仿生六足机器人立项报告

1、编号：哈尔滨工业大学机电工程学院基于项目学习的仿生机器人大赛项目申请书项目名称： 六足仿生机器人 项目负责人： 学号： 联系电话： 电子邮箱： 院系及专业： 机电工程学院 指导教师： 职称： 联系电话： 电子邮箱： 院系及专业： 机电工程学院 哈尔滨工业大学机电工程学院制表填表日期：2014年4月8日项目名称： 六足仿生机器人 一、课题组成员：姓名性别专业方向班级学号本人签字二、指导教师意见： 签 名： 年 月 日三、学院专家组意见： 组长签名： （ 盖 章 ） 年 月 日四、立项报告1、项目简介 本项目围绕六足仿生机器人的前沿技术，主要仿生对象为蚂蚁，主要实现机器人前后左右移动，具有良好仿生

2、特性，研究具有抗冲击性以及地形适应能力的仿生机构设计技术，六足仿生机器人系统模型；研究六足机器人适应不同地形环境的能力。研制系统设计与仿真等核心单元。研制高速、高负载能力、对典型非结构化地形具有高适应能力的六足仿生机器人，并开展系统结构、地形适应能力以及抗扰动控制实验验证。2、立项背景人们对机器人的幻想与追求已有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。1959年，第一台工业机器人在美国诞生，近几十年，各种用途的机器人相继问世，使人类的许多梦想变成了现实。随着机器人工作环境和工作任务的复杂化，要求机器人具有更高的运动灵活性和在特殊未知环境的适应性，机器人简单

3、的轮子和履带的移动机构已不能适应多变复杂的环境要求。在仿生技术、控制技术和制造技术不断发展的今天，各种各样的仿生机器人相继被研制出来，仿生机器人已经成为机器人家族中的重要成员。美国、日本、德国、英国、法国等国家都开展了蛇形机器人的研究，并研制出许多样机。日本东京大学的hirose教授从仿生学的角度，在1972年研制了第一台蛇形机器人样机。美国卡内基-梅隆大学近日研究出一种可以攀爬管道的蛇形机器人，这种蛇形机器人大部分由轻质的铝或塑料组成，最大也只有成人手臂大小。机器人配有摄像机和电子传感器，可以接受遥控指挥。蛇形机器人可以成功上下一根塑料管道，并可以跨越废墟碎片间的巨大空隙以及在草丛中来去自由

4、。让蛇形机器人在坍塌废墟中穿梭，能更快地找到幸存者，为灾难救援工作带来了技术突破。在国内，上海交通大学、中科院沈阳自动化研究所、国防科技大学等单位相继研制出了蛇形机器人样机。通过参加本次活动，我们能够学会对单片机的应用，加深对机械原理知识的理解，增强动手能力及团队协作能力，为将来进一步学习机械相关知识打下良好基础。 对于六足仿生机器人，在美国国防部高级计划研究署的资助下，bostondynamic公司与美国宾夕法尼亚大学、卡内基-梅隆大学、加州大学伯克利分校。斯坦福大学以及路易斯-克拉克大学共同开发的六足仿生机器人于2008年面世。这款机器人长约25厘米，重约2千克，爬行速度为0.3米/秒。每

5、条腿均由两个马达驱动，由多个感应器来探测周围的环境并由内置的电脑分析后发布指令来控制每条腿的动作。它可以以非常协调的动作攀爬墙壁、树木等垂直的平面，而且能够根据不同的弧度做出不同的动作以保持平衡，就像是一只慢速爬行的壁虎一样。3、项目方案3.1机器人功能介绍可实现前进后退转弯等基本动作，对小障碍物越过、大障碍物绕开，具有遥控模式，可通过无线装置无线控制。3.2机器人机械结构3.2.1舵机在仿生机器人中的应用：舵机具有以下一些特点： 1) 体积紧凑，便于安装； 2) 输出力矩大，稳定性好； 3) 控制简单，便于和数字系统接口。图3.2.1正是因为舵机有很多优点，所以，现在不仅仅应用在航模运动中，

6、已经扩展到各种机电产品中来，在机器人控制中应用更是越来越广泛。一个仿生机器人，机器人各个关节都有一定的自由度数，而每个舵机正是实现其中一个个关节在一个自由度上的运动。这样，机器人有几个自由度，一般就需要几个舵机。考虑到六足机器人需要实现前进，后退，转弯等功能，每条腿至少需要3个自由度即需要三个舵机控制它的活动。腿与躯干部分需要两个舵机，膝关节处一个。参考图片如图所示。3.2.2躯干部分使用的材料-有机玻璃有机玻璃又叫亚克力， 这种高分子透明材料的化学名称叫聚甲基丙烯酸甲酯，英文简称pmma，是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的。特点是表面光滑、色彩艳丽，比重小，强度较大，耐腐蚀，耐湿，耐晒，绝缘性能好

7、，隔声性好适合做航模机器人等3.3机器人控制系统开发机器人有了主体结构和机械结构以后，要想让它真正动起来以实现预期的功能，必须要有控制系统。控制系统是机器人的中枢神经，所有想要实现的功能和指令都要通过它来控制机器人的各个伺服机构做出相应的动作，而传感器测量到的数据都要传输到控制系统进行处理。所以说控制系统的开发是机器人开发的核心。可以说一个机器人的好坏很大程度上取决于控制系统和控制算法设计的好坏。3.3.1 开发工具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)。对arduino的编程是利用 arduino编程

8、语言 (基于 wiring)和arduino开发环境(based on processing)来实现的。基于arduino的项目，可以只包含arduino，也可以包含arduino和其他一些在pc上运行的软件，他们之间进行通信 (比如 flash, processing, maxmsp)来实现。使用arduino开发有很多优势：开放源代码的电路图设计，程序开发接口免费下载，也可依个人需求自己修改。使用低价格的微处理控制器(avr系列控制器)，可以采用usb接口供电，不需外接电源，也可以使用外部9vdc输入；arduino支持isp在线烧，可以将新的“bootloader”固件烧入avr芯片；有

9、了bootloader之后，可以通过串口或者usb to rs232线更新固件；支持多种互动程序，如：flash、max/msp、vvvv。图3.3.1 为arduino开发板图3.3.13.3.2 控制系统原理设计系统控制对象为：伺服电机（或舵机）、电机控制器。它们的控制关系为递进关系。首先系统软件控制串口发送控制字节到伺服电机控制器，伺服电机控制器发出pwm信号到伺服电机，伺服电机根据驱动信号运转相应的角度。为实现六足机器人的避障功能，必须要有传感器来感知障碍物的距离。具备这种功能的如超声波传感器，和红外线距离传感器。传感器通过模拟接口将数据送到控制板中，控制芯片在对信号进行处理，从而做出

10、相应的反应，并将动作信号通过pwm接口传送到电机控制板中，控制舵机做出相应的动作。通讯功能要通过专门的通讯模块来实现比如gsm模块，bluetooth模块，wifi模块等，控制器的信号通过通讯模块传输到控制板中，从而对机器人的姿态进行无线控制。3.3.3 控制算法开发arduino 语言是建立在 c/c+基础上的，其实也就是基础的 c 语言，使用平台提供的开发软件arduino ide进行开发。arduino 语言只不过把 avr 单片机（微控制器）相关的一些寄存器参数设置等都函数化了，不用我们去了解他的底层，让不太了解 avr 单片机（微控制器）的人也能轻松上手。由于arduino芯片中已经

11、烧录了bootloader程序，所以编写好的程序不需要连接器可以直接通过usb接口烧录到芯片中非常方便。4、特色与创新六足机器人机动性好，灵活度高，适应能力强。5、小组成员分工每个小组成员在各个方面都有参与，主要分工如下：许修宇：学习单片机，c语言。机械机构设计张高鹏：学习单片机，c语言。选择材料，程序编写及其调试。邓振强：学习单片机，c语言。零件图纸绘制。刘宇超：学习单片机，c语言。步态规划，三维建模。游贤遇：学习单片机，c语言。采购零件及加工。6、进度安排4月-完成方案设计，三维建模，步态规划，图纸绘制。5月-主要实现完成机械部分方案的优化，材料部件的选取。单片机的学习，程序的编写。6月-确定最终方案，完成机器人的零件加工。7月-组装调试，完成最终优化工作。7、中期目标及考核方式中期目标主要实现完成机械部分方案的设计及优化，完成零件图绘制，步态规划，材料部件的选取。单片机的学习，程序的编写，零件的加工。8、制作费用 单位：元序号名称型号数量单价合计备注1.舵机18254502.arduino套件12802803.面包板1884.舵机控制器1909