基本信息
- 项目名称：
- 四足步行机器人系统研究
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 在分析四足步行机器人的步态和腿机构的运动关系的基础上, 建立四足步行机器人腿部机构和驱动控制方案，最后利用微计算机实现机器人的多种步态控制。采用单片机完成控制算法，再将计算结果转化为PWM信号输出到舵机来控制机器人的步态。通过对机器人不同姿态下足底力的测试、数据采集、归纳处理，规划机器人的最佳步态，保证其能够在任何环境下都能平稳行走。
- 详细介绍：
- 整体设计思路：（一）通过分析计算驱动力和动力源实现整体设计。(二)通过运动学和动力学方程建模来进行对八自由度爬行机器人步态的控制。（三）针对八自由度爬行机器人，选择舵机。(四)硬件设计：利用AT89S52单片机，作为八自由度爬行机器人的“大脑”，通过编程控制电机，使其完成行走任务，并从控制芯片AT89S52的接口电路做了分析和论述，接着对主机单元和人机接口单元进行了分析。(五)软件设计：介绍了单片机软件开发工具keilc51,说明了课题的设计思想及编程思路，并且通过自己的理解分层次对程序进行了优化，提高了程序的实时性和准确性。通过对机器人不同姿态下的数据测试与处理，在静步行或静步行回转状态下，四足机器人只有一条腿作抬起运动，其他各条腿作协调运动。三角支撑平衡的方法以未作抬腿运动的的各腿足端为支撑点，形成三角支撑架，力求四足机器人躯体重心位于其范围之内，从而保证四足机器人的平衡与稳定。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的： 为了实现在不规则的环境下机器人的行走，需对机器人的结构和控制策略进行研究。 基本思路 一般情况下，对于平面机构的腿在平面内能实现变步态步行最少需要两个自由度，这时只能做不改变方向的直线运动。如腿要实现固定步态步行，也可采用一个自由度。这里准备选用两个自由度来控制单腿。 在机器人的稳定性控制方面，首先需要分析四足步行机器人的步态和腿机构的运动关系, 并在此基础上建立四足步行机器人腿部机构和驱动控制方案，最后利用微计算机实现四足机器人的多种步态控制。 创新点 利用倾斜传感器，通过定义立足点的静态稳定区域提出了一种机器人稳定性分析的新方法。 技术关键 四足机器人行走步态模型的建立 主要技术指标 通过对八自由度爬行机器人不同姿态下足底力的测试、实时数据采集、归纳处理，规划八自由度步行机器人的最佳步态，并实施控制，保证其能够在任何环境下都能平稳行走。
科学性、先进性
- 机器人研究中最重要的就是保持机器人的平衡与稳定。机器人步态设计理所当然的也应当符合这一原则。在步态的设计上往往将减少占空时间作为保持机器人稳定的重要手段。当然这一方法带来的直接后果是明显降低了运动速度。因此，本系统在保持四足机器人运动速度的前提下，利用三角支撑平衡的方法设计了四足机器人的静步行与静步行回转步态。 在静步行或静步行回转状态下，四足机器人只有一条腿作抬起运动，其他各条腿作协调运动。三角支撑平衡的方法以未作抬腿运动的的各腿足端为支撑点，形成三角支撑架，力求四足机器人躯体重心位于其范围之内，从而保证四足机器人的平衡与稳定。 此外，四足机器人各条腿抬腿的先后顺序也是应当考虑的因素之一。在静步行或静步行回转状态下，四足机器人的抬腿顺序需要遵循前后腿交替运动的原则。
获奖情况及鉴定结果
- 无
作品所处阶段
- 实验室试验阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 实物 产品 现场演示 图片 录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 该作品利用倾斜传感器，通过定义立足点的静态稳定区域提出了一种机器人稳定性分析的新方法，实现了四足步行机器人的多种步态的稳定性控制。设计的四足步行机器人具有响应快、控制精度高，体积和重量小等优点。设计的机器人可用于野外探测，另外，还可以用于海底和极地的科学考察和探索。
同类课题研究水平概述
- 1988年，日本机械研究所研制成能动步行四足步行机器人，是一种设计比较完整的四足机器人，但距离真正的使用还有一定的差距。多足爬行机器人取得成就应该说是在80年代。在国家高技术项目支持下，1991年，上海交通大学马培荪等研制出JTUWM系列四足步行机器人。JTUMM—III，以马为仿生对象，每条腿有3个自由度，由直流伺服电机分别驱动各个关节的运动。该机器人采用两级分布式控制系统，脚底装有PVDF测力传感器，利用人工神经网络和模糊算法相结合，采用力和位置混合控制，实现了四足步行机器人JTUMM—III的慢速动态行走，极限步速为1.7 km／h[6]。为了提高步行速度，将弹性步行机构应用于该四足步行机器人，产生缓冲和储能效果。 另外，1989年，北京航空航天大学在张启先教授的指导下，孙汉旭博士进行了刚性足步行机的研究，试制成功了一台四足步行机，并进行了步行实验。清华大学机器人及智能自动化实验室正在研制QW-1四足全方位步行机器人。在对现有地面移动机器人结构形式及特点分析的基础上，哈尔滨工业大学提出了一种轮足式四足机器人概念模型HIT-HYBTOR,如图1.4所示.机器人由四个独立驱动的轮代替了四个足构成具有3个自由度的轮腿机构，其中髋关节具有2个自由度，膝关节具有1个自由度，以根据环境需求在轮式机器人和足式移动之间切换。该模型结合轮式机器人和足式机器人的优点，根据不同的环境变换轮式运动和足式运动两种运动方式，期望达到良好的运动灵活性和较高的移动速度的统一。 由于特定环境的需要，步行机器人一直以来是人们研究的一类重要机器人，具有其它机器人所不能及的空间活动范围，是人类进行科研探索活动不可替代的重要工具。四足机器人便是步行机器人中较为重要的一类，具有广泛的应用领域。例如，日本索尼公司推出的智能玩具机器狗AIBO，就是一个典型的四足机器人动物仿生产品.。 在机器人的研制中，机器人控制是机器人研究的一项很重要的内容，它涉及机器人机构学、机器人运动学和机器人运动控制，是一项实用价值的研究课题。在四足步行机器人的控制研制中，四足机器人运动学设计问题，由于没有一定的运动规律可以直接应用，所以采用观察和试验的方法来解决。 本项目是在以往四足机器人的基础上，设计了8个自由度的步行四足机器人，利用倾斜传感器，通过定义立足点的静态稳定区域提出了一种机器人稳定性分析的新方法。
