毕业设计（论文）机器爬虫运动步态策略研究

1、机器爬虫运动步态策略研究摘 要目前对于移动式机器人多采用轮式移动机构，但是在适应复杂地形时轮式机器人无法满足路况的要求，由此设计一种灵活的、行走平稳和对路况适应性强的机器人成为解决此类问题的关键。六足仿生机器人便是这种机器人的典型代表，而六足仿生机器人的步态研究对其的行走方式更是具有重要意义。硬件控制芯片采用parallax公司生产的basic stamp微控制器，利用pbasic语言设计程序，并完成机器人运动控制程序的设计。在实现数据的正常通信后，利用计算机传输给basic stamp控制器，写入程序。论文针对一个已经完成的六足仿生机器人本体，采用basic stamp微控制技术，研究了六足

2、仿生机器人运动步态的控制规律，并对其进行运动规划，在其上实现控制系统。论文主要研究了六足机器人的三角步态、四足步态走法并且提出波动步态。通过斑马线步态图可以很清楚的发现其三者之间的联系和不同，从而总结出每种步态的特点并且比较每种步态的优缺点，为后面的实验过程提供了理论依据。在实验中分别在六足机器人本体上实现了基于三角步态的直线行走、基于四足步态的直线行走、基于三角步态的右侧转弯运动和在两种步态下的负重实验。另外，三角步态中的转弯状态分析和实现较直行状态更为复杂。因为机器人有六条腿，数目比较多，所以转弯的时候每条腿的运动状态如何分配是一个难点。通过对三角步态运动特点进行仔细分析并且对六足机器人本

3、体的研究，实现了其转弯步态。 从实验结果可以看出，六足仿生机器人的运动控制具有稳定性和协调性。四足步态较三角步态负重能力更强，但是速度更慢。三角步态具有快速性和灵活性，所以适用于平坦的地面。由于四足步态具有负重能力强支撑足较多的特点所以适用于对路面平坦程度要求不高的情况下，而这恰恰是轮式机器人很难达到的。关键词：六足机器人，仿生，步态，basic stamp，伺服电机abstractcurrently, the mobile robots mostly exist in the form of multi-wheel, but to adapt to the complex terrain c

4、onditions, they are often out of expectance. for the reason of this fault, designing a new kind of robot with the characteristic of flexible, stable and adaptable, so that the problem can clearly discovered and easily resolved. as a typical representative of such robots, hexapod bio-robot regularly

5、do a good job. so it can be of great significance to research the gait of this product.the chip of hardware control system is applied by parallax inc. basic stamp microcontroller, pbasic language is used for designing process and perfecting the robot motion. after performing the normal communication

6、 of data, the computer transmits them to basic stamp controller, and then imports the procedure.under the premise of basic stamp microcontroller, the thesis research on the law of hexapod robot gait controlling which is based on an accomplished one. and then mapping out its movement, on which try to

7、 implement the controlling system. the focus of this paper is to relate tripod gait,four-leg gait of hexapod robots and put forward fluctuations gait. through the crossing gait diagram, the links and different among the three units can be clearly bring to light, accordingly, and summarize the charac

8、teristics of each type of gait and compare the advantages and disadvantages of them what can reference the following experiments. these experiments realize the straight-line walking based on tripod gait and four-legged gait, in addition, it also include the movement of turning right based on tripod

9、gait and weight-bearing experiment under both types of gaits. in particular, its more complex to analyze and realize the turning movement in the tripod gait situation than in the straight-line one. according to the large amount, it often brings trouble to study how allocate the dynamic parameters to

10、 these legs. here through careful analysis on tripod gait and comprehensive research on the hexapod robot, the turning gait will be achieved.as is shown in the experimental results, the control system of the hexapod bio-robot takes the feature of stable and coordinate. the four-leg gait does better

11、than tripod gait in the respect of weight-bearing but performs weaker in the respect of velocity. the tripod gait applies to smooth interface because of its quickness and flexibleness. on the contrary, four-leg gait can satisfy rough ground for the salient characteristic of weight-bearing, which bey

12、ond the multi-wheel robots.key words: hexapod robot, bionic, gait, basic stamp, servo motor41目 录摘 要iabstractii第一章 绪 论11.1机器人的发展背景及意义11.2六足仿生机器人11.2.1 具有代表性的六足仿生机器人11.2.2 仿生六足机器人的特点31.3课题研究的主要内容4第二章 六足机器人硬件系统52.1 机器人的结构52.2控制器与执行器62.2.1 控制器62.2.2 伺服电机7第三章 六足机器人运动步态控制研究93.1三角步态走法93.1.1 步态的基本概念93.1.2 三

13、角步态原理103.1.3 占空系数分析113.1.4 行走稳定性分析123.2四足步态、波动步态与三角步态的比较143.2.1 各种步态143.2.2 各腿的相位关系153.2.3 比较分析17第四章 六足机器人运动控制程序设计184.1六足机器人初始值设定184.2三角步态整体程序设计194.2.1 六足机器人直线正向运动程序214.2.2 六足机器人右侧转弯运动程序244.3四足步态正向直行程序设计264.4实验结果294.4.1 实验条件294.4.2 基于三角步态的直线行走实验304.4.3 基于三角步态的右侧转弯实验31第五章 结论与展望34参考文献35附 录136附 录237声 明

14、41第一章 绪 论1.1机器人的发展背景及意义随着社会的发展和科技的进步，越来越多的机电产品进入现代化生产和日常生活中，大幅度提高了社会生产力，并使我们的生活更加舒适与便捷。机器人作为20世纪出现的一个科学技术发展的代表，无疑使人们认识到科技的力量，在大量工业机器人的应用下，企业生产效率得到了明显的提升。特别是近年来智能机器人的出现，给航天、深海勘探等目前人类无法到达的地域的科学研究工作提供了全新的研究途径。机器人的发展也往往代表了一个国家的科技实力和工业化的进程。生产的需要和科学技术的发展，也使人们开始认识到生物系统成为开辟新技术的途径之一，自觉地把生物界作为各种技术思想、设计原理和创造发明

15、的源泉。人们用化学、物理学、数学以及技术模型对生物系统开展着深入的研究，促进了生物学的极大发展，对生物体内功能机理的研究也取得了迅速的进展。此时模拟生物不再是引人入胜的幻想，而成了可以实现的事实。在生物学和工程技术的结合下，人们开始将从生物界获得的知识用来改善旧的或创造新的工程技术设备。生物学开始跨入各行各业技术革新和技术革命的行列，而且首先在自动控制、航空、航海等军事部门取得了成功。于是生物学和工程技术学科结合在一起，互相渗透孕育出一门新生的科学仿生学。将机器人的研究与仿生学结合，能够充分拓展机器人的功能，使机器人在特定工作条件下能够模仿生物体的某些生理特征，适应环境的变化进而做出正确的判断

16、，使机构运动更加合理与准确。由于目前国内外研究的机器人多采用轮式移动机构，在适应复杂地形时无法满足工况的要求，而足式机器人就可以弥补这些缺点。1.2六足仿生机器人1.2.1 具有代表性的六足仿生机器人（1）早期的六足机器人 随着美国宇航总署对外太空探测计划的不断深入，迫切需要一种可以在未知复杂星球表面执行勘探任务的机器人。由于六足机器人的所具有的这方面优点，使其早在上世纪八十年代就已被列入资助研究计划。其研究成果包括八十年代末的genghis5和九十年代初的attila和hannibal。genghis（如图1.1左）是由irobot公司研制于80年代，每条腿装有两个电机，使得它可以自由行动，

17、但是因为每腿只有两个自由度，行动有些笨拙。采用递归控制结构，可以使genghis在复杂路面上行走，包括横越陡峭的地势，爬过高大的障碍，避免掉下悬崖。图1.1 genghis和attilaattila（如图1.1右）和hannibal5是由麻省理工学院的移动式遥控机械装置实验室于九十年代早期研制成功。他们是该实验室最早用于自主行星探测的机器人。他们外形相同，只在颜色上有差异，都是genghis的“后代”。它们在设计上强调模块化子系统结构，各个部分（如头部、腿部和身体）被当作独立的模块来处理。它的设计重量和尺寸受系统复杂程度的制约，为了保证其在太空运行的可靠性，采用了冗余设计：从机械角度看，六条腿

18、行走时，一旦有某条腿失效，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，以更有效地分析地形。当有传感器失效时，剩下传感器仍可以让机器正常运行。（2）九十年代中期的六足机器人 对于跨海登陆作战的部队来说，浅滩地雷是无疑是最危险也最头疼的登陆障碍，出于这点考虑，美国麻省理工大学和其下的is-robot公司得到国防部高级研究计划局的资助，研制了两代浅滩探雷机器人ariel。ariel（如图1.2左）由美国is-robots公司于1995年研制。身体配备多种传感器，对周围环境和自身状况的感知非常灵敏。并配备一套自适应软件，可对一些变化做出积极的反应。它是

19、可以完全翻转的，如果海浪将它打翻，他还可以“底朝上”的继续行走。robot ii（如图1.2右）是由case western reserve大学,机械及航天工程学院的仿生机器人实验室研制。它的控制器在场外的计算机中。步态控制器基于节肢动物腿部协调工作的机理。通过改变一个简单的速度参数，步态可以从一个缓慢的波动步态转换到快速的三足步态。通过将仿昆虫反射与步态控制器结合，它可以在复杂的路面上行走。图1.2 ariel和robot ii（3）近年完成的典型六足机器人scorpion5（如图1.3）是由美国波士顿东北大学海洋科学中心自主水下机器人研究小组和德国fraunhofer自主智能系统研究所（a

20、is）共同完成于2001年。这项工程的目标是运用集成来自行为学实验和无脊椎动物的神经生物学数据的低级行为指令，通过高级的控制模式来组成行为序列，实现复杂的行为。机器人的设计是根据来自多足节支动物的解剖学数据。其采用机器人的行走控制基于两个仿生控制元：中央模式生成元和基本运动的高级行为元。图1.3 scorpion和tarrytarry（如图1.4）由德国杜伊斯堡大学机械工程部机械学院研制，项目始于1998年。它是在前一代六足机器人tum的基础上研制的。仍然采用holk cruse教授的walknet控制结构，完善了更多的智能策略如加入腿部反射等，这使其行动很灵活。1.2.2 仿生六足机器人的特

21、点仿生机器人就是模仿自然界中生物的外部形状或某些机能的机器人系统。从本质上来讲，所谓仿生机器人就是指利用各种机、电、液、光等各种无机元器件和有机功能体相配合所组建起来的在运动机理和行为方式、感知模式和信息处理、控制协调和计算推理、能量代谢和材料结构等多方面具有高级生命形态特征从而可以在未知的非结构化环境下精确地、灵活地、可靠地、高效地完成各种复杂任务的机器人系统。六足机器人具有以下几个特点9：（1）控制结构简单。这是因为昆虫体型和行走步态比较简单，在机器人的设计过程中可以对其控制系统和行走装置进行简化。（2）行走平稳。昆虫行走时为多足支撑，可以始终保持稳定的地面支撑，所以系统比较容易实现平稳行

22、走。其三角步态行走法是基于三角型稳定性原理的一种步态，可确保昆虫稳定地行走。（3）作为行走机构的腿部的数目属于冗余设计。即使有的腿损坏无法工作，其他腿仍可以完成一定的行走。具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地面的适应能力更强。1.3课题研究的主要内容本论文主要做了以下的工作（1）对机器人的机构进行运动学分析（2）认识机器人控制系统硬件。包括主控电路的认识，舵机控制器的认识。（3）研究了仿生学的基本知识和应用于昆虫行走的三角步态，通过对其步态分析，占空系数分析、稳定性分析、转弯步态和转弯半径分析设计出六足机器人三角步态行走以及转弯的程序。提出四足步态和波动步态，并编写四足

23、步态程序和三足步态比较。（4）将所设计的控制系统软硬件在机器人本体上进行实验，对其三角步态、四足步态进行验证。第二章 六足机器人硬件系统2.1 机器人的结构六脚步行机器人的构造相对于双足机器人和双轮小车复杂一些，但通过对零配件的分类以及机械原理的分析，可以帮助你简化安装。首先，六脚步行机器人的是由三大部分构成，机器人主体、六只带动机器人运动的腿、机器人的伺服控制器芯片与basic stamp控制芯片。如图2.11图2.1 六脚步行机器人机器人的运动是靠12个伺服电机作为动力，每只腿分配2个电机（2*6）,分别控制机器人的两个自由度，即水平方向和竖直方向（纵向），腿部是由伺服控制器控制完成运动过

24、程，水平推动机器人的前进或后退，竖直方向则是利用机器人的关节拉高或降低。机器人的主体部分，是由两块铝制板材和两块侧板构成，安装比较简单，但它具有一定的物理意义：固定机器人的六只脚，换言之不使六只脚有任何非移动范畴的松动，并使6只脚在机器人平放地面时保持同一水平面，每只脚必须与地面完全接触。因为不稳固的安装会使每只腿的移动距离存在误差，从而使机器人行走时出现摔落情况，十分危险。另外两个控制器也安装其上（如图2.1），因此要求比较高的稳定性。2.2控制器与执行器2.2.1 控制器控制器1（如图2.2）安装在机器人顶部，两控制器用导线相连接，保证完成数据的正确传输。basic stamp控制器的主要

25、功能是完成计算机与机器人的数据传输（basic stamp指令的传输），计算机用15针com口数据线与控制器相连，传输各种basic stamp程序，在控制器收到数据后再次传输给伺服电机控制器。伺服控制器与机器人的六只脚通过电路相连，对它们进行直接控制，而后伺服电机带动机器人运动。具体执行过程见图2.3，另外，basic stamp控制器与伺服电机控制器各用6*1.5v供电2。图2.2 basic stamp 控制器a：通过15针com口数据线与计算机保持连接 图a为接口部分b：9v控制器供电部分，可用9v电池或者6*1.5v电池，也可通过变压器连接电源。c：连接伺服电动机接口，正常机器人连接

26、时与伺服控制器连接端d：开关，在测试电机时，拨开关至2端另外在图a与d之间存在一个可编程芯片，它是basic stamp控制器的核心部分，插入在面板上。芯片的型号决定编程的语言种类，不同的型号在编辑程序过程中，会存在大小不同的差异4。比如，图中为basic stamp bs2型号。它用来对六脚步行机器人进行编程，同时也适用于很多其他控制对象。在此次设计过程中，所有的编程指令都依据bs2控制芯片。计算机basic stamp 控制器伺服电机控制器机器人的六脚执行运动图2.3 机器人执行任务流程图2.2.2 伺服电机伺服电机2被广泛运用于无电线遥控的汽车、轮船和飞机的运动方向及油门系统的控制。这些

27、伺服电机被设计用来控制某一物体的特定位置，例如无线遥控飞机的方向舵。他们的控制范围一般从90度到270度，特别适应于要求价格低廉、精度较高、力矩较大的位置控制场合3。通过利用一种信号来控制这些伺服电机的位置，称这种信号为脉冲序列。伺服电机内安装有一个机械限位器，防止电机转动超出其设定的运动范围。伺服电机内还装有一个位置反馈装置，这样一来伺服电机内的控制电路才能知道在响应脉冲序列时转到哪。本次使用六脚步行机器人的电机能转过最大角度约270度。从basic stamp控制器中发送出的一组控制伺服电机的控制信号被称为“脉冲序列” ，控制器能通过编程产生这样的信号波型，而且还能用它任意的一个i/o口进

28、行信号输出2。下面举例说明：控制器向p15(basic stamp控制器向伺服控制器发送信号的输出口之一)发送一个1500微秒的脉冲信号。在1500微秒高电平输出后，继续发送一个20毫秒的低电平给该引角，产生一组脉冲序列。这个脉冲序列由1500微秒的高电平和25毫秒的低电平组成。伺服电机控制的主要由1500微秒的高电平来控制，我们通常称这一段时间为脉宽。脉冲信号由低电平到高电平这一变化过程称上升沿。由高电平到低电平的变化我们称为下降沿。所使用的伺服电机，伺服脉冲之间的理想时间间隔为10-40毫秒（例为25毫秒），如果高于或者低于这个范围，将影响伺服电机的正常运行。由于六脚步行机器人的构造相对复

29、杂，又加入了伺服电机控制（具体作用前面以做介绍），因此脉冲信号要再通过伺服电机控制器的2次传递才能到达机器人脚部，但电机的工作原理完全相同。伺服电机控制器和控制器用一根信号传输线相连，接到控制器的p15串口，在伺服电机控制器上有16个通道用于和伺服电机相连接。本文所提到的六足机器人由于只有12个伺服电机，所以只用其中的12个通道用于和伺服电机的连接。ch0、ch2、ch4、ch6、ch8、ch10六个通道用于连接水平方向的电机，ch1、ch3、ch5、ch7、ch9、ch11六个通道用于连接垂直方向的电机。图2.4 水平电机正转腿的状态因为在开始拿到机器人的时候并不知道各个电机是什么样的安装状

30、态，所以需要对电机进行测试。首先对六个水平电机进行测试，当同时给六个水平电机加一个使其正转的脉冲时可以测试出六个水平电机正转时每条腿处于什么样的位置。如图2.4所示，机器人右侧三条腿全部向前迈进，左侧三条腿反之。然后对垂直电机进行测试，当同时给六个垂直电机加一个使其正转的脉冲时，可以发现两侧的中间的腿和另外四条腿方向不一致，所以可以知道这两个电机安装的时候和其他几个时相反的。对12个电机测试完成之后，在后面的程序中要注意各个电机的正转以及反转造成的每条腿的状态。第三章 六足机器人运动步态控制研究3.1三角步态走法任何动物的行走有具有一定的方式，动物种类的不同导致行走方式的差异，并且同一动物在不

31、同的状况下具有不同的步态。三角步态走法就是六足昆虫常见的一种步态9。3.1.1 步态的基本概念步态是行走系统的迈步方式，即行走系统抬腿和放腿的顺序。人和动物的行走时都具有一定的步态10。例如猎豹在奔跑时两个前腿为一对，两个后腿为一组，后腿发力前腿收缩，从而飞速前进。四足动物在行走时，四条腿形成对角的两对，先是左前腿与右后腿同时着地，然后才是右前腿与左后腿。人在行走时也是同理，左臂和右腿为一组，右臂和左腿为一组交替摆动，实现平稳行走。不同的物种在不同的行动状态下具有不同的步态。由于开发步行机器人的需要，美国著名机器人学家r.b.mcghee在总结前人对动物步态研究成果的基础上，系统地给出了一系列

32、描述和分析步态的严格的数学定义。之后各国学者在四足、六足、八足等多足步行机的静态稳定的规则周期步态的研究中取得了很多成果，这些成果包括各种步态特点及分类，如三角步态、波动步态、自由步态、跟随步态、步态参数及其相互关系等，但是这些研究很多都局限在步态分析的圈子里，其中很多研究成果并不考虑具体的实现11。步态是生物学所用的术语，在研究基于仿生学原理的多足步行机器人时需要借鉴相关概念和参数，具体表述如下8：（1）步态（gait）。腿部摆动顺序及其时间相序等的步行模式。（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

33、态叫做摆动相。（4）支撑多边形（support polygon）。支撑腿着地点用凸形轮廓线所构成的凸多边形在水平面的投影。六足机器人的支撑多边形为三角形。（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。所有腿的占空系数都相等的步态称为规则步态，几乎所有的动物都采用规则步态，步行机器人一般也以此为基准。3.1.2 三角步态原理昆虫属于节肢动物门中的昆虫纲，特征为体躯三段（头、胸、腹），两对翅膀六只足和一对触角，一生形态多变化。它是自然界中最庞大的物种，全世界已知的150万种动物中，昆虫就有100万种

34、以上，即占2/3昆虫在十几亿年的发展过程中，为了适应环境机体发生了近乎完满的进化过程7。人们研究发现，生物的这种为了适应环境所形成的进化方案，可以为工程技术提供十分重要的参考信息，将极大地提高人类的适应性和改造能力，产生巨大的社会及经济效益，因此研究昆虫的特性就具有一定的现实意义。昆虫有几种步态，如螳螂、蟋蟀在跳跃时是一种跳跃步态，两个强有力的后退蹬地从而实现跳跃6。在慢行时又是一种步态，在行走时遵循三角步态走法。其规则是每次落脚和提脚前进时相应的一组足都是正三角型，这可以确保行走的稳定。很多不具备跳跃能力的昆虫，如蜜蜂、甲壳虫等和有跳跃能力但是在地面上慢行的昆虫行走时，多以交替的三角步态运动

35、，即在步行时将六只足分为两组，以身体一侧的前足、后足与另一侧的中足作为一组，其他三只足作为另一组。当一组足同时提起时，另一组足支撑身体，并以中足为支点，前足胫节肌肉收缩，拉动身体向前，后腿胫节肌肉收缩，推动身体向前，此时虫体的中心落在另一组足的三角形上，以此往复交替，实现快速行走。这种步态可以使昆虫随时随地停息和运动，三角形的支撑点也使虫体站立与行走更加稳定。六足昆虫在行走时的轨迹如图3.1所示11。图3.1 六足昆虫行走轨迹图当用机器人模仿昆虫的步态时，其运动步骤可以描述为六种状态。如图3.2所示9，黑点表示为支撑足，白点表示为摆动足。状态1：当机器人开始运动时，足1、3、5从后方准备向前摆

36、动，足2、4、6处于支撑状态，支撑机器人本体确保机器人的重心位置处于三足所构成的三角形内，使机器人处于稳定状态不至于摔倒。如图3.2（a）。状态2：摆动足1、3、5摆动到前方，2、4、6足继续支撑机本体。如图3.2（b）。状态3：支撑足2、4、6一面支撑机器人本体，一面在伺服电机作用下驱动机器人本体，使机器人机体向前运动半个步长。如图3.2（c）。状态4：在机器人机体移动到位时，原先的摆动足1、3、5立即放下，呈支撑态，使机器人的重心位置处于1、3、5三只足所构成的三角形稳定区内，原来的支撑足2、4、6变成摆动足，准备向前跨步。如图3.2（d）。状态5：摆动足2、4、6向前跨步，支撑足1、3、

37、5支撑机器人本体。如图3.2（e）。状态6：支撑足1、3、5一面支撑机器人本体，一面驱动机器人本体，使机器人机体又向前运动了半个步长。如图3.2（f）。如此不断从步态（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（a）循环往复，实现机器人向前快速运动。这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。这就是典型的三角步态行走法，其行走轨迹并非是直线，而是呈“之”字形的曲线前进。图3.2 三角步态示意图3.1.3 占空系数分析占空系数是指支撑腿支撑在地面的时间占这个行走周期的比例7。即： = 值不同时，机器人的状态不同，其表述如下：（1）<0.5，这种情况下，机器人两

38、组足同时行走的瞬间，会存在同时摆动的情况，这样机器人出现腾空的状态，这要求机器人要具有良好的弹性和吸振性。（2）=0.5，两组足步行时，每组的支撑时间与摆动时间相等，保证在任意时刻都有三条腿支撑地面，三条腿摆起。这是规则步态。（3）>0.5，在两组足交替摆起和着地的过程中，有六条腿瞬间同时着地，这会使机器人行走更稳定，但是行走速度会相对降低。由于行走机构在运动时会出现不可消除的摩擦力，并且为了保证机器人的稳定行走，本设计中的机器人占空系数大于0.511。3.1.4 行走稳定性分析在机器人行走过程中，假设1、3、5足为一组，其支撑点为一等边三角形，以其重心为原点做直角坐标系，原点为o，三点

39、的坐标为1（x1，y1），3（x3，y3），5（x5，y5）。如图3.3所示。当机器人运动一个步长后，2、4、6足向前摆动，1、3、5足向前移动半个步长，三点的坐标变化为1（x1，y1），3（x3，y3），5（x5，y5），其重心o仍在原三角形内，可知其运动是稳定的步态10。图3.3 三角形步态的坐标分析3.1.5 转弯状态分析转向运动过程分析，相比于直线运动存在一些差别，对于一个可以转动的物体，它都需要有一个轴作为旋转的中心，那么对与六脚步行机器人来说也一样。设置一个转动轴心是必要的条件，在这里的轴心是由一只脚负责带动其他脚进行顺时针或逆时针的转动（左转或右转）。下面以右转为例，分析下六脚步

40、行机器人的运动原理。向右侧转动，选用机器人左侧的后端脚为轴心，形成一个以这只脚为中心，机器人前端整体旋转的情况。当然也可以选择左侧的前端脚为轴心，但实际情况变成了以它为中心，机器人的后端整体转动8。那么在确定轴心的前提下，其他的五只脚应当怎样协调运动呢？六脚步行机器人的中端两只脚在旋转过程中具有提供转向动力的功能。换言之，在转动过程中除中端脚与轴心脚的其他三只脚不是提供动力的，所谓的“动力”便是在水平方向的位移。保持六脚步行机器人的稳定运动至少要保证有三只脚在地面支撑，那么其他三只脚在转动过程中就是起到这种作用，维持机器人的稳定性。在向右转动的过程中，如果选用后端左侧脚作为轴心，它依靠纵向伺服

41、电机提起从而向前水平位移（它与中端两只脚配合提供转动动力）。向前水平位移则提供向左转动的动力。如图3.4所示。轴心脚向前位移的同时，中端的两只脚也随之提起并位移，值得注意的是，中端两只脚的水平运动方式存在差异，即方向相反。原因很简单，一只与轴心脚在同侧，一只与轴心脚在异侧，达到协调运动的目的必然存在运动方式的差别。这三只脚同时提起，同时落地，而要满足三角支撑稳定性的任务，就需要其他三只脚的纵伺服电机了。在轴心和中端脚提起的时候，控制这3只脚落地，达到稳定移动。如图所示，六脚步行机器人在右转过程中脚步的移动情况，箭头标明了方向，对于向左转弯的过程，也与此原理十分类似。图3.4 右转弯示意图完成对

42、六脚步行机器人运动控制过程的分析，是在设计程序前所必须的。从某种意义上说，它是机器人程序设计的重要理论依据，只有分析出符合机器人客观运动规律的过程，以此为依据，才能设计出控制六脚步行机器人运动合理程的正确的程序。3.2四足步态、波动步态与三角步态的比较在行进过程中，节肢动物的腿部运动是有规律的周期性变化，这一变化，是由两个相交替变化实现的。一个是摆动相（swing phase），此状态包括腿的抬起、前摆和下落并与地面接触；另一个是支撑相（stance phase），是指腿部支撑地面，承受载荷，并向后摆动的过程7。3.2.1 各种步态 节肢动物步态的描述通常是以状如斑马线的步态图表示，以竹节虫的

43、步态图为例，最常见的三种步态分别是三足步态（tripod gait）如图3.5、四足步态（tetrapod gait）如图3.6和波动步态（wave gait）如图3.7,这三种步态的差别在于某一时刻，支撑腿的数目分别为3，4和5。三足步态是昆虫稳定行走时，速度最快的一种步态。其值略大于0.5。最大特点是，每一步有三条腿（r2、l1、l3）支撑地面，形成稳定的三角形支撑结构，同时另外三条腿（r1、r3、l2）快速向前方迈进、落地并形成新的三角形支撑，如此交替。由于这种步态的腿部状态只有2种：支撑和前摆，实现起来比较简单，即使采用机构也可以实现，所以在许多控制系统简单的仿生机器人中广泛采用。这是

44、一种效率很高的行走方式，理论上值可以达到0.5，但是为了使支撑腿与前摆腿的状态交换时保持稳定，需要加入一段共同支撑的时间，即状态的过渡时间10。图3.5 三足步态四足步态（如图3.6）则是相对缓慢的一种步态，每一时刻都有4条腿在地面支撑，而每侧各有一条腿向前摆动，这种步态由于支撑时间较长，可以承受比较大的载荷。其值约为0.67，稳定系数为49。图3.6 四足步态波动步态（如图3.7）是最为缓慢的一种步态，每一时刻都有5条以上的腿支撑地面，整个身体缓慢平稳的向前移动，前摆腿的顺序为l1-l2-l3-r1-r2-r3-l1，依次循环。其值大于0.83，稳定系数大于59。图3.7 波动步态节肢动物的

45、步态变化主要与其运动的速度和载荷有关，载荷越大，要求单位时间内支撑腿的数目越多，越大，后撑时间越长，移动速度也就越慢。3.2.2 各腿的相位关系每侧的腿按照由前向后的顺序，依次抬起落下，后面的腿依次重复前面腿的动作，动作像波浪一样传播，如图3.8所示。图3.8 腿部动作的传播为了研究动作在腿之间传播的相位关系，定义节拍的概念：一条腿的某种动作传播到与它相邻的下一条腿的时间为一拍。可见同侧相邻的腿之间的相位差是一拍。为了研究两侧腿的“步态波”之间的相位差，将节肢动物三种典型步态的各腿运动的同步关系画成示意图，如图3.9所示11。图3.9（a）三足步态图3.9（b）四足步态图3.9（c）波动步态由

46、图3.9可以看出，对于三足步态，右侧腿的动作比左侧落后1拍，对于四足步态，右侧腿的动作比左侧落后2拍，对于波动（五足）步态，右侧腿的动作比左侧落后3拍。由此可以归纳出规律：对于n足步态，右侧腿比左侧腿的动作落后n-2拍11。3.2.3 比较分析 上文讲到三足步态，四足以及波动步态的原理和行走方法，并且对各种步态的特点进行了比较完整的阐述。下面对这几种步态进行比较分析。（1）三种步态最少需要三条腿做支撑，也就是说支撑相不能小于3。三足步态同时有三个支撑相三个摆动相，只有两种组合，交替比较迅速，所以行走比较快速。（2）四足步态行走每次有四个支撑相，两个摆动相三种组合，所以支撑时间长，动作较缓慢。但

47、是由于每次有四条腿支撑在地面所以载荷比较大。（3）波动步态行走时每次有五个支撑相，一个摆动相，所以存在六种组合，由于每次有五条腿同时支撑在地面所以支撑时间最长，动作最缓慢。但是其载荷能力也最强。（4）由于四足步态是同时有四条腿支撑在地面上，所以其四个点可以构成一个四边形。四边形的稳定性比三角形稳定性差，所以四足步态容易发生偏离设定轨迹的现象。综上所述，三足步态适用于平稳的一般的情况下，三足步态也是最常规的步态，当遇到需要载荷时可以考虑用到四组步态或是波动步态。遇到不平整的地面时，由于三组步态的支撑相较少所以可能会出现较大的冲击或是不能按照正常步态行走，这时候就需要考虑多足步态的使用。由于四足步

48、态和波动步态的支撑相比较多而需要摆动的腿少所以遇到崎岖的路时不会产生较大的波动，但是在达到稳定的同时速度会变慢。六足机器人能力与其速度成反比，但是在平坦的地面上三角步态最稳定。所以在设计步态时需考虑现实的环境和速度的关系，以求在其保证稳定的情况下尽可能的达到最大速度。第四章 六足机器人运动控制程序设计4.1六足机器人初始值设定在编辑主程序前，对数据通信要明确，由于利用的是com串口数据通信，便于数据的同步传输，使用波特率（baud）作为传输信号。basic stamp控制器与伺服电机控制直接通过的数据线连接的接口位置（pin 15）也要明确标明。在程序前段也要设置出来，下面对几个所需要的初始值

49、进行设定1，2：psc con 15baud con 396ramp con 1“psc”代表伺服电机控制器。六脚步行机器人的运动速率由两个变量来控制，其一是脚部摆动的幅度，可以根据程序中变量进行直接修改来改变运动速率，而第二点是容易被忽视的，便是伺服电机的转动速率，可以形象地描述两者之间的关系，如同一个人在走路，加大脚步迈出的幅度和增加跨步的频率，都可以使人的步行速度增加1，2。这里的伺服电机转速，便是跨步的频率。当然伺服电机的转动速率肯定是有极限的。所以控制好伺服电机的速率是十分重要的，在编辑程序前，一定要进行设置，仅仅编辑出运动形态，而没有具体运动的速率，机器人是不可能完成任务的。所以速

50、率可以设置为ramp con 1,在这里con代表常量。基于pabsic编程指令，要在主程序编辑前对它进行初始值的设定。根据六脚步行机器人的特点，六只脚12个伺服电机在控制过程中比较复杂，且在运动过程中，同一时刻承担的任务不同，所以要对它们加以区分，便于编程与控制。12个伺服电机可以以10进制数代表如“0”到“11”一次代表12个电机（水平与纵向电机均在其内）。其设置如下1，2：ch0 = 0ch1 = 1ch2 = 2ch3 = 3ch4 = 4ch5 = 5ch6 = 6ch7 = 7ch8 = 8ch9 = 9ch10 = 10ch11 = 11“ch0”到“ch11”代表连接伺服电机的

51、通道。另外由于垂直方向和水平方向上电机的正反转不是一致的，并且电机的正反转使每条腿的运动状态不同，所以需要设置几个变量用以调节每条腿的抬起、下落，前进、后退。其设置如下：ho1 var wordho2 var wordho3 var wordho4 var wordho5 var word在下面的具体的子程序里可以看到这几个变量的作用。4.2三角步态整体程序设计六足机器人三角步态程序整体设计思路是采用主程序通过循环调用子程序来达到其行走以及转弯的目的。其主程序非常简单，用了一些循环和跳转子程序的指令，程序如下1，2：gosub initializationfor n = 0 to 10gosu

52、b movestraightn = n+1nextfor n = 0 to 6gosub turnrightn = n+1next4.2.1 六足机器人初始化程序六足机器人最初的时候需要对其进行初始化，目的是使每条腿都处于一致的静止的状态为其后行走和转弯程序的设计做好准备，并且这个过程属于伺服电机调零的过程。由于电机在出厂时，没有进行电气调整，这将使它接受到信号时产生误差，调零的原因就在这里，也可以说伺服电机的调整是在其使用前不可缺少的一步。所以六组机器人的初始化是必不可少的。图4.1显示的信号是发送到与p15连接的伺服电机校准信号，又称零点标定信号。伺服电机调好之后，这个信号就可以指示电机保

53、持静止。这个指令是由间隔20ms,脉冲带宽1.5ms的一组系列脉冲组成。从图中很容易可以看出两个脉冲之的pause时间为20ms,即pause 203，4。图4.1 1.5ms脉冲宽度的时间矢量图pause命令：令basic stamp控制器在执行下一个命令前有一段等待时间，即延时。pause的参数的单位是千分之一秒，如果想延时2秒，即pause 2000。下面来计算下带宽为1.5ms时pulsout命令参数值。pulsout命令：在basic stamp中用来发送2微秒为单位的高电平脉冲信号。pulsout duration相比于pause中的duration把高电平分为更高的精度（后者为千

54、分之一）。举例说明： pulsout 15 60000即在pin 15接口（电机连接处）发出一个60000*2微秒的脉冲信号。（0.12秒）无论pulsout命令的参数值是多少，都要乘以2微秒，这样就可以计算出脉冲持续的时间。计算方式：1.5ms=0.0015s ，0.0015s/0.000002s=750.下面对六条腿中的一条腿的初始化加以说明，serout psc , baud+$8000,"!sc", ch0, ramp, ho1.lowbyte, ho1.highbyte, cr其中serout指令为：在输出引脚写入串行程序。控制芯片以波特率向引脚p15发送中括号里

55、面的内容。ch0为一水平伺服电机，ho1此时设其值为750，也就是说这个信号使这个水平方向的电机保持静止并且处于标定的零点3，4。4.2.1 六足机器人直线正向运动程序完成了在执行程序前对六足机器人的初始化，下面先对六脚步行机器人直线运动进行程序的编辑。首先明确在六足机器人直线行走的状态下各个伺服电机是如何工作的。伺服电机控制器与电机的地址分配及初始化状态如图4.2所示6 07 18 29 3 10 411 5daebfc图4.2 伺服电机地址分配及初始化状态如图，把编辑前把12个伺服电机按照16进制次序编号，便于编程序。0、2、4、6、8、10分别为水平伺服电机，而1、3、5、7、9、11则

56、为纵向伺服电机。另外根据它们所在位置，可以直观地看出各个伺服电机在主体哪个部位，在何种任务中执行什么样的运动。对每只脚也进行了编号，便于说明分别为a到e。下面分析基于三角步态下各个电机的工作状态。第一步，同时抬起a、c、e三只脚,这时候需要纵向电机1、5、9向上转，b、d、f三只脚作为支撑相支撑在地面，所以不需要动作。第二步，在d、b、f支撑的同时，它们水平方向的伺服电机要使这三只脚有一个推力，很容易想象在三只脚着地的情况下，提供一个向后的力是机器人的整体向前伸出，也可以说在提起的a、c、e迈步之前提供一个辅助的动力。所以水平方向的电机2、6、10应向后转动推动机器人本体。这时候a、c、e应向前迈出，0、4、8三个水平电机应向前转动带动a、c、e向前正向迈出。此时完成正向直线行走的半个步长，如图4.3所示6 07 18 29 3 10 411 5adebcf图4.3 直线行走半步长状态程序如下：ho1 = 750ho2 = ho1-300ho3 = ho1+300serout psc , baud+$8000,"!sc", ch1, ramp, ho2.low