毕业论文-基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究

基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究AbstractInordertoavoidtheinjuryofhumanbodyfrombadworkingenvironmentortoconductsomeworkwhichisdifficulttocomplete,itisanimportantapproachtoemploybudgingrobots.Budgingrobotscanbedividedintodifferentkindsaccordingtothewaysofmoving,includingwheeltypebudgingsrobotandpedrailtypebudgingrobotsandmulti-feetbudgingrobotsinadditiontospecialtypebudgingrobots,inwhichthepodbudingofmulti-feetbudgingrobothasuniqueadvantagescomparedwithwheeltypebudgingrobotsandpedrailtypebudgingrobots.TheresearchontheLegtyperobothasbecomeaneye-catchingoneinthefieldofrobotstudyforvariousreasons.Firstly,Legtyperobotstakeonniceadaptibilitytoruggedroadsurface;Secondly,thestandingpointofLegtypeisdispersal.TheaboveabilitiesenablesLegtyperobotswalkfreelybecauseitcanchoosethesupportingspotstrictlyincludingintheextremelyanomaloussurface.Whatismore,Legtyperobotscankeepfuselageonpossessinghighstabilitybecauseoftheabilityofinitiativeseparatingshocksandtheabilitytoallowthecontrailoffuselagemotionandthecontrailoffeetmotionindifferentways.Thepaperanalyzesthemechanicalstructureofhexapodbionicrobots,thencomestolocatevectorexpressionaboutdifferentgaitofrobotsincludingitsgaitstabilitybasedontheanalysisofrobotmovementgait,thelayoutaboutwalkinggaitsintypicalstraightlinesandswervinggaitsonaspecificpoint.Cruiseautonomouslybythefactthatinfraredsensorhascometrueultimatelymoving.Keywords:Sixfeet,structure,stepstate,cruiseII基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究目录第一章绪论.11.1选题背景.11.2研究意义.11.3步行机器人的国内外研究现状.21.3.1国外研究现状.21.3.2国内研究现状.81.4研究的基本内容，拟解决的主要问题.101.4.1研究基本内容.101.4.2拟解决主要问题.101.4.3研究步骤、方法.11第二章总体方案设计.122.1关于UP-STAR.122.2目标分析与计划.132.3机器人的结构设计.142.4六足行走的基本步态前进，后退.182.4.1几何学步态描述.182.4.2行走动作规划.202.5传感器.26第三章控制系统.283.1控制器.283.1.1功能概述.283.1.2控制器配置.283.2程序设计.293.2.1新建工程.293.2.2调试并设置各个关节的角度.323.2.3程序设计思路.33第四章总结与展望.364.1总结.36III基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究4.2展望.36参考文献.38致谢.40附录-自主巡航六足机器人程序.41声明.68IV基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究第一章绪论1.1选题背景当代机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业扩展到航空航天探索、军事侦察攻击、水下地下管道检测、疾病检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业。未来的机器人将在人类不能或难以到达的已知或未知环境里为人类工作。人们要求机器人不仅适应原来结构化、已知的环境,更要适应未来发展中的非结构化的、未知的环境，这就要机器人具有很强的自主运动能力及生存能力。灵活的移动能力是机器人在很多应用场合所需要的重要能力。为完成任务，常常要机器人能够到达到人类无法到达的区域进行侦查、探测、攻击、干扰等行动，需要移动能力给予保证。目前移动机器人中轮式或履带式移动方式已获得广泛的应用，但是足式移动方式具有相对轮式和履带式移动方式所特有的优点1：(1)足运动方式有较好的机动性，即具有较好的对不平地面的适应能力。足运动方式的立足点是离散的，可以在可能达到的地面上最优地选择支撑点，足运动系统还可以通过松软地面(如沼泽沙漠等)以及跨越较大的障碍(如沟，坎等)。(2)足运动系统可以有主动隔振，即允许机身运动轨迹与足运动轨迹解耦。尽管地面高低不平，机身运动仍可相当平稳。(3)足运动系统在不平或松散地面上的运动速度较高，而能耗较小。从生物机械工程、传感机制和复杂测算方面来看，人和动物的动作是很值得研究的。另外探讨动物运动控制机理的一种方法就是研制步行机器。由于动物和步行机需要完成相同的任务，他们的控制系统和机械结构必须能够解决类似的问题。通过对步行机研究，能更好的理解这些问题，并得到可能的答案，而且在建立假肢模型和试验装置方面，步行机的作用更不可低估。1.2研究意义为了避免恶劣的工作环境对人体的伤害，从事一些人体本身难以完成的工作，使用移动机器人实现工作目标是一条重要的途径。移动机器人根据其移动方式可分为:轮式移动机器人、履带式移动机器人、多1基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究足移动机器人和特种移动机器人，其中多足移动机器人采用的足式移动方式与轮式及履带式移动方式相比具有独特的优势。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己成为机器人学中一个引人注目的研究领域。1.3步行机器人的国内外研究现状实用步行机的研制有赖于科学和工程技术的进步。步行机需要有多个子系统才能完成诸如关节运动的产生、足运动先后顺序的安排、平衡监视和实现、障碍的回避与克服等，其中许多规律是人们所不了了解或不完全了解的，尽管研究者们已经得到了很多有用的结论。1.3.1国外研究现状对移动机器人的专门研究始于60年代末期。斯坦福研究院(SRI)的NilsNilssen和CharlesRosen等人在1966年至1972年中研制出了名为Shakey的自主移动机器人，用于应用人工智能技术在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制的研究。与此同时,最早的操作式步行机器人也研制成功,美国的Shigley和Baldwin都使用凸轮连杆机构设计了机动的步行车，但由于技术水平限制，所设计的步行机效率低而且对地面的适应性也差，从而开始了机器人步行机构方面的研究,以解决机器人在不规则环境中的运动问题。这一阶段比较典型的是美国的Mosher于1968年设计的四足车“WalkingTruck”2，如图1-1所示，步行车的四条腿由液压伺服马达系统驱动，安装在驾驶员手臂和脚上的位置传感器完成位置检测功能。虽然整机操作比较费力，但实现了步行及爬越障碍的功能，被视为是现代步行机发展史上的一个里程碑。但从步态规划及控制的角度来说，这种要人跟随操纵的步行机并没有体现步行机器人的实质性意义，只能算作是人操作的机械移动装置。2基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究图1-1四足车WalkingTruck随着电子技术发展，计算机性能的提高，使多足步行机器人技术进入了基于计算机控制的发展阶段。其中有代表性的研究为：1977年，RobertMcGhee在俄亥俄州立大学研制的似昆虫的六足机器人。其采用多种标准步态行走、转弯、侧移及跨越较小的障碍物，计算机的任务为对机器人运动学进行计算以协调产生驱动的18个电机，从而保证机器人的质心落在支撑多边形内；为更好的适应地形在以后的发展中又为其增加了力传感器和视觉传感器。Hirose根据他研制机器蛇的经验，设计了采用三维缩放式腿部机构并搭建了一个小型四足机器人；由于该机构把驱动运动直接转化为笛卡尔坐标系下的运动，从而大大减轻了计算机的计算量，而且由于运动过程中驱动只做正功，因此该机器人具有较高的效率。1985年，RobertMcGhee研制了一台更先进的试验样机适应性主动隔振步行机(AdaptiveSuspensionVehicle，简称ASV,如图1-2所示3。ASV是监控式步行机，它携带一名提供监控级命令的操作者，其中使用了与自治式动相同的那些机械技术和控制技术，但操作者不直接对驱动电机进行控制，而是通过控制杆和键控盒输入指令来控制机器人产生相关动作。1983年，Odetics公司推出的六足机器人Odex1，如图1-3所示，把六条腿均匀分布在一个圆形框架上，可方便的实现全方位运动，而且能够通过对形3基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究体的重构改变机器人的形状，是对传统的长方形框架六足步行机的挑战4。麻省理工的Raibert利用相对自由度数较少的简单腿部机构建造了一些机器人，利用简单的控制，这些机器人能够实现走、跑、跳等动作，实现主动平衡，如图1-4所示5。1993年,美国卡内基-梅隆大学开发出有缆的八足步行机器人DANTE，如图1-5所示,用于对南极的埃里伯斯火山进行了考察，其结构由2个独立的框架构成。这一阶段研究的重点在于机器人的运动机构的设计、机器人的步态生成与规划及传统的控制方法在机器人行走运动控制过程的应用6。BostonDynamics公司的BigDog四足机器人用于为军队运输装备，其高3英尺，重165磅，可以以3.3英里的速度行进，其采用汽油动力。图1-2AdaptiveSuspensionVehicle4基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究图1-3Odex1步行机器人图1-4MIT腿部实验室的四足和双足机器人5基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究图1-5DANTE步行机器人由于新的材料的发现、智能控制技术的发展、对步行机器人运动学、动力学高效建模方法的提出以及生物学知识的增长促使了步行机器人向模仿生物的方向发展。2000年美国研制出六足仿生步行机器人Biobot，如图1-6所示,采用气动人工肌肉的方式驱动,压缩空气由步行机上部的管子传输,并由气动作动器驱动各关节,使用独特的机构来模仿肌肉的特性。与电机驱动相比,该作动器能提供更大的力和更高的速度，使机器人像昆虫那样在凸凹不平地面上仍能高速和灵活步行7。20002003年，日本的木村浩等又研制成功四足步行机器人Tekken8，如图1-7所示，其采用基于神经振荡子模型的CPG控制器和反射机制构成的控制系统，其中CPG用于生成机体和四条腿的节律运动，而反射机制通过传感器信号的反馈，来6基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究改变CPG的周期和相位输出,Tekken具有中等不规则表面的自适应步行能力。加拿大McGill大学的MartinBuehler本着“功能仿真”的目的，利用电动机作为驱动研制了ScoutI、ScoutII四足步行机器人和RHex六足机器人，如图1-8所示，虽然这类机器人的每个腿中具有较少自由度但能实现行走、转弯、侧向行走和上下台阶等运动9。图1-6Biobot六足机械虫图1-7Tekken四足机器人7基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究图1-8ScoutI、ScoutII四足步行机器人和RHex六足机器人1.3.2国内研究现状我国步行机器人的研究开始较晚，真正开始是在上世纪80年代初。1980年，中国科学院长春光学精密机械研究所采用平行四边形和凸轮机构研制出一台八足螃蟹式步行机,主要用于海底探测作业,并做了越障、爬坡和通过沼泽地的试验。1989年，北京航空航天大学孙汉旭博士进行了四足步行机的研究，试制成功一台四足步行机，并进行了步行实验；钱晋武博士对地、壁两用六足步行机器人进行了步态和运动学方面的研究1。1991年，上海交通大学马培荪等研制出JTUWM系列四足步行机器人，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，如图1-9所示。2002年上海交通大学的颜国正、徐小云等进行微型六足仿生机器人的研究，如图1-10所示10，该步行机器人外形尺寸为：长30mm、宽40mm、高20mm，质量仅为6.3g，步行速度为3mm/s。此外还有清华大学开发的DTWN框架式双三足机器人，如图1-11所示11；华中科技大学研制了“4+2”多足步行机器人和MiniQuad多足步行机器人，如图1-12所示12，同时对多足步行机器人的运动规划与控制，以及机器人的腿、臂功能融合和模块化实现的控制体系及其设计进行了研究。8基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究图1-9JTUWM-III四足步行机器人图1-10微型六足仿生机器人图1-11DTWN整体结构图9基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究图1-12“4+2”多足步行机器人1.4研究的基本内容，拟解决的主要问题1.4.1研究基本内容基于最新的UP-STAR创意之星机器人套件为基础设计符合我们设想的机器人。本课题主要研究内容为：对一种具有直线行走、转弯基本运动能力的仿生机器人进行机械机构设计、运动步态设计、运动学分析、动力学分析与仿真、实验论证等。具体如下：(1)设计一种能符合步行机行走时对其足端轨迹的要求腿部机构，确定腿部机构后对仿生虫的动力传动路线进行设计，给出仿生虫整体结构图。(2)对设计的腿部机构进行运动学分析，得到在运动过程中该机构是否存在速度或加速度突变；对仿生虫整体的运动学进行分析。(3)对所设计的仿生虫腿部结构在其运动过程中是否经过奇异位置等特殊位置进行了研究，其方法对判断复杂机构的特殊位置提供了参考。(4)设计仿生虫的直线前进和转弯步态来实现步行机的直线运动和转弯运动。1.4.2拟解决主要问题（1）六足机器人的结构模型，具体结构设计方案的制定与实施。（2）六足机器人的几何学步态研究，如何协调六足的运动关系，使之平稳的10基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究行走。（3）解决机器人的自主巡航问题，定位系统与视频识别技术的结合。1.4.3研究步骤、方法（1）提出设想，基于最新的UP-STAR创意之星机器人套件为基础，以自行设计的六足仿生机器人为研究对象，分析其机械结构，按照“六足纲”昆虫的运动原理，进行步态分析，确定机器人的步态规划。（2）分析适合机器人行走的运动步态形式，规划典型直线行走步态和定点转弯步态，确定步态规划中每种状态的机器人足端位置矢量，进行机器人稳定性分析。（3）根据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，设计六足仿生机器人控制系统，确定对机器人腿部十八个舵机的控制方案，使机器人根据目的地的方位，实现不同步态的控制策略。（4）完成六足仿生机器人控制系统的硬件设计和软件设计。（5）按照设计方案安装及调试机器人。（6）维护及完善机器人方11基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究第二章总体方案设计2.1关于UP-STARUP-STAR创意之星机器人套件介绍：博创科技刚刚推出了最新的UP-STAR创意之星机器人套件产品，以替换上一代“创意之星”产品。该套件是一套用于开展机器人创新实验的模块化机器人套件，分为入门版、标准版和高级版。图2-1创意之星四足机器人创意之星机器人套件的总体特点类似LEGOMindstormsNXT套件，都是具备多种基本“积木”构件的模块化零件套装，包括多种数百个结构零件，一个控制器，多个电机、舵机执行器，多种传感器，以及电池、电缆等附件。用这些“积木”可以搭建出各种发挥想象力的机器人模型来，如图2-1所示的四足机器人。与LEGOMindstormsNXT套件不同的是，“创意之星”机器人套件主要为创作机器人而设计。具备32位533MHz的处理器，可处理视频、语音、大容量存储；支持最多254个CDS5500总线式舵机（也可作减速电机使用，指令兼容Robotis12基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究的DynamixelAX12+），并同时具备多个I/O和A/D转换器，以及USB、Wi-Fi等端口。另外，机器人的结构件和创新的连接方式专为创作机器人而设计，连接刚度和结构强度不逊色于铝合金构件，并且连接非常方便。这样的一套机器人套件可以搭建出无数种机器人构型！“创意之星”机器人套件配有构型搭建指南和机器人实验指导书等文档，并提供所有构件的3D模型，以及20多种典型构型的装配体3D模型，便于用户学习和搭建虚拟样机。实验指导书通过多种典型的机器人构型及其控制系统搭建范例，由浅入深的指引学生搭建机器人结构并学习传感、执行、控制原理和应用，学习机器人控制算法，发挥创造力，搭建出独特的机器人样机。“创意之星”机器人套件具有多种开发方式。初学者可以使用流程图编程软件来给机器人编程；高级用户则可以使用C语言来编程，3D仿真工具来设计机器人行为，具有极高的透明度和灵活性。在标准版和高级版两个版本中，还提供MultiFLEX2控制卡的电路图和参考源程序，以便学生用C语言编写复杂的机器人程序，也可制作自己的机器人控制器。用户可以根据我们提供的技术资料搭建3D虚拟样机、开发自己的机器人控制卡、传感器等等，经由模仿，走向自主创新！2.2目标分析与计划我们要设计一个有足移动机器人。有足移动机器人无论是在研究领域还是在应用领域进来都非常的热。主要是因为，有足移动机器人不仅能够像传统的轮式机器人那样在平地上进行运动，更能够在不平整，甚至是坑洼的地表进行运动。在真实的行走任务中，它的优势可见一斑！在有足机器人领域，不同的设计主要有以下几个方面：足部数量，足部构型，步态规划等。我们要设计的是一个六足机械，每个足上有三个驱动关节，这样总共是一个有18个电机的控制系统，可见控制器的使用串行总线协议是非常强劲的。在非人语音控制下，机器人能够根据红外传感器测得的前方障碍信息进行避障；在人语音控制下，机器人能够按照人的指令，进行前进后退转向跳舞等动作。为了实现该设计，首先需要将三自由度的腿设计好。之后，需要将腿与身体连接好。然后，需要一个可旋转的红外线传感器（IR）安装在机器人的头部。在构型13基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究搭建好了之后，需要对步态进行规划，我们选择自由式步态（freegait），这样能够使机器人的行走适应性更好。当所有基本设计都实现了之后，实现语音控制就水到渠成了！2.3机器人的结构设计为了机器人能够自由灵活的移动我们设计了三自由度足部连接的方式，使其行走方式类似于爬虫，如图2-2所示。机器人整体仿蜘蛛型，六条腿均匀分散在身体周围，如图2-3所示；为了使机器人有避障功能，我们添加了红外传感器，如图2-4所示；机器人的整体站立图如图2-5所示。图2-2三自由度足部连接图2-3足与身机构连接14基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究图2-4可旋转红外线接收器图2-5机器人整体示图关于舵机的选择（1）产品特性proMOTIONCDS系列机器人舵机属于一种集电机、伺服驱劢、总线式通讯接口为一体的集成伺服单元，主要用于微型机器人的关节、轮子、履带驱劢，也可用于其他简单位置控制场合13。CDS5500的特点如下所示：15基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究大扭矩：16Kgfcm；高转速：最高0.16s/60输出转速；宽电压范围供电DC6.8V14V；0.32位置分辨率；双端安装方式，适合安装在机器人关节；高精度全金属齿轮组，双滚珠轰承；连接处O型环密封，防尘防溅水；位置伺服控制模式下转劢范围0-300；可设置为电机模式整周旋转，开环调速；总线连接，理论可串联254个单元；高达1M通讯波特率；0.25KHz的伺服更新率；兼容obotisDynamixel通讯协议；具备位置、温度、速度、电压反馈（2）结构尺寸舵机的结构CAD图如图2-6所示。图2-6舵机的结构图（3）舵机通讯方式CDS55xx采用异步串行总线通讯方式，理论多至254个机器人舵机可以通过总线组成链型，通过UART异步串行接口统一控制。每个舵机可以设定丌同的节点地址，多个舵机可以统一运劢也可以单个独立控制。CDS5500的通讯指令集开放，通过异步串行接口不用户的上位机(控制器戒PC机)通讯，您可对其迚行参数设置、功能控制。通过异步串行接口収送指令，CDS5500可以设置为电机控制模式戒位置控制模式。在电机控制模式下，CDS5500可以作为直流减速电机使用，速度可调；在位置控制模式下，CDS5500拥有0-300的转劢范16基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究围，在此范围内具备精确位置控制性能，速度可调。只要符合协议的半双工UART异步串行接口都可以和CDS5500迚行通讯，对CDS5500迚行各种控制。主要有两种形式如图2-7所示：图2-7CDS5500控制图方式1：通过调试器控制CDS5500PC机会将调试器识别为串口设备，上位机软件通过串口収出符合协议格式的数据包，经调试器转収给CDS5500。CDS5500会执行数据包的指令，并丏返回应答数据包。RobotServoTerminal是博创推荐调试软件，也可根据本手册提供的协议设计与用的PC端软件。方式2：通过专用控制器控制CDS5500方式1可以快捷地调试CDS系列机器人舵机、修改各种性能不功能参数。但是，这种方式离丌开PC机，丌能搭建独立的机器人构型。我们可以设计与用的控制器，通过控制器的UART端口控制舵机。值得注意的是，由于CDS5500工作在舵机模式时，测量角度是0-300，中位为150。我们在搭建构型的时候，尽量让机器人各个关节的初始位置保持在“中位”。在搭建构型时，需要先将CDS5500上电，让舵机轴转动的中位。再按照步态设计的需要将CDS5500和其它的结构件组装起来。这样能够保证舵机驱动的有效范围，避免随意装配舵机导致其可运动范围不能满足运动的需求。17基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究2.4六足行走的基本步态前进，后退2.4.1几何学步态描述我的设计中，六足呈辐射状均匀分布的14，为了使得行走平稳对称，间隔的三条腿一组，两组腿循环往复地做行走的循环，以达到行进的目标。以向前行进为例，机器人着地腿将带动身体向前运动。由于一组腿之间相差120度的缘故，要尽量将每个腿在地面带动身体时的轨迹规划在与机器人前进方向平行的直线上，这样才能使机器人比较稳定地行进15。设计思想机器人持续行进要两组腿的配合，为了保证六足机器人行走的平稳性，我们将135定为一组腿，246定为一组腿，如图2-8所示。图2-8机器人腿部分组在这个进行步态的规划中，需要理论的分析与实验辅助相结合的方式。建立Excel表格18基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究由于控制六足机器人的舵机很多，一共有18个，而分解出来的动作姿态更是很复杂，所以，一个直观而简洁的Excel表格是非常必要的，它可以帮我们理清思路，并且为以后的调试提供极大的方便。以行走姿态为例，Excel表格可以如图2-9所示：横行为动作分解，每一个动作可以分解为多个位置，此表格就是将前进动作分解成为抬腿，迈腿，放腿，行进中位，收腿这几部分16图2-9行走姿态表其中，横行为动作分解，每一个动作可以分解为多个位置，在控制时，只要告诉舵机每个位置的数值就可以了。此表格就是将前进动作分解成为抬腿，迈腿，放腿，行进中位，收腿这几部分，竖行为舵机号，六足机器人有18个舵机控制，A列即为1-18号舵机的编号。另外需要说明的是，此处的数值并不通用于所有的按照本设计搭出的六足机器人。因为每个机器人安装时的站立姿态所对应的舵机数值时完全不同的，而之后的所有数据都是以站立姿态数值为基础计算出来的，所以，当你搭出一台六足机器人后，需要按照我们后边的步骤一步一步的确定这台机器人各个姿态的数值。下面我们就一步一步的讲解如何确定各种姿态的舵机数值：直立位置19基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究图2-10站立姿态站立时，六条腿共同支撑，保持重心的稳定，如图2-10所示。我们用手将机器人的战力姿态摆好，然后应用northstar记录下站立姿态时的各舵机数据，填入Excel表格中。2.4.2行走动作规划为了使控制器实现机器人持续不断的向前行走，需要将行走的步态动作进行分解，并设计一个执行循环。对于我们的六足机器人，根据之前的步态描述，我们可以将向前行进一次的循环用图2.11的状态框图进行描述：20基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究图2-11状态框图在六足机器人行走过程中，最重要的一个性能体现就是它的平稳性。为了保证这个性能，就要注意行走过程中机器人重心的位置。我们将两组腿交替行走的配合方式设置成如下状态，这两组腿的流程一样，但应该正好相差半次循环的位置。如图2-12所示：图2-12两组腿交替行走具体的重心位置如图2-13图2-14示意：21基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究图2-13135迈腿246收腿图2-14246迈腿135收腿由于每组腿着地时都是三足共同支撑，要保证行走时的平稳性，需要保证三足22基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究的足尖部（即与地面接触部位）轨迹尽量相同。为此，我们利用AutoCAD进行了简单的步态规划，以一组腿为例，规划图简略示意如图2-15所示：（以135腿为例）图2-15135腿步态规划下面我们就一步一步的完成每一个动作的舵机数值确定：抬腿抬腿动作是指246腿支撑动作不变，135腿原地抬起，以便进行后续迈步动作。抬腿动作的实现，只需要第二关节舵机转动即可实现。由于此结构设计存在最大转动角度的限制问题，所以在进行确定舵机数值的运算时，我们首先利用NorthStar确定出舵机可以转动的最大数值，之后设定出每个腿抬腿后的第二关节数值。迈腿迈腿动作是指135腿在空中前移，摆好动作准备落地。与抬腿动作正相反，迈腿动作中，第二关节舵机完全不变，由根部舵机控制前移动作，同时搭配足尖部舵机控制足部摆好落地姿态。迈腿动作中，每条腿足跟部舵机和足尖部舵机需要互相配合，才可以使足尖达到预定位置。预定位置的确定需要参照我们之前提到过的AutoCAD图。图中，由站立位置到落地位置的角度可以直接读出，再通过换算，即可获得舵机的转动差值。AutoCAD图如图2-16所示：23基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究图2-16135迈腿其中，红色线段为腿着地点的轨迹，绿色线段为腿部转动的距离。下面我们一步步的介绍各腿迈腿动作的实现方法。如图2-17所示，我们首先进行3号腿的动作为例：图2-173号腿动作位置图中所示为3号腿的位置对应着AutoCAD图中的位置。图中包含了3号腿的俯视图和侧视图。俯视图用于指导足跟部舵机的转动，侧视图用于指导足尖部舵机的转动。通过这幅图，我们就可以清楚的测量出3号腿各位置变化时的角度差，通过公式：数值=度数1023/300即可计算出舵机的数值差。同理，可以确定1号腿和5号腿的舵机转动差。1号腿和5号腿的投影方法稍24基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究有变化，如图2-18所示：图2-181号腿和5号腿的投影当知道了舵机的转动差后，与之前舵机位置数值叠加或相减，就可以确定出新位置的舵机数值。整理到Excel表格中，以方便以后调试。放腿放腿与抬腿相似，只需要变换第二关节即可，将第二关节恢复到站立姿态时即可。行进中位为了保证足部行进路线的准确性，我们将足部接触地借助地面摩擦行进这一动作分解成了两部分。所以，设置了一个行进中位。如果想要更精确的控制腿部姿态，使腿部走直线，就可以在接触地面这一过程中多设置几个位置。具体数值获得方法与迈腿类似，根据AutoCAD图中的转动角度来控制舵机的转动差值。收腿收腿指的由行进中位继续往后蹬腿，一直到蹬腿结束即将再次抬腿这一动作。这一动作中，第二关节不用转动，需要足跟部舵机和足尖部舵机共同作用来达到指定位置。位置的确定与迈腿类似，通过AutoCAD图来看转动角度，然后换算成舵机转动差值。25基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究收腿之后，继续进行下一轮的运动。2.5传感器红外传感器的工作原理：（1）待侧目标根据待侧目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。（2）大气衰减待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。（3）光学接收器它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。（4）辐射调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。（5）红外探测器这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。（6）探测器制冷器由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。（7）信号处理系统。将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。（8）显示设备。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。依照上面的流程，红外系统就可以完成相应的物理量的测量。红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器26基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究两大类。下面以热探测器为例子来分析探测器的原理。热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。图2-19可旋转红外线接收器红外传感器已经在现代化的生产实践中发挥着它的巨大作用，随着探测设备和其他部分的技术的提高，红外传感器能够拥有更多的性能和更好的灵敏度。所以本次设计我们也用红外传感器来作为机器人的眼睛，检测障碍，如图2-19所示。27基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究第三章控制系统3.1控制器MltiFLEX2-AVR控制器介绍：MultiFLEX2-AVR控制器是一款小型机器人通用控制器。控制器采用AVR系列ATmega128单片机作为主处理器。ATmega128能够运行在16MHz的频率下，对于轻量级的自劢控制系统而言有足够的数据处理能力。MultiFLEX2-AVR控制器可以处理IO、AD和总线数据，控制R/C舵机、数字舵机，是构建小型机器人的最佳选择。3.1.1功能概述MultiFLEX2-AVR控制器功能高度集成，具有12路IO、8路10位精度的AD接口，能够控制R/C舵机、机器人舵机，具有RS-232接口和RS-422总线接口，足以胜任常觃机器人控制；MultiFLEX2-AVR控制器开収简单，使用配套的图形化集成开収环境NorthStar，您只需编写程序逡辑流程图，程序就能够自劢生成C代码，编译后下载到控制器后就可实现控制器的各种控制功能。此外，控制器也支持AVRStudio，Eclipse等IDE开収环境。我们为MultiFLEX2-AVR控制器编写了功能完善的服务程序模板，并将所有功能凼数做了封装，提供方便调用的API接口，如果您熟悉C诧言，就可以直接调用返些凼数接口编写程序，丌用费心编写调试单片机底层程序17，将注意力放在机器人上层控制算法上。3.1.2控制器配置对照图3-1，MultiFLEX2-AVR控制器配置如下：主处理器：ATmega12816MHz，协处理器：ATmega816MHz；6个机器人舵机接口，完全兼容RobotisDynamixelAX12+；8个R/C舵机接口；12个TTL电平的双向I/O口，GND/VCC/SIG三线制；8个AD转换器接口（05V）；2个RS-422总线接口(可挂接1-127个422设备)；1个无源蜂鸣器；通过RS-232不上位机通讯，可选无线通讯模组；使用USB接口的AVR-ISP下载调试器。28基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究图3-1MultiFLEX2-AVR控制器接口图3.2程序设计3.2.1新建工程本次设计我们用的创意之星northstar模块化编程软件。打开软件之后，我们首先要自定义工程设置，之后要设置舵机模式，进行AD通道设置和IO通道设置,如图3-23-6所示。29基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究图3-2工程设置界面图3-3舵机设置界面30基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究图3-4AD通道设置界面图3-5IO通道和模式设置界面31基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究图3-6主编程画面3.2.2调试并设置各个关节的角度：打开其中一个注释有“135抬腿246行进中位”的模块，我们看见舵机模块属性，如图3-7所示。这些角度正是通过之前的方法计算测试出来的，而速度则是根据实际效果来设置的，考虑的因素主要有行走的稳定性与速度要求等18。32基于UP-STAR自主巡航六足机器人的结构设计及几何学步态的研究图3-7舵机模块属性3.2.3程序设计思路连接并设置机器人的开始准备动作如图3-8所示。图3-8开始准