机器谱

S100】六足仿生家庭监控机器人

图文展示3264(1)

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副标题

作品说明
1. 市场背景

1959年美国制造出世界上第一台工业机器人起,在短短半个世纪的时间里,机器人的研究就已经历了4个发展阶段:工业机器人、遥控机器人、智能机器人和仿生机器人。近年来,随着昆虫仿生学理论与计算机技术的飞速发展,使得对多足仿生机器人的研究,成为大家关注的焦点。国内外多所大学和研究机构,相继成功研制出了性能卓越的多足仿生机器人。随着人工智能的迅速发展,不断为时代潮流注入一股新动力,监控机器人的出现为社会提供了一个强有力的保障,监控机器人可以通过卫星图像传递的信息、摄像的实时监控等为人们及时提供最有时效性的信息数据,已经成为目前商场、家庭、救援探测等不可缺少的一种智能机器人。目前家庭的监控主要是固定式的监控摄像头,其有待机长等优点,但是没有灵活性,对于一些死角范围监控不到的缺点,所以在家庭使用移动监控机器人是一个趋势,而现在的移动监控机器人主要以轮式机器人为主,轮式机器人移动速度较快,但是受到地形的影响比较大。

      基于上述的背景之下,本项目设计研究了一款六足仿生移动监控机器人,实现无线操控,安装有高清可旋转摄像头,摄像头通过蓝牙与设备相连接,可以实时的提供有效的信息数据,六足仿生采用三角步态行走具有很好的稳定性,可以在崎岖的地形下行走,以适应不同环境下的监控,可广泛应用于野外的地面监控、救援监控和安防监控等,应用前景甚好。


2. 作品介绍

2.1 作品简介

      该六足仿生的移动监控机器人采用两个直流电机驱动,电机在机器人底盘的下部左右对称安装,电机的重心稍向前倾,通过无线遥控装置(NRF无线串口)对机器人进行操控,可实行机器人的多方位行走,具有较好的灵活性。机器人的传动和行走均采用偏心轮曲柄连杆机构,六个足的连杆分别安装在机器人的两侧,每个直流电机分别带动三个足行走,在偏心轮处形成了一个复合铰链,每侧共有9个转动副,两侧分别有1个自由度。机器人的前方安装有一个可旋转的高清摄像头,利用伺服电机控制摄像头的旋转角度,可以实行180度的方位监控,通过蓝牙与外部设备相连接,实时传送有效数据信息。如下图所示为基于六足仿生的移动监控机器人结构图

作者:梁绍流 邓文思 周永恒 冯荣森

单位:北部湾大学

指导老师:刘科明 赵成龙

作品说明

      该六足仿生的移动监控机器人的步态采用三角步态,将六条腿分为两组,机器人一侧的前后足与另一侧的中足作为支撑,两足腿交替摆动和支撑,有三角形的支撑点,利用该支撑点可以对腿的动作进行有效控制,使三条腿都能够保证动作的一致性,或者摇摆或者支撑,在以形成稳定三角形稳定机体的同时快速移动。

产品设计图

产品实物图

2.2 工作原理

该机器人采用直流电机驱动,通过无线遥控装置对机器人进行操控,利用NRF无线串口模块与BIRDMEN相连接形成了机器人无线控制的发射端,将NRF无线串口模块堆叠于BigFish扩展板上即可形成机器人无线控制的接收端。机器人采用三角步态行走,具有较好的稳定性和灵活性。机器人前方安装有可180°旋转的高清摄像头,摄像头通过蓝牙与外部设备连接,可实时的传送数据。

2.3 创新点
3. 作品设计制造

3.1 前期讨论,制定设计方案

      经大家讨论后制定了总体设计方案。六足机器人采用两个直流电机驱动,电机在机器人底盘的下部左右对称安装,电机的重心稍向前倾。机器人的传动和行走均采用偏心轮曲柄连杆机构,六个足的连杆分别安装在机器人的两侧,每个直流电机分别带动三个足行走。六足机器人的步态采用三角步态,将六条腿分为两组,机器人一侧的前后足与另一侧的中足作为支撑,两足腿交替摆动和支撑,有三角形的支撑点,利用该支撑点可以对腿的动作进行有效控制,使三条腿都能够保证动作的一致性,或者摇摆或者支撑,在以形成稳定三角形稳定机体的同时快速移动。机器人的长度为132mm,宽度为106mm,高度为115mm,这样的设计可以使机器人的重心落到三角支架上,所以这种行走方式具有非常强的灵活性特征,同时这种方式的稳定性也比较高。机器人使用三个超声波测距模块进行避障,分别安装在机器人的前方和左右两侧,这样可以使机器人的前方和左右两侧都有一双“眼睛”,从而有效的避开障碍物。通过basra主控板写入程序,BigFish扩展板提供外围电路,连接电机以及超声波测距模块进行控制机器人的前进、转向以及避障。并在机器人前方安装有一个可旋转的高清摄像头,利用伺服电机控制摄像头的旋转角度,实现180度的方位监控。

就其机器人机械结构而言,我们采用偏心轮曲柄连杆机构,六个足的连杆分别安装在机器人的两侧,每侧各有六根连杆,在偏心轮处形成了一个复合铰链,每侧共有9个转动副,两侧分别有3个自由度。机器人的步态采用三角步态,将六条腿分为两组,机器人一侧的前后足与另一侧的中足作为支撑,两足腿交替摆动和支撑,有三角形的支撑点,利用该支撑点可以对腿的动作进行有效控制,使三条腿都能够保证动作的一致性,或者摇摆或者支撑,在以形成稳定三角形稳定机体的同时快速移动。三角步态的三足分别有其各自不同的作用,首先前足起到拉动本体的作用,中足是对本体起到良好的支撑性作用,最后是后足会推动本体的实现转向操作。机器人的前足支点与中足支点之间的最小距离为50mm,最大距离为73mm,中足支点与后足支点之间的最小距离为29mm,最大距离为50mm,这样的距离设计可以机器人前后足的交替移动,在落地的瞬间形成一个三角形的支撑,使机器人在行走时更加的稳定,不会有大幅度的上下跃动。机器人的中足上部分加了一连杆与固定的支架相连接,有较好的固定作用。


3.2 机器人的硬件设计

控制器,采用Basra主控板写入程序,配合BigFish扩展板提供的外围电路连接电机以及超声波测距模块进行控制机器人的行进、转向以及避障。

      电源,选取电源额定电压为7.4V的锂电池提供电能,保证机器人的工作时间。

      电机,选择MO6双轴直流电机(2个)进行驱动,电机在机器人底盘的下部左右对称安装。

      传感器,为了使机器人能有效的避开障碍物,我们选择了超声波测距模块传感器(3个)进行避障,分别安装在机器人的前方和左右两侧。

主控板

扩展板

电机

超声波传感器

电源

3.3 机器人的三维建模

六足仿生移动监控机器人整体建模采用NX10.0软件实现,通过各主要零件的建模,然后装配,最终实现三维模拟图形的构建如下图所示:

3.4 机器人的模拟仿真校核

六足仿生移动监控机器人通过在NX10.0运动仿真环境里,通过施加运动副,实现机器人的运动模拟仿真,便于改进方案。

      六足仿生移动监控机器人的三角步态移动方式,经计算校核,机器人的前足支点与中足支点之间的最小距离为50mm,最大距离为73mm,中足支点与后足支点之间的最小距离为29mm,最大距离为50mm,这样的距离设计可以满足机器人前后足的交替移动,在落地的瞬间形成一个三角形的支撑,使机器人在行走时更加的稳定,不会有大幅度的上下跃动。其腿部仿真路径函数图如下所示:

      在对机器人的特殊底板,采用铝材料进行加工。我们进行对其ANSYS软件的模态分析校核,得出使用铝材料完全可以满足使用要求。其模态分析如下图所示

对其特殊底板采用加工中心加工,其加工的G代码如下图所示

加工小孔G代码截图

螺旋加工大孔G代码截图

加工外轮廓G代码截图

加工效果图

依照三维模拟图,进行六足仿生移动监控机器人的实物装配。

3.5 机器人程序设计

机器人可以沿着内围墙壁行走,靠机器人右边的超声波控制机器人与墙壁之间的距离,当距离大于25cm时,机器人就往右边修正,控制与墙的距离在25cm内,当转动的角度过大时,靠前边和右边的超声波感应的距离让机器人修回来,与墙壁平行着向前行走。在过90度转弯时,机器人靠右边超声波的作用实现贴着墙转弯。当机器人前方的超声波感应到障碍物时,机器人向后退,左边超声波检测到的距离大于20cm时,机器人向左转,否则向右转,绕开障碍物继续向前行走。机器人示例程序如下所示

int ardublockUltrasonicSensorCodeAutoGeneratedReturnCM(int trigPin, int echoPin)

{

  long duration;

  pinMode(trigPin, OUTPUT);

  pinMode(echoPin, INPUT);

  digitalWrite(trigPin, LOW);

  delayMicroseconds(2);

  digitalWrite(trigPin, HIGH);

  delayMicroseconds(20);

  digitalWrite(trigPin, LOW);

  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);

  duration = duration / 59;

  if ((duration < 2) || (duration > 300)) return false;

  return duration;

}

void GO();

void setup()

{

  pinMode( 9, OUTPUT);

  pinMode( 5 , OUTPUT);

  pinMode( 6 , OUTPUT);

  pinMode( 10 , OUTPUT);

  digitalWrite( 19 , LOW );

  pinMode( 9 , OUTPUT);

  digitalWrite( 15 , LOW );

  digitalWrite( 2 , LOW );

  digitalWrite( 5 , HIGH );

  digitalWrite( 6 , LOW );

  analogWrite(9 , 220);

  digitalWrite( 10 , LOW );

  delay( 4600 );

}

void loop()

{

  if (( ( ardublockUltrasonicSensorCodeAutoGeneratedReturnCM( 19 , 18 ) ) > ( 30 ) ))

  {

    digitalWrite( 5 , LOW );

    digitalWrite( 6 , LOW );

    digitalWrite( 9 , LOW );

    digitalWrite( 10 , LOW );

    delay( 10 );

    digitalWrite( 5 , HIGH );

    digitalWrite( 6 , LOW );

    analogWrite(9 , 60);

    digitalWrite( 10 , LOW );

    delay( 400 );

  }

  else

  {

    digitalWrite( 5 , HIGH );

    digitalWrite( 6 , LOW );

    digitalWrite( 9 , HIGH );

    digitalWrite( 10 , LOW );

    delay( 20 );

  }

  delay( 10 );

  GO();

  delay( 10 );

}

void GO()

{

  if (( ( ardublockUltrasonicSensorCodeAutoGeneratedReturnCM( 15 , 14 ) ) > ( 11 ) ))

  {

    digitalWrite( 5 , HIGH );

    digitalWrite( 6 , LOW );

    digitalWrite( 9 , HIGH );

    digitalWrite( 10 , LOW );

    delay( 100 );

  }

  else

  {

    if (( ( ardublockUltrasonicSensorCodeAutoGeneratedReturnCM( 2 , 17 ) ) > ( 20 ) ))

    {

      digitalWrite( 5 , LOW );

      digitalWrite( 6 , LOW );

      digitalWrite( 9 , LOW );

      digitalWrite( 10 , LOW );

      delay( 10 );

      digitalWrite( 5 , LOW );

      digitalWrite( 6 , HIGH );

      digitalWrite( 9 , LOW );

      digitalWrite( 10 , HIGH );

      delay( 400 );

      digitalWrite( 5 , LOW );

      digitalWrite( 6 , HIGH );

      digitalWrite( 9 , HIGH );

      digitalWrite( 10 , LOW );

      delay( 600 );

    }

    else

    {

      digitalWrite( 5 , LOW );

      digitalWrite( 6 , LOW );

      digitalWrite( 9 , LOW );

      digitalWrite( 10 , LOW );

      delay( 10 );

      digitalWrite( 5 , LOW );

      digitalWrite( 6 , HIGH );

      digitalWrite( 9 , LOW );

      digitalWrite( 10 , HIGH );

      delay( 300 );

      digitalWrite( 5 , HIGH );

      digitalWrite( 6 , LOW );

      digitalWrite( 9 , LOW );

      digitalWrite( 10 , HIGH );

      delay( 600 );

}

}


3.6 效果

六足机器人使用三角步态进行行走,可以在保持稳定性的前提下,保证前进的速度,通过Basra主控板写入程序,BigFish扩展板提供外围电路,连接电机以及超声波测距模块进行控制机器人,采用三个超声波进行避障,分别安装在机器人的前方和左右两侧,这样对周围的障碍物几乎都可以避开。

4. 项目总结

本团队成员在这次比赛下,加深了对探索者部件、3D 打印、数控加工中心等设备的认识和操作,以及促进对NX10.0和ANSYS软件的学习,通过“以赛促学,理论与实践相结合”的模式促使本团队能力水平的升华。团队老师负责具体工作的指导,各队员一同努力,大家与指导老师团结协作,迎合现代的转型教育发展趋势,通过比赛提高实践能力,验证理论知识,做到理论与实际结合,努力成为高素质、高水平的应用型技能人才。

* 本项目未获得作者开源授权,无法提供资料下载

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