1、I目录插表清单 .III插图清单 .IV第一章 绪论 .11.1 机器人的发展历史 .11.2 机器人的定义和基本组成 .21.2.1 机器人的定义 .21.2.2 机器人的基本组成： .21.3 移动机器人概述 .31.4 移动机器人分类 .41.5 多足机器人的发展现状 .51.6 本设计的主要工作 .71.7 本章小结 .7第二章 六足仿生机器人的结构分析及设计 .82.1“六足纲”昆虫的运动原理 .82.1.1 步态的参数描述 .82.1.2 三角步态运动原理 .92.2 六足仿生机器人机械结构分析 .102.3 本章小结 .11第三章 六足仿生机器人的步态分析和设计 .113.1 六
2、足步行机器人坐标定义 .123.2 六足机器人的稳定性分析 .143.3.1 稳定性分析 .143.3.2 稳定裕量计算 .143.4 六足仿生机器人的直线运动步态设计 .163.4.1 步态规划 .163.4.2 步态动作分析 .163. 5“三角步态”定点转弯步态设计 .193.6 本章小结 .21第四章 六足仿生机器人的控制系统设计 .224.1 功能分解 .224.2 控制系统的硬件设计 .234.2.1 微处理器 AT89S52 简介 .234.2.2 舵机模块设计 .244.2.3 避障模块设计 .254.3 控制系统软件设计 .274.3.1 单个舵机控制方法 .284.3.2
3、多舵机控制 .324.3.3 六足仿生机器人全方位步态程序设计 .37II4.4 软件的抗干扰及可靠性设计 .404.5 本章小结 .41第五章 软硬件联调 .425.1 KEIL C51 开发系统基本知识 .425.2 PROTEUS 仿真软件基本知识 .425.2.1 Proteus 介绍 .425.2.2 Proteus 的仿真 .435.2.3 Proteus PCB.435.3 调试结果 .435.2 相关数值测试 .445.3 本章小结 .45第六章 结束语 .466.1 论文总结 .466.2 论文写作的感想 .466.3 本章小结 .46参考文献 .47致谢辞 .48III插表
4、清单表 1-1机器人Fred Delcomyn的参数.6表 2-1 本设计机器人相关参数.9表 4-1 I/O引脚分配表.23表 4-2 时基脉冲与舵机角度对应表 .24表 4-2 探测障碍物的传感器与单片机引脚对应关系表.25表 4-3 舵机与六足机器人足对应关系表.36表 4-4 舵机与单片机端口的对应关系表.36表 5-1 关系数值表.44IV插图清单图 1-1Fred Delcomyn六足仿生机器人.6图 1-2Gengh机器人.6图 1-3 DRROB系列高级机器人.7图 2-1 本设计的六足仿生机器人.10图 2-2机器人腿部实物.10图 3-1 腿部组图简图.11图 3-2 机器
5、人腿部坐标示意图.12图 3-3 腿部简图.12图 3-4步行机器人任一时刻姿态图.13图 3-5 三角步态稳定图.14图 3-6 六足步态示意图.15图 3-7（A、B、C、D）定点转弯步态示意图.16图 4-1 基本功能框图.21图 4-2 PDIP封装图.23图 4-3 微动开关示意图. 25图 4-4 微动开关安装位置图. 25图 4-5 硬件设计仿真图.26图 4-6 系统软件的总体流程.27图 4-7 舵盘的位置线性变化图.28图 4-8 舵机的控制脉冲图.28图 4-9 控制脉冲程序流程图.29图 4-10 8 路信号舵机控制脉冲图.31图 4-11 12 个舵机控制流程图.33
6、图 4-12 舵机位置示意图.36图 4-13 直行程序流程图.37图 4-14 转弯程序流程图.38图 4-15 避障程序流程图.39图 5-1 硬件仿真结果图.441第一章 绪论机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到人们生活的各个领域。机器人技术在八十年代后期已经形成比较完整的体系。它将机构学、电子技术、控制理论、计算机技术、传感器技术和人工智能等相关学科融合为一体，不断吸收其他学科诸如材料、能源科学的最新成果，形成了一门独立的高科技学科机器人学。机器人学是一种高度综合和交叉的新兴学科，涉及的领域很多，诸如机械、电气、工艺、力学、传动、控制、通信、决策、生物、伦理等诸多方面，是当代研究十分活跃
7、、应用日益广泛的领域。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志 1。1.1 机器人的发展历史早在三千多年前的西周时代，我国就出现了能歌善舞的木偶，称为“倡者”，这可能是世界上最早的“机器人”。在近代，随着第一次、第二次工业革命，各种机械装置的发明与应用，世界各地出现了许多“机器人”玩具和工艺品。这些装置大多由时钟机构驱动，用凸轮和杠杆传递运动。1920年，捷克作家K.凯比克在一科幻剧本中首次提出了ROBOT（汉语前译为“劳伯”）这个名词。现在已被人们作为机器人的专用名词 2。1950年美国作家阿西莫夫提出了机器人学（Robotics）这一概念，并提出了所谓的“机器人三原则”，即： 1
8、.机器人不可伤人；2.机器人必须服从人给与，但不和（1）矛盾的指令；3.在与（1）、（2）原则不相矛盾的前提下，机器人可维护自身不受伤害。本世纪50、60年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人进入了使用化阶段。1954年美国的G.C.Devol发表了“通用机器人”专利；1960年美国AMF公司生产了柱坐标型Versatran机器人，可作点位和轨迹控制，这是世界上第一种用于工业生产上的机器人。70年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展，机器人得到了迅速发展。1974年Cincinnati Milacron公司开发成功多关节机器人；1979年，Unimation公司又
9、推出了PUMA机器人，它是一种多关节、全电动驱动、多CPU二级控制；采用VAL专用语言；可配视觉、触觉、力觉传感器，在当时是一种技术先进的工业机器人。现在的工业机器人结构大体上是以此为基础的。这一时期的机器人属于“示教再现”（Teach-in / Playback）型机器人。只具有记忆、存储能力，按相应程序重复作业，但2对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。这种机器人被称作第一代机器人。进入80年代，随着传感技术，包括视觉传感器、非视觉传感器（力觉、触觉、接近觉等）以及信息处理技术的发展，出现了第二代机器人有感觉的机器人。它能够获得作业环境和作业对象的部分有关信息，进行一定的实时处理，引导机器
10、人进行作业。第二代机器人已进入了使用化，在工业生产中得到广泛应用。第三代机器人是目前正在研究的“智能机器人”。它不仅具有比第二代机器人更加完善的环境感知能力，而且还具有逻辑思维、判断和决策能力，可根据作业要求与环境信息自主地进行工作。1.2 机器人的定义和基本组成1.2.1 机器人的定义由于研究的侧重点不同，对于机器人的定义，国际上目前尚未有明确的统一标准。通常情况下，可将机器人理解为：机器人是一种在计算机控制下的可编程的自动机器，根据所处的环境和作业需要，它具有至少一项或多项拟人功能，另外还可能程度不同地具有某些环境感知能力（如视觉、力觉、触觉、接近觉等），以及语言功能乃至逻辑思维、判断决策
11、功能等，从而使它能在要求的环境中代替人进行作业。1.2.2 机器人的基本组成：1. 机械本体机器人的机械本体机构基本上分为两大类：一类是操作本体机构，它类似人的手臂和手腕，配上各种手爪与末端操作器后可进行各种抓取动作和操作作业，工业机器人主要采用这种结构。另一类为移动型本体结构，主要目的是实现移动功能，主要有轮式、履带式、足腿式结构以及蛇行、蠕动、变形运动等机构。壁面爬行、水下推动等机构也可归于这一类。 2. 驱动伺服单元机器人本体机械结构的动作是依靠关节机器人的关节驱动，而大多数机器人是基于闭环控制原理进行的。伺服控制器的作用是使驱动单元驱动关节并带动负载超减少偏差的方向动作。已被广泛应用的
12、驱动方式有，液压伺服驱动、电机伺服驱动，近年来气动伺服驱动技术也有一定进展。3. 计算机控制系统各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出。主计算机根据示教点参考坐标的空间位置、方位及速度，通过运动学逆运算把数据转变为关节的指令值。3通常的机器人采用主计算机与关节驱动伺服计算机两级计算机控制，有时为了实现智能控制，还需对包括视觉等各种传感器信号进行采集、处理并进行模式识别、问题求解、任务规划、判断决策等，这时空间的示教点将由另一台计算机上级计算机根据传感信号产生，形成三级计算机系统。4. 传感系统为了是机器人正常工作，必须与周围环境保持密切联系，除了关节伺服驱动系统的位置传感器（
13、称作内部传感器）外，还要配备视觉、力觉、触觉、接近觉等多种类型的传感器（称作外部传感器）以及传感信号的采集处理系统 5. 输入/输出系统接口为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，还应有各种通讯接口和人机通信装置。工业机器人提供一内部PLC，它可以与外部设备相联，完成与外部设备间的逻辑与时实控制。一般还有一个以上的串行通讯接口，以完成磁盘数据存储、远程控制及离线编程、双机器人协调等工作。一些新型机器人还包括语音合成和识别技术以及多媒体系统，实现人机对话。1.3 移动机器人概述移动机器人是机器人学的一个重要分支，其研究始于60年代末期，斯坦福研究院的Nils Nilssen和Charles Ro
14、sen等人，在1966年至1972年中研制出了取名为Shakey的自主式移动机器人。目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机器人在不平整地域的运动问题，设计并研制出了多足机器人。70年代末，随着计算机的应用和传感器技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮。特别是在80年中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。一批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现，90年代以来，以研
15、制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究.自主移动机器人技术是一门综合性很强的高科技学科，涉及到机械、计算机、自动控制、人工智能、力学等广泛科学领域中的许多前沿技术.自主移动机器人研究已被列入世界各国的高技术发展计划。如美国国防高级研究计划局的“战略计算与生存能力”工程，日本能产省的“极限环境下作业的机器人”发展计划、欧洲共同体的“尤里卡”计划，以及我国的“863”高科技计划中，都把有害环境如核工厂和战场使用的移动机器人作为重要的研究内容。而以自主移动机器人为对象或应用领域的，基于自适应、学习、进化机理，具
16、有高级生命行为的自主系统的研究与研发，已成为21世纪初信息科学与生命科学富于挑战性的交叉研究领域之一。 341.4 移动机器人分类移动机器人是机器人的一个重要分支，早期的移动机器人无论是控制方法或智能水平都较低，只能做出一些简单的推理、判断和决策。近年来，随着机器人技术及相关领域技术的发展，特别是计算机技术的发展，机器人领域的研究取得了长足的进步，其智能水平也大大提高，逐步由以前的遥控式向半自主式和自主式过渡，工作条件也由室内向室外、简单向复杂过渡。其中自主式移动机器人由于其高度的自主性，正在越来越多的领域得到广泛的应用，特别是在军事侦察、宇宙开发、扫雷排险、防核化污染等恶劣的环境中有着广泛的
17、应用前景。另外，随着生产自动化技术的发展，移动机器人在柔性自动化制造生产线上和无人化工厂中也得到了广泛的应用。当前 ，由于生产自动化程度的提高，对机器人提出了各种各样的需求，要求能够实现各种功能，其中移动机器人成为机器人研究领域的热门方向。对于移动机器人来说，它有多种不同的分类方法，按不同的分类方法可将移动机器人分为不同的种类:(一) 按自主水平来分:1、遥控式移动机器人移动机器人的执行动作和运行轨迹完全由人通过遥控来控制，机器人不进行任何判断和决策，只是执行人发出的命令。不具备任何自主性。2、半自主式移动机器人智能水平介于遥控和自主式移动机器人之间，具备一定的感知、判断和决策功能，但对一些复
18、杂任务仍需在人工干预下才能顺利完成。3、自主式移动机器人按人预先设置的任务命令，根据己知的环境信息进行路径规划，同时在行进过程中不断获取周围的局部环境信息，自主地做出判断和决策，随时调整移动机器人的运行路径并执行相应的动作和操作。整个过程不需人为参与，由机器人自主进行。(二)按移动方式来分:1、轮式移动机器人:轮式机器人动作稳定，操纵简单，其移动速度和方向容易控制.在无人工厂中用来搬运零部件或做其它基本任务用的很多，适合于平地行走。按轮数的多少又可分为二轮、三轮、四轮式三种。2. 履带式移动机器人:履带式移动机器人的移动机构支撑面积大，接地比压小，适合松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，
19、对路况具有较强的适应性，同时具有较强的爬坡能力和负载能力。3、多足移动机器人:足式移动对崎岖路面具有很好的适应能力，足式移动方式的立足点是离散的，可以在可能到达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。足式移动方式具有主动隔振能力，允许机身运动轨迹和足运动轨迹解祸，保持机身运动具有高稳定性.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。54、 特种移动机器人:根据具体的应用目的，还有其他种类的移动机器人，如墙壁清洗机器人、爬缆索机器人以及管内移动机器人等，这些机器人是根据某种特殊目的设计的机器人。(三)按控制体系结构来分:1、功能式(水平式)结构机器人;2、行为式(垂直式)结构机器人;3. 混合式机器人。(四)按功能和用途来分:1、医疗机器人，2、军用机器人，3、助残机器人，4、清洁机器人等。(五) 按作业空间来分:1、陆地移动机器人，2、水下机器人，3、无人飞机和空间机器人等。1.5 多足机器人的发展现状早在上
