六脚爬虫机器人机械结构设计与控制系统研讨efke.docx
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1、摘要本文详细细介绍了了六脚爬爬虫机器器人的机机械结构构以及控制程程序的编编写。机械结构构采用了了对称式式设计,结结构简单单;其行行走功能能由六只只脚、118个舵舵机实现现,自由由度较高高,稳定定性、灵灵活性较较好。控制程序序的主体体是C语语言。包包括基本本步态的的编写,以以及传感感器的在在机器人人上的高高级应用用,这样样,机器器人在满满足基本本行走运运动的同同时,也也能感知知外界环环境,并并通过控控制器对对接收到到的外界界信号进进行处理理,并控控制机器器人运动动。关键词: 对称式结构,舵舵机控制制器,步步态,传传感器AbsttracctThee thhesiis ddesccribbes in
2、 dettaill thhat thee meechaanicc deesiggn oof Hexxcraawleer andd thhe ccomppiliing of conntrool pproggramm. Thee sttruccturre oof tthe robbot is in symmmettricc exxpreessiion, a simmplee meechaanissm; thee fuuncttionn off waalkiing iis ssuppportted by sixx leegs, annd eeighhteeen mmotoors, wiith mul
3、ltipple deggreees oof ffreeedomm. BBesiidess, iit iis oof hhighh staabillityy annd fflexxibiilitty. The proograam tto cconttroll thhe rroboot iis wwritttenn inn C lannguaage, inncluudinng bbasiic ggaitt, tthe advvancced apppliccatiion of sennsorrs. Theerebby, thee roobott caan wwalkk inn seeverral g
4、aiits. Att thhe ssamee tiime, itt caan ssensse tthe conndittionn arrounnd iit. Theen, iit wwilll prroceess thee daata it recceivved, annd cconttroll thhe mmotiion of thee roobott.Keywwordds: symmmettricc exxpreessiion,PPSCUU, gaait, sennsorr目录摘要IIAbsttracctII目录IIII1 绪论论- 11 -1.1课题题来源- 11 -1.2本本课题的的目
5、的及及其意义义- 1 -1.33国内外外发展现现状- 1 -1.4本本课题的的研究内内容- 5 -2 机械械结构设设计介绍绍- 6 -2.1 功能需求求与分析析- 6 -2.2 材料选选择与结结构设计计介绍- 6 -3 舵机机控制板板原理与与应用- 9 -3.1 舵机原原理介绍绍- 9 -3.2 舵机控控制板原原理介绍绍- 110 -3.3 如如何使用用舵机控控制板- 112 -3.4 控制板板程序编编写- 144 -4 STTM322开发板板介绍与与程序编编写- 18 -4.1 STMM32FF1077芯片简简介- 188 -44.2 软件与与编程初初始准备备- 188 -4.3 GPIIO
6、与AAFIOO设置与应应用- 18 -4.311 GPPIO设设置与应应用.188 4.322 AFIIO-I/OO口重映映射.222 44.4 USSARTT设置与与应用- 222 -4.5外外部中断断设置与与应用- 266 -4.6 系统时钟钟设置与与应用- 299 -4.611 系统统时钟简简介与应用.299 4.622 定时器器配置311 4.7 机器人人行走步态程程序编写写- 32 -4.711 机器器人行走走步态简简介33 4.722 三脚步步态.335 4.733 四脚步步态.337 4.744 单脚脚(波动动)步态态.384.755 转弯弯与横爬爬步态.4004.8 多传感器器
7、应用与与程序编编写- 43 -4.811 指南南针传感感器.4434.822 红外外、光敏敏传感器器.4554.833 柔性性力传感感器.4464.844 温湿湿度、发声、射频识识别(RRFIDD)传感感器.484.855 无线线(Ziigbeee)传传感器.4994.866 超声声传感器器5525总结- 555 -致谢- 566 -参考文献献- 557 -1 绪论论1.1课课题来源源本项目来来源于华华中科技技大学与与伍斯特特理工学学院合作作的WPPI项目目。1.2本本课题的的目的及及其意义义机器人是是高级整整合控制制论、机机械电子子、计算算机、材材料和仿仿生学的的产物。现在,机器人已经发展到
8、一个全新阶段,各种机器人应运而生,从简单地追求功能到神似,到个性化;从单单发展工业机器人到工业、家用机器人全面开花,并取得了长足进步。六脚机器器人作为为行走机机器人的的一种,具具有结构构简单,稳稳定性好好等优点点,而本本课题也也并未在很高高深的机机器人理理论花大大量功夫夫,而更更多地着着眼于为为大专院院校提供供机器人人教学平平台,或或者用于于科技馆馆展览。本课题所所设计的的机器人人最大的的特点是是:理论论通俗易易懂、操操作方便便、便于于二次开开发。对对于一些些入门者者(初步步掌握控控制论、机机械设计计、机械械电子只只是)来来说,很很容易便便能被引引领入机机器人研研究的殿殿堂。1.3 国内外外发
9、展现现状对于仿生生机器人人,尤其其是多足足机器人人,国内内外均有有大量研研究。19900年,美美国卡内内基梅隆隆大学研研制出用用于外星星探测的的六脚步行行机器人人AMBBLERR。该机机器人采采用了新新型的“腿机构构,并由由一台332位的的处理机机来规划划系统运运动路线线、制运运动和监视系统统的状态态。但由由于体积积和质量量太大,最最终没被被用于行行星探测测计划。19933年,卡卡内基梅梅隆大学学开发出出有缆的的八足步步行机器器人DAANTEE,用于于对南极极的埃里里伯斯火火山进行行了考察察,其改改进型也也在实际际中得到到了应用用。19994年年二代对对距离安安克雷奇奇1455km的的斯伯火火
10、山进行行了考察察,并传传回了各各种数据据及图像像。日本对多多足步行行机的研研究从220世纪纪80年年代开始始,并不不断进行行着技术术创新,随随着计算算机和控控制技术术的发展展,其机机械结构构由复杂杂到简单单,其功功能由单单一功能能到组合合功能,并并已研究究出各种种类型的的步行机机。主要要有四足足步行机机、爬壁壁机器人人、腿轮轮分离型型步行机机器人和和手脚统一型型步行机机器人。19944年,日日本电气气通信大大学的木木村浩等等研制成成功四足足步行机机器人PPatrrushh二代。该该机器人人用两个个微处理理机控制制,采用用直流伺伺服电机机驱动,每每个关节节安装了了一个光光电码盘盘,每只只脚安装装
11、了两个个微开关关,采用用基于神神经振荡荡子模型型CPGG的控制制策略,能能够实现现不规则则地面的的自适应应动态步步行,显显示了生生物激励励控制对对未知的的不规则则地面有有自适应应能力的的特点。2000020003年年,木村村浩等又又研制成成功四足足步行机机器人TTekkken。该该机器人人用一台台PC机机系统控控制,用用瑞士MMaxoon直流流伺服电电机驱动动,能适适应中等等不规则则表面的的自适应应步行。我国对于于多足机机器人的的研究起起步则较较晚。19899年,北北京航空空航天大大学在张张启先教教授的指指导下,孙孙汉旭博博士进行行了四足足步行机机的研究究,试制制成功一一台四足足步行机机。钱晋
12、晋武博士士研究地地壁两用用六脚步行行机器人人,并进进行了步步态和运运动学方方面的研研究。19900年中国国科学院院沈阳自自动化研研究所研研制出全全方位六六脚步行行机,不不仅能在在平地步步行,还还能上楼楼梯。19911年,上上海交通通大学马马培荪等等研制出出JTUUWM 系列四四足步行行机器人人。20000年,马马培荪等等对第一一代形状状记忆合合金SMMA驱动动的微型型六脚机器人人进行改改进,开开发出具具有全方方位运动动能力的的微型双双三足步步行机器器人其每每条腿的的自由度变为33个自由由度。20033年哈尔尔滨工程程大学的的孟庆鑫鑫、袁鹏鹏等进行行了两栖栖仿生机机器蟹的的研究,通通过研究究多足
13、步步行机的的单足周周期运动动规律,提提出适合合于两栖栖仿生机机器蟹的的单足运运动路线线规划方方法,建建立了生生成周期期运动的的神经振振荡子模模型。目前市场场上几款款六脚机器器人对比比如下:(一)DDEPUUSH HexxCraawleerHexCCrawwlerrComppanyyDEPUUSHMateeriaal50522 allloyy allumiinumm, 11/166” tthicck wwithh cllearr annodiizinngLeg Movvemeent2 DOOFDimeensiionssBodyy: 449.668 xx 400 cmm, HHeigght: be
14、etweeen 12.3 aand 15.2 ccmCostt$3500+(二)LLynxxmottionn RBB-Lyyn-2248RB-LLyn-2488ComppanyyLynxxmottionnMateeriaal50522 allloyy allumiinumm, 11/166” tthicck wwithh bllackk annodiizinngLeg Movvemeent3 DOOFDimeensiionssBodyy: 119.11 x 14.9 ccm, Heiightt: bbetwweenn 5.1 aand 13.3 ccm, Grooundd Cllearranc
15、ce: up to 8.99 cmmCostt$2611.355+(三)HHexCCrawwlerr HDDATSSHexCCrawwlerr HDDATSSComppanyyDEPUUSHMateeriaal50522 allloyy allumiinumm, 11/166” tthicck wwithh cllearr annodiizinngLeg Movvemeent3 DOOFDimeensiionssBodyy: 552 xx 499.7 cm, Heeighht: bettweeen 112.33 annd 115.22 cmm, GGrouund cleearaancee: 1
16、12.77 cmmCostt 100,0000 (aboout $1,5000)其中HeexCrrawller一一代机器器人使用用的编程程软件为为Parralllax公公司提供供的教育育发展版版芯片。图1.1为Phoenix公司提供的六脚机器人,图1.2则为Depush公司的六脚机器人一代外形,其每个脚仅有两个自由度。图1.11 Phooeniix HHexaapodd图1.22 DDEPUUSH HexxCraawleer 11.01.4本本课题的的研究内容容六脚机器器人基本本结构的的设计,首先使之能够实现三脚步态、四脚步态、波动步态等,以满足行走要求;然后,能够感知外界环境的变化,实现避障
17、报警等功能;最后,实现对机器人的远距离控制。具体要求为:设计机器器人机械械结构,使其可以完成前进,后退,左转,右转,侧移,扭动身躯等简单动作;可以完成抬脚,简单舞蹈等动作;1、编写写机器人人各种基基本动作作的软件件代码,使使其能完完成以上上动作;2、机器器人可以以接受电电脑无线线控制,编编写相应应无线控控制程序序;3、机器器人可感知知外界环环境,编编写相应应传感器器处理程程序;4、对所所有程序序进行综综合处理理,协调调各程序之间间的关系系。2 六脚脚机器人人机械结结构设计计介绍2.1 功能需需求与分分析作为六脚脚仿生机机器人,在在追求神神似的同同时,关关键在于于能否像像爬虫一一样完成成各种行行
18、走动作作。本课题对对机械结结构的要要求不高高,但需需要满足足下面几几点:灵活度度高、稳稳定性好好、能够够实现多多足机器器人的基基本步态态。针对对这几点,同同时按照照德普士士公司的的要求,再再参照目目前市面面上存在在的六脚脚仿生机机器人,最最终拟定定的机械械结构设设计方案案为:在在DEPPUSHH HeexCrrawller 1.00(图11.2)的的基础上上每只脚脚增加一一个舵机机,即将将自由度度由两个个提升为为三个。2.2材材料选择择与结构设设计介绍绍根据目前前市面上上的六脚脚仿真机机器人,本本课题选选用50052铝铝合金作作为机器器人的主主要材料料,这样样机器人人既能满满足强度度要求,也也
19、能满足足轻便性性要求。同同时,对对外表进进行烤漆漆处理,显显得厚实实而稳重重,富有有质感。如如图2.1为机械结结构的总总三维图图。图2.11 六脚脚机器人人三维总总图机器人整整体上采采用对称称式结构构,由六六只脚和和底架(身身体)组组成。每每只脚有有三个关关节,每每个关节节处为采采用舵机机连接,可可在固定定平面内内旋转1180,如图图2.22所示。其中舵机机1控制制机器人人脚前后后摆动;舵机22控制机机器人上上下摆动动;舵机机3控制制机器人人内外伸伸缩。三三个舵机机配合即即可实现现机器人的的走动。图2.22 六脚脚机器人人单脚结结构图机器人身身体(图图2.33)、脚(图图2.22)上均布满满各
20、种镂镂空图案案,主要要有两点点作用:一、减减轻机器器人重量量;二、增增加机器器人的美美观度。由于机器器人的完完全对称称性结构构,其前前后由认认为设定定,即图图2.11中Leeg1、LLeg44在前,LLeg33、Leeg6在在后。图2.33 六脚脚机器人人底架结构构图 机机器人的的主要尺尺寸为: 机器人人全长:5000.0mmm; 底架(身身体宽):2288.0mmm; 舵机11(Leeg1)距距底架最最前方距距离:660.0mmm; Legg1与LLeg22距离:1955.0mmm; Legg1与LLeg33距离:3900.0mmm;每只脚上上舵机22与舵机机3距离离:1220.00mm;
21、舵机33与脚底底距离:1500.0mmm。3 舵机机及舵机机控制板板原理与与应用 本章主要要介绍舵舵机以及及舵机控控制板(PPSCUU)的原原理、使使用方法法与程序序编写。3.1 舵机原理理介绍舵机是一一个通过过输出轴轴的转动动来控制制物体转转动的装装置。它它在特定定编码的的驱使下下可以转转动到工工作范围围内的任任意给定定位置。因因为它的的轻便,位位置控制制简易且且精确,在在机器人人中使用用尤多。多多舵机的的协调工工作可满满足机器器人的多多自由度度要求。舵机可以以实现001880的旋转转,当轴轴处于正正确位置置时,舵舵机将停停止运动动;当所所在位置置不对时时,电路路则驱动动电机运运转到需需求位
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