1、本科生毕业设计（论文）开题报告毕业设计题目：六足爬行机器人的设计学 院： 信息科学与工程学院专业班级：测控技术与仪器1301班学生姓名： 汪家州指导教师： 桑海峰2017年3月11日六足机器人设计研究一、课题的背景与意义1.1课题研究的背景：在自然界和人类社会中存在一些人类无法到达的地方和可能危及人类生命的特殊场合。如行星表面、灾难发生矿井、防灾救援和反恐斗争等，对这些危险环境进行不断地探索和研究，寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。地形不规则和崎岖不平是这些环境的共同特点。从而使轮式机器人和履带式机器人的应用受到限制。以往的研究表明轮式移动方式在相对平坦的地形上行
2、驶时，具有相当的优势运动速度迅速、平稳，结构和控制也较简单，但在不平地面上行驶时，能耗将大大增加，而在松软地面或严重崎岖不平的地形上，车轮的作用也将严重丧失移动效率大大降低。为了改善轮子对松软地面和不平地面的适应能力，履带式移动方式应运而生但履带式机器人在不平地面上的机动性仍然很差行驶时机身晃动严重。与轮式、履带式移动机器人相比在崎岖不平的路面步行机器人具有独特优越性能在这种背景下多足步行机器人的研究蓬勃发展起来。而仿生步行机器人的出现更加显示出步行机器人的优势。多足步行机器人的运动轨迹是一系列离散的足印运动时只需要离散的点接触地面对环境的破坏程度也较小可以在可能到达的地面上选择最优的支撑点对
3、崎岖地形的适应性强。正因为如此多足步行机器人对环境的破坏程度也较小。轮式和履带式机器人的则是一条条连续的辙迹。崎岖地形中往往含有岩石、泥土、沙子甚至峭壁和陡坡等障碍物可以稳定支撑机器人的连续路径十分有限,这意味着轮式和履带式机器人在这种地形中已经不适用。多足步行机器人的腿部具有多个自由度使运动的灵活性大大增强。它可以通过调节腿的长度保持身体水平也可以通过调节腿的伸展程度调整重心的位置因此不易翻倒稳定性更高。当然多足步行机器人也存在一些不足之处。比如为使腿部协调稳定运动从机械结构设计到控制系统算法都比较复杂相比自然界的节肢动物仿生多足步行机器人的机动性还有很大差距。1.2课题研究的目的及意义：六
4、足机器人能够在崎岖的地形上进行行走，如行星表面、灾难发生矿井、防灾救援和反恐斗争等，对这些危险环境进行不断地探索和研究，寻求一条解决问题的可行途径成为科学技术发展和人类社会进步的需要。地形不规则和崎岖不平是这些环境的共同特点。从而使轮式机器人和履带式机器人的应用受到限制。以往的研究表明轮式移动方式在相对平坦的地形上行驶时，具有相当的优势运动速度迅速、平稳，结构和控制也较简单，但在不平地面上行驶时，能耗将大大增加，而在松软地面或严重崎岖不平的地形上，车轮的作用也将严重丧失移动效率大大降低。为了改善轮子对松软地面和不平地面的适应能力，履带式移动方式应运而生但履带式机器人在不平地面上的机动性仍然很差
5、行驶时机身晃动严重。与轮式、履带式移动机器人相比在崎岖不平的路面步行机器人具有独特优越性能在这种背景下多足步行机器人的研究蓬勃发展起来。而仿生步行机器人的出现更加显示出步行机器人的优势。此次设计虽然只能实现一些基础的功能，但以后可以对其进行二次开发，可以应用在电子导盲犬，户外营救，外卖等方面。1.3国内外的发展状况及趋势：机器人技术的发展从无到有，从低级到高级，随着科学技术的进步而不断深入发展。谈到足式机器人，当然目前主流大多是联想到和人相似、有亲切感的双足机器“人”，从某一层面来看，以双足步行为演化上的一个极为小众的特例，本身对达到稳定运作控制的困难度很高，从了解生物出生到可以开始自行运动所
6、需的时间便可以窥知一二。从另一个角度来看，人类所能自在运动的地表也局限在某一些型态之中，若要探讨如何在各式自然地形上运动的法则，势必得回过头来探讨多足动物的运动机制。而从物理直觉来评析，单就在崎岖路面上运动的稳定性来探讨，采用多足机器人会比较简单且实际。基于这一些原因，仿生多足机器人的研发便有了背后的动机，模仿经过长时间演化后动物的构造，藉由观察牠们的运动，了解为什么有如此的动作，再利用机构或是控制去完成。在自然界中，我们看到体型较大、有优秀运动能力的动物像马、猎豹、羚羊等等都是四只脚的哺乳类动物，但考虑到稳定性却是六足比较占优势，只要用简单的三脚步态（tripod gait)即可让重心轻易落
7、在支撑的三角形中。四足动物的脚可能需要比较大的力量才能表现出他的特性，但人类尚无法仿造出重要的肌肉和控制系统，以现有机构和马达组成的系统，重量太重而无法有效运动。这时，自由度的选择以及机构设计便成了一个很重要的课题。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
8、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。中国与国外相比，目前还存在一定的差距，虽然掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹
9、规划技术，生产了部分机器人关键元器件，但可靠性低于国外产品；机器人应用工程起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外比有差距。中国的智能机器人和特种机器人也取得了不少成果。但是在多传感器信息融合控制技术、遥控加局部自主系统遥控机器人、智能装配机器人、机器人化机械等的开发应用方面则刚刚起步。随着社会文明程度的提高，对机器人的要求也会越来越高。中国要做好充分的准备迎接新的技术挑战。二、课题研究的主要任务和预期目标2.1主要任务和要求搜集和学习课题相关资料，掌握六足步行机器人的工作原理和相关参数设计原则。机器人结构设计：机器人本体设计，机器人腿部设计，腿部参数确定，腿部驱动确定，蓝牙遥控设计。做出实
10、物实现前进、后退、左转、右转、避障等动作，并对一些参数进行修改实现设计的优化。仿生六足步行机器人根据节肢昆虫的步行原理，建立起步行运动的模型，将昆虫的运动进行简化，抽象出六足运动的基本原理。研究拟解决以下几个问题1、重心稳定问题2、利于越障问题3、转弯灵活问题4、蓝牙遥控问题2.2预期达到的目标:本毕业设计最终达到的目标是：1、六足机器人能进行左转，右转行动，实现灵活转弯2、可以简单的越过一些障碍3、可以通过手机实现蓝牙操控。三、方案设计3.1六足机器人机械结构的设计3.1.1六足机器人机械结构的概述六足机器人有两种结构比较好，一种是四轴联动的机械结构，如图1:（a）六足机器人设计(b)执行昆
11、虫运动图1 四轴联动六足还有一种是用舵机控制板直接控制18个舵机，六足机器人的每条腿上有三个舵机，这种结构的优点是可以实现更加自由的移动，而且仿生效果比较好，缺点是成本与四轴联动的结构相比较的话偏高。具体结构如图2.：图218舵机六足机器人本设计采用的是第二种结构，通过舵机控制板控制18个舵机进行工作，从而模拟昆虫的运动。3.2六足机器人的运动步态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。机器人行走步态：六足机器人采用经典三角步态，左1，3，右2组成第一组，右1，3，左2组成第二组。分别对两组足操作，分别完成抬腿与跨步的动作。直走：（测距传感器收到前方无障碍信号） 抬腿：第一
12、组足抬腿，第二组足下撑完成准备工作；前行：第一组前推，第二组向后推，带动机器人前行；复位，第二次抬腿：第二组足抬腿，第一组足下撑完成准备工作； 前行(2)：第二组前推，第一组向后推，带动机器人前行； 以上完成第一步行走，循环执行完成连贯行走动作；二、右转：（左上方检测到障碍，或者左边有过近的障碍） 抬腿：第一组足抬腿，第二组足下撑完成准备工作； 转弯：左边脚前推，右边脚略微后推，通过左右脚相互间的扭力完成右转动作； 复位，第二次抬腿：第二组足抬腿，第一组足下撑完成准备工作；重复完成转弯动作 三、左转：（右上方检测到障碍，或右边有过近的障碍） 抬腿：第一组足抬腿，第二组足下撑完成准备工作； 转弯
13、：右边脚前推，左边脚略微后推，通过左右脚相互间的扭力完成右转动作； 复位，第二次抬腿：第二组足抬腿，第一组足下撑完成准备工作； 重复完成转弯动作。3.3舵机原理与控制方式舵机（英文叫Servo）：由直流电机、减速齿轮组、传感器和控制电路组成的一套自动控制系统。通过发送信号，指定输出轴旋转角度。舵机一般而言都有最大旋转角度（比如180度。）与普通直流电机的区别主要在，直流电机是一圈圈转动的，舵机只能在一定角度内转动，不能一圈圈转（数字舵机可以在舵机模式和电机模式中切换）。普通直流电机无法反馈转动的角度信息，而舵机可以。用途也不同，普通直流电机一般是整圈转动做动力用，舵机是控制某物体转动一定角度用
14、（比如机器人的关节）。舵机是一种位置（角度）伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。目前普遍应用在航模和机器人上。舵机是一种俗称，其实是一种伺服马达。3.3.1工作原理控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。3.3.2 舵机的控制舵机的控制一般需要一个20ms左右的时基脉冲，该脉冲的高电平部分一般为
15、0.5ms2.5ms范围内的角度控制脉冲部分。以180度角度伺服为例，那么对应的控制关系是这样的：0.5ms- -0度；1.0ms-45度；1.5ms-90度；2.0ms-135度；2.5ms-180度；3.4 蓝牙模块介绍BT06蓝牙模块是专为智能无线数据传输而打造，遵循V3.0蓝牙规范。本模块支持UART接口，并支持SPP蓝牙串口协议，具有成本低、体积小、功耗低、收发灵敏性高等优点，只需配备少许的外围元件就能实现其强大功能。3.4.1特点：1.蓝牙V3.0+EDR2.蓝牙Class 23.内置PCB射频天线4.支持UART接口5.3V电源3.4.2应用领域：该模块主要用于短距离的数据无线传
16、输领域。可以方便的和PC机的蓝牙设备相连，也可以两个模块之间的数据互通。避免繁琐的线缆连接，能直接替代串口线。1.蓝牙无线数据传输；2.工业遥控、遥测；3.POS系统，无线键盘、鼠标；4.交通,井下定位、报警；5.自动化数据采集系统；6.无线数据传输；银行系统；7.无线数据采集；8.楼宇自动化、安防、机房设备无线监控、门禁系统；9.智能家居、工业控制；10.汽车检测设备；11.电视台的互动节目表决设备；12.政府路灯节能设备13.无线LED显示屏系统14.蓝牙操纵杆、蓝牙游戏手柄15.蓝牙打印机16.蓝牙遥控玩具17.汽车诊断仪OBDII3.4.3 电路图3 蓝牙电路图3.5总体系统框图： 图
17、4系统框图四、课题进度安排1、第一周：了解本课题内容，查阅相关中外资料2、第二周：查阅资料，进行英文文献翻译3、第三周：编写毕业设计开题报告4、第四周：对开题报告中提出的方案进行可行性论证5、第五周：设计并做出六足机器人机械结构部分6、第六周：组装好六足机器人的基本框架7、第七周：构建六足机器人的行走模式8、第八周：对六足机器人的行走的方式进行联机监测，调试9、第九周：配置完成蓝牙遥控模块10、第十周：对蓝牙遥控模块进行调试11、第十一周：对蓝牙遥控手机端界面进行设计12、第十二周：编写程序13、第十三周：对整体程序进行调试编译14、第十四周：对整个系统进行演示与检查15、第十五周：撰写最终毕
18、业论文框架结构16、第十六周：撰写最终详细论文17、第十七周：准备答辩蓝牙模块舵机六足机械结构舵机控制板参考文献：1Raibert，M.H.:平衡的腿式机器人。 MIT Press，Cambridge（1986）2Nelson，G.M.，Quinn，R.D.，Bachmann，R.J.，Flannigan，W.C.，Ritzmann，R.E.，Watson，J.T。：Design and Simulation ofa Cockroach-likeHexapod Robot。In：IEEE ICRA Proceedings，pp.1106-1111（1997）3Cruse，H.，Dean，J.，
19、Muller，U.，Schmitz，J。：The stickinsect as awalkingrobot。在第五届国际高级机器人会议论文集，第936-940页（1991）4Reinhardt，L.，Weihmann，T.，Blickhan，R.:动力学和运动学的蚂蚁运动：表面 J.Exp.Med。 Biol。 2426-2435（2009）5Hoover，A.M.，Steltz，E.，Fearing，R.S.: Roach：An autonomous 2.4gcrawlinghexapod robot。 In：IEEE / RSJInternational Conference onInte
20、lligent RobotsandSystems，pp.26-33（2008）6Kim，S.，Clark，J.E.，Cutkosky，M.R .:iSprawl：Autonomy，and theEffectsofPower Transmission。In：Climbing and WalkingRobots，第859-867页（2005）7雷静桃，高峰，崔莹.多足步行机器人的研究现状及展望D.北京: 北京航空航天大学汽车工程系,200609.8曾桂英，刘少军.六足步行机器人的设计研究.中南大学机电工程学院, 长沙4100839 王刚，孟庆鑫, 陈东良, 季宝锋, 刘德峰.一种新型多足仿生机器人
21、步行足关节结构研究.哈尔滨工程大学机电工程学院, 哈尔滨15000110 黄俊军，葛世荣，曹为.多足步行机器人研究状况及展望D. 江苏徐州：中国矿业大学可靠性与救灾机器人研究所,221008.11陈学东.多足步行机器人运动规划与控制M .中科技大学出版社 ,2006121.12徐轶群,万隆君.四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制D.厦门集美大学.20010813王新杰，黄涛，陈鹿明.四足步行机器人爬行步态的计算机仿真D.郑州.20070414郭鸿勋，陈学东. 六足步行机器人机械系统D.武汉：华中科技大学.20080415安丽桥，朱磊.六脚足式步行机器人的设计与制作D.上海：上海交通大学.20060216刘静，赵晓光，谭民.腿式机器人的研究综述J.中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室,北京 100080
