【正文】 …………………………………………..24表 42 探測(cè)障礙物的傳感器與單片機(jī)引腳對(duì)應(yīng)關(guān)系表…………...…….……….…………25表 43 舵機(jī)與六足機(jī)器人足對(duì)應(yīng)關(guān)系表………………………...……….……….….………36表 44 舵機(jī)與單片機(jī)端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系表…………………………………….………………36表 51 關(guān)系數(shù)值表……………………………………………………..…….…..……………44IV插圖清單圖 11Fred Delyn六足仿生機(jī)器人……………………………….……………..…….………6圖 12Gengh機(jī)器人………………………………………………….………………..…….………6圖 13 DRROB系列高級(jí)機(jī)器人………………………………….………………………….………7圖 21 本設(shè)計(jì)的六足仿生機(jī)器人……………………………………………………...…………10圖 22機(jī)器人腿部實(shí)物……………………………………………………………..…….…..……10圖 31 腿部組圖簡(jiǎn)圖........................................................................................................................11圖 32 機(jī)器人腿部坐標(biāo)示意圖…………………………………………………………….……..12圖 33 腿部簡(jiǎn)圖...............................................................................................................................12圖 34步行機(jī)器人任一時(shí)刻姿態(tài)圖………………………………………...………….…....….…13圖 35 三角步態(tài)穩(wěn)定圖....................................................................................................................14圖 36 六足步態(tài)示意圖...................................................................................................................15圖 37（A、B、C、D）定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)示意圖.................................................................................16圖 41 基本功能框圖.......................................................................................................................21圖 42 PDIP封裝圖………………………………..………………………………..…….…..……23圖 43 微動(dòng)開(kāi)關(guān)示意圖………………………………………..……………….……..….….…… 25圖 44 微動(dòng)開(kāi)關(guān)安裝位置圖……………………………………………….….……..….….…… 25圖 45 硬件設(shè)計(jì)仿真圖…………………………………………………….….…..….……..……26圖 46 系統(tǒng)軟件的總體流程…………………………………………..………...………..………27圖 47 舵盤(pán)的位置線性變化圖…………………………………...………….….………..………28圖 48 舵機(jī)的控制脈沖圖…………………………………………...……….…….….….………28圖 49 控制脈沖程序流程圖……………………………………………….…...…..….…………29圖 410 8 路信號(hào)舵機(jī)控制脈沖圖…………………………..……….…..………....….…………31圖 411 12 個(gè)舵機(jī)控制流程圖……………………………………………....…...….……………33圖 412 舵機(jī)位置示意圖..………………………………………………...…..….…….…………36圖 413 直行程序流程圖…………………………………………...………....……..……………37圖 414 轉(zhuǎn)彎程序流程圖………………………………………..………...…..….….……………38圖 415 避障程序流程圖…………………………………..……………...…...………….………39圖 51 硬件仿真結(jié)果圖……………………………………………...………..…………………441第一章 緒論機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，幾乎滲透到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器人技術(shù)在八十年代后期已經(jīng)形成比較完整的體系。機(jī)器人學(xué)是一種高度綜合和交叉的新興學(xué)科，涉及的領(lǐng)域很多，諸如機(jī)械、電氣、工藝、力學(xué)、傳動(dòng)、控制、通信、決策、生物、倫理等諸多方面，是當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。 機(jī)器人的發(fā)展歷史早在三千多年前的西周時(shí)代，我國(guó)就出現(xiàn)了能歌善舞的木偶，稱為“倡者”，這可能是世界上最早的“機(jī)器人”。這些裝置大多由時(shí)鐘機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，用凸輪和杠桿傳遞運(yùn)動(dòng)。現(xiàn)在已被人們作為機(jī)器人的專用名詞 [2]。本世紀(jì)50、60年代，隨著機(jī)構(gòu)理論和伺服理論的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入了使用化階段。70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人得到了迅速發(fā)展?，F(xiàn)在的工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)大體上是以此為基礎(chǔ)的。只具有記憶、存儲(chǔ)能力，按相應(yīng)程序重復(fù)作業(yè)，但2對(duì)周圍環(huán)境基本沒(méi)有感知與反饋控制能力。進(jìn)入80年代，隨著傳感技術(shù)，包括視覺(jué)傳感器、非視覺(jué)傳感器（力覺(jué)、觸覺(jué)、接近覺(jué)等）以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代機(jī)器人—有感覺(jué)的機(jī)器人。第二代機(jī)器人已進(jìn)入了使用化，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。它不僅具有比第二代機(jī)器人更加完善的環(huán)境感知能力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據(jù)作業(yè)要求與環(huán)境信息自主地進(jìn)行工作。通常情況下，可將機(jī)器人理解為：機(jī)器人是一種在計(jì)算機(jī)控制下的可編程的自動(dòng)機(jī)器，根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)需要，它具有至少一項(xiàng)或多項(xiàng)擬人功能，另外還可能程度不同地具有某些環(huán)境感知能力（如視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、接近覺(jué)等），以及語(yǔ)言功能乃至邏輯思維、判斷決策功能等，從而使它能在要求的環(huán)境中代替人進(jìn)行作業(yè)。另一類為移動(dòng)型本體結(jié)構(gòu)，主要目的是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能，主要有輪式、履帶式、足腿式結(jié)構(gòu)以及蛇行、蠕動(dòng)、變形運(yùn)動(dòng)等機(jī)構(gòu)。 2. 驅(qū)動(dòng)伺服單元機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)作是依靠關(guān)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，而大多數(shù)機(jī)器人是基于閉環(huán)控制原理進(jìn)行的。已被廣泛應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)方式有，液壓伺服驅(qū)動(dòng)、電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)，近年來(lái)氣動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)也有一定進(jìn)展。主計(jì)算機(jī)根據(jù)示教點(diǎn)參考坐標(biāo)的空間位置、方位及速度，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆運(yùn)算把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)節(jié)的指令值。4. 傳感系統(tǒng)為了是機(jī)器人正常工作，必須與周圍環(huán)境保持密切聯(lián)系，除了關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置傳感器（稱作內(nèi)部傳感器）外，還要配備視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、接近覺(jué)等多種類型的傳感器（稱作外部傳感器）以及傳感信號(hào)的采集處理系統(tǒng) 5. 輸入/輸出系統(tǒng)接口為了與周邊系統(tǒng)及相應(yīng)操作進(jìn)行聯(lián)系與應(yīng)答，還應(yīng)有各種通訊接口和人機(jī)通信裝置。一般還有一個(gè)以上的串行通訊接口，以完成磁盤(pán)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程控制及離線編程、雙機(jī)器人協(xié)調(diào)等工作。 移動(dòng)機(jī)器人概述移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要分支，其研究始于60年代末期，斯坦福研究院的Nils Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名為Shakey的自主式移動(dòng)機(jī)器人。與此同時(shí)，最早的操作式步行機(jī)器人也研制成功，從而開(kāi)始了機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)方面的研究，以解決機(jī)器人在不平整地域的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，設(shè)計(jì)并研制出了多足機(jī)器人。特別是在80年中期，設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人的浪潮席卷全世界。如美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的“戰(zhàn)略計(jì)算與生存能力”工程，日本能產(chǎn)省的“極限環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人”發(fā)展計(jì)劃、歐洲共同體的“尤里卡”計(jì)劃，以及我國(guó)的“863”高科技計(jì)劃中，都把有害環(huán)境如核工廠和戰(zhàn)場(chǎng)使用的移動(dòng)機(jī)器人作為重要的研究?jī)?nèi)容。 [3]4 移動(dòng)機(jī)器人分類移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)重要分支，早期的移動(dòng)機(jī)器人無(wú)論是控制方法或智能水平都較低，只能做出一些簡(jiǎn)單的推理、判斷和決策。其中自主式移動(dòng)機(jī)器人由于其高度的自主性，正在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，特別是在軍事偵察、宇宙開(kāi)發(fā)、掃雷排險(xiǎn)、防核化污染等惡劣的環(huán)境中有著廣泛的應(yīng)用前景。當(dāng)前 ，由于生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高，對(duì)機(jī)器人提出了各種各樣的需求，要求能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能，其中移動(dòng)機(jī)器人成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱門方向。不具備任何自主性。自主式移動(dòng)機(jī)器人按人預(yù)先設(shè)置的任務(wù)命令，根據(jù)己知的環(huán)境信息進(jìn)行路徑規(guī)劃，同時(shí)在行進(jìn)過(guò)程中不斷獲取周圍的局部環(huán)境信息，自主地做出判斷和決策，隨時(shí)調(diào)整移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行路徑并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作和操作。(二)按移動(dòng)方式來(lái)分:輪式移動(dòng)機(jī)器人:輪式機(jī)器人動(dòng)作穩(wěn)定，操縱簡(jiǎn)單，其移動(dòng)速度和方向容易控制.在無(wú)人工廠中用來(lái)搬運(yùn)零部件或做其它基本任務(wù)用的很多，適合于平地行走。2. 履帶式移動(dòng)機(jī)器人:履帶式移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐面積大，接地比壓小，適合松軟或泥濘場(chǎng)地作業(yè)，下陷度小，滾動(dòng)阻力小，對(duì)路況具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，同時(shí)具有較強(qiáng)的爬坡能力和負(fù)載能力。足式移動(dòng)方式具有主動(dòng)隔振能力，允許機(jī)身運(yùn)動(dòng)軌跡和足運(yùn)動(dòng)軌跡解禍，足式步行機(jī)器人的研究已成為機(jī)器人學(xué)中一個(gè)引人注目的研究領(lǐng)域。(三)按控制體系結(jié)構(gòu)來(lái)分:功能式(水平式)結(jié)構(gòu)機(jī)器人。3. 混合式機(jī)器人。(五) 按作業(yè)空間來(lái)分:陸地移動(dòng)機(jī)器人，水下機(jī)器人，無(wú)人飛機(jī)和空間機(jī)器人等。研發(fā)人員開(kāi)始紛紛研究多足機(jī)器人的模型和樣機(jī)，并一步步攻關(guān)一個(gè)個(gè)難題。于是以McGhee等人為代表的對(duì)多足機(jī)器人的遠(yuǎn)動(dòng)步態(tài)進(jìn)行了研究并提出了方案。最后在Lee設(shè)計(jì)了具有獨(dú)特獨(dú)特結(jié)構(gòu)的SERO六足仿生機(jī)器人，它把整個(gè)機(jī)器人的步態(tài)進(jìn)行了規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。6圖11Fred Delyn六足仿生機(jī)器人圖11是模仿美國(guó)的一種叫Perip laa Americana的蟑螂而設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人，機(jī)器人的整個(gè)身體比例約是該蟑螂的12到17陪左右。圖12Gengh機(jī)器人同樣，在國(guó)內(nèi)也漸漸出現(xiàn)了一批設(shè)計(jì)和生產(chǎn)仿生機(jī)器人公司和個(gè)人，圖13是德普施科技有限公司的DRROB系列高級(jí)機(jī)器人產(chǎn)品 [5]。利用德普施科技有限公司的六足機(jī)器人包搭接出的六足機(jī)器人如圖13所示。本文對(duì)現(xiàn)有的機(jī)器人分析機(jī)械結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)的研究，分析其步態(tài)穩(wěn)定性，給出不同步態(tài)下的機(jī)器人落足點(diǎn)的位置矢量表達(dá)式，按照計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，根據(jù)六足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性、準(zhǔn)確性的控制要求，確定六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)不同步態(tài)的控制策略。分析適合機(jī)器人行走的運(yùn)動(dòng)步態(tài)形式，規(guī)劃典型直線行走步態(tài)和定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)，確定步態(tài)規(guī)劃中每種狀態(tài)的機(jī)器人足端位置矢量，進(jìn)行機(jī)器人穩(wěn)定性分析，根據(jù)六足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性、準(zhǔn)確性的控制要求，設(shè)計(jì)六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)，確定對(duì)機(jī)器人腿部十二個(gè)舵機(jī)的控制方案，使機(jī)器人根據(jù)目的地的方位，實(shí)現(xiàn)不同步態(tài)的控制策略。 本章小結(jié)本章主要是對(duì)機(jī)器人有一各概況，著重介紹了機(jī)器人的發(fā)展及國(guó)內(nèi)外的一些機(jī)器人的發(fā)展成果，并交代了本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)背景，為后續(xù)的設(shè)計(jì)指明了方向?！傲憔V”昆蟲(chóng)的運(yùn)動(dòng)原理 步態(tài)的參數(shù)描述“六足綱”昆蟲(chóng)體的腿可以看作兩狀態(tài)器件:腿的懸空相和腿的支撐相。腿的支撐相(support phase)指腿支撐在地并推動(dòng)機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)的階段，支撐相的狀態(tài)記為“0”。周期步態(tài)指各腿的運(yùn)動(dòng)周期相同，且任一腿的運(yùn)動(dòng)周期不隨時(shí)間而變化.“六足綱”昆蟲(chóng)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可以以不同的周期 (dutyf actor)指腿i支撐在地面上的時(shí)間占整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的比例: 以下有荷因數(shù)用Q表示，Q=腿i的支撐相時(shí)間/腿i的周期；Qi=腿i的支撐時(shí)間/腿i的周期若Qi=0,i=1,2，…，2k(2k為總足數(shù))，則步態(tài)稱為規(guī)則步態(tài)(regular)腿i的相對(duì)相位，9指第i足的觸地時(shí)刻相對(duì)于第一足的延時(shí)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中的比例Si=(tit1) /T 0≤Si≤l。腿行程 (leg stroke)，指支撐相時(shí)足端相對(duì)于機(jī)體移動(dòng)的距離。行程節(jié)距(stroke pitch)，指縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)，體同一端上相鄰?fù)刃谐讨悬c(diǎn)的間距。推程時(shí)間tp，指腿在支撐相的持續(xù)時(shí)間。平均速度 ，指機(jī)體的平均運(yùn)動(dòng)速度。行走系統(tǒng)采用波形步態(tài)時(shí)，度范圍內(nèi)都采用波形步態(tài). 三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)原理 “六足綱”昆蟲(chóng)的三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)原理機(jī)體運(yùn)動(dòng)根據(jù)有荷因數(shù)(dutyf actor)的大小可分為3種情況:(1 )Q = 1 /2 : 在三擺動(dòng)腿著地的同時(shí)，另外三支撐腿立即抬起，即任意時(shí)刻同時(shí)具有支撐相和擺動(dòng)相。(3 )Q 1/ 2: 機(jī)體移動(dòng)較快時(shí)，六條腿有同時(shí)為擺動(dòng)相的時(shí)刻，即六條腿同時(shí)在空中，處于騰空狀態(tài)，顯然此交替過(guò)程要求機(jī)體機(jī)構(gòu)具有彈性和消振功能，否則難以實(shí)現(xiàn)?！傲憔V”昆蟲(chóng)(蟑螂、螞蟻等)步行時(shí)，一般不是六足同時(shí)直線前進(jìn)，而是將三對(duì)足分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)交替前行。當(dāng)一組三角形支架中所有的足同時(shí)提起時(shí)，另一組三角形支架的三只足原地不動(dòng)，支撐身體，并以其中足為支點(diǎn)，前足脛節(jié)的肌肉收縮，拉動(dòng)身體向前，后足脛節(jié)的肌肉收縮，將蟲(chóng)體往前推，因此身體略作以中足為支