精品仿生机器人的构设计与运动仿真Word文档格式.docx
《精品仿生机器人的构设计与运动仿真Word文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精品仿生机器人的构设计与运动仿真Word文档格式.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
同时，开展对海的
研究也可以为水下科学考察、海底探矿等领域的新型机器人的开发打下理论基础。
在对未知空间的探索方面也有极大的发展空间。
例如，令人讨厌的苍蝇，与宏伟的航天事业似乎风马牛不相及，但仿生学却把它们紧密地联系起来了。
苍蝇是声名狼藉的“逐臭之夫”，凡是腥臭污秽的地方，都有它们的踪迹。
苍蝇的嗅觉特别灵敏，远在几千米外的气味也能嗅到。
但是苍蝇并没有“鼻子”，它靠什么来充当嗅觉的呢?
原来，苍蝇的“鼻子”——嗅觉感受器分布在头部的一对触角上。
每个“鼻子”只有一个“鼻孔”与外界相通，内含上百个嗅觉神经细胞。
若有气味进入“鼻孔”，这些神经立即把气味刺激转变成神经电脉冲，送往大脑。
大脑根据不同气味物质所产生的神经电脉冲的不同，就可区别出不同气味的物质。
因此，苍蝇的触角像是一台灵敏的气体分析仪。
仿生学家由此得到启发，根据苍蝇嗅觉器的结构和功能，仿制成一种十分奇特的小型气体分析仪。
这种仪器的“探头”不是金属，而是活的苍蝇。
就是把非常纤细的微电极插到苍蝇的嗅觉神经上，将引导出来的神经电信号经电子线路放大后，送给分析器；
分析器一经发现气味物质的信号，便能发出警报。
这种仪器已经被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检测舱内气体的成分。
这种小型气体分析仪，也可测量潜水艇和矿井里的有害气体。
利用这种原理，还可用来改进计算机的输入装置和有关气体色层分析仪的结构原理中。
也可以对陆生的甲虫和蜈蚣等腿部运动的分析核研究制造出相应的产品，应用于军事，工业和科研。
摘要
本论文结合理论与实践，对仿生机器人的结构与控制系统进行了研究。
本论文主要研究内容包括仿生机器人的总体方案设计、驱动系统与运动系统的设计、运动控制系统的软硬件设计。
总体方案设计主要讨论了仿生机器人的机械本体结构，机器人足的结构设计。
驱动系统和运动系统主要分析了腿部的运动,机器人的运动规划和驱动系统结构。
运动系统硬件设计是采用的慧鱼ROBO接口板。
软件设计是结合慧鱼公司开发的编程软件（robotpro）进行编程。
运用PROE对机器人进行运动仿真，并通过试验实现了设计要求。
关键词：
仿生机器人，结构，控制，编程，运动仿真
ABSTRACT
Withthefastdevelopmentofthebionicsandrobottechnology,bionicrobotbecomesapopulartopicintheareaofrobotresearch.Bycombiningtheoryandpractice,thecontrolsystemandstructureofthebionicmobilerobotwerestudiedinthispaper.
Thispapermainstudiesbionichexapod—robot’soverallprogramdesign,thedrivesystemandthemovementsystemdesign,andthehardwareandsoftwaredesignofthemotioncontrolsystem.Overalldesignofthebionicrobotmainlydescribesmechanicalbodystructureoftherobotandthestructuredesignoftherobot’sfoot,Thelegs’campaign,robot’smotionplanningandthestructureofdrivingsystemwereanalyzedinthedrivesystemandmotionsystem.Thefishertechnikcomputingrobointerfacewasusedasthehardwareofthemovementsystem.Softwaredesigncombinesprogrammingsoftware（robotpro）oftheEmilyfishtoprogram.ThenthemodelisintroducedtoPROEsoftwarefordynamicsimulation,thenrealizetherequirementofthedesignthroughtheexperimentation.
Keywords:
Bionichexapod—robot，Structure，Control，Programming,Dynamicsimulation
第1章绪论
1.1仿生机器人概述
仿生学是研究生物系统的结构和性质以为工程技术提供新的设计思想及工作原理的科学。
仿生学一词是1960年由美国斯蒂尔根据拉丁文“bios”（生命方式的意思）和字尾“nlc”（“具有……的性质”的意思）构成的。
仿生学（bionics）在具有生命之意的希腊语bion上，加上有工程技术涵义的ics而组成的词。
大约从1960年才开始使用。
生物具有的功能迄今比任何人工制造的机械都优越得多，仿生学就是要在工程上实现并有效地应用生物功能的一门学科。
例如关于信息接受（感觉功能）、信息传递（神经功能）、自动控制系统等，这种生物体的结构与功能在机械设计方面给了很大启发。
可举出的仿生学例子，如将海豚的体形或皮肤结构（游泳时能使身体表面不产生紊流）应用到潜艇设计原理上。
仿生学也被认为是与控制论有密切关系的一门学科，而控制论主要是将生命现象和机械原理加以比较，进行研究和解释的一门学科。
苍蝇，是细菌的传播者，谁都讨厌它。
可是苍蝇的楫翅（又叫平衡棒）是“天然导航仪”，人们模仿它制成了“振动陀螺仪”。
这种仪器目前已经应用在火箭和高速飞机上，实现了自动驾驶。
苍蝇的眼睛是一种“复眼”，由30O0多只小眼组成，人们模仿它制成了“蝇眼透镜”。
“蝇眼透镜”是用几百或者几千块小透镜整齐排列组合而成的，用它作镜头可以制成“蝇眼照相机”，一次就能照出千百张相同的相片。
这种照相机已经用于印刷制版和大量复制电子计算机的微小电路，大大提高了工效和质量。
“蝇眼透镜”是一种新型光学元件，它的用途很多。
自然界形形色色的生物，都有着怎样的奇异本领？
它们的种种本领，给了人类哪些启发？
模仿这些本领，人类又可以造出什么样的机器？
这里要介绍的一门新兴科学——仿生学。
仿生学是指模仿生物建造技术装置的科学，它是在本世纪中期才出现的一门新的边缘科学。
仿生学研究生物体的结构、功能和工作原理，并将这些原理移植于工程技术之中，发明性能优越的仪器、装置和机器，创造新技术。
从仿生学的诞生、发展，到现在短短几十年的时间内，它的研究成果已经非常可观。
仿生学的问世开辟了独特的技术发展道路，也就是向生物界索取蓝图的道路，它大大开阔了人们的眼界，显示了极强的生命力。
仿生学是20世纪60年代出现的一门综合性边缘科学．它由生命科学与工程技术学科相互渗透、相互结合而成，通过学习、模仿、复制和再造生物系统的结构、功能、工作原理及控制机制，来改进现有的或创造性的机械、仪器、建筑和工艺过程。
仿生学将有关生物学原理应用到对工程系统的研究与设计中，尤其对当今日益发展的机器人科学起到了巨大的推动作用口当代机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业中走出来向航空航天、星际探索、军事侦察与攻击、水下地下管道探测与维修、疾病检查治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方面发展．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工作。
人们要求机器人不仅要适应原来结构化的、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。
这一应用已经成为军用机器人研究领域的热点和未来发展方向之一。
最新发展：
仿生学与遗传学的整合是系统生物工程（systemsbio-engineering）的理念，也就是发展遗传工程的仿生学。
人工基因重组、转基因技术是自然重组、基因转移的模仿，还天然药物分子、生物高分子的人工合成是分子水平的仿生，人工神经元、神经网络、细胞自动机是细胞系统水平的仿生，跟随单基因遗传学、单基因转移发展到多基因系统调控研究的系统遗传学（systemgenetics）、多基因转基因的合成生物学（syntheticbiology），以及纳米生物技术（nano-biotechnology）、生物计算（bio-computation、DNA计算机技术的系统生物工程发展，仿生学已经全面发展到一个从分子、细胞到器官的人工生物系统（artificialbiosystem）开发的时代。
1.2仿生型多足步行机器人技术综述
由于仿生机器人所具有的灵巧动作对于人类的生产和科研活动有着极大的帮助，所以，自80年代中期以来，机器人科学家们就开始了有关仿生机器人的研究
。
（1）LAURON系列六足机器人
德国的卡尔斯鲁厄大学的KarstenBetas教授所领导的研究小组对多足仿生机器人进行了多年的研究。
比较有代表性的研究成果是他们研制的LAURON系列六足机器人（如图1.1所示）该机器人由躯体、头部和六条相同的足构成。
躯体装载有微控制
器、处理单元、电源和摄像头所有部件都装在本体上，因此可以满足自主性的要求。
它总重16kg，长宽均为70cm，最大承载15kg最大行进速度为0．5m／s。
它装有多种传感器，包括轴编码器、力阻传感器、倾角传感器、红外测距传感器以及用作视觉传感器所的摄像头。
通过对多种传感器反馈信号的处理，LAURONII可以实现不平地面上的自主运动。
（2）Hamlet仿昆虫六足步行机器人
新西兰的坎特伯雷大学（UniversityofCanterbury）在2000年底研制成功了一种微型伺服电机驱动的六足步行机器人。
它是以竹节虫为生物模拟对象的具有全方位步态的步行机器人（如图1．2所示）。
该机器人共有六条三关节的步行足，单个关节由一台功率为IOW的Maxon电机驱动通过齿轮箱减速输出4．5Nm的扭矩。
每条步行足端部装有一个框架应变结构的三维力传感器并使用碳纤维包覆的保护稍对接触地面的足端进行保护。
该机器人采用二级分布式控制框架，硬件部分采用了集成了2个MS320C44芯片的集成控制板卡对关节驱动信号和力、姿态传感器信号进行处理运算。
该机器人尺寸为650mmX500mmX400mm，重12.7kgt能以0．2m／s的平均速度在复杂地形中自主行走运动．并具有越障能力。
（3）Lobstei机器龙虾
在美国的国防高级研究项目代理部（DefenseAdvancedResearchProjectsAgencyDARPA）资助下，美国海军与马萨产品公司和波士顿的东北大学联合研究的仿龙虾八足步行机器人（如图1.3所示）可以在海底进行水雷搜索和引爆的作业。
它包括4×
8英寸的壳体，壳体由8条3自由度腿驱动，能够浮游与爬行，头部装有2个钳子，起到液动控制舵的作用，尾部伸出8英寸长的水流动力控制平面来保持稳定。
机器龙虾的关节动作采用肌肉型驱动器（用形状记忆合金镍钦诺做成的力可恢复型人造肌肉）控制。
该控制器采用了一套决定机器龙虾行为的行为库，行为库是基于围绕决定机器龙虾行动的一组状态变量而组织的命令。
同时它也能承载用于销毁水雷的传感器和少量炸药。
（4）Hexplorer2000六足步行机器人
加拿大Waterlo大学研究开发的Hexplorer2000步行机器人如图1.4所示，在一个圆形机体上均布有6条腿。
每条腿有3个关节，每个关节由一个独立的电机控制。
控制系统采用TI公司的C2000系列DSP，整个系统共采用7片DSP芯片分层控制，其中每片控制一条腿3个关节，另外一片作为中心控制器，向另外6片发送和接收指令。
每条腿是一个独立的子系统，依靠从中心控制器传来的位置信号来进行步态规划。
通信和事件管理采用CAN总线接口模式。
国内在相关领域的研究起步较晚，国内对多足步行世纪八十年代末九十年代初起步。
北京航空航天大学于上个世纪九十年代初研制过一台仿牲畜的四足步行机器人，它采用液压驱动，每足有二个自由度，总重约二吨。
中国科学院沈阳自动化研究所也开展了这个领域的研究工作，它与长春光机所于1989年3月共同研制了海蟹号六足步行机器人。
它采用的是极坐标的具有25个自由度的六足机构，潜深300米，重1.5吨。
清华大学在1990年研制出了一台QW－II型全方位四足步行机器人，各足沿圆周均匀分布，每条腿三个自由度，由电机驱动，大小腿垂直布置。
在此样机基础上做了直走，横走各种步态和转弯等各种实验研究。
上海交通大学的马培荪等人研制了一种形状记忆合金丝驱动的微小型六足机器人，它的行走机构重14.18g，平均行走速度为1mm/s，采用4.5V电源，控制系统简单、小巧、轻便。
上海交通大学还研制出了一种仿哺乳动物的关节式四足步行机器人“JTLJWM-III"
，它能以对角线步态行走，在足底加了PVDF测力传感器，在上位机中利用模糊神经网络系统对力反馈信息进行处理，调整步行参数，提高了步行的稳定性。
目前有北航、上海交大、北科大、国防科大、东南大学、沈阳自动化所和哈工大等科研院所正在从事仿生机器人的研究。
北航机器人所在国家“863”智能机器人主题支持下，研制出了能实现简单抓取和操作作业的多指灵巧手（如图1.5所示）。
BH-4型灵巧手采用精密齿轮传动结构，具有4手指，16关节，每关节为一直流电机驱动，并实现了将电机安装于手指中。
控制系统采用多层多目标递阶控制系统。
其中，由PC机完成物体的理想轨迹跟踪层、手指协调层工作，由四个控制器完成四个手指关节位置控制。
手指内各关节控制器在物理上位于同一控制器内，以便必要时相互交换信息提高控制精度，减小藕合造成的控制误差。
同时北航机器人所的一个研究小组正在进行微小型鱼类仿生机器人（潜水器）技术的研究，研制了仿生“机器鱼”实验模型，并开展“多机器鱼协调控制”技术研究。
哈工大机器人研究所研制了高灵活性的仿人手臂及拟人双足步行机器人。
其仿人手臂具有工作空间大、关节无奇异姿态、结构紧凑等特点。
通过软件可实现避障、回避关节极限和优化动力学性能等。
1.3多足机器人的关键技术
现代仿生学与机器人技术相结合的研究和应用己经得到了各国相关研究人员和专家的极大关注，取得了大量可喜成果和积极进展，主要集中在以下几个方面开展广泛和深入的研究。
机器人的自由度越多，机构越复杂，必将导致控制系统的复杂化。
复杂大系统的实现不能全靠子系统的堆积，要做到“整体大于组分之和”，同时要研究高效优化的控制算法才能使系统具有实时处理能力。
在仿生机器人的设计开发中，为实现对不同物体和未知环境的感知，都装备有一定量的传感器，多传感器的信息融合技术把分布在不同位置的多个同类或不同类的传感器所提供的局部境的不完整信息加以综合，消除多传感器信息之间可能存在的冗余和矛盾，从而提高系统决策、规划、反应的快速性和正确性。
合理的机构设计是仿生机器人实现的基础。
生物的形态经过千百万年的进化，其结构特征极具合理性，而要用机械来完全仿制生物体几乎是不可能的，只有在充分研究生物肌体结构和运动特性的基础上提取其精髓进行简化，才能开发全方位关节机构和简单关节组成高灵活性的机器人机构。
微型仿生机器人作为仿生机器人中特殊的种类，绝不是传统常规机器人的按比例缩小，它的开发涉及到电磁、机械、热、光、化学、生物等多学科。
对于微型仿生机器人的制造，需要解决一些工程上的问题。
如动力源、驱动方式、传感器集成控制以及同外界的通讯等，实现微传感和微驱动的一个关键技术是机电光一体结合的微加工技术。
同时，在设计时必须考虑到尺寸效应、新材料、新工艺等问题。
要使机器人在相对较广的范围内完成较长时间的复杂工作，能源问题是不得不考虑的。
目前，广泛作为无缆机器人能源的电池还不能满足机器人长时间，大范围的工作要求。
可以说新能源的开发研究，对机器人研究有着重要的意义。
第2章仿生机器人总体设计方案的确定
2.1概述机构模型
六足仿生机器是一个复杂的机器人系统，包括机械传动和电气控制两大部分，其中机械系统必须具有运动灵活、传动精密的机械本体，结构合理、高效运作的控制框架，以及运算高速、工作可靠的硬件平台。
本章将从上述这几个方面对六足生机器人的总体设计方案进行介绍。
2.2本体结构设计
六足仿生机器人是一种基于仿生设计理念的多足步行机器人，在设计时遵循了“行为仿生，突出功能”的原则，其模型样机的机械本体是以六足甲虫为生物原型建造的。
为便于研究机械部件采用积木搭建方式。
为了使六面连接体连接稳定可靠采用了如下连接方式：
1主要连接方式:
燕尾槽连接，如图2.1。
为防止滑脱配合方式采用过盈配合
2材料选择
我选择工程塑料中的聚酰胺，原因如下：
聚酰胺能承受一定外力作用，具有良好的机械性能和耐高、低温性能，尺寸稳定性较好，而且价格便宜又是通用塑料的一种容易购得。
3零件示意图
如图2.2所示六面连接体基本件均用PRO/E设计软件设计能够满足本次仿生机器人机构及性能要求。
机器人的步行足模型可以简化为类似3关节串联操作臂的RRRS型结构，从足根部与躯体连接处起计，包括3个转动关节，和位于足尖的由三个正交转动关节坐标系组成的一个球关节，如图2.3所示。
整个足由基节、股节和胫节三部分构成，其中基节与躯体之间，基节与股节之间以及股节与胫节之间均为转动副连接，在实际的仿生甲虫机器人样机的机械本体中，步行足各段长度分别为:
基节:
L1=50mm
股节:
L2=100mm;
胫节:
L3=57mm
仿生六足虫机器人的整体结构由一个长方形的躯体和六条结构完全相同的步行足构成，六条步行足对称的平均分布于躯体的两侧，如图2.4所示。
仿生机器人的机械本体以六面连接体搭建，并在躯体上预设安装空间及安装孔，便于控制电路、传感器、电源模块等设备的安装。
同时考虑到外形封装的需要，兼顾了仿生六足甲虫外形的特点，整体上采用长方体结构。
整个机械本体的结构如图2.3所示，具体设计参数如下:
总体高度:
H=150mm
纵向长度:
L=190mm
横向宽度:
B=270mm（含步行足）
步行足长度:
Lg=LI+LZ+L3=50+100+57=207mm;
躯体离地高度:
Hg=48mm
使用六面连接体零件搭建如图2.5所示机器人骨架。
第3章仿生机器人运动系统的设计
3.1腿部的运动分析和设计
本机器人的腿部机构示意简图如图3.1所示为曲柄摇杆机构，连杆BC与EF为一个构件，在曲柄AB的作用下，腿的部分EF可以前后摆动.通过调整单个构件和脚底部件的距离，使曲柄旋转时，机器人的脚以椭圆的形状摆动，这就相当于行走时走了一步。
本机器人有步进电机驱动，电机轴上套接直齿轮，通过齿轮联接动蜗杆轴的转动。
其中电机轴是输出轴，蜗杆轴是输出轴。
蜗杆转动带动其一侧的三个蜗轮转动，继而带动腿部运动来控制机器人的移动。
电机逆向转动使机器人前进，反向转动使机器人后退。
由于同一边的腿关节由曲轴与蜗轮联接，故可以通过调节曲轴角度来控制各腿相位的异同以及相位差，故可以达成不同的步态。
安装六个曲柄带动六只脚，要严格保持一致，同时触地的三只脚，要使用同样的曲柄安装。
此时，离地的三只脚的曲柄作180度旋转。
曲柄的正确安装关系到机器人以正确的步调行走。
3.2传动部分结构设计
结合腿的结构和运动设计，考虑用两个电机带动腿部运动。
该机器人左右两侧分别装有一个电机.通过将电机的旋转运动转化为六条腿（曲柄摇杆机构）的协调动作，即“三脚行走步态”.所设计的传动系统结构如图3.2所示，动力来源于电机M1,M2，连接到固定的减速比为50：
1的法兰齿轮组，动力经过齿轮传动传至六个蜗杆，带动六个蜗轮（曲柄）协调运动，传到腿部，使六条腿协调运动。
3.3步态规划及分析
该机器人的行走方式为“三脚行走步态”如图3.3所示
通俗的说，步态是行走系统抬腿和放腿的顺序。
步行机器人的腿可以看作两状态器件。
腿的悬空相（Transferphase）指腿抬离地而的阶段，悬空相状态记为“1'
腿的支撑相（supportphase）指腿支撑在地并推动机体向前运动的阶段，支撑相的状态记为“0”。
运动周期T指周期步态中某一腿运动一个完整循环所需要的时间。
周期步态指各腿的运动周期相同，且任一腿的运动周期不随时间而变化。
有荷因数（（dutyfactor）指腿i支撑在地而上的时间占整个运动周期的比例:
则步态称为规则步态（regulargait）o腿i的相对相位，指第i足的触地时刻相对于第一足的延时在一个运动周中的比例：
步距（stridelength），指一个完整的腿循环中机体重心移、动的位置。
腿行程（legstroke），指支撑相时足端相对于机体移动的距离。
腿节距（legpitch）,指横向运动步行机机体同一端上相邻腿运动卞平而之间的距离。
行程}N距（strokepitch），指纵向运动步行机机体同一端上相邻腿行程中点的间距。
行程间距，指横向运动步行机前后足对行程中点的间距。
升级会员 