四足螃蟹机器人控制系统设计
对于四足机器人的研究国内外都卓有成效，大多都是从生物运动获得的灵感，大多是采用静态步行步态，这些机器人特点是速度很慢，而且重心必须处于脚支撑多边形之内，机器人的应用受到限制。 本次需要完成的四足螃蟹机器人是根据螃蟹的行走步态而研究的一款机器人。它的硬件系统方面主要是用arduino单片机来控制舵机，从而控制机器人运动方向，而本次用的是arduino nano开发板。软件系统方面是用arduino软件来编写程序。通过硬件和软件的结合，最终使四足螃蟹机器人能够根据需要实现行走。关键词四足螃蟹机器人 硬件系统 软件系统 Arduino
目 录
1 引言 1
1.1四足机器人简介 1
1.2发展概况 2
1.3课题简介 4
2 四足机器人机构设计 6
2.1几种典型四足步行机器人及其结构分析 6
2.2四足螃蟹机器人机构设计 8
3控制系统硬件的设计 8
3.1舵机的设计 8
3.2 单片机的设计 12
3.3电源的设计 18
3.4扩展插座的设计 22
3.5 降压模块的设计 23
4控制系统软件的设计 24
4.1对于arduino软件和程序的学习与了解 24
4.2四足螃蟹机器人程序 25
结论 29
致谢 32
参考文献 33
1 引言
在现在的社会或大自然中，有人类没有办法到达的地方和人类去了可能会有危险的地方,例如工地、救灾、救援等危险地带，如图1。由于那种比较恶劣的地方非常必要去探索的时候，通常机器人就发挥了很大的作用。
图 1 探索机器人
1.1 四足机器人简介
腿式的机器人系统比其他的系统展现的优势更大。优势体现在腿式机器人可以有更好的机动性。在道路不平的路上可以更好的保持平衡，以及可以适应各种地形。所以腿式机器人能够用于好多地方例如工业上，军事上等各个用途，如图2，都能起到非常大的作用。很多国家都在对多足机器人进行研发，机器 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
人的研究取得了重大突破。
图 2 腿式机器人
四足机器人是多足机器人中的一种。四足机器人的功能比其他的机器人的功能更优越。优势体现在四足机器人能够支撑起和运输更大、更重的东西。并且在支撑和运输更大、更重的东西的时候很平稳。四足机器人的优势不仅如此，而且四足机器人比其他机器人腿少，能够节省材料，使身体变轻，所以对于四足机器人的研究比较多。
1.2 发展概况
中国古代的三国时期，孔明发明了用于托运粮食的“木牛流马”是机器人的原型。还有外国人制造出的“机械马”，如图3，是步行机器人比较早的例子。现在的步行机器人行走的方式多种多样。
图 3 机械马
其中轮式机器人或者是履带式机器人在翻过障碍的能力方面没有腿式机器人出色，而且行走不方便。而四足机器人的腿自由度多，落足点多，所以在机器人腿尖摆动的范围之内能够任意改变自己的行走步伐，并且可以选择比较合理的落脚点和支撑点。因此腿式机器人，尤其是四足机器人比轮式和履带式机器人拥有更强的越障的能力。
对于四足机器人的研发大家十分关注，研究成功后的作用很大，这是一个新科技发展开端。
1.2.1 国内发展概况
我国对四足机器人的发明比较晚，木牛流马是最早的四足机器人例子（虽然不是严格意义上的四足机器人），十九世纪80年代王湔自己研发出每一边有17根腿，在孔明发明的基础上创造出新的的步行方式，使得我国真正意义上开始研究步行的机构。
十九世纪90年代王湔对之前的机器进行改进优化，将单腿十七连杆精进为每一边有8根腿，然后通过创新，增添了马车，开发了王氏木车马，如图4，对机器人的研发有了很大的进展。
图 4 王氏木车马
我国颜鸿森以及他的团队仔细研究了王氏木车马，根据它的构思发明出来许多新的机器人，有四杆结构，还有六杆结构，跟王氏木车马原理相同，是更进一步的改进。
我国的王旭辉和查建中等人着重研究单边8连杆机器人，更进一步研究该机器人的压力角以及杆件分布，并加以改进。用科学的理论来丰富和充实单腿八连杆机构，使我国对步行机器人的研究更加接近世界水平。
20世纪80年代起，我国对于四足机器人的研发开始重视，对机器人研发取得重大突破的部门有上海交通大学、清华大学等。上海交通大学发明出了JTUWM类型的四足步行机器人，他们从1991年开始研究，在1996年JTUWMⅢ研制成功。这个机器人的脚的关节是开式的，这个机器人一只脚的关节设计成了三个自由度可以转动，不仅利用了信息处理的算法数学模型，还利用了模糊算法，缺点是行走速度较慢。
清华大学自主发明了一部四足机器人，这部机器人所用的方案是将机器人的腿关节设计成开环的，这个机构是通过模拟动物运动来设计的。这个机器人的优势是可以在不同复杂的地方行走，上下坡、越障很容易，但是缺点是运动时协调性较差，而且负重较小。
1.2.2 国外发展概况
十九世纪70年代，弗兰克和麦克吉研发出了第1部完全意义上的四足步行机器人。这台机器人拥有稳定的运动步态，这个优点是其他机器人不具有的。可这部机器人也有缺陷，就是由于是通过逻辑关系来调整该机器人四肢，机器人没办法自由的依靠自己对外界环境的判断来进行行动，运动方式肯定会受到限制，只有固定的运动方式。
到了20世纪80年代，机器人的发明有了更进一步的进展，具有代表性的是日本人发明的TITAN型的机器人，如图5，他是由Hirose教授以及他的研究团队研制的。科学家Hirose发明出了TITANⅢ，这部机器人的腿上放置了用于传递信息的传感器，对外界环境会做出比较合适的反应。而脚底采用的材料当遭到破坏或者改变形状时会恢复成原来的形状。所以机器人能依靠自己脚底对地面的感应来反应出自己走路的状态，从而做出比较合适的步态，能够始终保证自己走路时不会倒下。
图 5日本研发的机器人
2000~2003年，同样也是日本人的木村浩跟他的设计团队研制出了他们自己的机器人，这个机器人看起来十分像小狗，称为小狗机器人，他们在这个小狗机器人的所有腿的机构上都放置了平衡仪器，更加细致，作用就是这个小狗机器人可以很灵敏。而这个机器人是通过CPG的反射原理来控制系统的。
现在比较实用的是美国发明的大狗机器人，可以以不同的步态在各种复杂的地形上行走。不仅如此，它还能负重高达52KG。它的结构比较复杂，腿关节是模拟狗的关节，腿上安装了能够减震的部件，而且该部件还能做到能量循环利用，这个是大狗机器人高端的部分。不仅如此，它是用伺服系统改变机器人的运动方式，这个使机器人在面对外界环境的变化时能够及时做出相应的反应，可以更好地保持身体平衡。
目 录
1 引言 1
1.1四足机器人简介 1
1.2发展概况 2
1.3课题简介 4
2 四足机器人机构设计 6
2.1几种典型四足步行机器人及其结构分析 6
2.2四足螃蟹机器人机构设计 8
3控制系统硬件的设计 8
3.1舵机的设计 8
3.2 单片机的设计 12
3.3电源的设计 18
3.4扩展插座的设计 22
3.5 降压模块的设计 23
4控制系统软件的设计 24
4.1对于arduino软件和程序的学习与了解 24
4.2四足螃蟹机器人程序 25
结论 29
致谢 32
参考文献 33
1 引言
在现在的社会或大自然中，有人类没有办法到达的地方和人类去了可能会有危险的地方,例如工地、救灾、救援等危险地带，如图1。由于那种比较恶劣的地方非常必要去探索的时候，通常机器人就发挥了很大的作用。
图 1 探索机器人
1.1 四足机器人简介
腿式的机器人系统比其他的系统展现的优势更大。优势体现在腿式机器人可以有更好的机动性。在道路不平的路上可以更好的保持平衡，以及可以适应各种地形。所以腿式机器人能够用于好多地方例如工业上，军事上等各个用途，如图2，都能起到非常大的作用。很多国家都在对多足机器人进行研发，机器 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
人的研究取得了重大突破。
图 2 腿式机器人
四足机器人是多足机器人中的一种。四足机器人的功能比其他的机器人的功能更优越。优势体现在四足机器人能够支撑起和运输更大、更重的东西。并且在支撑和运输更大、更重的东西的时候很平稳。四足机器人的优势不仅如此，而且四足机器人比其他机器人腿少，能够节省材料，使身体变轻，所以对于四足机器人的研究比较多。
1.2 发展概况
中国古代的三国时期，孔明发明了用于托运粮食的“木牛流马”是机器人的原型。还有外国人制造出的“机械马”，如图3，是步行机器人比较早的例子。现在的步行机器人行走的方式多种多样。
图 3 机械马
其中轮式机器人或者是履带式机器人在翻过障碍的能力方面没有腿式机器人出色，而且行走不方便。而四足机器人的腿自由度多，落足点多，所以在机器人腿尖摆动的范围之内能够任意改变自己的行走步伐，并且可以选择比较合理的落脚点和支撑点。因此腿式机器人，尤其是四足机器人比轮式和履带式机器人拥有更强的越障的能力。
对于四足机器人的研发大家十分关注，研究成功后的作用很大，这是一个新科技发展开端。
1.2.1 国内发展概况
我国对四足机器人的发明比较晚，木牛流马是最早的四足机器人例子（虽然不是严格意义上的四足机器人），十九世纪80年代王湔自己研发出每一边有17根腿，在孔明发明的基础上创造出新的的步行方式，使得我国真正意义上开始研究步行的机构。
十九世纪90年代王湔对之前的机器进行改进优化，将单腿十七连杆精进为每一边有8根腿，然后通过创新，增添了马车，开发了王氏木车马，如图4，对机器人的研发有了很大的进展。
图 4 王氏木车马
我国颜鸿森以及他的团队仔细研究了王氏木车马，根据它的构思发明出来许多新的机器人，有四杆结构，还有六杆结构，跟王氏木车马原理相同，是更进一步的改进。
我国的王旭辉和查建中等人着重研究单边8连杆机器人，更进一步研究该机器人的压力角以及杆件分布，并加以改进。用科学的理论来丰富和充实单腿八连杆机构，使我国对步行机器人的研究更加接近世界水平。
20世纪80年代起，我国对于四足机器人的研发开始重视，对机器人研发取得重大突破的部门有上海交通大学、清华大学等。上海交通大学发明出了JTUWM类型的四足步行机器人，他们从1991年开始研究，在1996年JTUWMⅢ研制成功。这个机器人的脚的关节是开式的，这个机器人一只脚的关节设计成了三个自由度可以转动，不仅利用了信息处理的算法数学模型，还利用了模糊算法，缺点是行走速度较慢。
清华大学自主发明了一部四足机器人，这部机器人所用的方案是将机器人的腿关节设计成开环的，这个机构是通过模拟动物运动来设计的。这个机器人的优势是可以在不同复杂的地方行走，上下坡、越障很容易，但是缺点是运动时协调性较差，而且负重较小。
1.2.2 国外发展概况
十九世纪70年代，弗兰克和麦克吉研发出了第1部完全意义上的四足步行机器人。这台机器人拥有稳定的运动步态，这个优点是其他机器人不具有的。可这部机器人也有缺陷，就是由于是通过逻辑关系来调整该机器人四肢，机器人没办法自由的依靠自己对外界环境的判断来进行行动，运动方式肯定会受到限制，只有固定的运动方式。
到了20世纪80年代，机器人的发明有了更进一步的进展，具有代表性的是日本人发明的TITAN型的机器人，如图5，他是由Hirose教授以及他的研究团队研制的。科学家Hirose发明出了TITANⅢ，这部机器人的腿上放置了用于传递信息的传感器，对外界环境会做出比较合适的反应。而脚底采用的材料当遭到破坏或者改变形状时会恢复成原来的形状。所以机器人能依靠自己脚底对地面的感应来反应出自己走路的状态，从而做出比较合适的步态，能够始终保证自己走路时不会倒下。
图 5日本研发的机器人
2000~2003年，同样也是日本人的木村浩跟他的设计团队研制出了他们自己的机器人，这个机器人看起来十分像小狗，称为小狗机器人，他们在这个小狗机器人的所有腿的机构上都放置了平衡仪器，更加细致，作用就是这个小狗机器人可以很灵敏。而这个机器人是通过CPG的反射原理来控制系统的。
现在比较实用的是美国发明的大狗机器人，可以以不同的步态在各种复杂的地形上行走。不仅如此，它还能负重高达52KG。它的结构比较复杂，腿关节是模拟狗的关节，腿上安装了能够减震的部件，而且该部件还能做到能量循环利用，这个是大狗机器人高端的部分。不仅如此，它是用伺服系统改变机器人的运动方式，这个使机器人在面对外界环境的变化时能够及时做出相应的反应，可以更好地保持身体平衡。
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