仿生机器人的构设计与运动仿真.docx

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1、文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎卜载支持.【关键字】精品随着仿生学与机器人技术的飞速发展.仿生机器人已日益成为机器人领域的研究热点，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3,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、海洋探索、水卜洞穴探索、军中侦察、军事攻击、军野防御、水卜地卜.管道探测与维修、 疾病检査治疗、抢险救灾等非结构环境下的自主作业方而发展,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I：作。人们要求机器人不仅要适应原来结构化的、己知的环境，更要适

2、应 未来发展中的非结构化的、未知的环境。除了传统的设计方法，人们也把目光对准了生物界，力求 从丰富多彩的动植物身上获得灵感，将它们的运动机理和行为方式运用到对机器人运动机理和控制 的研究中，这波是仿生学在机器人科学中的成用。本文结合当前仿生机器人的研充现状与未来发展方向，以慧魚机器人模型为平台制作对机械本质结构、传动系统，控制系统的软件编程进行了系统设计及介招。现对研充和实验中取得的主要 成果总站如下:I-通过对甲虫六条腿的结构与功能的研究，设计了六足彷生机器人的足的结构，实现了机器 人的结构仿生。2. 在对仿生模型的结构仿生与运动仿生分析的基础上，确定了采用蕙鱼ROBO接口板作为控 制凱3.

3、 利用慧紹ROBO接口板实现电机和微动的控制，从而对机器人进行运动控制.4. 根据三角步态原理.设计了前进、后退以及转弯等不同运动状态。并对机器人进行了运动 分析，得出了一般的结论。5. 以慈色公可开发的编程软件：ROBO PRO.对机器人进行软件编程，使它按规定的路线运 动，实现对其运动的控制。本次毕业设计的目的和意义是综含运用大学四年里所学到的基础理论知识达到设计目的并提 高自己分析问题和解决问題的能力，提高机械控制系统设计、操纵机构的设计能力及运用PRO/E 设计软件的建模能力，并增强自身的动手能力与计算机编程能力.本课题的研充前景十分广阔。例如，可以通过对海蟹的硏究，进行仿生设计，制造

4、出海陆两用 的仿生机器人，建立基于环境适应行为的智能运动控制策略.在此基础上，为未来智能化近海两栖 作战新概念武器结构设计与分析提供新方法。对于跟踪国际先进军事技术.建立新型作战武器有重要意义。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荘蝇是声名狼游的“逐見之夫”，凡是暖臭污秽的地方，都有它 们的踪迹。苍蝇的嗅觉特别灵敏，近在几T米外的气味也能嗅到。但是苍蝇并没有“鼻了”，它靠什 么来充当嗅觉的呢？原来，苍蝇的林子“一

5、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，送往大脳.大脳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 经发现气味物质的信号， 便能发出警报。这种仪器已經被安装在宇宙飞船的座舱里，用来检

6、测舱内气体的成分。这种小型气 体分析仪，也W测量潜水艇和矿井里的有害气体。利用这种原理，还口I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娱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.L2.8距离传感器输入D1和D2错误!未定义书签.1.2.9红外线（IR）输入错误!未定义书签。USB接口和巾口错误!未定义书签。 接卩的选择错误!未定义书签. 端口的固定设置 错误!未定义书签。 红外测试功能错误!未定义书签。 26针插糟错误!未定义书签。 I/O扩展板用插槽错误!未定义书签. 无线射频通信模块用插糟错误!未定义书签。 错误!未定义书签

7、.4. 3 ROBO接口板与机器人的连接错误!未定义书签。4. 4软件系统错误!未定义书签. 错误!未定义书签. 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。第5章运动仿真错误!未定义书签.5.1i|算机仿貞.技术错误!未定义书签 错误!未定义书签。 错误!未定义书签。46章 总结与展望错误!未定义书签.致谢错误!未定义书签. 参考文献错误!未定义书签.文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎卜载支持.随着仿生学与机器人技术的飞速发展，仿生机器人已日益成为机器人领域的研究 热点。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、

8、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 规划和駆动系统结构。运动系统硬件设计是采用的慈俭ROBO接【I板。软件设计是结合 息:鱼公司开发的编程软件(robot pro)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，运动仿区文档来源为:从网络收集整理.word版本可编辑.欢迎卜载支持.ABSTRACTWith the fast development of the bionics and robo

9、t technology, bionic robot becomes a popular topic in the area of robot rescarcli. By combining theory and practice, the control system and structure of the bionic mobile robot were studied in this paper.This paper main studies bionic hexapodrobots overall progiam design, the drive system and the mo

10、vement system design, and the hardware and software design of the motion control system. Overall design of the bionic robot mainly describes mechanical body stnicture of the robot and the stmeture design of the robots foot. The legs campaign, robots motion planning and the structure of driving syste

11、m were analyzed in the drive system and motion system . The fisher tcchnik computing robo interface was used as the hardware of the movement system . Software design combines programming software (robot pro) of the Emily fish to program. Then the model is introduced to PROE software for dynamic simu

12、lation, then realize the requirement of the design through the experimentation. Keywords: Bionic hexapodrobot. Structure. Control, Programming. Dynamic simulation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汁思想及工作原理 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。彷生学（bionics）在具有生命之意的

13、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I：制造的机械 都优越得多，仿生学就是:要在工程上实现并冇效地应用生物功能的一门学科。例如关 F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。可挙出的仿生学例子，如将海豚的体形或皮 肤结构（游泳时能使身体表而不产生素流）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。可是苍蝇的柝翅（乂叫平衡棒

14、）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机 上，实现了自动驾驶。苍蝇的眼睛是种“复眼”，由3000多只小眼组成，人们模仿 它制成了 “蝇眼透镜”。“蝇眼透镜”是用丿L1或者凡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”，一次就能照岀千白张相同的相片。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 一一

15、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丄程技 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，它的研究成果已经北常可观。仿生学的问他开辟了独特 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，来改进现冇的或创造性的机械

16、、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II哗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。除了传统的设计方法, 人们也把廿光对准了生物界，力求从丰富多彩的动植物身上获得灵感，将它们的运动 机理和行为方式运用到对机器人运动机理

17、和控制的研究中，这就是仿生学在机器人科 学中的应用。这一应用己经成为军用机番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(systems bio-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I：合成是分子水平的仿生，人I：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(system genetics).多基因转基因的合 成生物学(synthetic biology),以及纳米生物技术(n

18、ano-biotechnology)、生物计 算(bio - computation. DNA计算机技术的系统生物工程发展，仿生学已经全而发展 到一个从分子、细胞到器官的人工生物系统(artificial biosystem)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冇的灵巧动作对于人类的生产和科研活动冇着极大的帮助， 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)LAUR0N系列六足机器人图 1.1 LAUROXII徳国的卡尔斯魯厄大学的 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 冇代表性的研究成果

19、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 成躯体装载冇微控制器、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。它总車16kg,长 宽均为70cm,最大承载15kg最大行进速度为0. 5m/so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，LAI-R0NII可以实现不平地面I：的自主运动。(2) Hamlet彷昆虫六足步行机器人图1.2 Hamlcl机器人新西兰的坎特们雷大学 (University of Canterbury

20、)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I0W的Maxon电机驱动通过 齿轮箱减速输出4.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MS320C-14芯片的集成控制板卡对关节駆动信号和力、姿态传感器信号进行处理运算。该机器人尺寸为650mmX500mmX400nim,重12. 7kgt能以0. 2m/ s的

21、平均速度 在复杂地形中自主行走运动.并具冇 越障能力。(3)Lobstei机器龙虾在美国的国防高级研究项LI代理 部(Defense Advanced Research图1.3 Lobstei机器龙虾Projects Agency DARPA）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 研咒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4X8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英寸玲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駆动器（用形状记忆合金镣钦诺做成的力

22、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霄的 传感书和少量炸药。图 1.4 Hexplorer 2000（4） Hexplorer 2000六足步行机器人 加章大Waterlo大学研究开发的 Hexplorer 2000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,整个系统共釆用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

23、发送和接收指令。毎条腿是 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K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 合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0上海交通大学的马培恭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M.lSg,平均行走速度为1 mm/s,釆用4. 5 V电源，控制系统简