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1、- 教育精選 六足仿生機(jī)器人 人們對機(jī)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(jī)器，以便代替人們完成各種工 作。 1959年，第一臺工業(yè)機(jī)器人在美國誕生，近幾十年，各 種用途的機(jī)器人相繼問世，使人類的許多夢想變?yōu)楝F(xiàn)實。隨 著機(jī)器人工作環(huán)境和工作任務(wù)的復(fù)雜化，要求機(jī)器人具備有 更高的運(yùn)動靈活性和特殊位置環(huán)境的適應(yīng)性，機(jī)器人簡單的 輪子和履帶的移動機(jī)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(jī)器人相繼被研制出來，仿生機(jī)器人已經(jīng)成為機(jī)器人 家族重要的成員。 仿生爬行機(jī)器人是一種基于仿生學(xué)原理研制開發(fā)的新

2、型足式機(jī)器人。與傳統(tǒng)的輪式或者履帶機(jī)器人相比，足式機(jī) 器人自由度多，可變性大、結(jié)構(gòu)發(fā)雜、控制繁瑣，但其在運(yùn) 動特性方面具有獨(dú)特的優(yōu)點：首先是足式機(jī)器人具有較好的 機(jī)動性，對不平地面的適應(yīng)能力十分突出，由于其立足點是 離散的，與地面的接觸面積較小，因而可以在可能達(dá)到的地 面上選擇最優(yōu)支撐點，從而能夠相對容易的通過松軟地面以 及跨過比較大的障礙；其次是足式機(jī)器人的運(yùn)動系統(tǒng)可以實 現(xiàn)主動隔振，允許機(jī)身運(yùn)動軌跡與足軌跡解耦。盡管地面高 低不平，機(jī)身的運(yùn)動仍可達(dá)到相對平穩(wěn)。 本課題主要研究的內(nèi)容是一種六足仿生機(jī)器人的機(jī)械 機(jī)構(gòu)部分的設(shè)計和分析，圍繞六足仿生機(jī)器人的前沿技術(shù)， 主要仿生對象為螞蟻，主要實

3、現(xiàn)機(jī)器人前后左右移動，具有 良好的仿生特性，研究具有抗沖擊性以及地形適應(yīng)能力的仿 生機(jī)設(shè)計技術(shù)，六足仿生機(jī)器人系統(tǒng)模型；研究六足機(jī)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(fù)載力、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(jī)器人，并開展系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、地形適應(yīng)能力以 及對抗控制實驗驗證。本次設(shè)計的預(yù)期要達(dá)到的效果是可以 實現(xiàn)靈活進(jìn)退和轉(zhuǎn)向，跨越障礙物，通過洼地和臺階并且保 持平衡防止傾翻，能夠?qū)崿F(xiàn)實時避障，合理規(guī)劃行走路線。 1、技術(shù)方案 一、機(jī)器人功能介紹： a） 可實現(xiàn)前進(jìn)后退轉(zhuǎn)彎等基本動作，加裝傳感器后對小 障礙物越過、大障礙物繞開，具有遙控模式，可通過

4、無線裝 置無線控制。 b） 機(jī)器人機(jī)械機(jī)構(gòu)： 舵機(jī)在仿生機(jī)器人中的應(yīng)用：舵機(jī)有體積緊湊，便于安 裝，輸出力矩大，穩(wěn)定性好等優(yōu)點。一個放上機(jī)器人，機(jī)器 人各個關(guān)節(jié)都有一定的自由度數(shù)，而每個舵機(jī)正是實現(xiàn)其中 一個個關(guān)節(jié)在一個自由度上的運(yùn)動。 二、機(jī)器人控制系統(tǒng)開發(fā) 機(jī)器人有主體結(jié)構(gòu)和機(jī)械結(jié)構(gòu)后，要想讓他真正運(yùn)動起 來以及實現(xiàn)預(yù)期的功能，必須要有控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)是機(jī) 器人的中樞神經(jīng)，所以要想實現(xiàn)動作都要通過控制系統(tǒng)來控 制機(jī)器人的各個伺服電機(jī)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(jìn)行處理。可以說一個機(jī)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。 三、開發(fā)工具

5、 開發(fā)工具采用 Arduino 是一種便捷靈活方便上手的開源 電子原型平臺，包括硬件和軟件。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(fèi)下載， 也可以根據(jù)自己需求修改。使用低價格的微處理器控制器， 可以采用 USB 接口供電，不需要外接電源，可以使用外部 9VDC輸入；Arduino支持ISP在線燒，可以將新的‘ bootloader 固件燒錄 AVR 芯片；有了 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。 四、控制系統(tǒng)原理設(shè)計 1、 系統(tǒng)控制對象為：伺服電機(jī)、電機(jī)控制器。他們的 控制關(guān)系為遞進(jìn)

6、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(jī)控制器， 伺服電機(jī)控制器發(fā)出 pwm 信號到伺服電 機(jī)，伺服電機(jī)根據(jù)驅(qū)動信號運(yùn)轉(zhuǎn)相應(yīng)的角度。 2、 為了實現(xiàn)六足機(jī)器人的避障功能，必須要有傳感器 來感知障礙物的距離。如超聲波傳感器，紅外傳感器。傳感 器通過模擬接口將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制板中，控制芯片對信號進(jìn) 行處理從而做出相應(yīng)的反應(yīng)， 并將動作信號通過 pwm 接口傳 輸?shù)诫姍C(jī)控制板中。通訊功能要采用專門的通訊模塊來實現(xiàn) WiFi ，GSM 等。 參考文獻(xiàn) [1] 張濤 顏國正 劉華 新型微型六足機(jī)器人的運(yùn)動原 理及控制程序[J]計算工程，2006, 32 (23) 241— 243, 24

7、6. [2] 王倩 陳甫 臧希 ?? 等新型六足機(jī)器人機(jī)構(gòu)與控制系 統(tǒng)設(shè)計[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2008, 205 ( 3) 148—150. [3] 楊若霽 陳鋒 六足步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)傳動系統(tǒng)設(shè)計 與仿真[J].組合機(jī)床與自動化加工技術(shù)， 2012 ( 3) 89-93. [4] 姜樹海 孫培 等 仿生甲蟲六足機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計與 步態(tài)分析[J].南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012 36 (6)115-120. [5] 郭少晶 韓寶玲 羅慶生 六足仿生步行機(jī)器人系統(tǒng) 節(jié)能技術(shù)的研究[J]機(jī)械與電子，2007第四期90-93. 第一作者：姓名：汪航超,性別：男,出生日期： 1 995 . 2 . 1 0, 院系：鄭州大學(xué) 電氣工程。 第二作者：姓名：李凱樂,性別：男,出生日期：19910608, 院系：鄭州大學(xué) 信息工程學(xué)院。 第三作者：姓名：李益涵,性別：男,出生日期： 1996 年 1 月 10日,院系：鄭州大學(xué) 化工與能源學(xué)院。 可編輯