基本信息
- 項目名稱：
- 四足步行機器人系統(tǒng)研究
- 小類：
- 機械與控制
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 在分析四足步行機器人的步態(tài)和腿機構的運動關系的基礎上, 建立四足步行機器人腿部機構和驅(qū)動控制方案，最后利用微計算機實現(xiàn)機器人的多種步態(tài)控制。采用單片機完成控制算法，再將計算結果轉(zhuǎn)化為PWM信號輸出到舵機來控制機器人的步態(tài)。通過對機器人不同姿態(tài)下足底力的測試、數(shù)據(jù)采集、歸納處理，規(guī)劃機器人的最佳步態(tài)，保證其能夠在任何環(huán)境下都能平穩(wěn)行走。
- 詳細介紹：
- 整體設計思路：（一）通過分析計算驅(qū)動力和動力源實現(xiàn)整體設計。(二)通過運動學和動力學方程建模來進行對八自由度爬行機器人步態(tài)的控制。（三）針對八自由度爬行機器人，選擇舵機。(四)硬件設計：利用AT89S52單片機，作為八自由度爬行機器人的“大腦”，通過編程控制電機，使其完成行走任務，并從控制芯片AT89S52的接口電路做了分析和論述，接著對主機單元和人機接口單元進行了分析。(五)軟件設計：介紹了單片機軟件開發(fā)工具keilc51,說明了課題的設計思想及編程思路，并且通過自己的理解分層次對程序進行了優(yōu)化，提高了程序的實時性和準確性。通過對機器人不同姿態(tài)下的數(shù)據(jù)測試與處理，在靜步行或靜步行回轉(zhuǎn)狀態(tài)下，四足機器人只有一條腿作抬起運動，其他各條腿作協(xié)調(diào)運動。三角支撐平衡的方法以未作抬腿運動的的各腿足端為支撐點，形成三角支撐架，力求四足機器人軀體重心位于其范圍之內(nèi)，從而保證四足機器人的平衡與穩(wěn)定。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 目的： 為了實現(xiàn)在不規(guī)則的環(huán)境下機器人的行走，需對機器人的結構和控制策略進行研究。 基本思路 一般情況下，對于平面機構的腿在平面內(nèi)能實現(xiàn)變步態(tài)步行最少需要兩個自由度，這時只能做不改變方向的直線運動。如腿要實現(xiàn)固定步態(tài)步行，也可采用一個自由度。這里準備選用兩個自由度來控制單腿。 在機器人的穩(wěn)定性控制方面，首先需要分析四足步行機器人的步態(tài)和腿機構的運動關系, 并在此基礎上建立四足步行機器人腿部機構和驅(qū)動控制方案，最后利用微計算機實現(xiàn)四足機器人的多種步態(tài)控制。 創(chuàng)新點 利用傾斜傳感器，通過定義立足點的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)域提出了一種機器人穩(wěn)定性分析的新方法。 技術關鍵 四足機器人行走步態(tài)模型的建立 主要技術指標 通過對八自由度爬行機器人不同姿態(tài)下足底力的測試、實時數(shù)據(jù)采集、歸納處理，規(guī)劃八自由度步行機器人的最佳步態(tài)，并實施控制，保證其能夠在任何環(huán)境下都能平穩(wěn)行走。
科學性、先進性
- 機器人研究中最重要的就是保持機器人的平衡與穩(wěn)定。機器人步態(tài)設計理所當然的也應當符合這一原則。在步態(tài)的設計上往往將減少占空時間作為保持機器人穩(wěn)定的重要手段。當然這一方法帶來的直接后果是明顯降低了運動速度。因此，本系統(tǒng)在保持四足機器人運動速度的前提下，利用三角支撐平衡的方法設計了四足機器人的靜步行與靜步行回轉(zhuǎn)步態(tài)。 在靜步行或靜步行回轉(zhuǎn)狀態(tài)下，四足機器人只有一條腿作抬起運動，其他各條腿作協(xié)調(diào)運動。三角支撐平衡的方法以未作抬腿運動的的各腿足端為支撐點，形成三角支撐架，力求四足機器人軀體重心位于其范圍之內(nèi)，從而保證四足機器人的平衡與穩(wěn)定。 此外，四足機器人各條腿抬腿的先后順序也是應當考慮的因素之一。在靜步行或靜步行回轉(zhuǎn)狀態(tài)下，四足機器人的抬腿順序需要遵循前后腿交替運動的原則。
獲獎情況及鑒定結果
- 無
作品所處階段
- 實驗室試驗階段
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 實物 產(chǎn)品 現(xiàn)場演示 圖片 錄像
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 該作品利用傾斜傳感器，通過定義立足點的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)域提出了一種機器人穩(wěn)定性分析的新方法，實現(xiàn)了四足步行機器人的多種步態(tài)的穩(wěn)定性控制。設計的四足步行機器人具有響應快、控制精度高，體積和重量小等優(yōu)點。設計的機器人可用于野外探測，另外，還可以用于海底和極地的科學考察和探索。
同類課題研究水平概述
- 1988年，日本機械研究所研制成能動步行四足步行機器人，是一種設計比較完整的四足機器人，但距離真正的使用還有一定的差距。多足爬行機器人取得成就應該說是在80年代。在國家高技術項目支持下，1991年，上海交通大學馬培蓀等研制出JTUWM系列四足步行機器人。JTUMM—III，以馬為仿生對象，每條腿有3個自由度，由直流伺服電機分別驅(qū)動各個關節(jié)的運動。該機器人采用兩級分布式控制系統(tǒng)，腳底裝有PVDF測力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊算法相結合，采用力和位置混合控制，實現(xiàn)了四足步行機器人JTUMM—III的慢速動態(tài)行走，極限步速為1.7 km／h[6]。為了提高步行速度，將彈性步行機構應用于該四足步行機器人，產(chǎn)生緩沖和儲能效果。 另外，1989年，北京航空航天大學在張啟先教授的指導下，孫漢旭博士進行了剛性足步行機的研究，試制成功了一臺四足步行機，并進行了步行實驗。清華大學機器人及智能自動化實驗室正在研制QW-1四足全方位步行機器人。在對現(xiàn)有地面移動機器人結構形式及特點分析的基礎上，哈爾濱工業(yè)大學提出了一種輪足式四足機器人概念模型HIT-HYBTOR,如圖1.4所示.機器人由四個獨立驅(qū)動的輪代替了四個足構成具有3個自由度的輪腿機構，其中髖關節(jié)具有2個自由度，膝關節(jié)具有1個自由度，以根據(jù)環(huán)境需求在輪式機器人和足式移動之間切換。該模型結合輪式機器人和足式機器人的優(yōu)點，根據(jù)不同的環(huán)境變換輪式運動和足式運動兩種運動方式，期望達到良好的運動靈活性和較高的移動速度的統(tǒng)一。 由于特定環(huán)境的需要，步行機器人一直以來是人們研究的一類重要機器人，具有其它機器人所不能及的空間活動范圍，是人類進行科研探索活動不可替代的重要工具。四足機器人便是步行機器人中較為重要的一類，具有廣泛的應用領域。例如，日本索尼公司推出的智能玩具機器狗AIBO，就是一個典型的四足機器人動物仿生產(chǎn)品.。 在機器人的研制中，機器人控制是機器人研究的一項很重要的內(nèi)容，它涉及機器人機構學、機器人運動學和機器人運動控制，是一項實用價值的研究課題。在四足步行機器人的控制研制中，四足機器人運動學設計問題，由于沒有一定的運動規(guī)律可以直接應用，所以采用觀察和試驗的方法來解決。 本項目是在以往四足機器人的基礎上，設計了8個自由度的步行四足機器人，利用傾斜傳感器，通過定義立足點的靜態(tài)穩(wěn)定區(qū)域提出了一種機器人穩(wěn)定性分析的新方法。
