六足机器人系统设计.docx

发布时间：2022-06-03 发布人：admin 分类：说明书资料大小：1.73M 资料格式：docx 举报版权申诉

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ABSTRACT

第一章绪论

第二章六足步行机器人系统设计与分析

第三章六足机器人运动学与步态规划研究

第四章三足步态算法设计

第五章基于Smiulink模型的上层控制系统软件

第六章 SPI串口通信测试

第一章绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 国内外六足步行机器人研究概况

1.2.1 国外多足步行机器人研究成果

1.2.2 国内多足步行机器人研究成果

1.3 本文的研究内容

1.4 本文的结构安排

第二章六足步行机器人系统设计与分析

2.1 机械系统设计

2.1.1 腿部结构设计

2.1.2 整体结构设计

2.1.3 零部件设计

2.2 驱动系统的设计

2.2.1 驱动系统工作要求

2.2.2 驱动电机选型

2.3 控制系统设计

2.3.1 系统要求

2.3.2 控制系统定型

2.4 动力学仿真及分析

2.4.1 动力学模型建立

2.4.2 动力学分析

第三章六足机器人运动学与步态规划研究

3.1 六足机器人运动学分析

3.1.1 六足机器人D-H模型

3.1.2 六足机器人正运动学

3.1.3 六足机器人逆运动学

3.2 六足机器人步态规划研究

3.2.1 六足机器人占地系数分析

3.2.2 六足机器人稳定性分析

3.2.3 足端轨迹选择

第四章三足步态算法设计

4.1 直线行走步态规划

4.2 定点转弯步态规划

4.3 步态控制算法框图

第五章基于Smiulink模型的上层控制系统软件开发

5.1 基于模型的设计方法介绍

5.2 MATLAB与CCS的联合配置

5.2.1 CCS的特点及功能概述

5.2.2 MATLAB与CCS关联配置

5.3 Smiulink模型搭建

5.3.1 自定义模块S-Function Builder介绍

5.3.2 库模块介绍

5.3.3 模型工作原理

5.4 代码生成

第六章 SPI串口通信测试

6.1 测试方法

6.2 测试结果

二 ○ 一七届毕业设计六足机器人设计及步行控制研究工程机械学院机械电子工程学专姓学院：业：名：号：指导教师：完成时间：

摘要摘要步行机器人是一种由计算机控制的余驱动，多支链，时变拓扑运动机构，是模仿动物运动形式的特种机器人。通常将足数多于或等于四的步行机器人称为多足步行机器人。相较于轮式，因为运动方式的差异，使得多足步行机器人能够适应崎岖的地形，进行越障作业，并具有较强的机动性。长期以来，多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域的研究热点之一。本文分析并设计出一种六足步行机器人。主要对该机器人的机械结构进行设计。先对腿部机构，机身结构进行分析比较与选型，然后完成了零部件设计以及三维模型建模，并将所建模型导入到 ADMAS 进行了动力学分析。其次对该机器人的驱动系统，控制系统设计做了大致的介绍。在完成机器人设计工作后，主要对步行控制展开了研究。先对六足机器人进行了运动学分析，建立了六足机器人的 D-H 模型，并对运动学正逆问题进行了求解。接着进行了六足机器人步态规划研究，分析介绍了步态规划中相序变换，占地系数，稳定性这三个基本方面。最后设计出了六足机器人三足步态步行控制算法。本次设计的最后进行了六足机器人上层控制系统软件开发。利用基于模型设计的方法，在建立上层控制系统 Smiulink 模型后，通过 CCS 与 MATLAB 的联合配置，实现了控制代码的自动生成。并对所生成的代码进行了测试。至此，完成了本次设计的所有工作。关键词：六足机器人，动力学分析，机器人运动学，步态规划，三维建模，基于模型设计 I

摘要 ABSTRACT The walking robot is a computer-controlled keng-driven, mult time-varying topological movement mechanism, which i-branched, robot that mimics the form of animal movement. A is a special walking robot with a foot number greater to four is usually called a walking robot. Compared with the wheel, bec ause the movement of the difference, so that multi-foot walking robot can adapt the obstacle operation, and has a strong mobility. For a long time, multi-foot walking robo roboti technology has been one of the hotspots in the field of to the rugged terrain, than or equal t cs at home and abroad. the robot the robot are introduced in detail. After the robot design work, mainly on the walking This paper analyzes and designs a six-legged walking robot. is mainly designed. First The mechanical structure of of all, the leg mechanism, body structure analysis and comparis on and selection, and then completed the parts design and three- dimensional model modeling, and the model was imported into A the driving system and co DAMS for dynamic analysis. Secondly, ntrol system design of t he completion of the six-legged to start a study. Firstly, control is established, and the inverse problem of kinematics is s robot legged rob olved. Then, we study the gait planning of ot, and analyze the three basic aspects of phase sequence transfo rmation, land area coefficient and stability in gait planning. Fina three-step gait walking control algorithm is lly, a six-foot designed. The design of robot control system fo r design method, after system Smiulink model, nfiguration, layer of software development. Based on the model layer control through the CCS and MATLAB joint co to achieve the automatic generation of control code. the establishment of the D-H model of the upper robot the last six-foot the upper the six - II

摘要 And the generated code was tested. At the work of this design. this point, completed all KEYWORDS six-legged robot, dynamic analysis, robot kinem atics, gait planning, 3D modeling, model-based design III

目录目录摘要 ..........................................................................................................I ABSTRACT ........................................................................................... II 第一章绪论 ........................................................................................... 5 1.1 选题背景及意义 .................................................................................... 5 1.2 国内外六足步行机器人研究概况 ....................................................5 1.2.1 国外多足步行机器人研究成果 ........................................... 6 1.2.2 国内多足步行机器人研究成果 ........................................... 8 1.3 本文的研究内容 .................................................................................. 10 1.4 本文的结构安排 .................................................................................. 10 第二章六足步行机器人系统设计与分析 ................................. 11 2.1 机械系统设计 .......................................................................................11 2.1.1 腿部结构设计 ..........................................................................11 2.1.2 整体结构设计 ..........................................................................13 2.1.3 零部件设计 .............................................................................. 14 2.2 驱动系统的设计 .................................................................................. 18 2.2.1 驱动系统工作要求 ................................................................ 18 2.2.2 驱动电机选型 ..........................................................................18 2.3 控制系统设计 .......................................................................................19 2.3.1 系统要求 ................................................................................... 19 2.3.2 控制系统定型 ..........................................................................20 2.4 动力学仿真及分析 ............................................................................. 20 2.4.1 动力学模型建立 ..................................................................... 20 2.4.2 动力学分析 .............................................................................. 20 第三章六足机器人运动学与步态规划研究 ............................ 23 3.1 六足机器人运动学分析 .................................................................... 23 3.1.1 六足机器人 D-H 模型 ...........................................................24 3.1.2 六足机器人正运动学 ............................................................25 3.1.3 六足机器人逆运动学 ............................................................27 3.2 六足机器人步态规划研究 ............................................................... 29 III

目录 3.2.1 六足机器人占地系数分析 .................................................. 29 3.2.2 六足机器人稳定性分析 ....................................................... 31 3.2.3 足端轨迹选择 ..........................................................................32 第四章三足步态算法设计 .............................................................33 4.1 直线行走步态规划 ............................................................................. 33 4.2 定点转弯步态规划 ............................................................................. 35 4.3 步态控制算法框图 ............................................................................. 35 第五章基于 Smiulink 模型的上层控制系统软件开发 ........37 5.1 基于模型的设计方法介绍 ............................................................... 37 5.2 MATLAB 与 CCS 的联合配置 ..........................................................37 5.2.1 CCS 的特点及功能概述 ........................................................ 38 5.2.2 MATLAB 与 CCS 关联配置 ................................................. 38 5.3 Smiulink 模型搭建 ...............................................................................38 5.3.1 自定义模块 S-Function Builder 介绍 .........................39 5.3.2 库模块介绍 .............................................................................. 41 5.3.3 模型工作原理 ..........................................................................42 5.4 代码生成 ................................................................................................ 43 第六章 SPI 串口通信测试 ..............................................................43 6.1 测试方法 ................................................................................................ 43 6.2 测试结果 ................................................................................................ 45 IV

第一章绪论第一章绪论 1.1 选题背景及意义步行机器人是一种由计算机控制的 keng 余驱动，多支链，时变拓扑运动机构，是模仿动物运动形式的特种机器人。由仿生对象的不同，常见的步行机器人有两足，四足，六足，八足之分。通常将足数多于或等于四的步行机器人称为多足步行机器人。相比于轮式，履带式机器人在移动时，运动轨迹为一条连续的辙迹，多足步行机器人在移动过程中在地面上的移动轨迹却是一系列离散的点，这就使得多足步行机器人能够适应崎岖的地形，进行越障作业，并具有较强的机动性。另外，步行运动方式允许足端运动轨迹与机身运动轨迹解耦，使得机械系统具有主动隔震功能，尽管地面崎岖不平，机身都可以保持相对的平稳。最后，在松软路面移动时，履带式与轮式机器人会受到极大的牵引阻力，致使效率低下，机动性变差。而步行机器人则不受此影响，仍能保持良好的运动性能。鉴于这些种种优点，步行机器人在军事运输及探测、矿山开采、水下建筑、核工业、星球探测、农业及森林采伐等许多行业有着非常广阔的应用前景。长期以来，多足步行机器人技术一直是国内外机器人领域的研究热点之一。为了瞄准国际机器人技术前沿，为我国多足机器人工程实用化开发提供关键技术的支持，开展多足步行机器人相关理论和技术的研究具有重要的科学意义和应用价值。本选题主要研究两个问题：一是六足机器人系统的设计；二是步行控制算法研究。六足机器人系统设计是开展六足机器人研究的基础。只有在设计合理的硬件结构上，才能实现对机器人控制软件更好的研究；合理的步态可以提高机器人动作的稳定性，对复杂环境的自适应能力，并且降低能耗，提高机器人的使用寿命。步行控制的研究是对多足步行机器人控制的关键，其意义非同一般。 1.2 国内外六足步行机器人研究概况与传统移动机器人相比较，步行机器人特殊的仿生机械结构，优越的行进方式，大大提高了步行机器人对复杂环境的适应能力，从而拥有更加 5

第一章绪论广泛的工作用途。因此长期以来，步行机器人一直是国内外机器人领域的研究热点。随着电子计算机技术与仿生学理论的迅速发展，国内外学者研究出了许多性能优异的步行机器人。 1.2.1 国外多足步行机器人研究成果目前，国外在多足步行机器人方面取得重要进展主要体现在军事应用与空间探测方面。 Attila （如图 1.1 ）是九十年代由 Mobot 实验室研制的第一款用于星球探测的自主移动六足机器人，其结构上采取模块化设计，每条腿都是一个独立单元。腿部仿照昆虫身体架构采用多关节开链形式，每条腿 3 个自由度，六条腿总计 18 个自由度，保证了机器人的灵活性。其模块化的设计思路，使得机器人即时有腿出现故障，仍能保持正常移动。Attila 机身长 35cm，质量为 2.8kg ，装有 60 多个传感器，为其采集外部环境参量。图 1.1 机器人 Attila 1996 年，美国 Irobot 公司在 Darpa 与海军研究所的资助下设计出了一款用于侦察，排雷的机器人 Ariel（如图 1.2 ）。其体长 56cm ，质量约为 10.4kg 。该机器人的腿部结构具有两个自由度，其中跟关节转角 ±90 ° ，髋关节转角 ±135 ° 。该机器人仿照螃蟹进行设计，使得机器人更容易越障和保持站立姿态。六条腿对称布置，使得控制简单，反应灵敏，机动性强，但转弯能力差。因为其工作的特殊性，控制器及主线路被封装抗冲击的封闭匣子中。 Ariel 安装有多种传感器，以使机器人完成自主移动，侦察，扫雷等工作任务。其系统还配有自适应程序，以使得在工作过程中，外界环境发生突然变化时，机器人能够做出迅速有效的反应。 6

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