狀態(tài)隨著時(shí)間變化的順序集合。更加智能的機(jī)器人，能夠根據(jù)傳感器獲取地面狀況和自身的姿態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生實(shí)時(shí)的步態(tài)。 周期步態(tài)中，所有腿支持狀態(tài)的時(shí)間之和與整個(gè)周期的比值，稱為步態(tài)占空比。如果機(jī)器人一直用 4 條腿站著不動(dòng)，這步態(tài)占空比是 1，因?yàn)橹С譅顟B(tài)時(shí)間和與周期相等。 根據(jù)上述的分析，得出幾個(gè)結(jié)論： 如果機(jī)器人要在運(yùn)動(dòng)過程中保持靜態(tài)平衡，需要在任何時(shí)候都有 3 條腿支撐地面，并且重心位于這三條腿與地面接觸點(diǎn)構(gòu)成的三角形內(nèi)部。 任務(wù)規(guī)劃 當(dāng)機(jī)器人有了矯健的軀體、敏銳的眼睛之后，還需要考慮如何讓它接近光源。 程序流程 如圖 12 所示，通過兩只眼睛分辨光源的位置，如果光源在前方則往前移動(dòng)，如果光源在左就往左移動(dòng)，如果在右邊則往右邊移動(dòng)。 CDS5500 數(shù)字舵機(jī) 在本設(shè)計(jì)中，所有 CDS5500 數(shù)字舵機(jī)處于舵機(jī)模式，位置限制是 0‐ 300176。 機(jī)器人舵機(jī) CDS5500 屬于一種集電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)、總線式通訊接口為一體的集成伺服單元 ，如圖 21 所示 ，主要用于微型機(jī)器人的關(guān)節(jié)、輪子、履帶驅(qū)動(dòng)，也可用于其他簡單位置控制場合。 2）電壓限制 CDS5500 的工作電壓是 ‐ ，低于 CDS5500 將不能正常工作，高于 會(huì)燒毀 CDS5500?？梢栽O(shè)置正常工作溫度范圍，當(dāng) CDS5500 檢測到溫度過高后，舵機(jī)將會(huì)強(qiáng)制卸載停止工作。在機(jī)器人手掌關(guān)節(jié)或需要長時(shí)間堵轉(zhuǎn)的場合常常用到這個(gè)功能，默認(rèn)為最大值 1023，即為最大扭矩輸出。 MultiFLEX2AVR 適于要求高實(shí)時(shí)性的場合，MultiFLEX2PXA270 更適用于要求高性能、需要處理圖像和語音的場合 ，如圖 22 所示 。多功能調(diào)試器有RS232 模式、 AVRISP 模式和 SERVO 模式 ，如圖 23 所示 。 零件清單 本設(shè)計(jì)是利用創(chuàng)意之星標(biāo)準(zhǔn)版的套件來組裝會(huì)追光的四足步行機(jī)器人，如圖 24，以下器件就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的組裝，搭建機(jī)器人可以參考創(chuàng)意之星套件組裝指南來搭建四足機(jī)器人。 10 搭建機(jī)器人軀干 圖 26 機(jī)器人軀干 如圖 26， 將腿部和底板組合到一起，機(jī)器人的軀體就完成了。機(jī)器人通過對(duì)比左右兩只眼睛的光照強(qiáng)度來判斷光源相對(duì)自己的位置，進(jìn)而調(diào)整步態(tài)，往光源處走去。前方的兩個(gè)光敏傳感器有 36176。當(dāng)左前 11 方的光源照射到機(jī)器人時(shí)，左邊的光敏傳感器能夠大面積接受光照，右邊的光敏傳感器由于 36176。因此兩邊的傳感器輸出值就會(huì)有很大的差異，機(jī)器人據(jù)此就可判斷出光源的大致方位。正常工作下單個(gè) CDS5500 的電流可能達(dá)到 500mA~1A，堵轉(zhuǎn)電流可達(dá)到 ，單組 6 個(gè) CDS5500 的工作電流可能達(dá)到 3‐ 8A。 本設(shè) 12 計(jì)使用了 10 個(gè)舵機(jī)，每個(gè)足串聯(lián)兩個(gè) CDS5500，每個(gè) CDS5500 出于舵機(jī)模式，在進(jìn)行舵機(jī)測試時(shí)超過角度限制，出現(xiàn)過載，進(jìn)入保護(hù)模式，切斷了舵機(jī)的扭矩輸出，舵機(jī)處于沒有力量的狀態(tài)。 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)搭建的四足步行機(jī)器人 圖 211 本設(shè)計(jì)搭建的機(jī)器人 圖 212 本設(shè)計(jì)搭建的機(jī)器人 安裝時(shí)要注意細(xì)節(jié)的處理，如一定要注意在進(jìn)行舵機(jī)調(diào)試前盡量不要使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，不 然在后面的舵機(jī)調(diào)試和步態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)確定會(huì)出現(xiàn)混亂，重則影響實(shí)驗(yàn)效果，給實(shí)驗(yàn)運(yùn)行帶來不必要的麻煩。 13 圖 213 機(jī)器人四足方向的確定 14 第 3 章 機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計(jì) 前進(jìn)步態(tài) 多足機(jī)器人的行走方式按照平衡實(shí)現(xiàn)方式可以分為兩種，一種是接近動(dòng)物行走方式的動(dòng) 態(tài)平衡方式，另一種是靜態(tài)平衡方式。 （ 2）機(jī)器人的重心的投影必須在 3 或 4 個(gè)支持點(diǎn)所圍成的多邊形內(nèi)。所以為了讓構(gòu)型能夠平穩(wěn)的抬起一支腳需要先讓重心移動(dòng) ，如圖 32， 先控制所有的足向后方平移，在摩擦力的作用下，軀干將向前探出。 圖 33 右前進(jìn)步態(tài) 如圖 33， 選擇移動(dòng)Ｄ，落地后的 D 足與 A、 C 足形成的 ACD 區(qū)域包含重心， B足被解放出來，可以開始移動(dòng)了。 16 圖 35 左前進(jìn)步態(tài) 機(jī)器人回到剛開始重心前移后的狀態(tài)，但是頭的朝向偏向了左邊。 C 足落地后，重心在 BCD 區(qū)域內(nèi)。 圖 36 恢復(fù)初始狀態(tài) 左側(cè)的 A、 C 足向前邁出完畢，開始向后蹬的動(dòng)作，使重心向右前方移動(dòng)。至此一個(gè)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)周期就完成了，按照這樣的方法循環(huán)下去，機(jī)器人就會(huì)向前一左一右地前進(jìn)了。所 以，如果能夠在3 個(gè)足著地的狀態(tài)下進(jìn)行機(jī)械足的后蹬運(yùn)動(dòng)就會(huì)節(jié)省更多的能量。這是為了讓前進(jìn)步態(tài)周期能夠完美閉合而進(jìn)行的修訂。 D 足著地后， B 足向前邁出，在 B 足著地之前機(jī)器人有 3 個(gè)足著地，這時(shí)讓 D 后蹬。 圖 38 左前進(jìn) 如圖 38，在 C 足著地前， D 足已經(jīng)后蹬到了規(guī)定位置。 A 足著地后后蹬，這時(shí)向前邁出 D 足，完成一個(gè)前向運(yùn)動(dòng)流程。 簡單的左轉(zhuǎn)步態(tài) 圖 39 初始狀態(tài) 圖 310 轉(zhuǎn)向步態(tài) 如圖 310， 依次邁出 D 足、 B 足。機(jī)器人軀干向左扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度。讓 A 向后邁出后，重心在 ABD 區(qū)域中 ， C 足也可以移動(dòng)了。 圖 312 轉(zhuǎn)向完成 至此，一個(gè)完整的原地轉(zhuǎn)向周期就完成。讓 A、 C 向前蹬地，重心在 ABC 區(qū)域，向前邁進(jìn) D 足。當(dāng) B 足著地后， C 足移動(dòng)到了限制位置，重心在 BCD 區(qū)域， A 足向后邁出。 如圖 315， C 足著地后，機(jī)器人回到了初始狀態(tài)，完成了一個(gè)左轉(zhuǎn)周期。 21 第 4 章 機(jī)器人的程序設(shè)計(jì) 舵機(jī)的設(shè)置 本設(shè)計(jì)中，舵機(jī)的作用是通過位置控制來實(shí)現(xiàn)步態(tài)設(shè)計(jì)，需要利用多功能調(diào)試器來設(shè)置舵機(jī)的初始狀態(tài)，還需利用 AVR 控制器和 northstar 軟件來設(shè)置機(jī)器人的舵機(jī)位置序列。 Motor 模式與 Servo 模式的一點(diǎn)不同是： Motor 不能控制到位角度，但是能進(jìn)行不限制的多周旋轉(zhuǎn)，而 Servo 模式能控制旋轉(zhuǎn)角度但最多僅能旋轉(zhuǎn) 300 度。 二、如 41 圖所示接好調(diào)試器、主機(jī)和舵機(jī)并且將多功能調(diào)試器調(diào)試到 “SERVO”的模式。將右上角的端口設(shè)置成 4（假設(shè)端口號(hào)是 4），波特率設(shè)置成 “1000000”，點(diǎn)擊打開鍵，如果指示燈由綠燈變成紅燈，這表示端口已經(jīng)連上。 22 圖 42 舵機(jī) ID 和模式設(shè)置 舵機(jī)位置序列設(shè)置 圖 43 舵機(jī)位置序列設(shè)置連線 圖 44 舵機(jī)序列位置設(shè) 置 23 如圖 44， 用鼠標(biāo)拖動(dòng)三維場景中的構(gòu)型就可以生成相應(yīng)的舵機(jī)位置序列，將 3D 模型擺放出自己需要的狀態(tài)，單擊 “OK”就可以使 “Servo”控件記錄下當(dāng)前的狀態(tài)，程序執(zhí)行該控件時(shí)，機(jī)器人就會(huì)呈現(xiàn)出和三維場景一樣姿態(tài)。 還有另一種調(diào)試方式，單擊 “Start Service”下載服務(wù)程序，單擊 “Open”打開串口，選擇 “unload all”，將所有舵機(jī)卸載，這時(shí)可以用手直接扭 動(dòng)構(gòu)型的關(guān)節(jié)，把構(gòu)型調(diào)整到我們需要的姿態(tài)，比如初始狀態(tài)，點(diǎn)擊 “quary pos”， North Star 會(huì)查詢舵機(jī)的當(dāng)前位置，“Property”中的 “Angle”值會(huì)隨著我們對(duì)機(jī)器人的扭動(dòng)而改變。 在調(diào)試步態(tài)的過程中，常常會(huì)遇到寫一部分調(diào)試一部分的情況，因?yàn)槎鏅C(jī)運(yùn)動(dòng)的速度參數(shù)很難在實(shí)驗(yàn)前計(jì)算到位，所以調(diào)試過一次之后，機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)都處于位置鎖死的狀態(tài)，所以我們還會(huì)用到另一個(gè)功能 “Unload all”勾選該選擇框后，所有的舵機(jī)上的力矩將解除，這時(shí)我們可以輕松扭動(dòng)機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)了。 24 程序基本設(shè)置 機(jī)器人在程序的編寫上有兩種方法： 第一種是用 Northstar 圖形化開發(fā)環(huán)境中，進(jìn)行模塊化編程。程序編輯完后，可以編譯 并下載到機(jī)器人控制器中運(yùn)行。從工具菜單或者工具欄點(diǎn)擊 “編輯代碼 ”，軟件就會(huì)切換到 “代碼編輯 ”模式，手動(dòng)輸入代碼，然后編譯，下載，即可運(yùn)行程序。 初始化設(shè)置編程 一、新建工程 如圖 45， 在 Northstar