六足机器人行走系统设计(附件)【字数：9239】
摘 要随着人类社会的不断发展，人类对未知世界的探索也在不断深入，因为未知世界的巨大未知性和各种挑战性，这也就催生了对各种能应对复杂地形的机器人的需求。六足机器人相对于轮式和履带机器人有很强的适应能力，在各种抢险救灾现场也可发挥不可小觑的能力。本设计的六足机器人主要从机械结构和控制部分来完成了课题要求，文中六足机器人使用关节式的腿部结构，类似于蜘蛛，主要采用三角步态行进。控制部分使用了51单片机来控制，由压力传感器和减速度传感器负责检测反馈，通过18个舵机的输出来控制六足机器人六条腿的姿态，采用 3 自由度分析了六足机器人的步态以及稳定性，确定并采用三角步态来实现六足步行机器人的姿态控制，实现机器人直线行走及转弯。
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题背景及目的 1
第二章 整体方案设计 2
2.1六足机器人系统框图 2
2.2机械结构 2
2.3控制器选择 2
2.4驱动器 3
2.5检测装置 3
第三章 六足机器整体机械结构设计 4
3.1六足机器人的行走机构 4
3.2舵机的选择 5
3.3六足机器人的零件部分设计 8
3.3.1机身的设计 8
3.3.2基节的设计 9
3.3.3关节盖的设计 10
3.3.4胫节片的设计 11
3.3.5足的设计 12
3.3.6连接杆的设计 12
3.3.7固定片的设计 13
第四章 控制方案的设计 15
4.1工作原理分析 15
4.1.1三角步态原理分析 15
4.1.2机器人走动步态分析 15
4.2控制系统流程图 17
4.3传感器的选择 17
4.3.1加速度传感器的选型 17
4.3.2压力传感器的选型 18
4.4单片机选型 18
4.5舵机控制板原理介绍 19
4.5.1舵机控制板的使用 20
4.5.2六足机器人的舵机控制原理 21
4. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
6六足步行机器人控制系统硬件连接 22
4.6.1舵机驱动电路 22
4.6.2加速度传感器硬件连接 24
4.6.3压力传感器连接 25
4.7单片机程序 25
结束语 34
致谢 35
参考文献 36
附录 37
第一章 绪论
1.1课题背景及目的
仿生多足机器人是模仿各种动物的腿部运动形式的特殊机器人。 认为足迹未到达或尚不发达的某些地区不能使用传统的轮式或履带车到达，但是许多脚动物可以自由地在这些地面上行走。 因此，仿生多足机器人的运动模式具有独特的优越性能，其他地面推进方法不具备，对各种地形的适应能力催生了多足机器人的发展。 仿生多足机器人的运动模式具有良好的机动性，对不平坦的地面具有更好的适应性。 多脚步行机器人在地面不平坦，地面柔软的地面上移动更快，消耗更少的能量。
基于仿生学的多足机器人的优势就是对地形的适应能力，为了充分利用这些优秀的人性化服务，我们需要进一步研究，仿生多足机器人在人类社会的发展中的应用。模仿生物系统原理或人工技术系统的原理，其原理与生物体系仿生相似。机器人和机体的系统结构有很多共同特点，仿生学已经成为机器人技术的重要手段。在本文中，六脚仿生机器人是基于生物仿生研究成果，仿节节肢动物机构和运动步态，结合单片机控制来实现多脚踏机器人的具体功能。仿生机器人特征的六脚是：1.控制结构简单2.行走稳定3.四肢独立运动。上述特点使六足机器人能够在恶劣的山路，野外，水下等各种复杂环境中工作。
本文采用C51芯片与舵机控制板互相通信设计出一款六足仿生机器人，能够实现机器人在水平地面行走。
第二章 整体方案设计
2.1六足机器人系统框图
六足机器人由控制器，驱动器，执行机构，被控对象（机械结构），检测装置组成。系统框图如图21所示
/
图21 六足机器人系统框图
2.2机械结构
本论文设计的六足机器人为模仿蜘蛛形态的六足机器人，腿部构造为关节式，各个关节由舵机直接带动，容易控制。六足机器人的腿也能相互配合达到不同的姿态。腿部结构如图22
/
图22 六足机器人腿部结构
2.3控制器选择
单片机相对于PLC，有着更为小的体积，以及其性价比比较高，所以本设计选择单片机来作为六足机器人的控制器。结合所学习的内容选择C51来作为控制器，C51为入门机型更容易上手，编程也简单。
2.4驱动器
本设计的六足机器人为关节式机器人，每个关节由一个舵机来带动，一共需要18个舵机，这就用舵机控制板来驱动这么多的舵机。舵机控制板能有效系统的驱动舵机，为舵机提供稳定的工作电压和电流。
2.5检测装置
根据课题要求，六足机器人需要检测速度以及载重，所以选择压力传感器和加速度传感器。由这两个传感器完成对载物的测重和速度的检测。压力传感器测重，这个比较成熟。用加速度传感器测速度，对得出的加速度积分可获得当前速度。
第三章 六足机器整体机械结构设计
3.1六足机器人的行走机构
六足步行机器人在前进中将六条腿分为 2 组，以ACE为一组足，BDF为一组足（由前一章节可知）。在运动过程中，以三角步态来实现机器人的前进和转向，这样可以更好地适应路面环境以及其他突发情况，增加六足机器人的适应能力。机器人通过控制2组腿交替上下进行前进。六足机器人的每条腿从机器人身上抬起，可以看作是一系列的机械臂，相同时间落地的3条机械腿，与机器人机身组成一个并联的多自由度机构。六组步行机器人向前走，每个支腿和接触面的摩擦力不为零，因此我们可以看到六足机器人在前进运动中的一系列点接触，每条腿的运动有6个自由度。同时，六足步行步行机器人在使用三角步态前进时支撑阶段的腿数为N，六足步行机器人的模型为有N个分支的空间多环并联结构，自由度可以从下式得出：
目 录
第一章 绪论 1
1.1课题背景及目的 1
第二章 整体方案设计 2
2.1六足机器人系统框图 2
2.2机械结构 2
2.3控制器选择 2
2.4驱动器 3
2.5检测装置 3
第三章 六足机器整体机械结构设计 4
3.1六足机器人的行走机构 4
3.2舵机的选择 5
3.3六足机器人的零件部分设计 8
3.3.1机身的设计 8
3.3.2基节的设计 9
3.3.3关节盖的设计 10
3.3.4胫节片的设计 11
3.3.5足的设计 12
3.3.6连接杆的设计 12
3.3.7固定片的设计 13
第四章 控制方案的设计 15
4.1工作原理分析 15
4.1.1三角步态原理分析 15
4.1.2机器人走动步态分析 15
4.2控制系统流程图 17
4.3传感器的选择 17
4.3.1加速度传感器的选型 17
4.3.2压力传感器的选型 18
4.4单片机选型 18
4.5舵机控制板原理介绍 19
4.5.1舵机控制板的使用 20
4.5.2六足机器人的舵机控制原理 21
4. *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
6六足步行机器人控制系统硬件连接 22
4.6.1舵机驱动电路 22
4.6.2加速度传感器硬件连接 24
4.6.3压力传感器连接 25
4.7单片机程序 25
结束语 34
致谢 35
参考文献 36
附录 37
第一章 绪论
1.1课题背景及目的
仿生多足机器人是模仿各种动物的腿部运动形式的特殊机器人。 认为足迹未到达或尚不发达的某些地区不能使用传统的轮式或履带车到达，但是许多脚动物可以自由地在这些地面上行走。 因此，仿生多足机器人的运动模式具有独特的优越性能，其他地面推进方法不具备，对各种地形的适应能力催生了多足机器人的发展。 仿生多足机器人的运动模式具有良好的机动性，对不平坦的地面具有更好的适应性。 多脚步行机器人在地面不平坦，地面柔软的地面上移动更快，消耗更少的能量。
基于仿生学的多足机器人的优势就是对地形的适应能力，为了充分利用这些优秀的人性化服务，我们需要进一步研究，仿生多足机器人在人类社会的发展中的应用。模仿生物系统原理或人工技术系统的原理，其原理与生物体系仿生相似。机器人和机体的系统结构有很多共同特点，仿生学已经成为机器人技术的重要手段。在本文中，六脚仿生机器人是基于生物仿生研究成果，仿节节肢动物机构和运动步态，结合单片机控制来实现多脚踏机器人的具体功能。仿生机器人特征的六脚是：1.控制结构简单2.行走稳定3.四肢独立运动。上述特点使六足机器人能够在恶劣的山路，野外，水下等各种复杂环境中工作。
本文采用C51芯片与舵机控制板互相通信设计出一款六足仿生机器人，能够实现机器人在水平地面行走。
第二章 整体方案设计
2.1六足机器人系统框图
六足机器人由控制器，驱动器，执行机构，被控对象（机械结构），检测装置组成。系统框图如图21所示
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图21 六足机器人系统框图
2.2机械结构
本论文设计的六足机器人为模仿蜘蛛形态的六足机器人，腿部构造为关节式，各个关节由舵机直接带动，容易控制。六足机器人的腿也能相互配合达到不同的姿态。腿部结构如图22
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图22 六足机器人腿部结构
2.3控制器选择
单片机相对于PLC，有着更为小的体积，以及其性价比比较高，所以本设计选择单片机来作为六足机器人的控制器。结合所学习的内容选择C51来作为控制器，C51为入门机型更容易上手，编程也简单。
2.4驱动器
本设计的六足机器人为关节式机器人，每个关节由一个舵机来带动，一共需要18个舵机，这就用舵机控制板来驱动这么多的舵机。舵机控制板能有效系统的驱动舵机，为舵机提供稳定的工作电压和电流。
2.5检测装置
根据课题要求，六足机器人需要检测速度以及载重，所以选择压力传感器和加速度传感器。由这两个传感器完成对载物的测重和速度的检测。压力传感器测重，这个比较成熟。用加速度传感器测速度，对得出的加速度积分可获得当前速度。
第三章 六足机器整体机械结构设计
3.1六足机器人的行走机构
六足步行机器人在前进中将六条腿分为 2 组，以ACE为一组足，BDF为一组足（由前一章节可知）。在运动过程中，以三角步态来实现机器人的前进和转向，这样可以更好地适应路面环境以及其他突发情况，增加六足机器人的适应能力。机器人通过控制2组腿交替上下进行前进。六足机器人的每条腿从机器人身上抬起，可以看作是一系列的机械臂，相同时间落地的3条机械腿，与机器人机身组成一个并联的多自由度机构。六组步行机器人向前走，每个支腿和接触面的摩擦力不为零，因此我们可以看到六足机器人在前进运动中的一系列点接触，每条腿的运动有6个自由度。同时，六足步行步行机器人在使用三角步态前进时支撑阶段的腿数为N，六足步行机器人的模型为有N个分支的空间多环并联结构，自由度可以从下式得出：
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