六足机器人毕业设计论文(41页).doc

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1、-六足机器人毕业设计论文-第 36 页目录插表清单III插图清单IV第一章 绪论11.1 机器人的发展历史11.2 机器人的定义和基本组成21.2.1机器人的定义21.2.2机器人的基本组成：21.3 移动机器人概述31.4 移动机器人分类41.5 多足机器人的发展现状51.6 本设计的主要工作71.7 本章小结7第二章 六足仿生机器人的结构分析及设计82.1“六足纲”昆虫的运动原理82.1.1步态的参数描述82.1.2三角步态运动原理92.2六足仿生机器人机械结构分析102.3 本章小结11第三章 六足仿生机器人的步态分析和设计113.1六足步行机器人坐标定义123.2六足机器人的稳定性分析

2、143.3.1 稳定性分析143.3.2稳定裕量计算143.4六足仿生机器人的直线运动步态设计163.4.1步态规划163.4.2步态动作分析163. 5“三角步态”定点转弯步态设计193.6本章小结21第四章 六足仿生机器人的控制系统设计224.1功能分解224.2控制系统的硬件设计234.2.1微处理器AT89S52简介234.2.2 舵机模块设计244.2.3 避障模块设计254.3 控制系统软件设计274.3.1单个舵机控制方法284.3.2多舵机控制324.3.3六足仿生机器人全方位步态程序设计374.4 软件的抗干扰及可靠性设计404.5 本章小结41第五章 软硬件联调425.1

3、Keil C51开发系统基本知识425.2 Proteus 仿真软件基本知识425.2.1 Proteus介绍425.2.2 Proteus的仿真435.2.3 Proteus PCB435.3调试结果435.2 相关数值测试445.3本章小结45第六章 结束语466.1 论文总结466.2 论文写作的感想466.3本章小结46参考文献47致谢辞48插表清单表 1-1机器人Fred Delcomyn的参数.6表 2-1 本设计机器人相关参数.9表 4-1 I/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

4、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插图清单图 1-1Fred Delcomyn六足仿生机器人.6图 1-2Gengh机器人.6图 1-3 DRROB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 4-2 PDIP封

5、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 4-10 8路信号舵机控制脉冲图.31图 4-11 12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

6、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重要标志1。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

7、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“劳伯”）这个名词。现在已被人们作为机器人的专用名词2。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”

8、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Cincinnati Milacron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

9、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

10、.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

11、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

12、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

13、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Nils Nilssen和Charles Rosen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

14、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

15、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“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。31.4 移动机器人分类移动机器人是机器人的一个重要分支，早期的移动机器人无论是控制方法或智能水平都较低，只能做出一些简单的推理、判断和决策。近年来，随着机器人技术及相关领域

16、技术的发展，特别是计算机技术的发展，机器人领域的研究取得了长足的进步，其智能水平也大大提高，逐步由以前的遥控式向半自主式和自主式过渡，工作条件也由室内向室外、简单向复杂过渡。其中自主式移动机器人由于其高度的自主性，正在越来越多的领域得到广泛的应用，特别是在军事侦察、宇宙开发、扫雷排险、防核化污染等恶劣的环境中有着广泛的应用前景。另外，随着生产自动化技术的发展，移动机器人在柔性自动化制造生产线上和无人化工厂中也得到了广泛的应用。当前 ，由于生产自动化程度的提高，对机器人提出了各种各样的需求，要求能够实现各种功能，其中移动机器人成为机器人研究领域的热门方向。对于移动机器人来说，它有多种不同的分类方

17、法，按不同的分类方法可将移动机器人分为不同的种类:(一) 按自主水平来分:1、遥控式移动机器人移动机器人的执行动作和运行轨迹完全由人通过遥控来控制，机器人不进行任何判断和决策，只是执行人发出的命令。不具备任何自主性。2、半自主式移动机器人智能水平介于遥控和自主式移动机器人之间，具备一定的感知、判断和决策功能，但对一些复杂任务仍需在人工干预下才能顺利完成。3、自主式移动机器人按人预先设置的任务命令，根据己知的环境信息进行路径规划，同时在行进过程中不断获取周围的局部环境信息，自主地做出判断和决策，随时调整移动机器人的运行路径并执行相应的动作和操作。整个过程不需人为参与，由机器人自主进行。(二)按移

18、动方式来分:1、轮式移动机器人:轮式机器人动作稳定，操纵简单，其移动速度和方向容易控制.在无人工厂中用来搬运零部件或做其它基本任务用的很多，适合于平地行走。按轮数的多少又可分为二轮、三轮、四轮式三种。2. 履带式移动机器人:履带式移动机器人的移动机构支撑面积大，接地比压小，适合松软或泥泞场地作业，下陷度小，滚动阻力小，对路况具有较强的适应性，同时具有较强的爬坡能力和负载能力。3、多足移动机器人:足式移动对崎岖路面具有很好的适应能力，足式移动方式的立足点是离散的，可以在可能到达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。足式移动方式具有主动隔振能

19、力，允许机身运动轨迹和足运动轨迹解祸，保持机身运动具有高稳定性.因此，足式步行机器人的研究已成为机器人学中一个引人注目的研究领域。4、 特种移动机器人:根据具体的应用目的，还有其他种类的移动机器人，如墙壁清洗机器人、爬缆索机器人以及管内移动机器人等，这些机器人是根据某种特殊目的设计的机器人。(三)按控制体系结构来分:1、功能式(水平式)结构机器人;2、行为式(垂直式)结构机器人;3. 混合式机器人。(四)按功能和用途来分:1、医疗机器人，2、军用机器人，3、助残机器人，4、清洁机器人等。(五) 按作业空间来分:1、陆地移动机器人，2、水下机器人，3、无人飞机和空间机器人等。1.5 多足机器人的

20、发展现状早在上世纪80年代，美国的著名机器人学家McGhee开始着手研发四足仿生机器人以来，多足仿生机器人一直成为大量学者的研究对象。研发人员开始纷纷研究多足机器人的模型和样机，并一步步攻关一个个难题。4多足机器人六足仿生机器人的一个最大的优点是对行走路面的要求很低,它可以跨越障碍物、走过沙地、沼泽等特殊路面,因此可以用于工程探险勘测、反恐防爆、军事侦察等人类无法完成的或危险的工作,并且机器人的足所具有的大量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。于是以McGhee等人为代表的对多足机器人的远动步态进行了研究并提出了方案。随后，国内外的众多学者便开始研究多足机器人的运

21、动步态和控制。最后在Lee设计了具有独特独特结构的SERO六足仿生机器人，它把整个机器人的步态进行了规划，实现了机器人的前进、后退和转弯。同时，在国内，中科院沈阳自动化研究所、清华大学、等单位也先后展开了机器人的研究，并取得了较大的成果。图1-1Fred Delcomyn六足仿生机器人图1-1是模仿美国的一种叫Perip laneta Americana的蟑螂而设计的仿生机器人，机器人的整个身体比例约是该蟑螂的12到17陪左右。其参数如表1-1表1-1机器人Fred Delcomyn的参数参数机器人名称国别尺寸（M）长*宽*高各部位比例髋*股节*胫节体重（KG）Fred Delcomyn美国0

22、.58*0.14*0.231:1.1:1.511随着机器人技术的不断完善，多足机器人也别运用到各个领域里面，图1-2为MIT的仿生机器人，这个名为Gengh的机器人是MIT于1989年设计并制作的，主要用于火星的不规则地面的探测。图1-2Gengh机器人同样，在国内也渐渐出现了一批设计和生产仿生机器人公司和个人，图1-3是德普施科技有限公司的DRROB系列高级机器人产品5。该机器人以1个曲柄摇杆机构和连杆机构作为腿部和六足，以12个直流伺服电机作为驱动元件。利用德普施科技有限公司的六足机器人包搭接出的六足机器人如图1-3所示。图1-3 DRROB系列高级机器人1.6 本设计的主要工作机器人系统

23、是一个跨学科的综合系统，涉及很多学科的知识。本文对现有的机器人分析机械结构，在此基础上，进行该机器人运动步态的研究，分析其步态稳定性，给出不同步态下的机器人落足点的位置矢量表达式，按照计算机控制系统的特点，根据六足步行机器人的机械结构和关节运动的协调性、准确性的控制要求，确定六足仿生机器人控制系统的设计和实现不同步态的控制策略。对六足仿生机器人控制系统的硬件电路和软件流程给出详细介绍，并进行相关测试，验证整体设计方案的正确性和可靠性.论文主要内容有:1、以自行设计的六足仿生机器人为研究对象，分析其机械结构，按照“六足纲”昆虫的运动原理，进行步态分析，确定机器人的步态规划。2、分析适合机器人行走

24、的运动步态形式，规划典型直线行走步态和定点转弯步态，确定步态规划中每种状态的机器人足端位置矢量，进行机器人稳定性分析，3、根据六足步行机器人的机械结构和关节运动的协调性、准确性的控制要求，设计六足仿生机器人控制系统，确定对机器人腿部十二个舵机的控制方案，使机器人根据目的地的方位，实现不同步态的控制策略。4、完成六足仿生机器人控制系统的硬件设计和软件设计。1.7 本章小结本章主要是对机器人有一各概况，着重介绍了机器人的发展及国内外的一些机器人的发展成果，并交代了本次设计的设计背景，为后续的设计指明了方向。第二章 六足仿生机器人的结构分析及设计“六足纲”昆虫(蟑螂,蚂蚁等等) 在平坦无阻的地面上快

25、速行进时,多以交替的三角步态运动1,即在步行时把六条足分为两组,以身体一侧的前足、后足与另一侧的中足作为一组,形成一个稳定的三角架支撑虫体,因此在同一时间内只有一组的三条足起行走作用:前足用爪固定物体后拉动虫体前进,中足用以支撑并举起所属一侧的身体,后足则推动虫体前进,同时使虫体转向,行走时虫体向前并稍向外转,三条足同时行动,然后再与另一组的三条足交替进行,两组足如此交替地摆动和支撑,从而实现昆虫的快速运动 ，我们将这种步态定义为“三角步态”6。2.1“六足纲”昆虫的运动原理2.1.1步态的参数描述“六足纲”昆虫体的腿可以看作两状态器件:腿的悬空相和腿的支撑相。腿的悬空相(Transfer p

26、hase)指腿抬离地面的阶段，悬空相状态记为“1”。腿的支撑相(support phase)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.“六足纲”昆虫在运动过程中，可以以不同的周期进行运动.有荷因数 (dutyf actor)指腿i支撑在地面上的时间占整个运动周期的比例: 以下有荷因数用Q表示，Q=腿i的支撑相时间/腿i的周期；Qi=腿i的支撑时间/腿i的周期若Qi=0,i=1,2，2k(2k为总足数)，则步态称为规则步态(regular)腿i的相对相位，

27、指第i足的触地时刻相对于第一足的延时在一个运动周期中的比例Si=(ti-t1) /T 0Sil。步距 ( stride length)，指一个完整的腿循环中机体重心移动的位置。腿行程 (leg stroke)，指支撑相时足端相对于机体移动的距离。腿节距 (leg pitch)，指横向运动时，机体同一端上相邻腿运动主平面之间的距离。行程节距(stroke pitch)，指纵向运动时，体同一端上相邻腿行程中点的间距。行间距，指横向运动时，机体前后足对行程中点的间距。推程时间tp，指腿在支撑相的持续时间。回程时间tr，指腿在悬空相的持续时间。平均速度 ，指机体的平均运动速度。由此可以导出行程R、步距

28、a和有荷因数Q之间的关系式是R=a*Q.静态稳定六足步行机器人，由于要求Q1/2，所以trtp ，即平均速度上限取决于tr。行走系统采用波形步态时，机体每一侧各腿的迈步动作形成一种由后向前的波形式.自然界六足昆虫在所有速度范围内都采用波形步态.2.1.2三角步态运动原理1、“六足纲”昆虫的三角步态运动原理机体运动根据有荷因数(dutyf actor)的大小可分为3种情况:(1 )Q = 1 /2 : 在三摆动腿着地的同时，另外三支撑腿立即抬起，即任意时刻同时具有支撑相和摆动相。(2 )Q 1 / 2: 机体移动较慢时，摆动相与支撑相有一短暂的重叠过程，即机体有六条腿同时着地的状态。(3 )Q

29、1/ 2: 机体移动较快时，六条腿有同时为摆动相的时刻，即六条腿同时在空中，处于腾空状态，显然此交替过程要求机体机构具有弹性和消振功能，否则难以实现。三角步态 (或交替三角步态、3+3步态)，是Q =1/2时的波形步态，运动时六条腿成两组三角形交替支撑迈步前进。“六足纲”昆虫(蟑螂、蚂蚁等)步行时，一般不是六足同时直线前进，而是将三对足分成两组，以三角形支架结构交替前行。身体左侧的前、后足及右侧的中足为一组，右侧的前、后足和左侧的中足为另一组，分别组成两个三角形支架。当一组三角形支架中所有的足同时提起时，另一组三角形支架的三只足原地不动，支撑身体，并以其中足为支点，前足胫节的肌肉收缩，拉动身体

30、向前，后足胫节的肌肉收缩，将虫体往前推，因此身体略作以中足为支点的转动，同时虫体的重心落在另一组“三角形支架”的三足上，然后再重复前一组的动作，相互轮换周而复始。这种行走方式使昆虫可以随时随地停息下来，因为重心总是落在三角支架之内。这就是典型的三角步态行走法，其行走轨迹并非是直线，而是呈“之”字形的曲线前进。72.2六足仿生机器人机械结构分析“六足纲 ”昆虫体的基本组成为躯千、腿部两部分，所以文中涉及的六足机器人机械结构也主要由躯千、腿部两部分组成。该机器人的每个腿有2个舵机组成，共12个舵机。其远动步态主要仿生的对象是“六足纲”昆虫。本设计的机器人的相关参数如下表：表2-1 本设计机器人相关

31、参数机器人自重尺寸（MM）长宽高负重自由度前进速度1.3KG310*279*1350.5KG123.75CM/S驱动方式工作电压步长转角越障高度直流伺服4.8V10.3CM/步10.5度/步2CM六足仿生机器人的实物如图2-1所示：图2-1 本设计的六足仿生机器人六足仿生机器人就结构来说是腿部最为复杂，它的六条腿是完全根据仿生学而设计的，腿部的比例是要有特定数值的。整个腿有大腿和小腿组成，通过髋关节的正交电机的驱动，实现了竖直方向的抬起和水平方向的移动。并且腿部向前移动的最大角度是45度，向后移动的最大角度也是45度。向上移动的最大角度是30度。机器人腿部的实物如图2-2所示：图2-2机器人腿

32、部实物2.3 本章小结本章主要分析了“六足纲”昆虫的远动步态以及原理。并且分析和确定本设计的一些参数，给出了相关的参数，为后续的设计奠定了基础。第三章 六足仿生机器人的步态分析和设计六足步行机器人的步态是多样的，其中三角步态(或交替三角步态、3+3步态)步态是六足步行机器人实现步行的典型步态8。该步 态 是 将机器人的6条腿分为2组，腿1、3、5为A组，分别为Al,A2, A3，腿2、4、6为B组，分别为B1, B2, B3，步行过程2组腿交替地摆起、放下。六足步行机器人腿部分组图简图如图3-1所示。机器人步态的规划包括:步态稳定性分析，直行步态规划与分析，定点转弯步态规划与分析等。12346

33、5图3-1 腿部组图简图图中1、3、5腿为A组；并用实线表示。图中2、4、6腿为B组；并用虚线表示。3.1六足步行机器人坐标定义六足步行机器人机械简图如图3-2所示，定义地面坐标系及XOY与机身平行，Z轴与机身垂直:机身坐标系，坐标原点与机器质心重合。腿部顺序定义如图示，定义腿间距为n，体宽为2m.A,D为腿的站立点，Ai, Di为腿与舰关节连接点。ZYXABCFEDOAiDin2mBiCiEiFi图3-2 机器人腿部坐标示意图六足步行机器人腿部机械简图如图3-2所示，定义腿部X轴投影长为L，腿高度为H，大腿与小腿夹角为,髋关节在Z轴旋转角度为,髋关节在Y轴旋转角度为。LH(a)X轴Z轴OAi

34、AY轴X轴OA(b)hS/2L图3-3 腿部简图由图 3 -3(a)可得六足步行机器人髓关节电机向上旋转角度时，立足点A在Z方向提升高度h，六足步行机器人腿部Z方向提升高度计算结果为：(3-1)由表达式(3-1)，可以确定靛关节电机旋转角度与立足点A在Z方向提升高度h的定量关系。由图 3 -3 ( b)可得六足步行机器人髋关节电机向前旋转角度时，立足点A在Y方向前进半步长S/2，六足步行机器人腿部Y方向前进步长计算结果：（3-2）由表达式(3-2)，可以确定散关节电机向前旋转Y1角度与立足点Ai在Y方向前进半步长S/2的定量关系，当较小时，可设旋转角度后腿部在X轴上的投影长度近似为L。3.2六

35、足机器人的稳定性分析3.3.1 稳定性分析步行机器人任一时刻姿态图如图3-4所示。站立点B、D、F及质心O在地面坐标系X0Y 平面内投影为点B1、D1、F1和O1。机器人以 “三角步态”行走时，任意时刻至少有1组腿着地，只要机器人质心投影点O1落在支撑腿构成阴影内，如图3-5所示，就能保证机器人稳定。在实际控制中，要合理选择机器人的跨步和转角，以保证点O1 落在稳定区域内。ZYXABCFEDB1F1D1O1OA1B1图3-4步行机器人任一时刻姿态图3.3.2稳定裕量计算设某一时刻，机器人以“三角步态”行走时，其B组支撑腿着地点，机器人质心在XOY平面的投影如图3-5所示，并设质心投影O1与XO

36、Y平面坐标原点重合。XYPMNO1图3-5三角步态稳定图B(X2,Y2)A(X1,Y1)C（X3,Y3）d1d2d3图中，设 A、B、C在XOY平面坐标为:A( Xl,Yl)、B( X2,Y2)、C( X3,Y3 )，OM、ON,OP为原点到直线AB,BC,CA的垂线，设则dl,d2,d3为机器人质心投影与支撑三角形各边的距离。直线AB方程为:垂线OM的方程为：由上两式解得直线AB和直线OM的交点M (XM ，YM)的坐标为:则：dl= = 同理，可以求得d2= , d3= 。则六足机器人以三角步态行走时，其最小稳定裕量判据为d=mindl，d2，d33.4六足仿生机器人的直线运动步态设计3.

37、4.1步态规划前面我们已经介绍过了“六足纲”昆虫的三角步态运动原理，下面将三角步态运用到六足仿生机器人的六足上面就会得到了六足机器人的运动步态，这种运动的步态是六足仿生机器人在直线运动的情况下完成的，它完成了六足仿生机器人的直线运动的一个周期的循环。六足仿生机器人直线行走步态示意图如图3-6所示。1235461111222233334444455555（A）66666图3-6 六足步态示意图（B）（C）（D）（F）（E）123图A、B、C、D、E、F表示完成前进一步的过程，其中：图3-7（A）：1、3、5抬起向前；图3-7（B）：抬起的1、3、5放下后，2、4、6抬起；图3-7（C）：1、3、

38、5向后移动半步，做位置调整， 2、4、6向前；图3-7（D）：2、4、6放下，1、3、5抬起的；图3-7（E）：2、4、6向后移动半步长；图3-7（F）：六条腿均落地，回到最初的状态。机器人通过重复着上图的动作就可以实现六足机器人的摆动相和支撑相的交替过程。3.4.2步态动作分析对直线行走步态规划图具体分析，其不同步态时刻的各点位置矢量如下:（1）如图3-6(A)所示，1、3、5腿抬起向前，初始位置不做分析，由于前面已经提到当较小时，可设旋转角度后腿部在X轴上的投影长度近似为L。此时，各腿的支撑点位置矢量为:OXYZ123456O P1= P2= P3= P4=P5=P6= XY（2）如图3-

39、6（B）所示，1、3、5放下后，然后2、4、6抬起；则此时的位置矢量： OXY123456P1=P2=P3=P4=P5=P6=（3）1、3、5向后移动半步，做位置调整， 2、4、6向前,则其位置矢量：YXO123456P1=P2=P3=P4=P5=P6=S/2（4）2、4、6放下后，1、3、5抬起；则位置矢量：123456YXOS/2P1=P2=P3=P4=P5=P6=（5）2、4、6向后移动半步长，做姿势调整，此时的位置矢量：OS123456XYP1=P2=P3=P4=P5=P6=（6）六条腿均落地，回到最初的状态。此时的位置矢量：123456YXOSP1=P2=P3=P4=P5=P6=通过

40、以分析，可以通过合理选择步距，保证机器人质心的投影点落在稳定区域内，完成机器人的直线行走。3. 5“三角步态”定点转弯步态设计“三角步态”定点转弯步态也将步态周期划分为4个执行阶段，其摆腿顺序也有2种:A到B组或B组到A组。若A组腿先摆动，机器人右转，若B组腿先摆动，则左转。下面以左转运动步态为例子来分析它的步态。左转弯步态规划图如图3-7所示。如图3-8(A)所示，机器人4,6腿旋转Y角度，此时，各腿的位置矢量为:(设旋转y角度后腿部在X轴上的投影长度近似为L)9。P1=P2=P3=P4=P5=P6=O123456XY图3-7（A）(2)如图3-7(B)所示，机器人B组腿作支撑腿，A组抬起，此时，腿的位置矢量为:123456XYOP1=P2=P3=P4=P5=P6=图3-7（B）(3)如图3-7 (C) 所示，机器人B组腿作支撑腿，A组抬起，做姿态调整，位置矢量为:123456XYOP1=P2=P3=P4