机器谱

S091】四足机器人

图文展示3264(1)

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副标题

作品说明

1. 市场调研及市场前景说明

      随着人们对机器人概念理解的深入,机器人的应用领域不断扩大尤其是爬行机器人,由于们可以不平坦位置环境中行走,并承担某些危险动作,例如承担搜救工作和放射性材料运送等危险工作同时由于其动作敏捷并且适应力强,因此多步行机器人在军事和航天工业领域都有广泛的应用前景。经过市场调研,我们发现现阶段爬行机器人在市场上未得到广泛的关注,究其原因是制作成本太高且自适应差,使得其推广和相关产业化都受到了极大的阻力同时在市场上,特别是在科普领域,能够真正投放市场上的产品少之又少,加之趣味性不高,无法真正满足各个年龄段的科普和相关领域的市场开发。

本项目制作的四足机器人有多个结构、功能相同的腿模块和躯干构成,其结构可塑性高,根据环境和稳定性需求可以组合成六足、八足等多足步行机器人,对于不同人群的爱好和需求都有着极大的适应力同时由于该机器人采用模块化的腿结构设计方法有利于系统结构的设计步态分析和系统的稳定性的实现和整体动作性能的实现无论是拓展在工业上的应用或者是在科普玩具市场上的应用,都能够有大的发展。

2. 作品简介和相关先进性说明

2.1 作品简介

      本项目作品为四足机器人,其结构由四个腿部结构构成,每个腿结构由三个舵机构成。同时机器人头部还安装有两个触角传感器,来感知左右方向的信息,并能够根据是否碰触,来确定行走路线。该机器人的功能有:

      机器人的自平衡:按动开始键,可以使机器人实现“招手”动作,并在“招手”完成之后,用两个脚分别进行“平衡”站立特技。

      机器人的直线行走:当“平衡”特技完成之后,机器人会沿着自己的机身方向行走(具体的行走策略在下面的设计过程中会提到)。

      机器人的避障功能:在机器人直线行走的过程中,如果旁边有障碍物的存在,机器人的长触觉传感器能够识别,并能够对机器人及时控制,先后退再转弯,以达到避障的功能。

作者:郝万钧 朱甘政 高雁飞 李琼菁

单位:东北大学

指导老师:李海龙

作品说明

四足机器人

2.2 作品的先进性及其智能性

      本作品完成了一个对四足机器人行走、平衡和避障功能的实现并且对四足机器人的行走、平衡控制策略进行了改进和理论的总结。

      其优势在于:与现行的爬行机器人复杂的行走和平衡算法相比,此机器人的平衡算法进行了很大程度上的精简;其对于处理器和外围电路的要求大大降低,能够满足大部分的场合需求;采用模块化的“腿部”结构设计,并且由于其组装的简易型,使得其拓展性得到了大大的提升,加之可拓展的行走控制策略,其可以拓展成为“六足”、“八足”甚至更多足的机器人变得十分简便避障功能能够使得机器人在无人看管的情况下能够不至于由于意外情况而使损坏等优点。

3. 制作过程

3.1 机构设计

      多足机器人机械系统主要涉及到这几方面的内容:腿模块整体腿机体,腿模块的结构形式,各关节的合理布置,关节转角分配,腿关节长度和腿的安装形式以及腿数目的选择。

3.1.1 腿模块结构形式

      腿机构是机器人的重要组成部分,是实现行走等基本动作的基础,其中考虑的重要因素有:模块自由度选择、腿模块机构形式确定,腿运动机理分析。

      模块自由度:由于探索者套件控制电机多的优势,我们选择每条腿有三个自由度的设计,以保证能很好的仿昆虫的行走方式,来实现更好的稳定性和仿真度。

      腿模块机构行驶确定:综合了现有腿机构的缩放式腿机构、关节式腿机构和缓冲型腿机构的优缺点和现有的探索者模块所能提供的现有模块,本项目选择了最贴合昆虫的腿结构的关节式腿结构来作为最后的腿模块。如下图所示

      ③ 腿运动机理的分析:如上图所示的腿的电机设置,第2、3号电机控制腿的由小腿和大腿组成的平面的运动,1号电机控制前面确定的平面的前后转动,从而实现了腿的整体腿的空间运动实现。

3.1.2 腿数目的确定

      由于套件本身的限制,本项目选择了四条腿的设计,共12个自由度,来实现对机器人前后运动和转弯等基本动作的实现。由于腿模块化的设计,完全可以拓展成为四足和六足的机器人设计,以适应相应的稳定性和负载等具体环境的要求。

3.1.3 腿的安装模式

      如下图所示,按照昆虫的实际走形和运动传动的考虑,我们选择如下的腿的安装形式,实现了平衡性和稳定性的要求,从而使后对机器人的稳定性控制更加方便

      (注:在实际的安装过程中,由于探索者套件设计的机械零件的尺寸安排,在肢体的机械尺寸的设计上,用加固杆件加固了上身板件,同时在考虑实际的尺寸干涉的情况下精简了机构的复杂程度,详细的设计细节在此不赘述

3.2 步态分析和程序实现

3.2.1 步态分析

      本项目的四足机器人实现的基本动作为直走和左转右转具体的动作分解所示注:预计的动作实现为实现机器人的站立和攀爬,后由于套件提供的套件的舵机的提供的力矩太小,不能实现此功能,最后放弃了此功能)。整体的动作实现和步态分析如下简图所示(注:在下图中以左前方腿为1号腿,顺时针标号为1、2、3、4)

动作一:直行

      第一步:一号和三号腿抬起并由初始状态转至步行态(从白线部分转至红线部分)。

      第二步:一号和三号腿落下,并使得一号和三号腿的1电机复位,在此同时,二号和四号腿抬起,最终实现第二步。

      第三步:二号和四号腿抬起并由初始态转至步行态(从白线部分转至红线部分)。

      第四步:二号和四号腿落下,并使得二号和四号腿的1号电机复位,在此同时,一号和三号腿抬起,并实现第四步。

图一:直行

图二:右转

动作二:右转

第一步:一号腿和三号腿抬起,并由初始态转至右转态(从白线转到红线)。

第二步:一号腿和三号腿落下,并使得一号腿和三号腿的1电机复位,同时使得二号和四号腿抬起,实现右偏转,实现第二步。

第三步:二号和四号腿抬起,并由初始态转至右转态(从白线转到红线)。

第四步:二号和四号腿落下,并使得二号腿和四号腿的1电机复位,同时使得一号和三号腿抬起,实现右转,实现第四步。

注:左转和右转的步态规划相对称,在此不再述)

3.2.2程序实现

第一部分:初始角度的设定

由于套件上附带的舵机在每次上电的同时会恢复其设定的90度状态,而实际要求中,不仅要求对每条腿的安装和拆卸的方便,并且要求每次上电时保持机器人的站立状态,因此我们在安装每个舵机的同时先把舵机恢复成其90度的状态,再按照机械卡位的方法,安装到相应的腿上的相应的直立位置,从而实现了对再次安装和拆卸要求的实现(在我们的实际调试工作中,其中右后腿3号电机发现接触不良的状态,后经过我们的对位安装,简单的解决了此问题,验证了我们在最初的安装和调试方法的可行)。而对于每个实际动作的角度的角度我们都是通过近上百次的一步步的测试中得出了每个电机的三个有效角度数据,从而共收集了36个有效角度,并附加到了程序中得到满意的结果。

第二部分:行走时的角度调整和转弯的角度配合

我们把设定好的动作规划和设计,根据大致的角度给电机,并且依据每一次的动作的连贯性和角度的配合程度来微调电机,从而使得每一次逼近最好的结果,经过反复的测试和调节,最终分别确定了执行和拐弯的每一次运动的三个角度,加上每次动作的规划步态,本项目最终完成了三段大程序的调试工作。

第三部分:最终的程序大整合

在整个创作项目的最后,我们把先前整合的三个分开的大段的基本动作整合了起来,通过每块板子上的接受和输出端接口来实现两个板子的通信。然后进行了创意的设想,并加上了眼部亮灯,“招手”和“胡须”触碰传感器来传到相应的左右板子上来通信,从而实现基本的避障和左转右转的基本功能。通过几次的调试后,我们又把电机的角度进行微调,从而实现了这些动作的基本连贯性,最终完成了作品。

(注:四足机器人的平衡问题实际上是一个比较困难的问题,在每次的站立,直行,拐弯和平衡招手的动作之中,我们完成了对每个电机和角度的微调,从而保证整体支持结构的相对的对称性,从而有效的解决了现实应用中的复杂的控制算法问题,对于我们采用的几何平衡方法来说,具体的调试过程需要耐心,这部分很重要。

* 本项目未获得作者开源授权,无法提供资料下载

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