六足机器人毕业设计论文.docx
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六足机器人毕业设计论文
目录
插表清单 III
插图清单 IV
第一章绪论 1
1.1机器人的发展历史 1
1.2机器人的定义和基本组成 2
1.2.1机器人的定义 2
1.2.2机器人的基本组成：
2
1.3移动机器人概述 3
1.4移动机器人分类 4
1.5多足机器人的发展现状 5
1.6本设计的主要工作 7
1.7本章小结 8
第二章六足仿生机器人的结构分析及设计 8
2.1“六足纲”昆虫的运动原理 9
2.1.1步态的参数描述 9
2.1.2三角步态运动原理 9
2.2六足仿生机器人机械结构分析 10
2.3本章小结 11
第三章六足仿生机器人的步态分析和设计 12
3.1六足步行机器人坐标定义 12
3.2六足机器人的稳定性分析 14
3.3.1稳定性分析 14
3.3.2稳定裕量计算 15
3.4六足仿生机器人的直线运动步态设计 16
3.4.1步态规划 16
3.4.2步态动作分析 17
3.5“三角步态”定点转弯步态设计 20
3.6本章小结 22
第四章六足仿生机器人的控制系统设计 23
4.1功能分解 23
4.2控制系统的硬件设计 24
4.2.1微处理器AT89S52简介 25
4.2.2舵机模块设计 26
4.2.3避障模块设计 28
I
4.3控制系统软件设计 29
4.3.1单个舵机控制方法 30
4.3.2多舵机控制 34
4.3.3六足仿生机器人全方位步态程序设计 39
4.4软件的抗干扰及可靠性设计 42
4.5本章小结 43
第五章软硬件联调 44
5.1KEILC51开发系统基本知识 44
5.2PROTEUS仿真软件基本知识 45
5.2.1Proteus介绍 45
5.2.2Proteus的仿真 45
5.2.3ProteusPCB 45
5.3调试结果 45
5.2相关数值测试 47
5.3本章小结 47
第六章结束语 48
6.1论文总结 48
6.2论文写作的感想 48
6.3本章小结 49
参考文献 49
致谢辞 50
II
插表清单
表1-1机器人FredDelcomyn的参数 6
表2-1本设计机器人相关参数 9
表4-1I/O引脚分配表 23
表4-2时基脉冲与舵机角度对应表 24
表4-2探测障碍物的传感器与单片机引脚对应关系表 25
表4-3舵机与六足机器人足对应关系表 36
表4-4舵机与单片机端口的对应关系表 36
表5-1关系数值表 44
III
插图清单
图1-1FredDelcomyn六足仿生机器人 6
图1-2Gengh机器人 6
图1-3DRROB系列高级机器人 7
图2-1本设计的六足仿生机器人 10
图2-2机器人腿部实物 10
图3-1腿部组图简图 11
图3-2机器人腿部坐标示意图 12
图3-3腿部简图 12
图3-4步行机器人任一时刻姿态图 13
图3-5三角步态稳定图 14
图3-6六足步态示意图 15
图3-7（A、B、C、D）定点转弯步态示意图 16
图4-1基本功能框图 21
图4-2PDIP封装图 23
图4-3微动开关示意图 25
图4-4微动开关安装位置图 25
图4-5硬件设计仿真图 26
图4-6系统软件的总体流程 27
图4-7舵盘的位置线性变化图 28
图4-8舵机的控制脉冲图 28
图4-9控制脉冲程序流程图 29
图4-108路信号舵机控制脉冲图 31
图4-1112个舵机控制流程图 33
图4-12舵机位置示意图 36
图4-13直行程序流程图 37
图4-14转弯程序流程图 38
图4-15避障程序流程图 39
图5-1硬件仿真结果图 44
IV
第一章绪论
机器人的应用越来越广泛，几乎渗透到人们生活的各个领域。
机器人技术在八十年代后期已经形成比较完整的体系。
它将机构学、电子技术、控制理论、计算机技术、传感器技术和人工智能等相关学科融合为一体，不断吸收其他学科诸如材料、能源科学的最新成果，形成了一门独立的高科技学科——机器人学。
机器人学是一种高度综合和交叉的新兴学科，涉及的领域很多，诸如机械、电气、工艺、力学、传动、控制、通信、决策、生物、伦理等诸多方面，是当代研究十分活跃、应用日益广泛的领域。
机器人应用情况，是一个国家工业自动化水平的
。
[1]
重要标志
1.1机器人的发展历史
早在三千多年前的西周时代，我国就出现了能歌善舞的木偶，称为“倡者”，这可能是世界上最早的“机器人”。
在近代，随着第一次、第二次工业革命，各种机械装置的发明与应用，世界各地出现了许多“机器人”玩具和工艺品。
这些装置大多由时钟机构驱动，用凸轮和杠杆传递运动。
1920年，捷克作家K.凯比克在一科幻剧本中首次提出了ROBOT（汉语前译为
。
[2]
“劳伯”）这个名词。
现在已被人们作为机器人的专用名词
1950年美国作家阿西莫夫提出了机器人学（Robotics）这一概念，并提出了所谓的“机器人三原则”，即：
1.机器人不可伤人；
2.机器人必须服从人给与，但不和
（1）矛盾的指令；
3.在与
（1）、
（2）原则不相矛盾的前提下，机器人可维护自身不受伤害。
本世纪50、60年代，随着机构理论和伺服理论的发展，机器人进入了使用化
阶段。
1954年美国的G.C.Devol发表了“通用机器人”专利；1960年美国AMF公司生产了柱坐标型Versatran机器人，可作点位和轨迹控制，这是世界上第一种用于工业生产上的机器人。
70年代，随着计算机技术、现代控制技术、传感技术、人工智能技术的发展，机器人得到了迅速发展。
1974年CincinnatiMilacron公司开发成功多关节机器人；1979年，Unimation公司又推出了PUMA机器人，它是一种多关节、全电动驱动、多CPU二级控制；采用VAL专用语言；可配视觉、触觉、力觉传感器，在当时
是一种技术先进的工业机器人。
现在的工业机器人结构大体上是以此为基础的。
这一时期的机器人属于“示教再现”（Teach-in/Playback）型机器人。
只具有记忆、存储能力，按相应程序重复作业，但对周围环境基本没有感知与反馈控制能力。
这种机器人被称作第一代机器人。
进入80年代，随着传感技术，包括视觉传感器、非视觉传感器（力觉、触觉、接近觉等）以及信息处理技术的发展，出现了第二代机器人—有感觉的机器人。
它能够获得作业环境和作业对象的部分有关信息，进行一定的实时处理，引导机器人进行作业。
第二代机器人已进入了使用化，在工业生产中得到广泛应用。
第三代机器人是目前正在研究的“智能机器人”。
它不仅具有比第二代机器人更加完善的环境感知能力，而且还具有逻辑思维、判断和决策能力，可根据作业要求与环境信息自主地进行工作。
1.2机器人的定义和基本组成
1.2.1机器人的定义
由于研究的侧重点不同，对于机器人的定义，国际上目前尚未有明确的统一标准。
通常情况下，可将机器人理解为：
机器人是一种在计算机控制下的可编程的自动机器，根据所处的环境和作业需要，它具有至少一项或多项拟人功能，另外还可能程度不同地具有某些环境感知能力（如视觉、力觉、触觉、接近觉等），以及语言功能乃至逻辑思维、判断决策功能等，从而使它能在要求的环境中代替人进行作业。
1.2.2机器人的基本组成：
1.机械本体
机器人的机械本体机构基本上分为两大类：
一类是操作本体机构，它类似人的手臂和手腕，配上各种手爪与末端操作器后可进行各种抓取动作和操作作业，工业机器人主要采用这种结构。
另一类为移动型本体结构，主要目的是实现移动功能，主要有轮式、履带式、足腿式结构以及蛇行、蠕动、变形运动等机构。
壁面爬行、水下推动等机构也可归于这一类。
2.驱动伺服单元
机器人本体机械结构的动作是依靠关节机器人的关节驱动，而大多数机器人是基于闭环控制原理进行的。
伺服控制器的作用是使驱动单元驱动关节并带动负载超减少偏差的方向动作。
已被广泛应用的驱动方式有，液压伺服驱动、电机伺
服驱动，近年来气动伺服驱动技术也有一定进展。
3.计算机控制系统
各关节伺服驱动的指令值由主计算机计算后，在各采样周期给出。
主计算机根据示教点参考坐标的空间位置、方位及速度，通过运动学逆运算把数据转变为关节的指令值。
通常的机器人采用主计算机与关节驱动伺服计算机两级计算机控制，有时为了实现智能控制，还需对包括视觉等各种传感器信号进行采集、处理并进行模式识别、问题求解、任务规划、判断决策等，这时空间的示教点将由另一台计算机上级计算机根据传感信号产生，形成三级计算机系统。
4.传感系统
为了是机器人正常工作，必须与周围环境保持密切联系，除了关节伺服驱动系统的位置传感器（称作内部传感器）外，还要配备视觉、力觉、触觉、接近觉等多种类型的传感器（称作外部传感器）以及传感信号的采集处理系统
5.输入/输出系统接口
为了与周边系统及相应操作进行联系与应答，还应有各种通讯接口和人机通信装置。
工业机器人提供一内部PLC，它可以与外部设备相联，完成与外部设备间的逻辑与时实控制。
一般还有一个以上的串行通讯接口，以完成磁盘数据存储、远程控制及离线编程、双机器人协调等工作。
一些新型机器人还包括语音合成和识别技术以及多媒体系统，实现人机对话。
1.3移动机器人概述
移动机器人是机器人学的一个重要分支，其研究始于60年代末期，斯坦福研究院的NilsNilssen和CharlesRosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名为Shakey的自主式移动机器人。
目的是研究应用人工智能技术，在复杂环境下机器人系统的自主推理、规划和控制。
与此同时，最早的操作式步行机器人也研制成功，从而开始了机器人步行机构方面的研究，以解决机器人在不平整地域的运动问题，设计并研制出了多足机器人。
70年代末，随着计算机的应用和传感器技术的发展，移动机器人研究又出现了新的高潮。
特别是在80年中期，设计和制造机器人的浪潮席卷全世界。
一批世界著名的公司开始研制移动机器人平台，这些移动机器人主要作为大学实验室及研究机构的移动机器人实验平台，从而促进了移动机器人学多种研究方向的出现，90年代以来，以研制高水平的环境信息传感器和信息处理技术，高适应性的移动机器人控制技术，真实环境下的规划技术为标志，开展了移动机器人更高层次的研究.自主移动机器人技术是一门综合性很强的高科技学科，涉及到机械、计算机、自动控制、人工智能、力学等广泛科学
领域中的许多前沿技术.自主移动机器人研究已被列入世界各国的高技术发展计划。
如美国国防高级研究计划局的“战略计算与生存能力”工程，日本能产省的
[3]
“极限环境下作业的机器人”发展计划、欧洲共同体的“尤里卡”计划，以及我国的“863”高科技计划中，都把有害环境如核工厂和战场使用的移动机器人作为重要的研究内容。
而以自主移动机器人为对象或应用领域的，基于自适应、学习、进化机理，具有高级生命行为的自主系统的研究与研发，已成为21世纪初信息科学与生命科学富于挑战性的交叉研究领域之一。
1.4移动机器人
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