毕业论文-六足机器人的步态与控制设计

毕 业 设 计（论 文） 六足机器人的步态与控制设计 院（系、部）： 信息工程学院姓 名： 班 级： 专 业： 自动化指导教师： 教师职称： 北京石油化工学院 学位论文电子版授权使用协议 论文六足机器人的步态与控制设计系本人在北京石油化工学院学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系作品的唯一作者，即著作权人。现本人同意将本作品收录于“北京石油化工学院学位论文全文数据库”。本人承诺：已提交的学位论文电子版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全同意本作品在校园网上提供论文目录检索、 文摘浏览以及全文部分浏览服务。公开级学位论文全文电子版允许读者在校园网上浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 北 京 石 油 化 工 学 院 毕 业 设 计 （论 文） 任 务 书 教学院（系、部）信息工程学院 专业 自动化 班级 自 072 学生姓名 张鹏 指导教师/职称 盛沙/讲师 1.毕业设计（论文）题目 六足机器人的步态与控制设计 2.任务起止日期： 2011 年2 月21 日 至 2011 年6 月3 日 3.毕业设计（论文）的主要内容与要求 （含课题简介、任务与要求、预期培养目标、原始数据及应提交的成果） 此课题研究六足机器人步态和控制技术问题。通过广泛的调研，提出六足机器人的行走控制方案， 搭建六足机器人机构， 编制控制程序， 完善控制算法，完成六足机器人的稳定行走。难点：由于六足机器人的自由度很多，对于程序设计要求较高。 通过毕业设计可以培养学生对单片机及接口技术硬件及软件的设计及调试能力，提高学生分析和解决各种实际问题的能力。 主要内容与要求： 1) 撰写开题报告（第 2 周完成） 2）翻译外文资料（不少于 25000 字符） 3）搭建六足机器人机构、控制器和驱动电机。 4）提出行走方案。 5）设计系统控制程序。 6）调试系统软件与硬件。 预期培养目标： 1）具备文献查阅与综合能力。 2）具备阅读和翻译能力。 3）具备数据的收集、分析、计算和处理能力。 4）具备项目调研、设计、编程和调试能力。 5）具备现场解决问题的能力。 6）具备一定的科技论文写作能力。 最终提交材料： 1）开题报告 2）外文资料原文（不少于 25000 字符）及翻译稿 3）毕业设计论文 4）毕业设计日常记录本 4.主要参考文献 1机器人技术资料 2计算机编程资料 5.进度计划及指导安排 周次 日 期 进度计划及指导安排 具 体要 求19 2011110011114 调研、 查资料、 确定系统方案， 翻译外文资料、写开题报告。 20 2011117011121 调研、 查资料、 确定系统方案、 翻译外文资料、写开题报告。 寒假 2011122011213 调研、 查资料、 确定系统方案、 翻译外文资料、写开题报告。 1 2011221011225 翻译外文资料，提出行走方案。 交开题报告（电子版） 2 选择控制器与驱动电机 交外文翻译资料及原文（电子版） 3 搭建六足机器的行走机构 4 设计行走控制算法 5 设计行走控制算法 6 设计行走控制算法 7 设计行走控制算法 8 设计系统控制软件并调试 9 2011418011424 设计系统控制软件并调试 中期检查 10 设计系统控制软件并调试 11 调试 12 调试及整理论文 13 调试及整理论文 14 2011523011529 整理论文 交论文（电子版及打印稿） 15 2011530201163 答辩 任务书审定日期 2011 年 2 月2 1 日 系（教研室）主任（签字） 任务书批准日期 2011 年 2 月 21 日 教学院（系、部）院长（签字） 任务书下达日期 2011 年 2 月 21 日 指导教师（签字） 计划完成任务日期 2011 年6 月3 日 学生（签字） 六足机器人的步态与控制设计 I 摘 要 随着人类探索自然界步伐的不断加速， 各应用领域对具有复杂环境自主移动能力机器人的需求，日趋广泛而深入。理论上，足式机器人具有比轮式机器人更加卓越的应对复杂地形的能力，因而被给予了巨大的关注。 论文详细分析了国内外六足机器人的研究现状，给出了论文研究的主要内容。设计了六足机器人躯体和腿的简单结构模型。研究了六足机器人三足步态，详细分析了直线行走步态和定点转弯步态。 通过机器人行走实验，证明控制系统的控制效果是理想的，论文提出的步态规划方法是有效的， 为进一步深入研究六足机器人的控制规律奠定了良好的硬件和理论基础。 关键词： 六足机器人，步态规划，控制 六足机器人的步态与控制设计 II Abstract With the increasingly rapid step of human exploration of nature, the demand for robots with autonomous mobility under complex environment has been getting broader and deeper in more and more application areas. Theoretically, legged robot offers more superior performance of dealing with complicated terrain conditions than that provided by wheeled robot and therefore has been given great concern. Paper had a detailed analysis of domestic and foreign status for hexapod robot research,and gave the main research content of the paper.We designed the simple structure model on the body and legs of hexapod robot. We had a research three-legged gait on hexapod robot, and had a detailed analysis on straight walking gait and turning gait. Experiments are carried out on the robot. It proves that the control system works well, and the gait planning method is effective. The work of this thesis lays a good foundation for further studies on the control of hexapod robots. Key words: Hexapod walking bio-robot， Gait plan， Control 六足机器人的步态与控制设计 III 目 录 第一章 绪论 . 11.1 课题背景 . 1 1.2 研究意义 . 1 1.3 国内外六足机器人的发展现状 . 2 1.3.1 国内六足机器人的发展现状 . 2 1.3.2 国外 六足机器人的发展现状 . 4 第二章 六足机器人的机械结构 . 72.1 六足机器人的机构分析 . 7 2.2 六足机器人的机构设计 . 7 2.3 六足机器人的机构制作 . 8 第三章 六足机器人正逆运动学分析 . 9第四章 六足机器人的步态设计 . 114.1 步态的研究和分析 . 11 4.1.1 步态 . . 11 4.1.2 步态 规划理论的发展 . 11 4.1.3 典型 步态分析 . 1 2 4.1.4 三角 直行步态 . 1 3 4.2 六足机器人步态的设计 . 14 4.3 三角步态的稳定性分析 . 16 4.3.1 六足 机器人的静态稳定判据 . 16 4.3.2 所做 六足机器人步态的稳定性分析 . 16 4.4 足尖轨迹仿真 . 17 第五章 六足机器人行走的控制 . 195.1 伺服舵机的研究 . 19 5.1.1 舵机 的工作原理 . 19 5.1.2 选取 所用舵机 . 2 0 5.2 驱动板的选型 . 20 六足机器人的步态与控制设计 IV 5.3 行走程序设计 . 21 5.3.1 软件介绍 . 21 5.3.2 动作编辑 . 22 5.4 实验结果 . 23 5.4.1 向前 走视频截图 . 23 5.4.2 原地 顺时针旋转视频截图 . 24 5.5 动作组执行指令说明 . 25 第六章 结论与展望 . 276.1 结论 . 27 6.2 展望 . 27 参考文献 . 28致 谢 . 31六足机器人的步态与控制设计 1 第一章 绪论 1.1 课题背景 机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。 然而人们对机器人的幻想与追求却已有 3000 多年的历史。人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。 机器人是由操作机、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。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己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一一机器人学。机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的重要标志。现代机器人的研究始于 20 世纪中期，其技术背景是计算机和自动化的发展，以及原子能的开发利用。作为机器人产品最早的实用机型 （示教再现） 是 1962 年美国 AMF 公司推出的 “ VERSTRAN”和 UNIMATION 公司推出的“ UNIMATE” 。 80 年代，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用， 而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间。 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 NilsNilssen 和 CharlesRosen 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。 1.2 研究意义 目前，用于在人类不宜、不便或不能进入的地域进行独立探测的机器人主要分两种，一种是由轮子驱动的轮行机器人，另一种是步行机器人。随着机器人应用领域的不断扩大，足式移动机器人相比移动机器人中的轮式或履带式机器人，体现出其优势该类型机器人具有较多的自由度，可以使其像昆虫一样灵巧地运动，并且对六足机器人的步态与控制设计 2 复杂多变的地形具有更强的适应能力而且足式移动机器人的落足点是离散的， 因而该机器人能够在足尖点可达范围内灵活调整行走姿态，并选择合理的支撑点，使得机器人具有更高的行走能力。 因此足式步行机器人的研究已经成为机器人学中一个引人注目的研究领域，其广泛应用于军事国防、航空航天、工业农业等领域。 在步行机器人中，多足机器人是最容易实现稳定行走的。六足机器人与两足和四足步行机器人相比，具有控制结构相对简单、行走平稳、肢体冗余等特点，这些特点使六足机器人更能胜任野外侦查、水下搜寻以及太空探测等对独立性、可靠性要求比较高的工作。 六足机器人的特点是具有丰富的步态并且能在复杂路面上高效行走，存在多种步态，可以适应不同步行速度和载荷的要求，冗余的肢体结构，使其在失去若干肢体的情况下仍能继续执行一定的任务，提高了系统的可靠性。同时六足机器人肢体较多，运动过程中需要实现各肢体之间的协调工作，如何方便可靠的实现这种协调，也是六足机器人控制系统研究的一个热点。本课题的目的，就是对六足机器人的控制方法和步态策略进行研究。 1.3 国内外六足机器人的发展现状 随着人类对未知事物的不断探索， 迫切需要一种可以在未知复杂环境中执行任务的机器人。多足爬行生物具有良好的环境适应能力，多足机器人在有足机器人研究中占有很大的比重。 1.3.1 国内六足机器人的发展现状 国内在机器人领域研究起步较晚，目前有北航、上海交大、沈阳自动化研究所和哈工大等科研院所正在从事机器人的研究。 1990 年，中国科学院沈阳自动化研究所研制出全方位六足步行机和水下六足步行机1。这种全方位六足步行机能够在平地上行走，还能爬楼梯。 2002 年，上海交通大学的颜国正、徐小云等进行了微型六足机器人的研究2。基于六足昆虫运动机理，利用连杆曲线图谱确定行走机构的尺寸。硬件配置采用微型直流电机、蜗轮蜗杆减速机构和皮带传动机构。在步态和稳定性分析的基础上，进行控制系统软、硬件设计。步行实验结果表明，该机器人具有较好的机动性。 2003 年，韩建海等3以 PIC 单片机为控制器的核心，制作出了动作灵活、价格低廉以及模块化结构的六足机器人。采用的控制算法主要包括避障算法、障碍物接触判断算法和步态调整算法。该机器人能够严格按三角步态进行六足机器人的步态与控制设计 3 行走，实现诸如直线、转弯、躲避障碍物和追踪物体等行走功能。制作的六足机器人外观和结构组成如图 1-1 所示。 图 1-1 六足机器人外观和结构组成 2003 年，王沫楠等4针对微小型步行机器人对控制系统的性能要求，设计了一种可用于步行机器人多关节驱动的控制系统。该系统采用 DSP 作为核心控制器，提出了多层多目标分布式递阶控制系统方案，并对单步行足的软、硬件设计做了详细的阐述，为进一步实现自主式的仿生步行机构奠定了基础。 2004 年，杜爱林等5根据六足步行机器人各关节运动的协调性、准确性的控制要求，确定了基于 PIC 单片机控制的控制系统硬件结构和混合闭环的伺服结构控制方案， 并在此模型基础上探讨了系统的控制方案， 从协调控制的角度给出了六足机器人各关节协调运动的一种新的插补算法。六足机器人的硬件控制系统主要由 PIC 单片机、电机驱动电路、传感器模块和辅助电路 4 部分组成。 2006 年，陈学东等6为解决机器人对复杂多变的环境适应性不强的问题，研制了模块化的多足步行机器人系统，如图 1-2 所示。针对模块化多足步行机器人的机构特点， 设计并实现了一种位于机器人模块化控制体系底层的伺服闭环运动控制，有效地支持了多关节实时控制。 图 1-2 模块化多足步行机器人 六足机器人的步态与控制设计 4 2007 年，储忠7研究了六足机器人运动步态和步态的稳定性，规划了直线行走步态和定点转弯步态，给出了不同步态下的机器人落足点的位置矢量表达式。按照六足步行机器人的机械结构和关节运动的协调性、准确性的控制要求，确定六足机器人控制系统。 2007 年，王倩8基于六足机器人本体结构概述，进行机械平台运动学分析， 建立单条腿的 D-H 坐标系， 求出了机器人单腿的运动学逆解。 结合 Walknet，提出了一种基于节律性神经网络的六足机器人步态产生机制。设计了基于 ARM 和FPGA 的六足机器人控制系统，实现了对机器人 18 个舵机的并行控制。 2008 年，雷永锋9基于仿生学原理，提出了三角步态走 法及六足机器人行走规律。以S3C44B0X 为微控制器，辅以外围电路和行走装置，设计了机器人物理样机。软件设计引入虚拟力场算法，实现对机器人行走路径的控制。 2008 年，罗孝龙等10以电机专用控制芯片 F2812DSP 为核心构建了仿生六足机器人多电机控制系统，设计和编制了相应的硬件电路和软件流程，使 PWM 周期达到 20s 左右，将机器人控制系统的实时性大大提高。仿真实验结果证明，该多电机控制系统运行稳定，性能可靠，从而为六足机器人技术的设计思路进一步完善奠定了基础。 1.3.2 国外六足机器人的发展现状 20 世纪七、八十年代，人们就开始关注多足机器人，它具有稳定的动态和静态特性， 步态很容易实现。 20 世纪 70 年代， 俄亥俄州立大学研制了六足机器人11。该机器人有 18 个独立供电关节，利用计算机软件结构来交互式实时控制机器人，此软件拥有连续的在线优化，并有一定适应性，能够在崎岖的山路上行走。 Waldron在 1982 年设计了著名的 Adaptive-Suspension-Vehicle12，该机器由汽油发动机提供 35Kw 电力驱动液压系统使腿部运动。采用伸缩原理实现腿部运动。 20 世纪 80 年代，麻省理工学院人工智能实验室 Brooks 和 Rodney A.开发了 Genghis13，如 图 1-3所示， Genghis 的每条腿上装有两个伺服电机，它可以自由的运动。前面装有两个倾角传感器和 6 个热感应传感器，用于感知周围的环境。采用递归控制结构，可以使 Genghis 在复杂的路面上行走，包括跨越陡峭的地势，爬过高大的障碍，并避免摔下悬崖。此外，在这一时期研究的六足机器人还有俄罗斯莫斯科罗国立蒙诺索夫大学的 MASCHA (1971)，美国卡内基梅隆大学的 Ambler (1988)，芬兰赫尔辛基科技大学的 MECANT (1988)， 瑞士洛桑计算机实验室的 Robot hexapode (1989)等14。 20 世纪 90 年代的六足机器人 90 年代初，麻省理工学院的移动式遥控机械装六足机器人的步态与控制设计 5 置实验室研制了 Attila 和 Hannibal15，如图 1-4 所示，它是最早用于自主行星探测的机器人。在系统结构设计中，它们采用模块化子系统结构，如头、腿以及躯体都采用独立的模块来处理。系统的复杂程度会制约机器的设计重量和尺寸，为了保证在太空运行的可靠性，采用了冗余设计思想。从机械角度看，六条腿行走时，一旦某条腿失效，余下的腿仍然可以行走；从传感器的角度看，这种冗余可以让来自不同位置的传感器将信号传给主控制器，使机器人更有效地分析地形。当有传感器失效时，剩下传感器仍然可以让机器正常运行。比利时布鲁塞尔自由服务建设机械与机器人研究机构在 1991 年研制了 SILEX，它可以像四足机器人一样向任何一个方向行走， 腿部有 3 自由度， 采用伸缩原理实现。 系统控制策略采用 3 个级别层次。德国格哈 -墨卡托大学设计并制造了仿竹节虫的 TARRY I(1992)16和 TARRY II(1999)17，如图 1-5 所示。 TARRY 系列机器人的六条腿均拥有 3 个旋转关节，每个关节采用舵机控制，装有接触传感器和碰撞传感器。机器人控制策略采用超前学习基本步态，这种步态由运动学模型和确定参数的 WALKINGLIB 来创建。它们能够适应传感器不同的反射行为所引起的输入。 不同的反射行为来源于不同的传感器信号，它们能在很短的时间内记住探索的环境，并做出反应。这种控制策略能够使机器人很好的在崎岖地区上行走18。美国 is-robots 公司在 1995 年研制了浅滩探雷机器人 Ariel。 Ariel 配备多种传感器，能够非常灵敏的感知周围环境和自身状况。控制器配备了自适应软件，可以对一些突发状况做出快速的反应。该机器人可以上下完全翻转，能够很好的适应复杂的海滩环境1920。美国凯斯西储大学机械及航天工程学院的仿生机器人实验室在 1995年研制了 Robot II21。 Robot II采用离线控制。步态控制器基于节肢动物腿部协调工作的机理。通过速度参数的改变，步态可以从缓慢的波动步态转换到快速的三足步态。通过仿昆虫反射与步态控制器的结合，它可以在复杂的路面上行走。此外， 20 世纪 90 年代研究的六足机器人还有美国俄亥俄州凯斯西储大学的 CWRU ROBOT II(1992)，德国慕尼黑科技大学的 TUM-Walking-Machine (1992)， 德国杜伊斯堡格哈德 -麦卡托 -大学的 TARRY (1992)，美国加利福利亚 Cybernetics 公司的 HEG1060，德国莱比锡大学的 S1(1992)，美国卡内基梅隆大学的 Daedalus (1993)和 Dante II(1993)， 比利时布鲁塞尔自由服务建设机械和机器人研究机构的 IOAN (1994)，德国马格德堡 IFF 的 Katharina (1994)，加拿大滑铁卢大学的 Leonard (1994)，美国加利福利亚 Taygeta 科技公司的 Roboty 六足机器人的步态与控制设计 6 (1995)，德国卡尔斯鲁厄 FZI 团队的 KARLA (1992)和 LAURON II(1995)，美国马萨诸塞州麻省理工学院的 Boadicea (1996)等等22。 21 世纪的到来，信息技术的迅速发展，使机器人技术步入新的台阶，六足机器人的发展走向了一个崭新的时代。 新西兰的坎特伯雷大学（ University of Canterbury）在 2000 年底研制成功了一种微型伺服电机驱动的六足步行机器人 Hamlet。它以竹节虫为生物模拟对象设计了这种具有全方位步态的步行机器人。该机器人采用二级分布式控制框架，硬件部分采用集成了 2 个 TMS320C44 芯片的集成控制板卡对关节驱动信号和力、姿态传感器信号进行处理运算。该机器人尺寸为 650mm 500mm 400mm，重 12.7kg，能以 0.2m/s 的平均速度在复杂地形中自主行走运动，并具有越障能力232425。 Robot是美国 Case Western Reserve University 大学在美国军方 “高级防御计划研究局” （ DARPA） 、 国家宇航局 （ NASA） 、海军研究中心共同资助下开发的一种高机动性六足步行机器人。 该机器人以蟑螂为生物模拟对象，有微型气缸驱动的 24 关节，使整个机器人具有行走和跳跃的能力2627。 图 1-3 Genghis 图 1-4 Hannibal 图 1-5 机器人 Tarry II 六足机器人的步态与控制设计 7 第二章 六足机器人的机械结构 2.1 六足机器人的机构分析 直立的六足机器人在步行过程中，腿在重心方向的运动幅度大，从而六足间的干涉性也较大。直立腿的步行相对于昆虫类机器人的爬行来讲，控制的复杂程度大大增加了，各个腿动作的协调是设计的难点。结构与运动的微小差异都可能导致六足系统出现局部力矩高峰，破坏整个系统。结构参数的选择有着非常重要的作用。中腿的位置高低，前后腿与中腿的距离，大腿小腿的长短比例等都是我要设计考虑的结构参数。 2.2 六足机器人的机构设计 本课题研究的六足机器人的结构如图 2 1 所示。机器人躯干纵向长 260mm，宽 220mm，站立时高 100mm。机器人每条腿有两个自由度，分别由两个独立的舵机驱动。为增加支撑的稳定性，六个足端呈矩形分布。舵机选用 Tower Pro MG90型号，可以提供达 2.8Kg/cm 的扭矩。 图 21 六足机器人的结构 六足机器人的步态与控制设计 8 对于每条腿，按照由躯干到足端的顺序，两个自由度的传动方式如下： 第一个自由度，由舵机直接带动转节前后摆动，从而使整条腿前后摆动。其机械结构如图 2 2 所示。 第二个自由度，由舵机直接带动转节上下摆动，其机械结构如图 2 3 所示。 图 22 第一自由度 图 23 第二自由度 2.3 六足机器人的机构制作 选取硬塑料板为躯体，躯体左右各对称放置三个舵机，以控制大腿前后运动。大腿和小腿均采用 PVC 线槽作为材料，每个大腿外部安装一个舵机，以控制小腿前后摆动。 遇到的问题及解决方案： 1、躯体上两边的三个舵机安装过密，导致大腿的摆动幅度很小，机器人前进步伐缓慢。于是加宽间距，效果明显改善。 2、小腿最初采用一块 PVC 板，制作时可以站立，但是在调试过程中发现支撑不了整个躯体，会发生倾斜。于是在小腿底部加了一块 PVC 板，形成矩形结构，与地面接触面积加大，更加稳定。 六足机器人的步态与控制设计 9 第三章 六足机器人正逆运动学分析 运动学分析， 探讨的是机器人关节空间与操作空间在运动方面的数学关联问题，是机器人运动规划与控制的基础。 对 1 号舵机、 2 号舵机和足尖分别建立坐标系，如图 3 1 所示。 图 31 建立坐标系 六足机器人大腿长 30mm，小腿长 75mm，足尖初始位置相对于 1 号舵机坐标系的坐标为（ 0， 30， null75） 。 假设现在六足机器人开始行走，小腿抬起，即 2 号舵机转动角度 ，如图 3 2所示。 X1 Y1 Z1 X2 X3 Y2 Y3 Z2 Z3 机身 大腿 小腿 足尖坐标系 1 号舵机坐标系 2 号舵机坐标系 六足机器人的步态与控制设计 10 X1 图 32 小腿转动角度 那么足尖相对于 1 号舵机坐标系的坐标为（ 0， 30 null 75 null sin， 75 null cos） 。 六足机器人小腿抬起后，大腿需要向 X1 轴负方向摆动一定的角度，如图 3 3所示。 图 33 大腿转动角度 null 假设摆动后足尖相对于 1 号舵机坐标系的坐标要求为（ X， Y， Z） ，那么可求得大腿向 X1 轴负方向摆动的角度 null为： nullnullsinnullnullX30 null 75 null sinnull Z2 Y2 X2 Z1 Y1 1 号舵机坐标系 2 号舵机坐标系 六足机器人的步态与控制设计 11 第四章 六足机器人的步态设计 4.1 步态的研究和分析 4.1.1 步态 步态是行走系统的迈步方式，即行走系统摆动腿和支撑腿的顺序2829。步态是生物学所用的专业术语。 1、步态（ gait）腿部摆动顺序及其时间相序等步行模式。 2、支撑相（ support phase）腿部着地的状态叫做支撑相或站立相。 3、摆动相（ swing phase）腿部处于空中的状态叫做摆动相或游脚相。 4、支撑多边形（ support polygon）支撑足着地点用凸形轮廓线所构成的凸多边形在水平面上的投影。 5、步长（ stride length）指单位周期机器人重心移动距离。 6、占空系数（ duty factor）指腿着地时间与步行周期时间之比。 7、运动周期 T（ period of motion）指周期步态中某一腿运动一个完整循环所需要的时间。 8、有荷因数（ load factor）指腿 i 支撑在地面上的时间占整个运动周期的比例，用 i 表示。 nullnull腿 i 的支撑相时间腿 i 的周期nulltnullT9、稳定系数（ stability factor）描述步行进程中支撑足的平均个数，其中 n为足的个数。 nullnnullnull4.1.2 步态规划理论的发展 控制步行机器人的基本问题是步态规划。就是需要确定在行走过程中，每条腿的运动轨迹，使是参与行走的各条腿之间的协调工作，实现要求的行走方式。为了描述步态，我们将步行动物的腿部行走分为两种状态，一种是支撑状态，是指肢体六足机器人的步态与控制设计 12 接触地面，支撑身体的状态；另一种是摆动状态，是指肢体离开地面，向前进方向摆动，动物的行走就是由每条腿的这两种状态交替进行完成的。对于六足昆虫的行走，最常见的三种步态分别是波动步态、四足步态和三足步态，它们之间明显的区别在于行进时支撑身体的腿的个数分别是 5、 4、 3。在三足步态中如图 4 1 中的A，总有三条腿接触地面：一侧的前腿和后腿还有另一侧的中腿。这种行走适合高速轻载荷的情况。当载荷增加，或是速度放慢，接触地面的腿的数目将会增加，呈现四足步态或是波动步态。其实步态的转化是一个连续的过程，如图 4 1 中黑色部分表示腿处于摆动状态。可以看出，步态的变化实际上是每条腿的摆动时间和支撑地面时间的比值的变化。 所以上面所述的三种步态可以看作是步态转换中的特殊状态。 图 41 昆虫的步态 4.1.3 典型步态分析 甲虫运动时，根据有荷因数 i 的大小可分为 3 种情况： 1、 i=1/2：在支撑相着地的同时，摆动相立即抬起，即任意时候都同时具有支撑相和摆动相。 2、 i1/2：在负重时，躯体移动较慢，摆动相与支撑相有一短暂的重叠过程，六足机器人的步态与控制设计 13 即躯体有六条足同时着地的状态。 3、 i SQ SM IX PA ONCE PL ：指定动作场景 p， 0 或 1 必须指定 SQ ：指定动作组编号 s， 0-127 SM ：指定速度比 m， null200-200。不指定为 100 IX ：指定启动动作组开始步编号 i ， 0-255。不指定为 0 PA ：设定步之间的暂停时间 a， 0-65535 毫秒。不指定为 0 毫秒 ONCE ：指定执行动作一次。不指定为循环运行 输入指令： PL 0 SM 200，如图 5 10 所示。 图 510 输入指令 六足机器人将执行动作场景 0，并且以 200%速度正向运行。 六足机器人的步态与控制设计 27 第六章 结论与展望 6.1 结论 人类的活动空间在不断扩大，要在原始的自然环境下通行，单纯地依靠轮子滚动是无法完成的。本课题致力于开发一个六足步行机器人，通过对 12 个舵机的转动进行控制，从而控制机器人的 12 个自由度。 具体做了以下几个方面的工作： 1、阐述了课题来源、研究的意义，从国内外研究情况入手，详细地分析了国内外六足机器人的研究现状，对国内外该领域研究有了较全面的认识。 2、对六足机器人的机构类型、运动方式、控制策略等方面进行了总结、分析和归纳。 3、设计并制作了六足机器人躯体和腿的简单结构模型，研究了六足机器人的三足步态，详细分析了直线行走步态和定点转弯步态，建立了机器人简单的步态模型，并推导了机器人直行时的运动学公式。 4、成功制作了样机，并完成了直线行走和定点转弯的实验。 6.2 展望 随着机器人技术的快速发展，具有复杂地形表面快速移动能力的六足机器人，正受到越来越多的关注。对该类机器人的研究，具有重要的理论意义和实用价值。 我认为应该继续增加六足机器人的自由度，使其能适应更复杂的环境。并且增加一个起到上层控制的控制器，与舵机控制板进行串口通讯。还可以增加传感器，比如红外传感器或者超声波传感器，以使六足机器人可以完成巡线、避障等效果。 六足机器人的步态与控制设计 28 参考文献 1 阳如坤. 全方位六足步行机器人分析腿机构、动力学、静力学分析、步态规划与步行软件D. 沈阳：中科院沈阳自动化研究所，1991. 2 徐小云， 颜过正， 丁国清. 微型六足仿生机器人机器三角步态的研究J. 光学精密工程，2002，10(4)：392-396. 3 韩建海， 赵书尚， 张国跃. 基于 PIC 单片机的六足机器人制作. 机器人技术与应用， 2003，6：29-32. 4 王沫楠， 孟庆鑫. 基于 DSP 的仿生机器蟹多关节控制系统的实现. 电子技术应用， 2003，9：28-30. 5 杜爱林， 徐猛华. 基于 PIC 单片机的六足机器人的协调控制. 计算机与自动化技术， 2004，30(7)：70-71. 6 陈学东， 周明浩， 孙 翊等. 模块化多足步行机器人的运动控制系统研究. 中国机械工程，2006，17(10)：1071-1073. 7 储 忠. 六足仿生机器人的运动步态研究与控制系统设计. 合肥：合肥工业大学，2007. 8 王 倩. 六足仿生机器人步态规划与控制系统研制. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007. 9 雷永锋， 卢博友，孙莉莉等. 基于 ARM 的仿生六足机器人研究. 微型计算机信息，2008，11：217-218. 10 罗孝龙，罗庆生，韩宝玲等. 仿生六足机器人多电机控制系统的研究与设计. 计算机测量与控制，2008，16(4)：491-493. 11 D. 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