一种具有飞行能力的六足机器人设计(附件)【字数：6911】
多翼无人机已经成为研究飞行控制和作为航拍的热门设备。这类无人机具有特殊的效用，可以飞到特定的地方执行近距离的检查任务。本论文提出一种新型的六足飞行机器人的设计方案，通过步行来执行更精细的检查任务。该机器人通过定制的3D打印结构组件组装而成，将飞行硬件直接嵌入六足无人机的腿中。
目录
第1章 绪论 5
第2章 机器人基础技术 6
2.1 飞行结构 6
2.2 六足结构 6
2.3 运动学 7
2.4 行走算法 7
2.5 多轴旋翼 8
2.6 飞行力学 8
2.7 飞行控制 9
第3章 初步设计 10
第4章 电气系统设计 11
总结 19
参考文献 20
致谢 21
第1章 绪论
在过去的十年里，多轴无人机已经成为研究机构和消费者的宠儿。无人机可以提供很多特殊的效用，被广泛应用于搜索救援、灾区援助、环境保护和监测等领域。在这些领域中，无人机通过人工或者自动的形式获取航拍图像。但是作为空中飞行器，无人机通常不具备地面的机动能力。而在某些特殊情况下需要这种能力，比如经过烟雾浓郁或灰尘密度高的区域，不利于飞行的封闭空间，以及需要在坠机后保持移动。多足无人机可以飞到较远的区域，比如石油管道的顶部，在那里它可以完成着陆，并通过步行进行近距离的检查任务。多足无人机能够像机器人一样在地面进行全方位的移动，六只脚同时着地可以保持机器人稳定，通过步态选择来提高运动速度和稳定性，腿部可以进行独立的控制进行周期性运动。六足机器人非常适合在不平坦的户外环境中穿越有障碍物的地形。
尽管对于无人机及多足机器人的研究很多，但是在一个机器人身上结合六足和多视角功能的研究较少。本论文的总体目标是设计并建立一个具有多轴飞行能力的六足飞行机器人。通过将飞行硬件直接嵌入具有三个关节（三个自由度）的腿部，以最小的复杂性提供全方位的行走能力。利用CAD软件和3D打印技术对机器人进行了结构设计，3D打印帮助零件快速成型和测试。同时，编写了基本的行走和飞行轨迹的运动算法，以及在这两种运动模 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
式之间自由切换的切换程序。通过在嵌入式Linux计算机执行机器人操作系统(ROS)高级算法，而采用微控制器来处理硬件接口。
本文主要包括以下研究内容。飞行和步行两种模式的机器人设计方案;以及运动约束及移动实现;机器人的总体设计及初步估计;机器人电子系统设计。
第2章 机器人基础技术
2.1 飞行结构
随着人们对无人机及机器人的探索，越来越多的复合机器人出现在我们的生活当中。如MI公司开发了的六足多轴飞行机器人和四足四轴飞行机器人，如图2.1所示。由于制造技术的发展，使得制造成本不断降低，飞行机器人开始受到消费者的青睐。通过结合单独的多足或多翼无人机的设计思路，设计者采用自上而下的方法，设计了两者的结合体。结合两种功能后的机器人虽然具备了的设计所需能力，但并没有针对最小的尺寸和重量进行优化设计。MI公司使用了重量较轻的碳纤维复合材料取代了部分框架，四轴飞行机器人在手臂底部安装了伺服电机，使它们能够折叠在一起。本文设计将飞行硬件直接嵌入到腿部结构，这种结构将双腿作为多轴旋翼，有效地减小机器人尺寸，使外形最小化。
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(b)
图2.1 飞行飞行器
2.2 六足结构
新机器人设计的核心是一个3D打印的六足框架，每条腿具有三个自由度，这是对现有的六足动物进行研究确定的。由亚利桑那大学的马特开发的六足机器人Dmitri，被作为一个平台来展示Intel公司的处理器用于处理运动机器人的运动学和图像的能力，如图2.2a所示。尽管Dmitri生物行为和图像处理应用的功能不同于多模态运动集成，但是原型制作过程可以作为验证六足框架3D打印可行性的模板。
另一个典型的六足机器人是来自Trossen Robotics[7]的商用PhantomX AX金属六足动物MarkIII，如图2.2b所示。虽然不是采用3D打印得到，但是这个机器人的结构较为简单，支架采用AX12A型伺服电机，内置传感器可以同时测量伺服速度、温度、轴位置、电压和负载扭矩。与AX12A相比，Dmitri使用了与Dynamixel MX28类似的伺服系统，提高了扭矩及运行速度。
图2.2中的六足动物每条腿有三个自由度。腿的关节以类似于昆虫和蛛形动物的方式定向，在腿的基础上的伺服向前和向后旋转共面到身体和两个剩余的伺服延伸腿向外和向内相对于身体。用解剖学术语表示三段腿，髋骨表示也身体连接的一部分，股骨指中间的部分，胫骨是与地面接触的部分。本文其余部分均用此术语来表述。
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(b)
图2.2 六足机器人
2.3 运动学
机器人每条腿采用三个自由度，限制了任一胫骨端点最多只能通过两个不同的关节集合到达，这使得使用解析方法来求解逆向运动学成为可能，而对于更复杂和更高自由度的体系结构则必须使用迭代法。除了旋转的角度外，关节之间的框架变换保持静止，因此可以应用几何约束来确定到达端点位置所需的关节角度。图2.3给出了相关的几何因素，左图表示髋角γ，α和β分别表示股骨和胫骨角度。通过计算关节集确定给定几何约束条件下腿端点可到达与否。
/
图2.3 三自由度六足腿解析逆向运动学
2.4 行走算法
六足步态通常是通过对六条腿端点的四维轨迹进行编程，并使用逆运动学来驱动机器人到达这些位置来实现的。具体的轨迹规划可以在实现方式和复杂性上有所不同，但都涉及预编程的周期序列，如图2.4中的三脚架、波浪和纹波步态。当一条腿抬起并向前迈步时，波形显示为一个上升的脉冲，当腿在地面上支撑机器人时，波形处于平值。支撑腿通常会在一条直线上以保持机器人的速度，伸展腿则会沿着一条曲线来抬起并向前迈动。通过选择步态方式可以提高运动速度或稳定性，三脚架步态是最快的步态，而波浪步态是最稳定的，因为五条腿总是同时着地。
目录
第1章 绪论 5
第2章 机器人基础技术 6
2.1 飞行结构 6
2.2 六足结构 6
2.3 运动学 7
2.4 行走算法 7
2.5 多轴旋翼 8
2.6 飞行力学 8
2.7 飞行控制 9
第3章 初步设计 10
第4章 电气系统设计 11
总结 19
参考文献 20
致谢 21
第1章 绪论
在过去的十年里，多轴无人机已经成为研究机构和消费者的宠儿。无人机可以提供很多特殊的效用，被广泛应用于搜索救援、灾区援助、环境保护和监测等领域。在这些领域中，无人机通过人工或者自动的形式获取航拍图像。但是作为空中飞行器，无人机通常不具备地面的机动能力。而在某些特殊情况下需要这种能力，比如经过烟雾浓郁或灰尘密度高的区域，不利于飞行的封闭空间，以及需要在坠机后保持移动。多足无人机可以飞到较远的区域，比如石油管道的顶部，在那里它可以完成着陆，并通过步行进行近距离的检查任务。多足无人机能够像机器人一样在地面进行全方位的移动，六只脚同时着地可以保持机器人稳定，通过步态选择来提高运动速度和稳定性，腿部可以进行独立的控制进行周期性运动。六足机器人非常适合在不平坦的户外环境中穿越有障碍物的地形。
尽管对于无人机及多足机器人的研究很多，但是在一个机器人身上结合六足和多视角功能的研究较少。本论文的总体目标是设计并建立一个具有多轴飞行能力的六足飞行机器人。通过将飞行硬件直接嵌入具有三个关节（三个自由度）的腿部，以最小的复杂性提供全方位的行走能力。利用CAD软件和3D打印技术对机器人进行了结构设计，3D打印帮助零件快速成型和测试。同时，编写了基本的行走和飞行轨迹的运动算法，以及在这两种运动模 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
式之间自由切换的切换程序。通过在嵌入式Linux计算机执行机器人操作系统(ROS)高级算法，而采用微控制器来处理硬件接口。
本文主要包括以下研究内容。飞行和步行两种模式的机器人设计方案;以及运动约束及移动实现;机器人的总体设计及初步估计;机器人电子系统设计。
第2章 机器人基础技术
2.1 飞行结构
随着人们对无人机及机器人的探索，越来越多的复合机器人出现在我们的生活当中。如MI公司开发了的六足多轴飞行机器人和四足四轴飞行机器人，如图2.1所示。由于制造技术的发展，使得制造成本不断降低，飞行机器人开始受到消费者的青睐。通过结合单独的多足或多翼无人机的设计思路，设计者采用自上而下的方法，设计了两者的结合体。结合两种功能后的机器人虽然具备了的设计所需能力，但并没有针对最小的尺寸和重量进行优化设计。MI公司使用了重量较轻的碳纤维复合材料取代了部分框架，四轴飞行机器人在手臂底部安装了伺服电机，使它们能够折叠在一起。本文设计将飞行硬件直接嵌入到腿部结构，这种结构将双腿作为多轴旋翼，有效地减小机器人尺寸，使外形最小化。
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(b)
图2.1 飞行飞行器
2.2 六足结构
新机器人设计的核心是一个3D打印的六足框架，每条腿具有三个自由度，这是对现有的六足动物进行研究确定的。由亚利桑那大学的马特开发的六足机器人Dmitri，被作为一个平台来展示Intel公司的处理器用于处理运动机器人的运动学和图像的能力，如图2.2a所示。尽管Dmitri生物行为和图像处理应用的功能不同于多模态运动集成，但是原型制作过程可以作为验证六足框架3D打印可行性的模板。
另一个典型的六足机器人是来自Trossen Robotics[7]的商用PhantomX AX金属六足动物MarkIII，如图2.2b所示。虽然不是采用3D打印得到，但是这个机器人的结构较为简单，支架采用AX12A型伺服电机，内置传感器可以同时测量伺服速度、温度、轴位置、电压和负载扭矩。与AX12A相比，Dmitri使用了与Dynamixel MX28类似的伺服系统，提高了扭矩及运行速度。
图2.2中的六足动物每条腿有三个自由度。腿的关节以类似于昆虫和蛛形动物的方式定向，在腿的基础上的伺服向前和向后旋转共面到身体和两个剩余的伺服延伸腿向外和向内相对于身体。用解剖学术语表示三段腿，髋骨表示也身体连接的一部分，股骨指中间的部分，胫骨是与地面接触的部分。本文其余部分均用此术语来表述。
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图2.2 六足机器人
2.3 运动学
机器人每条腿采用三个自由度，限制了任一胫骨端点最多只能通过两个不同的关节集合到达，这使得使用解析方法来求解逆向运动学成为可能，而对于更复杂和更高自由度的体系结构则必须使用迭代法。除了旋转的角度外，关节之间的框架变换保持静止，因此可以应用几何约束来确定到达端点位置所需的关节角度。图2.3给出了相关的几何因素，左图表示髋角γ，α和β分别表示股骨和胫骨角度。通过计算关节集确定给定几何约束条件下腿端点可到达与否。
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图2.3 三自由度六足腿解析逆向运动学
2.4 行走算法
六足步态通常是通过对六条腿端点的四维轨迹进行编程，并使用逆运动学来驱动机器人到达这些位置来实现的。具体的轨迹规划可以在实现方式和复杂性上有所不同，但都涉及预编程的周期序列，如图2.4中的三脚架、波浪和纹波步态。当一条腿抬起并向前迈步时，波形显示为一个上升的脉冲，当腿在地面上支撑机器人时，波形处于平值。支撑腿通常会在一条直线上以保持机器人的速度，伸展腿则会沿着一条曲线来抬起并向前迈动。通过选择步态方式可以提高运动速度或稳定性，三脚架步态是最快的步态，而波浪步态是最稳定的，因为五条腿总是同时着地。
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