模拟电路DIY项目报告

基于单片机控制的多关节仿生机器人

题　目　 基于单片机控制的多关节仿生机器人

姓　名　 肖翔天(组长) 贾潇 郑家雄 雄杨波 闵浩迪 张鸣远 赵政舒 张泽中

专　　业 电子工程学类

指导教师　张利君 王小静 　　　　　　

基于单片机控制的多关节仿生机器人

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，但到目前为止，由于自适应步行控制算法匮乏等原因，足式移动方式在许多实际应用中还无法付诸实践。另一方面，作为地球上最成功的运动生物，多足昆虫则以其复杂精妙的肢体结构和简易灵巧的运动控制策略，轻易地穿越了各种复杂的自然地形，甚至能在光滑的表面上倒立行走。因此，将多足昆虫的行为学研究成果，融入到步行机器人的结构设计与控制中，开发具有卓越移动能力的仿生机器人，对于足式移动机器人技术的研究与应用具有重要的理论和现实意义。

在此我们对一种基于单片机控制的多关节仿生机器人——六足机器人进行研究。其地形适应能力强，具有冗余肢体，可以在失去若干肢体的情况下继续执行一定的工作，适合担当野外侦查、水下搜寻以及太空探测等对自主性、可靠性要求比较高的工作。

关键词：六足机器人，运动，结构设计，红外避障

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, however up to now, for the reason of absence of adaptive walk control algorithm, legged locomotion means still could not be put into practice in many practical applications yet. While on the other hand, as the most successful moving creature on the earth, multi-legged insect has facilely managed to surmount various complex natural landforms and even to walk upside down on smooth surfaces by right of its sophisticated limb structure and dexterous locomotion control strategies. Accordingly, it contains great theoretical and practical significance for the research and application of legged mobile robotics to blend the behavioral research effort of multi-legged insect into the mechanical design and control of walking robot and furthermore to develop hexapod biomimetic robots with more superexcellent mobility.

Hexapod robots have strong abilities to adapt the terrain, and have redundancy in the legs, so they can go on carrying out jobs in the case of losing some legs. They are suit for tasks which have strict demands for independency and reliability such as spying in the wild, searching underwater and exploring the outer space.

Key words: Hexapod robot，movement，mechanical design，infrared obstacle avoidance

1. 六足机器人的背景与介绍

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，另一种是基于仿生学的步行机器人。轮行机器人的不足之处在于对于未知的复杂自然地形，其适应能力很差，而步行机器人可以在复杂的自然地形中较为容易的完成探测任务。因此多足步行机器人有广阔的应用前景，如军事侦察、矿山开采、核能工业、星球探测、消防及营救、建筑业等领域。在步行机器人中，多足机器人是最容易实现稳定行走的。在众多步行机器人中，模仿昆虫以及其他节肢动物们的肢体结构和运动控制策略而创造出的六足机器人是极具代表性的一种。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。国内外对六足机器人进行了广泛的研究，现在已有70多种六足机器人问世，由于六足仿生机器人多工作在非结构化、不确定的环境内，人们希望其控制系统更加灵活，并且具有更大的自主性。同时六足仿生机器人肢体较多，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，也是六足仿生机器人结构设计研究的一个热点。

国外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Nils Nilssen和Charles Rosen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。 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,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,并由气动作动力，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。加拿大McGill大学的Martin Buehler本着“功能仿真”的目的，利用电动机作为驱动研制了Scout I、Scout II四足步行机器人和RHex六足机器人。

多足步行机器人是涉及到生物科学、仿生工程学、机构学、电学、控制学、传感技术以及信息处理技术等多学科的一门综合性高技术学科。到目前为止，尽管多足步行机器人技术有了很大的发展，国内外研究开发了很多原理样机或实验模型，但制约多足步行机器人技术进一步发展的基础理论问题并没有得到根本的解决。因此六足机器人的改进和进一步改良仍是目前最大的问题。

2. 六足机器人的机械结构及设计原理

2.1 机械结构

机器人整体结构如图所示，分为身体与腿部。腿共有六条，每条均由三个舵机控制关节运动。身体分为两层，下层放置有舵机控制板和锂电池，舵机控制板下装有红外传感器。背面附有减压电阻和上拉电阻，腿部为了增加与地面摩擦力而用了热熔胶处理

2.2 设计原理

2.2.1运动原理

直行前进步法的设计：状态a至状态f为一个运动周期，循环进行a到f的步法（如下表）

转弯步法的设计：参照上图与上表，左转时，表中其余步法均不变，只将左侧非支撑腿的动作由前进改为后退即可。右转时，同样只将右侧非支撑腿的动作由前进改为后退。

后退步法的设计：参照上图与上表，只需要将所有的前进动作改为后退即可。

2.2.2自动避障原理

机器人头部安装有红外传感器，当其探测到一定距离内有障碍物时会发送信号至单片机，接收后单片机发送相应信号至舵机控制板，舵机控制板再控制舵机进行机体的转向，通过这一过程机器人实现了自动避障。

3. 六足机器人的组装与调试

3.1 零件制作与组装

机器人的主要零件及安装位置如图所示。组装时

·红外传感器与电源间接上拉电阻保持初始高电平

·单片机，舵机控制板，红外传感器负极共地

·电源正极接两块整流桥堆，使得输出电压稳定降压1.8V，达到各零件额定电压范围

3.2 机械调试

调试主要包括以下方面：

1对初始站立姿态的调试。完成机器人拼接后，首先根据机器人重心的位置以及六足的细微不同，调节舵机初始角度，以达到六足受力均匀，身体平面处于水平位置，机器人稳定站立。

2对步态的调试。包括前进步态，转弯步态，后退步态。通过调节各足在运动时三个舵机的转动幅度，直至达到六足协调，受力均匀，切动作效果明显为止

3对红外传感器和单片机的调试。包括设计晶振的规格，设计连接方案，设计红外传感器判定代码等。

3.3最终成果

机器人完成了以下目标：

1六腿协调平衡，稳定站立

2正确识别运动指令，能够转弯与直线前行，后退

3正确接收红外探测器信号，并据此自动判断是否转弯，达成避障功能

4. 组内项目分工

5. 实验进程以及完成情况

6. 总结与展望

多足行走机器人，具有运动稳定好，适应性强，控制方便的优点。它可以较易地跨过比较大的障碍（如沟、坎等），并且机器人足所具有的大量的自由度可以使机器人的运动更加灵活，对凹凸不平的地形的适应能力更强；足式机器人的立足点是离散的，跟地面的接触面积较小，因而可以在可达到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。所以在未来的科技发展以及生活中六足机器人的实用性和功能性愈发强烈。

在此次设计的过程中，通过小组讨论，共同探讨研究方案与实验规划等培养了我们的综合运用所学知识的能力，分析和解决实际中所遇到问题的能力，并且能巩固和深化我所学的专业知识，使我在调查研究和收集资料等方面的能力有了显著的提高，同时在理解问题，分析问题、设计机构和绘图能力方面有较大的进步。

步行机器人是一个新兴的多学科交叉领域，对步行机器人的科学研究和应用开发在世界上方兴未艾，许多关键技术还有待解决和改进，同时，许多新的理论和技术开始向步行机器人领域渗透，大大扩展了步行机器人领域的研究空间。步行机器人的运动学和动力学作为运动控制和其他功能的基础必然在其以后的研究中起到越来越重要的作用。但是在机械动力学理论方面和机器人灵活性方面还有很大的发展空间和尚未解决的一系列难题，因此我们觉得这会是未来六足机器人的发展方向和实验重点。

7. 实验心得

模拟电路是一门基于实践操作的学科，它有着很强的实践性和可操作性。本学期安排的模拟电路DIY实验就很好地诠释了这一点，在本次试验中，我们小组中各位成员尽心尽力合作完成了六足机器人的制作与调试。从选题到规划分配再到动手制作机器人的关节，身体，再到最后的拼接与调试，都是小组中每位成员辛勤工作的结果。可以说，没有良好的合作就没有最后实验成果的喜悦，这一点也是我们在本次实验中所总结出来的。另外通过一个学期模拟电路的学习，我们不仅掌握了相关的模拟电路知识，更重要的是掌握了一种学习的思维和方法，最后我们将这种严谨的思维和求真务实的研究方法带入到DIY实验中来，使我们通过一次次的组装，一遍遍的调试体会到了科学研究的严谨的态度和持之以恒的重要。

另外，通过本次DIY实验，我们也接触到了许多最前沿的科技项目，在聆听他人的讲解和自己不断的寻找资料的过程中，我们不仅开阔了科学前沿的视野也打开了前往电子工程的这道大门。兴趣是最好的老师，我们在实验过程中不断加深知识的理解和理论的应用进而逐步对电路的设计与改进产生了极大的兴趣，我想这在今后的学习生活中会起到不可小觑的作用。

最后，在这里特别感谢模拟电路这门课的所有授课老师以及张利君，王小静老师，感谢各位老师在这一学期的教学与实验中给予的帮助。

虽然模拟电路的学习就要告一段落了，但是它所带给我们的思想火花与实验理念会永不停息。

8. 参考文献

【1】曾桂英，刘少军.六足步行机器人的设计研究.中南大学机电工程学院, 长沙410083

【2】陈学东.多足步行机器人运动规划与控制[M ].中科技大学出版社 , 2006121.

【3】徐轶群,万隆君.四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制[D].厦门集美大学.200108

【4】王新杰，黄涛，陈鹿明.四足步行机器人爬行步态的计算机仿真[D].郑州.200704

【5】郭鸿勋，陈学东. 六足步行机器人机械系统[D].武汉：华中科技大学.200804

【6】安丽桥，朱磊.六脚足式步行机器人的设计与制作[D].上海：上海交通大学. 200602

【7】刘静，赵晓光，谭民.腿式机器人的研究综述[J].中国科学院自动化研究所复杂系统与智能科学实验室,北京　100080