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文檔簡介

1、編號:哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院基于項目學(xué)習(xí)的仿生機器人大賽項目申請書項目名稱: 六足仿生機器人 項目負責(zé)人: 學(xué)號: 聯(lián)系電話: 電子郵箱: 院系及專業(yè): 機電工程學(xué)院 指導(dǎo)教師: 職稱: 聯(lián)系電話: 電子郵箱: 院系及專業(yè): 機電工程學(xué)院 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院制表填表日期:2014年4月8日項目名稱: 六足仿生機器人 一、課題組成員:姓名性別專業(yè)方向班級學(xué)號本人簽字二、指導(dǎo)教師意見: 簽 名: 年 月 日三、學(xué)院專家組意見: 組長簽名: ( 蓋 章 ) 年 月 日四、立項報告1、項目簡介 本項目圍繞六足仿生機器人的前沿技術(shù),主要仿生對象為螞蟻,主要實現(xiàn)機器人前后左右移動,具有良好仿生

2、特性,研究具有抗沖擊性以及地形適應(yīng)能力的仿生機構(gòu)設(shè)計技術(shù),六足仿生機器人系統(tǒng)模型;研究六足機器人適應(yīng)不同地形環(huán)境的能力。研制系統(tǒng)設(shè)計與仿真等核心單元。研制高速、高負載能力、對典型非結(jié)構(gòu)化地形具有高適應(yīng)能力的六足仿生機器人,并開展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、地形適應(yīng)能力以及抗擾動控制實驗驗證。2、立項背景人們對機器人的幻想與追求已有3000多年的歷史,人類希望制造一種像人一樣的機器,以便代替人類完成各種工作。1959年,第一臺工業(yè)機器人在美國誕生,近幾十年,各種用途的機器人相繼問世,使人類的許多夢想變成了現(xiàn)實。隨著機器人工作環(huán)境和工作任務(wù)的復(fù)雜化,要求機器人具有更高的運動靈活性和在特殊未知環(huán)境的適應(yīng)性,機器人簡單

3、的輪子和履帶的移動機構(gòu)已不能適應(yīng)多變復(fù)雜的環(huán)境要求。在仿生技術(shù)、控制技術(shù)和制造技術(shù)不斷發(fā)展的今天,各種各樣的仿生機器人相繼被研制出來,仿生機器人已經(jīng)成為機器人家族中的重要成員。美國、日本、德國、英國、法國等國家都開展了蛇形機器人的研究,并研制出許多樣機。日本東京大學(xué)的hirose教授從仿生學(xué)的角度,在1972年研制了第一臺蛇形機器人樣機。美國卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)近日研究出一種可以攀爬管道的蛇形機器人,這種蛇形機器人大部分由輕質(zhì)的鋁或塑料組成,最大也只有成人手臂大小。機器人配有攝像機和電子傳感器,可以接受遙控指揮。蛇形機器人可以成功上下一根塑料管道,并可以跨越廢墟碎片間的巨大空隙以及在草叢中來去自由

4、。讓蛇形機器人在坍塌廢墟中穿梭,能更快地找到幸存者,為災(zāi)難救援工作帶來了技術(shù)突破。在國內(nèi),上海交通大學(xué)、中科院沈陽自動化研究所、國防科技大學(xué)等單位相繼研制出了蛇形機器人樣機。通過參加本次活動,我們能夠?qū)W會對單片機的應(yīng)用,加深對機械原理知識的理解,增強動手能力及團隊協(xié)作能力,為將來進一步學(xué)習(xí)機械相關(guān)知識打下良好基礎(chǔ)。 對于六足仿生機器人,在美國國防部高級計劃研究署的資助下,bostondynamic公司與美國賓夕法尼亞大學(xué)、卡內(nèi)基-梅隆大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校。斯坦福大學(xué)以及路易斯-克拉克大學(xué)共同開發(fā)的六足仿生機器人于2008年面世。這款機器人長約25厘米,重約2千克,爬行速度為0.3米/秒。每

5、條腿均由兩個馬達驅(qū)動,由多個感應(yīng)器來探測周圍的環(huán)境并由內(nèi)置的電腦分析后發(fā)布指令來控制每條腿的動作。它可以以非常協(xié)調(diào)的動作攀爬墻壁、樹木等垂直的平面,而且能夠根據(jù)不同的弧度做出不同的動作以保持平衡,就像是一只慢速爬行的壁虎一樣。3、項目方案3.1機器人功能介紹可實現(xiàn)前進后退轉(zhuǎn)彎等基本動作,對小障礙物越過、大障礙物繞開,具有遙控模式,可通過無線裝置無線控制。3.2機器人機械結(jié)構(gòu)3.2.1舵機在仿生機器人中的應(yīng)用:舵機具有以下一些特點: 1) 體積緊湊,便于安裝; 2) 輸出力矩大,穩(wěn)定性好; 3) 控制簡單,便于和數(shù)字系統(tǒng)接口。圖3.2.1正是因為舵機有很多優(yōu)點,所以,現(xiàn)在不僅僅應(yīng)用在航模運動中,

6、已經(jīng)擴展到各種機電產(chǎn)品中來,在機器人控制中應(yīng)用更是越來越廣泛。一個仿生機器人,機器人各個關(guān)節(jié)都有一定的自由度數(shù),而每個舵機正是實現(xiàn)其中一個個關(guān)節(jié)在一個自由度上的運動。這樣,機器人有幾個自由度,一般就需要幾個舵機??紤]到六足機器人需要實現(xiàn)前進,后退,轉(zhuǎn)彎等功能,每條腿至少需要3個自由度即需要三個舵機控制它的活動。腿與軀干部分需要兩個舵機,膝關(guān)節(jié)處一個。參考圖片如圖所示。3.2.2軀干部分使用的材料-有機玻璃有機玻璃又叫亞克力, 這種高分子透明材料的化學(xué)名稱叫聚甲基丙烯酸甲酯,英文簡稱pmma,是由甲基丙烯酸甲酯聚合而成的。特點是表面光滑、色彩艷麗,比重小,強度較大,耐腐蝕,耐濕,耐曬,絕緣性能好

7、,隔聲性好適合做航模機器人等3.3機器人控制系統(tǒng)開發(fā)機器人有了主體結(jié)構(gòu)和機械結(jié)構(gòu)以后,要想讓它真正動起來以實現(xiàn)預(yù)期的功能,必須要有控制系統(tǒng)??刂葡到y(tǒng)是機器人的中樞神經(jīng),所有想要實現(xiàn)的功能和指令都要通過它來控制機器人的各個伺服機構(gòu)做出相應(yīng)的動作,而傳感器測量到的數(shù)據(jù)都要傳輸?shù)娇刂葡到y(tǒng)進行處理。所以說控制系統(tǒng)的開發(fā)是機器人開發(fā)的核心??梢哉f一個機器人的好壞很大程度上取決于控制系統(tǒng)和控制算法設(shè)計的好壞。3.3.1 開發(fā)工具arduino 是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺,包含硬件(各種型號的arduino板)和軟件(arduino ide)。對arduino的編程是利用 arduino編程

8、語言 (基于 wiring)和arduino開發(fā)環(huán)境(based on processing)來實現(xiàn)的?;赼rduino的項目,可以只包含arduino,也可以包含arduino和其他一些在pc上運行的軟件,他們之間進行通信 (比如 flash, processing, maxmsp)來實現(xiàn)。使用arduino開發(fā)有很多優(yōu)勢:開放源代碼的電路圖設(shè)計,程序開發(fā)接口免費下載,也可依個人需求自己修改。使用低價格的微處理控制器(avr系列控制器),可以采用usb接口供電,不需外接電源,也可以使用外部9vdc輸入;arduino支持isp在線燒,可以將新的“bootloader”固件燒入avr芯片;有

9、了bootloader之后,可以通過串口或者usb to rs232線更新固件;支持多種互動程序,如:flash、max/msp、vvvv。圖3.3.1 為arduino開發(fā)板圖3.3.13.3.2 控制系統(tǒng)原理設(shè)計系統(tǒng)控制對象為:伺服電機(或舵機)、電機控制器。它們的控制關(guān)系為遞進關(guān)系。首先系統(tǒng)軟件控制串口發(fā)送控制字節(jié)到伺服電機控制器,伺服電機控制器發(fā)出pwm信號到伺服電機,伺服電機根據(jù)驅(qū)動信號運轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。為實現(xiàn)六足機器人的避障功能,必須要有傳感器來感知障礙物的距離。具備這種功能的如超聲波傳感器,和紅外線距離傳感器。傳感器通過模擬接口將數(shù)據(jù)送到控制板中,控制芯片在對信號進行處理,從而做出

10、相應(yīng)的反應(yīng),并將動作信號通過pwm接口傳送到電機控制板中,控制舵機做出相應(yīng)的動作。通訊功能要通過專門的通訊模塊來實現(xiàn)比如gsm模塊,bluetooth模塊,wifi模塊等,控制器的信號通過通訊模塊傳輸?shù)娇刂瓢逯?,從而對機器人的姿態(tài)進行無線控制。3.3.3 控制算法開發(fā)arduino 語言是建立在 c/c+基礎(chǔ)上的,其實也就是基礎(chǔ)的 c 語言,使用平臺提供的開發(fā)軟件arduino ide進行開發(fā)。arduino 語言只不過把 avr 單片機(微控制器)相關(guān)的一些寄存器參數(shù)設(shè)置等都函數(shù)化了,不用我們?nèi)チ私馑牡讓?,讓不太了?avr 單片機(微控制器)的人也能輕松上手。由于arduino芯片中已經(jīng)

11、燒錄了bootloader程序,所以編寫好的程序不需要連接器可以直接通過usb接口燒錄到芯片中非常方便。4、特色與創(chuàng)新六足機器人機動性好,靈活度高,適應(yīng)能力強。5、小組成員分工每個小組成員在各個方面都有參與,主要分工如下:許修宇:學(xué)習(xí)單片機,c語言。機械機構(gòu)設(shè)計張高鵬:學(xué)習(xí)單片機,c語言。選擇材料,程序編寫及其調(diào)試。鄧振強:學(xué)習(xí)單片機,c語言。零件圖紙繪制。劉宇超:學(xué)習(xí)單片機,c語言。步態(tài)規(guī)劃,三維建模。游賢遇:學(xué)習(xí)單片機,c語言。采購零件及加工。6、進度安排4月-完成方案設(shè)計,三維建模,步態(tài)規(guī)劃,圖紙繪制。5月-主要實現(xiàn)完成機械部分方案的優(yōu)化,材料部件的選取。單片機的學(xué)習(xí),程序的編寫。6月-確定最終方案,完成機器人的零件加工。7月-組裝調(diào)試,完成最終優(yōu)化工作。7、中期目標及考核方式中期目標主要實現(xiàn)完成機械部分方案的設(shè)計及優(yōu)化,完成零件圖繪制,步態(tài)規(guī)劃,材料部件的選取。單片機的學(xué)習(xí),程序的編寫,零件的加工。8、制作費用 單位:元序號名稱型號數(shù)量單價合計備注1.舵機18254502.arduino套件12802803.面包板1884.舵機控制器1909

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