双足步行机器人的下肢机构自由度分析

(完整版)基于单片机控制的双足行走机器人的设计

基于单片机控制的双足行走机器人设计 摘要：21世纪机器人发展日新月异，从传统的履带式机器人到如今的双足行走机器人，机器人的应用范围越来越广。本系统以单片机（STC89c52）为系统的中央控制器，以单片机（STC12c5410ad）为舵机控制模块。将中央控制器与舵机控制器，舵机，各类传感设备及受控部件等有机结合，构成整个双足行走机器人，达到行走、做动作的目的。单片机中央控制器与舵机控制器以串口通信方式实现。系统的硬件设计中，对主要硬件舵机控制器和STC89C52单片机及其外围电路进行了详细的讲述。硬件包括舵机控制器，STC12C5410AD 单片机，按键，各种传感器和数据采集与处理单元。软件包括单片机初始化、主程序、信号采集中断程序、通过串口通讯的接收和发送程序。论文的最后部分以双足行走机器人为基础，结合传感器，外围控制设备组成控制系统，并给出了此系统应用领域的一些探讨和研究。 关键词：单片机；舵机控制； STC12C5410AD

Bipedal robot design based on MCU Abstract：In the 21st century robot development changes with each passing day, from the traditional crawler robot to now bipedal robot, the robot's application scope is more and more widely.This system by single chip microcomputer (STC89c52) as the central controller in the system, STC12c5410ad MCU as the steering gear control module. The central controller and the servo controller, Steering gear, all kinds of sensing and control components such as organic combination, make up the whole bipedal robot, the purpose of to walk, do the action.Single chip microcomputer central controller and the servo controller to realize serial communication way.System hardware design, the main hardware servo controller and STC89C52 single-chip microcomputer and peripheral circuit in detail. Hardware including servo controller, STC12C5410AD micro controller, buttons, all kinds of sensor and data acquisition and processing unit. Software includes MCU initialization, the main program, and interrupts program signal collection, through a serial port communication to send and receive procedures. The last part of the paper on the basis of bipedal robot, combined with the sensor, the peripheral control device of control system, this system is also given some discussions and research in the field of application. Keywords：MCU; Servo Control; STC12C5410AD

双足步行机器人设计及运动控制

目录 第1章序言 (2) 1.1 双足机器人现状 (2) 1.2 技能综合训练意义 (2) 1.3 技能训练的内容 (2) 第2章元件选择、结构设计 (3) 2.1元件选择 (3) 2.2结构设计三维设计图 (4) 2.2.1零件三位模型以及装配 (4) 2.2.2装配三维模型 (7) 第3章控制系统设计 (10) 第4章系统软件编程与仿真 (12) 第5章结论...................................................................... 错误！未定义书签。参考文献 (17)

第1章序言 1.1双足机器人现状 随着世界第一台工业机器人1962年在美国诞生，机器人已经有了三十多年的发展史。三十多年来，机器人由工业机器人到智能机器人，成为21世纪具有代表性的高新技术之一，其研究涉及的学科涵盖机械、电子、生物、传感器、驱动与控制等多个领域。 世界著名机器人学专家，日本早稻田大学的加藤一郎教授说过：“机器人应当具有的最大特征之一是步行功能。”双足机器人属于类人机器人，典型特点是机器人的下肢以刚性构件通过转动副联接，模仿人类的腿及髋关节、膝关节和踝关节，并以执行装置代替肌肉，实现对身体的支撑及连续地协调运动，各关节之间可以有一定角度的相对转动。 双足机器人不仅具有广阔的工作空间，而且对步行环境要求很低，能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力，其步行性能是其它步行结构无法比拟的。研究双足行走机器人具有重要的意义 1.2技能综合训练意义 技能训练是在学生修完除毕业设计外全部理论和时间课程以后的一次综合性时间教学环节，其目的和意义在于： 通过技能训练，了解机器人机构及控制系统设计的基础知识； 掌握机器人系统中元部件的正确选择方法和特性参数的确定； 培养学生对所学知识的综合应用，理论联系实际的能力； 培养学生的动手能力和实际操作能力； 1.3技能训练的内容 1、主要内容： 1）、机器人结构设计； 2）、控制系统软硬件设计与仿真； 3）、八自由度机器人运动控制。 2、训练形式 学生以小组为单位，集体讨论确定整体方案；指导教师给出实训方向，技术指标等，协助学生完成训练任务。

四足行走机构说明书

四足行走机构说明书Revised on November 25, 2020

机械创新设计课程设计 2014-2015第 2 学期 姓名：何燕飞、郑义、陈斌、周鹏、陈海云 班级：机越一班 指导教师：李军方轶琉 成绩： 日期：2015 年 6 月 4 日 仿生四足行走机器人行走机构的研究 摘要 马相对于其它四足哺乳动物来说，躯体较大，四肢骨骼坚实有力，其运行步态稳健轻快，能在地面、坡地和凸凹不平的地表上自由灵活的快速行走，且可远距离行走。因此，本课题研究了马在平地的步态运动方式，根据马步态设计的仿马四足行走机构为解决：在凹凸不平的路况上抢险救灾物资和装备的运输问题上将产生深远的影响。 本课题以马为研究对象，对其有障碍路况行走步态方式进行了研究。马型四足行走机器人的运动学方程是一组非线性方程,没有通用的解法,通常很难求得运动学方程解的解析表达式。采用几何解法,把空间几何问题分解成若干个平面几何问题,这样,不用建立运动学方程,而直接应用平面几何的方法进行运动轨迹规划,给出各个关节角给定量的计算方法。本课题在分析总结了马的生理特性、运动步法和步态特点的基础上，从结构仿生角度出发，研究了行走机构的设计方案、运动原理、运动特点，确定了仿马四足行走机构，并应用 CATIA 软件建立了单腿和整机的三维模型。 关键词:马型四足行走机构、腿部结构、运动轨迹规划、三维建模

The bionic quadruped walking robot mechanism research ABSTRACT Comparing with other four feet mammals, Horses have many advantages including the bigger body, the stronger and the vibranter limb bones, long distance walking, so the horses can walk flexibly on the bumpy ground, the sloping fields, the mountains and the steep cliffs. Therefore, the motion pattern of goats gait on the upslope and downslope were researched. According to the horse gait, the bionic horse sloping walking mechanism was designed in order to solve the sloping walking problems of the agricultural machinery, which will have far-reaching effects on the design of the bionic mechanism. Horses were used as research object in the topic, and the sloping walking gait style was kinematics equations with nonlinear characteristic of horse type four legs walking robot have not been universal solutions. It is difficult to resolving express of robot kinematics geometrical method which space geometry problem is turned to some plane geometry problem is trajectory plan of motion can be made directly by plane geometrical method and kinematics equations need not set more method of calculation For Each Join Tangle Is simulation is researched for robot kinematics solutions and inverse of the design method is verified by virtue of experiment. KEY WORDS:Horse quadruped walking mechanism, the structure of the legs, trajectory planning, three-dimensional modeling 目录

自做六自由度双足步行机器人

自制六自由度双足机器人 一、制作六自由度双足机器人步骤： 1、确定舵机：舵机的好坏直接影响机器人的效果； 2、自制舵机后盖：它是连接舵机和U型架的重要组成部件；（买一 个标准的舵机后盖是最好不过，但你的动手能力 和思考问题解决问题的能力就没有提高，因此我 选择自制一个舵机后盖） ①选择铁皮为制作材料； ②测量舵机尺寸，截取合适铁皮条（尺寸为20mm*116mm）； ③折弯，注意左右对称； ④确定固定用定位孔的位置，并使用1mm钻头打孔； ⑤打固定用螺丝孔（使用3mm钻头）； ⑥确定舵机输出同轴定位孔的位置，并使用1mm钻头打孔； ⑦打舵机输出同轴螺丝孔（使用3mm钻头）； ⑧打舵机后盖过线孔（6mm*8mm）； 注：脚上的舵机后盖比较特殊，要考虑它要和脚底板相连，我的解决方法是在上述舵机后盖的基础上，增加宽度，并折弯，打孔，同脚底板相连。 3、自制U型架：在双足机器人中，舵机相当于人的关节，那U型架 就是人的骨骼。U型架的制作：（以下是我的设计， 可根据具体需求，自行设计尺寸） ①选择铝合金板（厚度一般为1.5mm）；

②将铝合金板切成细条（尺寸为20mm*116mm）； ③折弯，注意左右高度相等； ④打定位孔（使用1mm钻头），注意孔的位置以U型架的“U” 字底为基准； ⑤打螺丝孔（使用3mm钻头）； ⑥磨削加工。 4、自制脚底板：脚底板的设计可以多种多样，但要保证一点，即机 器人抬脚走路时，要保证重心用你设计的脚底板可 以承受得住。 5、自制机器人腰部：其实就是连接两条腿的部件，长宽是根据设计 的脚底板的大小确定的。 二、需要注意的问题： 1、机器人左右质量要保证尽量一致，否则走路会有偏差。 2、制作部件时，要注意基准。 三、软件编程： 软件编程，主要是靠控制舵机旋转不同的角度。

双足机器人设计

小型双足步行机器人的结构及其控制电路设计 两足步行是步行方式中自动化程度最高、最为复杂的动态系统。两足步行系统具有非常丰富的动力学特性，对步行的环境要求很低，既能在平地上行走，也能在非结构性的复杂地面上行走，对环境有很好的适应性。与其它足式机器人相比，双足机器人具有支撑面积小，支撑面的形状随时间变化较大，质心的相对位置高的特点。是其中最复杂，控制难度最大的动态系统。但由于双足机器人比其它足式机器人具有更高的灵活性，因此具有自身独特的优势，更适合在人类的生活或工作环境中与人类协同工作，而不需要专门为其对这些环境进行大规模改造。例如代替危险作业环境中(如核电站内)的工作人员，在不平整地面上搬运货物等等。此外将来社会环境的变化使得双足机器人在护理老人、康复医学以及一般家务处理等方面也有很大的潜力。 双足步行机器人自由度的确定 两足步行机器人的机构是所有部件的载体，也是设计两足步行机器人最基本的和首要的工作[1]。它必须能够实现机器人的前后左右以及爬斜坡和上楼梯等的基本功能，因此自由度的配置必须合理:首先分析一下步行机器人的运动过程(前向)和行走步骤:重心右移(先右腿支撑)、左腿抬起、左腿放下、重心移到双腿中间、重心左移、右腿抬起、右腿放下、重心移到双腿间，共分8个阶段。从机器人步行过程可以看出:机器人向前迈步时，髓关节与踝关节必须各自配置有一个俯仰自由度以配合实现支撑腿和上躯体的移动;要实现重心转移，髋关节和踝关节的偏转自由度是必不可少的;机器人要达到目标位置，有时必须进行转弯，所以需要有髋关节上的转体自由度。另外膝关节处配置一个俯仰自由度能够调整摆动腿的着地高度，使上下台阶成为可能，还能实现不同的步态。这样最终决定髋关节配置3个自由度，包括转体(roll)、俯仰(pitch)和偏转(yaw)自由度，膝关节配置一个俯仰自由度，踝关节配置有俯仰和偏转两个自由度。这样，每条腿配置6个自由度，两条腿共12个自由度。髋关节、膝关节和踝关节的俯仰自由度共同协调动作可完成机器人的在纵向平面(前进方向)内的直线行走功能；髋关节的转体自由度可实现机器人的转弯功能；髋关节和踝关节的偏转自由度协调动作可实现在横向平面内的重心转移功能。 机器人的转体(roll)、俯仰(pitch)和偏转(yaw)定义如图1所示[2]。

双足机器人制作及其步态运行

双足机器人制作及其步态运行 一、实验目的 1 . 掌握实验室设备使用方法 2 . 学会AutoCAD知识并运用以及学习arduino单片机的基本开发 3 . 了解双足机器人平衡控制方法。 二、原理说明 1．Arduino使用说明 Arduino是一款便捷灵活、方便上手的开源电子原型平台。包含硬件（各种型号的Arduino板）和软件（Arduino IDE)。它构建于开放原始 码simple I/O介面版，并且具有使用类似Java、C语言的 Processing/Wiring开发环境。主要包含两个主要的部分：硬件部分是可 以用来做电路连接的Arduino电路板；另外一个则是Arduino IDE，你的 计算机中的程序开发环境。你只要在IDE中编写双足步态程序代码，将 程序上传到Arduino电路板后，程序便会告诉Arduino电路板要做怎样 的步态运行。 2 . 双足步态算法 双足机器人平衡控制方法其中的“静态步行”（static walking），这种方法是在机器人步行的整个过程中，重心（COG，Center of Gravity）在机器人底部水平面的投影一直处在不规则的支撑区域（support region）内，这种平衡控制方法的好处是整个机器人行走的过程中，保证机器人 稳定行动，不会摔倒。但是这个平衡控制方法缺点是行动速度非常缓慢 （因为整个过程中重心的投影始终位于支撑区域）。另一种使用的平衡 控制方法是“动态步行”（dynamic walking），在这个控制方法中机器 人的步行速度得到了极大的飞跃，显而易见，在得到快速的步行速度同 时，机器人很难做到立即停止。从而使得机器人在状态转换的过程中显 现不稳定的状态，为了避免速度带来的影响。零力矩点（ZMP）被引入 到这个控制策略中，在单脚支撑相中，引入ZMP=COG。引入ZMP的好 处在于，如果ZMP严格的存在于机器人的支撑区域中，机器人绝不摔倒。

机器人行走结构

机器人行走结构的类型及特点 一、移动机器人行走机构概述 机器人行走机构按照其运动轨迹可分为固定式轨迹和无固定式轨迹两种。固定式轨迹主要用于工业机器人，它是对人类手臂动作和功能的模拟和扩展；无固定轨迹就是指具有移动功能的移动机器人，它是对人类行走功能的模拟和扩展。 移动机器人的行走结构形式主要有：车轮式移动结构；履带式移动结构；步行式移动结构。此外，还有步进式移动结构、蠕动式移动结构、混合式移动结构和蛇行式移动结构等，适合于各种特别的场合。 从移动机器人所处环境看，可以分为结构环境和非结构环境两类。 结构环境：移动环境是在轨道上（一维）和铺好的道路（二维）。在这种场合，就能利用车轮移动结构。 非结构环境：陆上二维、三维环境；海上、海中环境；空中宇宙环境等原有的自然环境。陆上建筑物的阶梯、电梯、间隙沟等。在这样的非结构环境领域，可参考自然界动物的移动机构，也可以利用人们开发履带，驱动器。例如：2足、4足、6足及多足等步行结构。 行走结构的设计对于移动机器人的工作效率有着至关重要的作用，选择适当、精巧的行走结构往往可以大大提高机器人的动作效率。这就需要我们熟悉和了解不同机器人行走结构的类型及特点。 二、三种常见的行走结构 1)车轮式移动结构 两车轮：像自行车只有两个车轮的结构。两车轮的速度、倾斜等物理量精度不高，因此进行机器人化，所需便宜、简单、可靠性高的传感器难以获得。此外，两轮车制动时以及低速运行时也极不稳定。 三轮车：三轮移动结构是车轮式机器人的基本移动结构，其结构是后轮用两轮独立驱动，前轮用小脚轮构成组合。这种结构的特点是结构组成简单，而且旋转半径可以从0到无限大，任意设定。但是他的旋转中心是在连接两驱动轴的连线上，所以旋转半径即使是0，旋转中心也与车体的中心不一致。 四轮车：四轮车的驱动结构和 运动基本上和三轮车相同。和 汽车一样，适合于高速行走， 稳定性也好。 一般情况下，车轮式行走结构 最适合平地行走，不能跨越高 度，不能爬楼梯。但现今也出 现特殊的轮式结构。 全方位移动车：在平面上移动的物 体可以实现前后、左右和自转3 个 自由度的运动.但如汽车等,可以前进、拐弯而不能横向移动就不是. 若具有完全的3 个自由

双足行走机器人稳定性控制方法

双足行走机器人稳定性控制方法 1 引言人作为双足行走生物，是在长期的生物进化过程中形成的。人能 够不自觉地保持身体的直立性和平衡性，不论是在静止不动还是在行走过程中。一旦失去平衡，人就会产生相应的动作，使身体保持平衡。例如，在静止时， 当人的重心偏向一侧时，就会不自觉地向该侧跨出一脚，以使重心位置落于支 撑面内。这里，支撑面定义为两脚之间的面积以及两脚的面积。当重心落于支 撑面内时，就不会倾倒。再如，在行走过程中，人的重心不断向前移动，超出 了两脚尖的位置，迫使人向前迈出脚，这样才使人的行走成为可能，使人的行 走自然流畅。因此，控制机器人重心的位置及重心位置的速度，是机器人保持 稳定及产生有效步态的关键。本文就是控制机器人的重心位置，使其落于支撑 面内，从而达到了机器人稳定性控制的目的。机器人的重心可以由安装在机器 人脚底的力传感器测知。当重心偏向一侧，这一侧的传感器输出偏大，相反的 一侧的力传感器等于零，或趋近于零。本文用感知器来感知机器人重心位置的 变化，当重心超出支撑面时，系统将发出动作指令，使机器人保持稳定。本 文采用的神经网络感知器(perception)是最简单的人工神经网络，它是ro senb l a tt于1958 年提出的具有自学习能力的感知器。在这种人工神经网络中，记忆的信息存储在连接权上，外部刺激通过连接通道自动激活相应的神经元，以达到自动识别的目的。感知器模型如图1 所示，通常由感知层s(sensory)、连接层a(association)和反应层构成r(response)。 2 人工神经元感知器的学习算法可以用下面的方法训练网络：(1) 初始化s 层至连接层(a 层)的连接权矩阵 中的各个元素及ａ层各单元的阀值赋予［－１，＋１］之间的随机 值，一般情况下vij＝１θj＝０i＝１，２，λ，pj＝１，２，λ，n 且在整个学习

一种双足步行机器人的步态规划方法

?16? 一种双足步行机器人的步态规划方法 □胡洪志马宏绪 国防科技大学机电工程与自动化学院 [摘要]本文介绍了一种双足步行机器人的步态规划方法,以前向运动为例,详细介绍了先分阶段规划然后合成的方法,并 讨论了行走过程中的冲击振动问题及减振措施,实验及仿真结果验证了这一规划方法的有效性。[关键字]双足步行机器人步态规划减振 [Abstract]In this p a p er ,w e p ut forw ard a m ethod for hum anoid robot g ait p lannin g .W e take forw ard m otion for exam p le ,illustrate the p hase p lannin g and com p ound m ethod in detail.T his p a p er also discusses the im p act v ibration p roblem and how to g et rid of it.T he ex 2p erim ent and simulation result verified the validation of the m ethod. [K e y w ords]bi p ed robot ;g ait p lannin g ;v ibration decrease [作者简介]胡洪志:男,1978年3月生,国防科技大学机电工程与自动化学院研究生,研究方向:智能机器人系统。 马宏绪:男,1966年8月生,国防科技大学机电工程与自动化学院教授,硕士生导师,研究方向:智能机器人系统。 1引言 双足步行机器人的研究是由仿生学、机械工程学和控制理论等多种学科相互融合而形成的一门综合学科,是机器人研究的一个重要分支。双足步行机器人的研究可以促进多个学科的研究,并为相关学科的研究提供一个平台,具有很大的理论价值。在实际应用中,双足步行机器人可用于有放射性、危险及其它对人体有害的环境中取代人类劳动,把人从高强度、长时间及单调乏味的工作中解脱出来,具有广阔的市场前景。步行机器人最大的特征是步行,步态是在步行运动过程中,步行体的身体各部位在时序和空间上的一种协调关系,步态规划是双足步行机器人研究中的一个关键技术。要实现和提高机器人的行走性能,必须研究实用 而有效的步态规划方法,实现机器人的稳定步行。 2双足步行机器人模型 本文的研究对象是一台具有12关节自由度的双足步行机构,每条腿各有6个自由度,即:踝关节有前向和侧向两个自由度;膝关节一个前向自由度,髋关节具有三个 自由度,包括前向、侧向及转弯自由度。由仿真分析及实验研究可知,在步行运动中,双足步行机器人前向各关节的运动与侧向各关节运动之间的耦合很小,可以忽略这一耦合的影响,对机器人前向和侧向的运动分开建模。本文主要讨论前向运动的步态规划问题。 前向运动模型如下图一: 定义:双腿关节,先左腿,后右腿,左腿由下至上,右腿由上至下,依次标注为1,2,3,...,10,11,12,各关节对应的转角依次为θ1,θ2,θ3,…,θ10,θ11,θ12,其中θ1,θ5,θ8,θ12,分别为双腿侧向关节对应的转角;θ2,θ3,θ4,θ11,θ10,θ9为双腿前向关节对应的转角;θ6, θ7转弯关节在前向运动中始终保持为零。 图一

双足机器人竞赛规则

双足机器人竞赛规则 竞赛项目：机器人通过步行的方式从起点线走到终点线，地面为水平的木板（长度2米宽度0.6米）起点线于终点线平行。在行走过程中机器人要按照比赛规则完成指定的动作 竞赛共分为两个项目（交叉足印、狭窄足印）其区别为关节构造及足部结构。 机器人结构及其规格设定： 交叉足印竞步机器人：结构只有双足、并只能以走路的方式来移动，机器人要分清楚正面及背面，以箭头方向作为正面，是自主式脱线控制，用不多于6只伺服马达及伺服马达控制板来完成，最大尺寸为200mm（长）X 200mm（宽）X 300mm（高），最大重量不超过1Kg。 狭窄足印竞步机器人：结构只有双足、并只能以走路的方式来移动，机器人要分清楚正面及背面，以箭头方向作为正面，是自主式脱线控制，用不多于6只伺服马达及伺服马达控制板来完成，最大尺寸为200mm（长）X 200mm（宽）X 300mm（高），最大重量不超过1Kg.，狭窄足印竞步机器人, 单足最大尺寸要能放入(长)150mm X (宽)60mm长方格内。 要求：对于机器人必须自主设计制造。 竞赛内容： 交叉足印竞步机器人：

竞赛开始时先走3步、立正、然后卧下、向前翻跟斗3次，再起立、向前走3步、立正、然后卧下（身体向后）、再向后翻跟斗3次、再起立、然后以轻快步履走向终点，参赛者要在指定3分钟或少于指定时间内完成所有动作，及要走到终点。 狭窄足印竞步机器人： 竞赛开始时先走3步、立正、然后卧下（身体向前）、向前翻跟斗3次，再起立、向前走3步、立正、然后卧下（身体向后）、再向后翻跟斗2次、再起立、然后以轻快步履走向终点、参赛者要在指定5分钟或少于指定时间内完成所有动作，及要走到终点。 双足机器人计分法： 1.机器人行走时每次跌倒扣10分，由栽判指定在原位将机器人重新放正继续 竞赛，不另补时。 2.不按指定动作次序运行的机器人将按次序偏差次数扣分，每次偏差扣10分。 3.机器人行走每出线一次扣10分。 4.裁判未指定情况下，人为干预一次扣10分。 5.以扣分少者为胜；在扣分相同条件下，以使用时间短者为胜。 交叉足印机器人狭窄足印竞步机器人

管内爬行机器人行走机构的设计

管内爬行机器人行走机构的设计 【摘要】随着管内检测爬行机器人技术的不断成熟，它在工业中的应用也越来越广，本文所设计的管内爬行机器人驱动机构，即管内步伐式行走机构，是在分析以往的轮式和履带式机器人的基础上设计的一种新型的管内爬行机器人行走机构。 【关键词】管内爬行机器人；步伐式；驱动机构 0.引言 目前工业管道系统已广泛应用于冶金、石油、化工及城市水暖供应等领域,因其工作环境非常恶劣,容易发生腐蚀、疲劳破坏或使管道内部潜在缺陷发展成破损而引起泄漏事故等，必须定期地对这些管道进行检修和维护，然而管道所处的环境往往是人力所限或人手不及,检修难度很大, 所以燃气管道管内探测是一项十分重要的实用化工程,关系到燃气的安全、合理地应用和管理。管道检测机器人（管内爬行机器人驱动机构）就是为满足该需要而产生的。 根据管内步伐式行走机器人的运动模仿人在井筒中四肢扶壁上下运动的模式，设计了机器人的行走机构，有效的解决了机器人在管道内的行走。 1.管内爬行机构总体设计 管内爬行机构主要由撑脚机构及其传动，牵引机构及传动，转向机构3部分组成：见图1所示： 该管内爬行机构的运动控制过程大致为：主、副电机不同时工作，分别控制其牵引机构和撑脚机构，并且镜面对称的两单元，其支撑脚同一时间径向所处状态相反，即前脚踩在管壁上时，后脚处在抬起状态；反之亦然。具体过程为通过副电机16带动齿轮与齿圈啮合旋转，齿圈背面的平面螺纹驱动滑杆沿滑道径向移动，从而实现支撑脚的转换。主电机1通过联轴器与丝杠连接，带动丝杠旋转，将丝杠的旋转运动转换为螺母的轴向移动，从而通过连杆机构拖动身躯和前后单元向前移动，另一部分的控制过程相同。上述动作是管内爬行机构的一个步进过程，循环执行步进过程机器人继续前进，实现管内的均匀连续行走。 2.撑脚机构及其传动 撑脚机构的作用是使管道机器人被支承在管道中心线上。其机构及传动(见图1)由电机16、小齿轮15、齿圈及平面螺纹14、滑杆13、脚靴12组成。当电机16带动小齿轮15和齿圈14旋转时,齿圈背面的平面螺纹驱动滑杆13在筒体10的径向轨道内外伸推动脚靴踩在管壁上,电机反向旋转时,滑杆内缩带动脚靴径向抬起离开管壁。脚靴三套在圆周上间隔120°布置,三套脚靴同步伸缩,其动作与车床三爪卡盘的动作类同。三套脚靴伸出踩在管壁上时,使机器人处在管道的中心线上。为了使机器人在脚靴缩回时,仍能维持在中心线上,安装4组辅助支承轮18,每组三套,在圆周上间隔120°安装,支承轮通过支承柱19、弹簧20分别与支架3和筒体10固连。当撑脚缩回时支承轮使机器人基本上维持在管道中心线上。当机器人行走过程中支承轮遇到障碍时弹簧被压缩通过障碍。 3.牵引机构及传动 牵引机构的作用是拖动机器人前进.牵引机构(见图1)由电机1、螺杆2、螺母5拨销4、拨杆7和支承杆9组成。当电机1带动螺杆转动时,螺母受拨杆的约束不能转动而沿螺杆轴向移动,固连其上的拨销4拨动拨杆7顺时针方向转动,由于脚靴12锁死在管壁上,支承杆9不能向后运动,拨杆7通过销6带动支架3及其

双足步行机器人论文

双足步行机器人

目录 第一章摘要 (3) 第二章系统简介 (4) 2.1系统方案 (4) 2.2功能与指标 (4) 2.3实现原理 (4) 2.3.1 机器人动作的实现 (4) 2.3.2 无线操控的实现 (5) 2.3.3 液晶屏实时显示机器人状态原理 (6) 2.3.4自适应跌倒爬起原理 (6) 2.4 软件流程图 (8) 第三章特色列举 (9) 第四章技术说明 (9) 第五章系统适用范围 (9)

第一章摘要 以ATMEGA128单片机为核心研制的双足步行机器人。集无线远程操控，自适应站立，状态实时无线传输于一体。本设计以创新为起点，以实用为目的，以方便服务人类生活为宗旨，符合社会发展需要。 关键字：ATMEGA128 无线操控状态实时无线传输自适应跌倒爬起

第二章系统简介 2.1系统方案 该机器人采用加藤伊朗架构，用舵机作为关节驱动，此机器人共有17个自由度，主要包含1个头部、1个躯干、2个手臂、2条腿。以ATMEGA128单片机为核心控制模块，采用24路舵机驱动模块，通过核心板来控制驱动模块使每个舵机转动，从而实现机器人的一系列动作。采用XL24L01无线传输模块，从而实现无线远程操控机器人和机器人的状态参数实时传输显示在液晶屏上。采用MPU-6050三轴陀螺仪加速度传感器，用它来检测机器人跌倒时，实现自适应跌倒爬起。 2.2功能与指标 （1）能够模拟人类的动作，站立，下蹲，行走等基本动作，还能实现跳舞，倒立，翻跟头等高难度动作。 （2）能够通过无线操作平台控制机器人做出相应的动作。 （3）能够将机器人状态通过无线传输实时显示在液晶屏上。 （4）机器人跌倒时，实现自适应跌倒爬起 2.3实现原理 2.3.1 机器人动作的实现 机器人采用加藤一郎架构，用舵机作为关节驱动，此机器人共有17个自由度。舵机是一种位置伺服的驱动器。它接收一定的控制信号，输出一定的角度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。在微机电系统和航模中，它是一个基本的输出执行机构。其工作原理是：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，产生周期一般为10ms，宽度为0.75ms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。舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。标准的舵机有3条导线，分别是：电源线、地线、控制线，如图1所示。

双足机器人稳定行走步行模式的研究

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第２期 韩亚丽，等：双足机器人稳定行走步行模式的研究 ２４３ 制，基于此理论的控制器没计方法［１３１如下： 首先利用采样时间△ｆ对连续系统方程（１３）、（１４）进行离散化 工ｔ＋?＝Ａ工ｔ＋６Ｈｔｌ （１５） ｚｚｍｐ，Ｉ ２ Ｃ，，１７ｋ Ｊ 儿－＝却ｔ砌０ （１６） Ｙｚ”ｒｌｐ，＾２ｃＹｋ Ｊ 式中 工ｔ兰｛工（ｋＡｔ），彳（ｋＡｔ），茗（ｋＡｔ）｝７口ｔ兰“（ｋＡｔ），工：。Ｐ．女兰ｘ：。ｐ（ｋＡｔ） Ｙ女ｓ｛Ｙ（ｋＡｔ），）ｊ（ｋＡｔ），＿ｊ『（ｋＡｔ）｝Ｔ，ｖｔ兰ｖ（ｋＡｔ） 歹ｚｍ，．ｔ；！ｙｚｍ一（ｋＡｔ），ｃ；ｉ｛?，ｏ，——ｊ｝） ＡＥ １△ｆ筚 二 ０１△ｆ０ ０ １ ． ６暑 △ｆ３６ △ｆ２２ △ｔ 为了使系统的输出工：。阱，Ｙ：。阱尽可能精确地跟踪目标ＺＭＰ，即工：。酣，ｙ：。酣，考虑一个使跟踪性能指标极小化的问题．以Ｘ方向运动为例，则有 －，＝∑｛Ｑ。（Ｊ：ｍｐ√一Ｊ：。叫）２ ４－Ｑ：吩２｝ （１７） 式中，Ｑ。，Ｑ：为正的加权系数，根据预观控制理论，这一性能指标可通过使用未来ＪＶ步目标参考值的输入进行极小化．即 比ｔ＝一Ｋｘｔ＋Ｅｆ，五…＾】 ｊ：。附＋ｌ 工‰．＾＋２ 卫：。附＋Ⅳ （１８） Ｋ暑（Ｑｚ＋６’Ｐｂ）。１西１ＰＡ １（１９） 正兰（Ｑ２＋ｂＴＰｂ）－１ｂＴ（Ａ一６Ｋ）川－１’ｃＴＱＪ式中，矩阵Ｐ为下列方程的解： Ｐ＝Ａ’ＰＡ＋ｃ１Ｑ＿ｒ Ｊｃ—Ａ１Ｐｂ（ａ２＋６１Ｐｂ）一１ｂＴＰＡ （２０） 同理可以解决ｙ方向的跟踪性能指标极小化问题．由式（１８）可知，预观控制器由一个状态反馈和一个未来｜Ｖ步目标参考值和加权因子之内积的前馈组成． 基于预观控制的步行模式生成方法用方框图描述为如图９所示．由双足机器人传感器系统得到未来目标ＺＭＰ参考值储存于缓冲器中，其输出值 作为当前的参考值．预观控制器用缓冲器中ＺＭＰ参考值和双足机器人的状态控制输入，而双足机器人的状态，如Ｘ及ｌ，方向的位移及速度则是由基 于ＺＭＰ步行模式生成的结果，即满足目标ＺＭＰ的质心运动．基于预观控制系统的步行模式生成方法 得到的双足机器人步行模式可使机器人实现实时稳定行走的目的． 图９基于预观控制的步行模式生成系统 ３双足机器人行走过程仿真 为了验证理论分析的正确性，对生成的步行模 式进行了仿真验证．首先在Ｐｒｏ／Ｅ下对简化的双足机器人进行建模，然后导人动力学仿真软件ＡＤ—ＡＭＳ中，在Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中建立关节运动控制，可对其进行联合仿真，仿真流程图如图１０所示． 图１０仿真流程图 由前文基于ＺＭＰ步行模式生成方法得到的步行模式信息（见图７）作为控制信息，结合误差补偿，双足机器人可实现稳定行走，行走过程系列图如图１ ｌ所示． 万方数据

行走机器人运动系统的设计-开题报告

毕业设计（论文）开题报告 1 选题背景及其意义 行走机器人的技术研究是我国目前的热点，它综合了电子学、机械、自动控制、计算机软硬件、传感器、生物机械学、材料科学、模具、精密加工等多门学科。行走机器人的研究无疑对促进科技的发展和人类的进程有重大的现实意义，是当今科技的一种必然趋势，为机电产品的研究提供一种新的途径。特别是行走机器人技术的发展往往代表一个国家的科技实力和机电一体化的最新产品。 行走机器人是机器人学中的一个重要分支。关于行走机器人的研究涉及许多方面，首先，要考虑移动方式，可以是轮式的、履带式的和腿式的等；其次，必须考虑驱动器的控制，以使机器人达到期望的行为；第三，必须考虑导航或路径规划。因此，行走机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。机器人的机械结构形式的选型和设计，应该根据实际需要进行。在机器人机构方面，应当结合机器人在各个领域及各种场合的应用，开展丰富而富有创造性的工作。对于行走机器人，研究能适应地上、地下、水中、空中、宇宙等作业环境的各种移动机构。当前，对足式步行机器人、履带式和特种机器人研究较多，但大多数仍处于实验阶段，而轮式移动机器人由于其控制简单，运动稳定和能源利用率高等特点，正在向实用化迅速发展，从阿波罗登月计划中的月球车到美国最近推出的NASA 行星漫游计划中的六轮采样车，从西方各国正在加紧研制的战场巡逻机器人、侦察车到新近研制的管道清洗检测机器人，都有力地显示出行走机器人正在以其使用价值和广阔的应用前景而成为智能机器人发展的方向之一。因此这也是研究机器人的重要意义。 2 文献综述（国内外研究现状与发展趋势） 2.1国内多足步行机器人的研究成果 1991年,上海交通大学马培荪等研制出JTUWM[1]系列四足步行机器人。JTUWM-III是模仿马等四足哺乳动物的腿外形制成,每条腿有3个自由度,由直流伺服电机分别驱动。在进行步态研究的基础上,通过对3个自由度的协调控制,可完成单腿在空间的移动。该机器人采用计算机模拟电路两级分布式控制系统, JTUWM-III以对角步态行走,脚底装有PVDF测力传感器,利用人工神经网络和模糊算法相结合,采用力和位置混合控制,实现了四足步行机器人JTUWM-III的慢速动态行走,极限步速为1.7 km/h[2]。为了提高步行速度,将弹性步行机构应用于该四足步行机器人,产生缓冲和储能效果[3]。 2000年,上海交通大学马培荪等对第一代形状记忆合金SMA驱动的微型六足机器人

(完整版)双足竞步机器人设计与制作技术报告

中国矿业大学徐海学院 双足竞步机器人设计与制作技术报告 队名：擎天柱班级：电气13-5班_________________________ 成员：郭满意游世豪侯敏锐唐丽丽 侯伟俊王胜刘利强杨光 题目双足竞步机器人__________________________________________ 任课教师：李富强_________________________________________ 2015年12月 双足竞步机器人设计与制作任务书

任务下达日期：2015年10月16日 设计日期：2015年11月1 日至2014年12月31日 设计题目：双足竞步（窄足）机器人的设计与制作 设计主要内容和完成功能： 1、双足竞步机器人机械图设计; 2、双足竞步机器人结构件加工; 3、双足竞步机器人组装； 4、双足竞步机器人电气图设计; 5、双足竞步机器人控制板安装; 6、整机调试 7、完成6米的马拉松比赛。 教师签字: 双足机器人的机构是所有部件的载体，也是设计双足机器人最基本的和首要的工作本文根据项目规划和控制任务要求，按照从总体到部分、由主到次的原则，设计了一种适 合仿人双足机器人控制的机构。文章首先从机器人整体系统出发，制定了总体设计方案，再根 据总体方案进行了关键器件的选型，最后完成了各部分机构的详细设计工作。经过硬件设计、

包括机械结构设计、电路设计与制作，机器人步态规划算法研究，利用Atmega8芯片实现了对六个舵机的分时控制，编写VC上位机软件,通过串口通信对双足 竞步机器人进行调试，通过人体仿生学调试出机器人的步态规划。实现了双足竞步机器人稳定向前行走、立正。 关键词：双足机器人、机械结构 目录 1系统概述 (1) 2硬件设计 (2) 2.1机械结构 (2) 2.2电路设计 (2) 3软件设计 (4) 3.1 AVR 单片机程序设计 (4) 3.2 PC上位机调试软件设计 (4) 4系统调试 (5)

双足步行机器人结构可视化设计_杨宇

双足步行机器人结构可视化设计＊ 杨宇,陶学恒 (大连工业大学机械工程与自动化学院,辽宁大连　116034) 摘要:采用Wa t t-21型平面六杆机构作为基本的行走机构,探讨了步行机器人行走机构应有的特性,完成了机构的运动分析。同时为了便于分析,利用P r o/E建立了双足步行机器人的三维模型,并在软件中进行了运动仿真。利用计算机的可视化设计技术来修正设计参数。 关键词:双足步行机器人;运动仿真;可视化设计 中图分类号:T P24;T H789 文献标识码:A 文章编号:1001-2354(2008)01-0020-03 机器人技术作为信息技术和先进制造技术的典型代表和主要技术手段,已成为世界各国竞相发展的技术。研制具有人类外观特征,可以模拟人类行走与基本操作功能的类人型机器人,一直是人类的梦想之一,而双足步行机器人属于模拟人类行走的机器人。步行机器人技术是一种涉及仿生学、机构学、传感技术及信息处理技术等综合高科技的技术,无论是医疗康复的应用研究,还是航天科技的探测器,甚至日常生活的玩具都能够见到步行机器人的身影,步行机器人对人们生活的影响正日益增大,对步行机器人的研究也更加深入。对于步行机器人的发展,如何解决步行机器人结构运动的问题是步行机器人发展中亟需研究的问题之一。 目前的划分标准是按照步行脚的足数来划分的,可以分为单足、双足、三足和多足,其中又以双足步行机器人为机器人领域的研究热点,主要由于自动化程度高,动态系统复杂及丰富的动力学特性,并且对于环境的适应能力强,能够跨越大的障碍物。从步行机器人的机构分析着手,对采用Wa t t-21型六杆机构作为类人型腿机构的步行机器人进行分析,并且通过P r o/E软件进行了几何建模,在计算机上实现步行机器人的可视化设计,同时在仿真环境下对步行机器人的设计参数进行验证,确定是否达到所设计的目的和修正腿机构的协调运动。显然,这一工作若在物理样机上进行实验验证,必然会加大设计和试验周期,而通过计算机技术,将大幅度地提高效率。 1　双足步行机器人组成结构及 原理分析 步行机器人的研究是一门综合性很强的学科,在一定程度上代表着一个国家的高科技发展水平。对于采用Wa t t-21型六杆机构的步行机器人,其主要结构分为两部分:腿机构和驱动机构,并且两者之间是采用串联的形式连接。通过步行机器人的结构示意图(图1),可以清晰地了解这两部分。腿机构的运动是步行机器人的关键机构,其性能决定了机器人速度、稳定性、刚度等性能,因此,对于腿机构的研究就显得格外重要。腿机构可以简单看成一个双摇杆机构,在连杆的一端引出伸出端,尾端的轨迹可以近似看成人类行走时的轨迹,而驱动机构则是采用一个曲柄摇杆机构,通过圆周运动的驱动装置就可以带动运转。在两者之间,将驱动机构的摆杆作为腿机构的动力源,实现了驱动机构与腿机构的串联形式。由于两部分都是平面四杆机构,要真正模拟人行走时的姿态是存在着困难的,但通过选取合理的参数,可以将伸出杆的轨迹控制在所要实现的范围之内 。 图1　步行机器人结构示意图 在图1中可以看到在A B C D四杆机构中,A B杆可绕A点进行圆周运动,是四杆机构的驱动元件,B C杆是连杆,C D杆是摇杆,此部分是步行机器人的驱动部分结构。在D H F E四杆机构中,D H杆是四杆机构的驱动元件,H F杆是连杆,F E杆是摇杆,单独地看,认为D H F E是双摇杆机构。将C D杆与D H杆以适当的角度连成一体,通过一个驱动设备就可将机构驱动,在H F连杆上引出引杆F G,G点的轨迹近似于人类行走时的轨迹。由于将C D杆与D H杆连在一起,可将两杆看成一个构件,因此整体上看此机构是六杆机构。 2　双足步行机器人结构可视化设计 计算机可视化技术的迅速发展,使得双足步行机器人的快速设计成为可能。一方面,通过计算机建立起几何模型,真实地反映实体结构;另一方面,通过运动仿真可以确定步行机器人的行走姿态,并且可方便地修改设计尺寸,达到最佳的行走 第25卷第1期2008年1月 机　械　设　计 J O U R N A LO FM A C H I N ED E S I G N V o l.25　N o.1 J a n. 2008 ＊收稿日期:2007-04-18;修订日期:2007-08-24 作者简介:杨宇(1982-),男,辽宁葫芦岛人,硕士研究生,主要从事机械C A D,C A M方面的研究工作。DOI:10.13841/https://www.360docs.net/doc/512213755.html, ki.jxsj.2008.01.022