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會追光的四足步行機器人的研究與設(shè)計畢業(yè)論文-在線瀏覽

2025-08-14 22:48本頁面
  

【正文】 具突破性成果。第四代 TekkenIV用一臺PC機系統(tǒng)控制,瑞士 Maxon 直流伺服電機驅(qū)動,每個關(guān)節(jié)安裝了一個光電碼盤、 陀螺儀、傾 角計和觸覺傳感器。Tekken4 能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則地面的自適應(yīng)動態(tài)步行,顯示了生物激勵控制對未知的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的優(yōu)點。另外還有日本的空氣動力實 驗室(Kyoto Lab)也在研究四足機。美國的四足機的典型代表是卡耐基美隆大學(xué)的 Boston dynamics 實驗室研制的 BigDog(圖9)和LittleDog(圖 10)。盡管其機械結(jié)構(gòu)簡單,動態(tài)穩(wěn)定性卻很令人滿意;ScoutII 是自主型奔跑機器人,每條腿的髖部仍只有1個驅(qū)動器,不同的是,每條腿具有兩個自由度。 德國1998年開發(fā)的四足機器人BISAM。法國的 Bourges (France)大學(xué)也研制成功 SILO4 系列四足機器人。美國和日本多年來引領(lǐng)國際機器人的發(fā)展方向, 代表著國際上機器人領(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器人套件搭建機器人,其特點在于其靈活性和方便性。進行步態(tài)設(shè)計時有兩種方案,第一種是最簡單的步態(tài)設(shè)計,要求四足都不能離開地面,利用四足同時蹬地來完成追光的行為;第二種時改進后的步態(tài),只要整個機器人的重心再任意三足形成的區(qū)域內(nèi),就能保持機器人的靜態(tài)穩(wěn)定性,剩下的一足就能進行前進、后退的邁進。55 第1章 會追光的四足步行機器人的原理 四足步行機器人四足步行機器人即腿式機器人,顧名思義就是使用腿系統(tǒng)作為主要行進方式的機器人。當(dāng)然,腿式機器人的最主要缺點是動力、控制、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。但是,機器人需要抬腿走路,所以3 個點的平衡是不夠的,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、腿的自由度機器人運用場合的不同,對自由度的要求也不一樣。 圖11 腿的自由度三、穩(wěn)定性不需要依靠運動過程中產(chǎn)生的慣性力而實現(xiàn)的平衡叫做靜平衡。機器人運動過程中,如果重力、慣性力、離心力等讓機器人處于一個可持續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài),這種穩(wěn)定狀態(tài)為動平衡狀態(tài)。四足機器人是介于最困難的仿人機器人和相對容易的多足機器人之間,是最典型的腿式機器人研究平臺。 機器人設(shè)計原理機器人整體的設(shè)計原理: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_x和右部光強_y值,將兩者之差返回到控制器。 步態(tài)規(guī)劃腿式機器人在運動過程中,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:腿式機器人各條腿的支持狀態(tài)與轉(zhuǎn)移狀態(tài)隨著時間變化的順序集合。更加智能的機器人,能夠根據(jù)傳感器獲取地面狀況和自身的姿態(tài),進而產(chǎn)生實時的步態(tài)。周期步態(tài)中,所有腿支持狀態(tài)的時間之和與整個周期的比值,稱為步態(tài)占空比。如果機器人一直用4 條腿站著不動,這步態(tài)占空比是1,因為支持狀態(tài)時間和與周期相等。根據(jù)上述的分析,得出幾個結(jié)論: 如果機器人要在運動過程中保持靜態(tài)平衡,需要在任何時候都有3 條腿支撐地面,并且重心位于這三條腿與地面接觸點構(gòu)成的三角形內(nèi)部。 任務(wù)規(guī)劃當(dāng)機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,如果光源在左就往左移動,如果在右邊則往右邊移動。 CDS5500數(shù)字舵機在本設(shè)計中,所有CDS5500數(shù)字舵機處于舵機模式,位置限制是0‐300176。機器人舵機CDS5500屬于一種集電機、伺服驅(qū)動、總線式通訊接口為一體的集成伺服單元,如圖21所示,主要用于微型機器人的關(guān)節(jié)、輪子、履帶驅(qū)動,也可用于其他簡單位置控制場合。 2)電壓限制CDS5500 ‐, CDS5500 將不能正常工作, 會燒毀CDS5500。可以設(shè)置正常工作溫度范圍,當(dāng)CDS5500 檢測到溫度過高后,舵機將會強制卸載停止工作。在機器人手掌關(guān)節(jié)或需要長時間堵轉(zhuǎn)的場合常常用到這個功能,默認(rèn)為最大值1023,即為最大扭矩輸出。MultiFLEX2AVR適于要求高實時性的場合,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)計是利用創(chuàng)意之星標(biāo)準(zhǔn)版的套件來組裝會追光的四足步行機器人,如圖24,以下器件就可以實現(xiàn)機器人的組裝,搭建機器人可以參考創(chuàng)意之星套件組裝指南來搭建四足機器人。 搭建機器人軀干圖26 機器人軀干如圖26,將腿部和底板組合到一起,機器人的軀體就完成了。機器人通過對比左右兩只眼睛的光照強度來判斷光源相對自己的位置,進而調(diào)整步態(tài),往光源處走去。前方的兩個光敏傳感器有36176。當(dāng)左前方的光源照射到機器人時,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有很大的差異,機器人據(jù)此就可判斷出光源的大致方位。正常工作下單個CDS5500 的電流可能達(dá)到500mA~1A,單組6 個CDS5500 的工作電流可能達(dá)到3‐8A。本設(shè)計使用了10個舵機,每個足串聯(lián)兩個CDS5500,每個CDS5500出于舵機模式,在進行舵機測試時超過角度限制,出現(xiàn)過載,進入保護模式,切斷了舵機的扭矩輸出,舵機處于沒有力量的狀態(tài)。 本次畢業(yè)設(shè)計搭建的四足步行機器人圖211 本設(shè)計搭建的機器人圖212 本設(shè)計搭建的機器人安裝時要注意細(xì)節(jié)的處理,如一定要注意在進行舵機調(diào)試前盡量不要使舵機轉(zhuǎn)動,不然在后面的舵機調(diào)試和步態(tài)設(shè)計時的參數(shù)確定會出現(xiàn)混亂,重則影響實驗效果,給實驗運行帶來不必要的麻煩。圖213 機器人四足方向的確定 第3章 機器人的步態(tài)設(shè)計 前進步態(tài)多足機器人的行走方式按照平衡實現(xiàn)方式可以分為兩種,一種是接近動物行走方式的動態(tài)平衡方式,另一種是靜態(tài)平衡方式。(2)機器人的重心的投影必須在 3 或4 個支持點所圍成的多邊形內(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,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 右前進步態(tài)如圖33,選擇移動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,可以開始移動了。圖35 左前進步態(tài)機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,開始向后蹬的動作,使重心向右前方移動。至此一個前進運動周期就完成了,按照這樣的方法循環(huán)下去,機器人就會向前一左一右地前進了。所以,如果能夠在3 個足著地的狀態(tài)下進行機械足的后蹬運動就會節(jié)省更多的能量。這是為了讓前進步態(tài)周期能夠完美閉合而進行的修訂。D 足著地后,B 足向前邁出,在B足著地之前機器人有3 個足著地,這時讓D 后蹬。圖38 左前進如圖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,這時向前邁出D 足,完成一個前向運動流程。 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。機器人軀干向左扭轉(zhuǎn)一個角度。讓A 向后邁出后,重心在ABD 區(qū)域中,C 足也可以移動了。圖312 轉(zhuǎn)向完成至此,一個完整的原地轉(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D足。當(dāng)B 足著地后,C 足移動到了限制位置,重心在BCD 區(qū)域,A 足向后邁出。如圖315,C 足著地后,機器人回到了初始狀態(tài),完成了一個左轉(zhuǎn)周期。 第4章 機器人的程序設(shè)計 舵機的設(shè)置本設(shè)計中,舵機的作用是通過位置控制來實現(xiàn)步態(tài)設(shè)計,需要利用多功能調(diào)試器來設(shè)置舵機的初始狀態(tài),還需利用AVR控制器和northstar軟件來設(shè)置機器人的舵機位置序列。Motor模式與Servo 模式的一點不同是:Motor不能控制到位角度,但是能進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、主機和舵機并且將多功能調(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)端口號是4),波特率設(shè)置成“1000000”,點擊打開鍵,如果指示燈由綠燈變成紅燈,這表示端口已經(jīng)連上。圖42 舵機ID和模式設(shè)置 舵機位置序列設(shè)置圖43 舵機位置序列設(shè)置連線圖44 舵機序列位置設(shè)置如圖44,用鼠標(biāo)拖動三維場景中的構(gòu)型就可以生成相應(yīng)的舵機位置序列,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,機器人就會呈現(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”,將所有舵機卸載,這時可以用手直接扭動構(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),點擊“quary pos”,North Star 會查詢舵機的當(dāng)前位置,“Property”中的“Angle”值會隨著我們對機器人的扭動而改變。在調(diào)試步態(tài)的過程中,常常會遇到寫一部分調(diào)試一部分的情況,因為舵機運動的速度參數(shù)很難在實驗前計算到位,所以調(diào)試過一次之后,機器人的各個關(guān)節(jié)都處于位置鎖死的狀態(tài),所以我們還會用到另一個功能“Unload all”勾選該選擇框后,所有的舵機上的力矩將解除,這時我們可以輕松扭動機器人的每個關(guān)節(jié)了。 程序基本設(shè)置機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,進行模塊化編程。程序編輯完后,可以編譯并下載到機器人控制器中運行。從工具菜單或者工具欄點擊“編輯代碼”,軟件就會切換到“代碼編輯”模式,手動輸入代碼,然后編譯,下載,即可運行程序。 初始化設(shè)置編程一、新建工程如圖45,在Northstar 軟件中新建一個工程,彈出“工程設(shè)置”頁面。 圖 45 新建工程在“舵機設(shè)置”頁面,機器人設(shè)置了十個舵機,1~8號舵機為機器人的四足,配置成“舵機模式”,9號舵機控制光敏傳感器的轉(zhuǎn)動,配置成“舵機模式”,10號舵機控制尾巴的轉(zhuǎn)動,配置成“舵機模式”,如圖46所示。實驗未使用IO 傳感器,所以IO 傳感器數(shù)量設(shè)為0,如圖48所示。如圖49所示,鼠標(biāo)右擊流程圖空白處,在彈出的菜單里選擇“Add variable”,生成一個Variable 控件,雙擊該控件進入其屬性頁,選擇變量類型,輸入變量名,點擊“OK”按鈕。圖 49 添加變量兩者的效果是一樣的。本設(shè)計共需要3個變量,每個變量對應(yīng)一個控件。從界面左側(cè)的控件列表“Fu
點擊復(fù)制文檔內(nèi)容
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