六足仿生机器人的研制.pdf

哈尔滨工业大学
硕士学位论文
六足仿生机器人的研制
姓名:郭亮
申请学位级别:硕士
专业:机械电子工程
指导教师:赵杰
20050601
摘要六足仿生机器人,是一种可以在复杂地表实现高效行走的步行机器人。它模仿节肢动物的肢体结构,采用六足支撑,在快速行走时,可以形成三足支撑,三足前摆的高效稳定步态。存在多种步态,可以适应不同的速度和不同的载荷要求。同时肢体结构上存在冗余,可以在失去若干肢体的情况下继续执行一定的工作。六足仿生机器人的优点使其尤为适合担当野外侦查、水下搜寻阻及太空探测等对自主性、可靠性要求比较高的工作。本课题的目的是设计一种六足仿生机器人平台,并对机器人的行走机理和控制策略进行研究,为今后设计自主的智能六足仿生机器人积累经验。首先,论文以节肢动物肢体为模仿对象,对肢体进行了抽象与简化,设计出了六足仿生机器人的本体结构。并分别对自由度的选取和足位置分布等方案进行了分析和讨论。以舵机为执行元件,设计了机器人的舵机控制器。其中包括舵机的驱动,以节肢动物的神经系统为模型,借鉴布鲁克斯的分层控制结构和行为学方法,设计了机器人的控制系统。其中包括基于反射机理的简单状况处理方规划的简单规则,并在通过实验验证了规则的可行性。关键词六足机器人;仿生学;步态规划:反射:神经网络多舵机的分时控制以及舵机的速度控制方法。法和基于节律性神经网络的步态规划方法。论文还在克鲁斯的六条规则基础上,提出了一种应用于六足机器人步态晗尔滨工业大学工学硬士学位论文
,.,甌,甌琣.,琱,,.瑆琣,琺.—’琲疭甌琤,,,..
第滦髀课题的背景和意义生物在十几亿年的发展过程中,为了适应环境,发生了令人惊叹的进化,它们可以在空中飞行,陆地上奔跑,或是在水中迅速的游动。这些进化近乎完美。人们发现,生物的这种为了适应环境所形成的进化方案,可以为工程技术提供十分重要的参考信息,将极大地提高人类的适应性和改造能力,产生巨大的社会经结果。一般认为,年抡倏5牡谝唤旆律Ч驶嵋椋叫剂朔律学的诞生L岢觥胺律А闭飧雒值乃沟俣造技术系统具有或类似于生物系统特征的科学”】。由于机器人的系统结构与生物体存在着很多共同特征,仿生学很自然地成为机器人技术学的一个重要手段,仿生机器人也层出不穷,一方面以其生物学方面的特性,在工程上发挥着巨大作用,同时也为生物学的研究提供了有力的实验平本课题所研究的六足仿生机器人,就是基于生物学的研究成果,模仿节肢动物的机构和功能,来实现特定功能的一种多足步行机器人。目前,用于在人类不宜或不能进入的地域进行独立探测的机器人主要分两种,一种是由轮子驱动的轮行机器人,如我们所熟知的火星探测器“勇气号”,另一种是基于仿生学的步行机器人。轮行机器人比起步行的优点在于驱动控制比较简单,在较为平坦的地域步行机器人的优点可以在复杂的自然地形中较为容易的执行任务,对于此类机器人的研究就显得很有价值。它们可以越过和肢体尺寸接近的障碍物。而轮行机器人则只能越过小于轮子半径的障碍物,所以在未知的自然界地形中,步行机器人就要灵活得多。但是步行机器人的缺点也是明显的,由于驱动步行机器人需要在每个腿关节安装一个驱动器,驱动器的数量相对较多,而且即使静止站立的时候,济效益⋯。仿生学簿驮谡庋乃枷胫杏υ硕酝纪ü7律镌诮峁和功能的已有方案,达到设计上的技术要求。仿生学的历史可以追溯到许多世纪以前,但只是到了世纪年代,随着电子学的蓬勃发展,仿生学才真萨丌花样给仿生学下定义的:“仿生学是模仿生物系统的原理建造技术系统,或者使人行走效率很高,不足之处在于对于未知的复杂自然地形,其适应能力很差6┦渴钦台。哈尔滨工业大学工学硕士学位论文
⒄构也需要能量,所以对于野外环境,对随身携带的能量要求比较高。并且在机器人行走过程中又需要大量的计算来实现驱动器之间的协调工作,所以对于控制系统在众多步行机器人中,模仿昆虫以及其他节肢动物门动物的肢体结构和运动控制策略而创造出的六足机器人是极具代表性的一种。六足机器人与两足和四足步行机器人相比具有以下几个特点:刂平峁辜虻サ奶氐因为节肢动物具有比起哺乳动物相对简单的神经结构,可以通过更为有效的方法了解节肢动物的运动神经系统,从而设计出可靠的,简单的控制系统。凶咂轿冉谥ǘ镂6嘧阒С牛梢允贾毡3治榷ǖ牡孛嬷С牛阻系统比较容易实现平稳行走。哂嗌杓平谥ǘ锏闹迨渴粲谌哂嗌杓啤<词褂兄逡蛭K鸹无法工作,其他肢体仍可以完成一定的行走。这些特点使六足机器人更能胜任野外侦查、水下搜寻以及太空探测等对独立性、可靠性要求比较高的工作。本课题以此为出发点,设计了一种小型六足机器六足机器人的发展,就如同仿生学的发展一样,一方面依赖着人对生物个体了解的不断深入,以汲取灵感:另一方面,在实现上,又依赖于传感器技术