毕业设计论文机器爬虫运动步态策略研究.docx

毕业设计论文机器爬虫运动步态策略研究.docx

《毕业设计论文机器爬虫运动步态策略研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文机器爬虫运动步态策略研究.docx（54页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

毕业设计论文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BasicStamp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BasicStamp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BasicStamp微控制技术，研究了六足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，BasicStamp，伺服电机

ABSTRACT

Currently,themobilerobotsmostlyexistintheformofmulti-wheel,buttoadapttothecomplexterrainconditions,theyareoftenoutofexpectance.Forthereasonofthisfault,designinganewkindofrobotwiththecharacteristicofflexible,stableandadaptable,sothattheproblemcanclearlydiscoveredandeasilyresolved.Asatypicalrepresentativeofsuchrobots,hexapodbio-robotregularlydoagoodjob.Soitcanbeofgreatsignificancetoresearchthegaitofthisproduct.

ThechipofhardwarecontrolsystemisappliedbyParallaxInc.BasicStampmicrocontroller,PBASIClanguageisusedfordesigningprocessandperfectingtherobotmotion.Afterperformingthenormalcommunicationofdata,thecomputertransmitsthemtoBasicStampcontroller,andthenimportstheprocedure.

UnderthepremiseofBasicStampmicrocontroller,thethesisresearchonthelawofhexapodrobotgaitcontrollingwhichisbasedonanaccomplishedone.Andthenmappingoutitsmovement,onwhichtrytoimplementthecontrollingsystem.Thefocusofthispaperistorelatetripodgait,four-leggaitofhexapodrobotsandputforwardfluctuationsgait.Throughthecrossinggaitdiagram,thelinksanddifferentamongthethreeunitscanbeclearlybringtolight,accordingly,andsummarizethecharacteristicsofeachtypeofgaitandcomparetheadvantagesanddisadvantagesofthemwhatcanreferencethefollowingexperiments.Theseexperimentsrealizethestraight-linewalkingbasedontripodgaitandfour-leggedgait,inaddition,italsoincludethemovementofturningrightbasedontripodgaitandweight-bearingexperimentunderbothtypesofgaits.Inparticular,it’smorecomplextoanalyzeandrealizetheturningmovementinthetripodgaitsituationthaninthestraight-lineone.Accordingtothelargeamount,itoftenbringstroubletostudyhowallocatethedynamicparameterstotheselegs.Herethroughcarefulanalysisontripodgaitandcomprehensiveresearchonthehexapodrobot,theturninggaitwillbeachieved.

Asisshownintheexperimentalresults,thecontrolsystemofthehexapodbio-robottakesthefeatureofstableandcoordinate.Thefour-leggaitdoesbetterthantripodgaitintherespectofweight-bearingbutperformsweakerintherespectofvelocity.Thetripodgaitappliestosmoothinterfacebecauseofitsquicknessandflexibleness.Onthecontrary,four-leggaitcansatisfyroughgroundforthesalientcharacteristicofweight-bearing,whichbeyondthemulti-wheelrobots.

Keywords:

hexapodrobot,bionic,gait,BasicStamp,servomotor

摘要I

ABSTRACTII

第一章绪论1

1.1机器人的发展背景及意义1

1.2六足仿生机器人1

1.2.1具有代表性的六足仿生机器人1

1.2.2仿生六足机器人的特点3

1.3课题研究的主要内容4

第二章六足机器人硬件系统5

2.1机器人的结构5

2.2控制器与执行器6

2.2.1控制器6

2.2.2伺服电机7

第三章六足机器人运动步态控制研究9

3.1三角步态走法9

3.1.1步态的基本概念9

3.1.2三角步态原理10

3.1.3占空系数分析11

3.1.4行走稳定性分析12

3.2四足步态、波动步态与三角步态的比较14

3.2.1各种步态14

3.2.2各腿的相位关系15

3.2.3比较分析17

第四章六足机器人运动控制程序设计18

4.1六足机器人初始值设定18

4.2三角步态整体程序设计19

4.2.1六足机器人直线正向运动程序21

4.2.2六足机器人右侧转弯运动程序24

4.3四足步态正向直行程序设计26

4.4实验结果29

4.4.1实验条件29

4.4.2基于三角步态的直线行走实验30

4.4.3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，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Genghis[5]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，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1.1Genghis和Attila

Attila（如图1.1右）和Hannibal[5]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。

RobotII（如图1.2右）是由CaseWesternReserve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1.2Ariel和RobotII

（3）近年完成的典型六足机器人Scorpion[5]（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（AIS）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1.3Scorpion和Tarry

Tarry（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HolkCruse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BasicStamp控制芯片。

如图2.1[1]

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。

BasicStamp控制器的主要功能是完成计算机与机器人的数据传输（BasicStamp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BasicStamp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，BasicStamp控制器与伺服电机控制器各用6*1.5V供电[2]。

图2.2BasicStamp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BasicStamp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BasicStampBS2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。

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BasicStamp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口进行信号输出[2]。

下面举例说明：

控制器向P15（BasicStamp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（supportphase）。

腿部着地的状态叫做支撑相或站立相。

（3）摆动相（swingphase）。

腿部处于空中的状态叫做摆动相。

（4）支撑多边形（supportpolygon）。

支撑腿着地点用凸形轮廓线所构成的凸多边形