畢業(yè)論文---會(huì)追光的四足步行機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢業(yè)論文設(shè)計(jì)說明書</b></p><p>　　題 目： 會(huì)追光的四足步行機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì) </p><p>　　學(xué) 院： 信息工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè)： </p><p>　　學(xué) 號(hào)： <

2、;/p><p>　　姓 名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　完成日期： 2012年5月 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要I</b><

3、;/p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　引 言1</b></p><p>　　第1章 會(huì)追光的四足步行機(jī)器人的原理4</p><p>　　1.1 四足步行機(jī)器人4</p><p>　　1.2 機(jī)器人設(shè)計(jì)原理5</p><p>　　1.

4、2.1 步態(tài)規(guī)劃5</p><p>　　1.2.2 任務(wù)規(guī)劃5</p><p>　　第2章 搭建會(huì)追光的四足步行機(jī)器人7</p><p><b>　　2.1器件簡介7</b></p><p>　　2.1.1 CDS5500數(shù)字舵機(jī)7</p><p>　　2.1.2 MultiFLEX

5、?2-AVR控制器8</p><p>　　2.1.3 多功能調(diào)試器8</p><p>　　2.2 組裝機(jī)器人9</p><p>　　2.2.1 零件清單9</p><p>　　2.2.2 搭建四足9</p><p>　　2.2.3 搭建機(jī)器人軀干10</p><p>　　2.2.4

6、 搭建機(jī)器人頭部10</p><p>　　2.2.5 機(jī)器人總裝11</p><p>　　2.2.6 機(jī)器人舵機(jī)連線11</p><p>　　2.2.7 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)搭建的四足步行機(jī)器人12</p><p>　　第3章 機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.1 前進(jìn)步態(tài)14</p>

7、<p>　　3.1.1 簡單的步態(tài)設(shè)計(jì)14</p><p>　　3.1.2 改進(jìn)的步態(tài)設(shè)計(jì)16</p><p>　　3.2 轉(zhuǎn)向步態(tài)18</p><p>　　3.2.1 簡單的左轉(zhuǎn)步態(tài)18</p><p>　　3.2.2 改進(jìn)的左轉(zhuǎn)步態(tài)19</p><p>　　第4章 機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)21<

8、/p><p>　　4.1 舵機(jī)的設(shè)置21</p><p>　　4.1.1 舵機(jī)ID編號(hào)和模式設(shè)置21</p><p>　　4.1.2 舵機(jī)位置序列設(shè)置22</p><p>　　4.2 程序基本設(shè)置24</p><p>　　4.2.1 初始化設(shè)置編程24</p><p>　　4.2.2 程

9、序邏輯設(shè)計(jì)28</p><p>　　4.3 等待延遲設(shè)計(jì)30</p><p>　　4.3 程序下載與運(yùn)行31</p><p>　　4.3.1 ATmega128下載途徑31</p><p>　　4.3.2 ATmega8 下載途徑31</p><p>　　4.3.3 串口通訊32</p>

10、<p>　　4.3.4 程序編譯、下載32</p><p>　　第5章 機(jī)器人的追光設(shè)計(jì)33</p><p>　　5.1 追光設(shè)計(jì)33</p><p>　　5.2 簡單步態(tài)的追光設(shè)計(jì)33</p><p>　　5.2.1 左轉(zhuǎn)35</p><p>　　5.2.2 右轉(zhuǎn)37</p>

11、<p>　　5.2.3 前進(jìn)39</p><p>　　5.3改進(jìn)步態(tài)追光設(shè)計(jì)42</p><p>　　5.3.1 前進(jìn)42</p><p>　　5.3.2 右轉(zhuǎn)44</p><p>　　5.3.3 左轉(zhuǎn)46</p><p><b>　　總 結(jié)48</b></p

12、><p><b>　　致 謝49</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)50</b></p><p><b>　　附錄I51</b></p><p>　　會(huì)追光的四足步行機(jī)器人的研究與設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要: 在工地、防災(zāi)救援等許多領(lǐng)域中

13、，存在著人無法到達(dá)的地方和可能危及生命的特殊場合，對(duì)這些復(fù)雜環(huán)境不斷探索和研究往往需要有機(jī)器人的介入。四足步行機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)重要分支，由于四足機(jī)器人比兩足步行機(jī)器人承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，同時(shí)又比六足、八足步行機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡單，因而更加受到研究人員的重視。本設(shè)計(jì)利用創(chuàng)意之星模塊化機(jī)器人套件搭建了一個(gè)四足步行機(jī)器人，設(shè)定了各個(gè)舵機(jī)的ID地址和狀態(tài)，控制器將相應(yīng)的步態(tài)給相應(yīng)的舵機(jī)，舵機(jī)就產(chǎn)生追光運(yùn)動(dòng)。運(yùn)用Northstar圖形化開發(fā)軟件編

14、寫了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)程序，實(shí)驗(yàn)表明設(shè)計(jì)的四足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了追光的功能。</p><p>　　關(guān)鍵詞: 四足機(jī)器人, 承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好,運(yùn)動(dòng), Northstar軟件</p><p>　　The Research And Design Of 4 Feet Walking Robot</p><p>　　Abstract: In working site or many

15、 other areas of disaster relief,there are many places that human beings cannot reach or special occations that may endanger the lives of human beings .We often require robot intervention during continuous explorations an

16、d studies of in these complex environment.4 feet walking robot is an important branch of robot.Since 4 feet walking robot has great advantages over 2 feet robot in carrying capacity and stability,while having a more simp

17、le structure than 6,8 feet </p><p>　　Key words : 4 feet walking robot, carrying capacity and stability, Sports</p><p><b>　　引 言</b></p><p><b>　　一、研究目的及意義</b>&

18、lt;/p><p>　　足式移動(dòng)機(jī)器人對(duì)行走路面的要求很低，它可以跨越障礙物，走過沙地、澤等特殊路面，用于工程探險(xiǎn)勘測、反恐防爆、軍事偵察等人類無法完成的或危險(xiǎn)的工作。對(duì)這些環(huán)境進(jìn)行不斷的探索和研究，尋求一條解決問 題的可行途徑成為科學(xué)技術(shù)發(fā)展和人類社會(huì)進(jìn)步的需要。不規(guī)則和不平坦的地形是這些環(huán)境的共同特點(diǎn)，使得輪式機(jī)器人和履帶式機(jī)器人的應(yīng)用受到限制。而多足步行機(jī)器人能夠在復(fù)雜崎嶇的路面上穩(wěn)定行走。在這種背景下，足式機(jī)

19、器人的研究蓬勃發(fā)展起來。</p><p>　　二、足球機(jī)器人在國內(nèi)外的成果</p><p>　　移動(dòng)機(jī)器人按移動(dòng)方式大體分為兩大類；一是由現(xiàn)代車輛技術(shù)延伸發(fā)展成輪式移動(dòng)機(jī)器人（包括履帶式）；二是基于仿生技術(shù)的運(yùn)動(dòng)仿生機(jī)器人。運(yùn)動(dòng)仿生機(jī)器人按移動(dòng)方式分為足式移動(dòng)、蠕動(dòng)、蛇行、游動(dòng)及撲翼飛行等形式,其中足式機(jī)器人是研究最多的一類運(yùn)動(dòng)仿生機(jī)器人。自然環(huán)境中有約 50％的地形，輪式或履帶式車輛到達(dá)

20、不了，而這些地方如森林，草地濕地，山林地等地域中擁有巨大的資源，要探測和利用且要盡可能少的破壞環(huán)境，足式機(jī)器人以其固有的移動(dòng)優(yōu)勢成為野外探測工作的首選，另外，如海底和極地的科學(xué)考察和探索，足式機(jī)器人也具有明顯的優(yōu)勢，因而足式機(jī)器人的研究得到世界各國的廣泛重視。現(xiàn)研制成功的足式機(jī)器人有 1 足，2 足，4 足，6 足，8 足等系列，大于 8 足的研究很少。曾長期作為人類主要交通工具的馬，牛，驢，駱駝等四足動(dòng)物因其優(yōu)越的野外行走能力和負(fù)載能

21、力自然是人們研究足式機(jī)器人的重點(diǎn)仿生對(duì)象。因而四足機(jī)器人在足式機(jī)器人中占有很大的比例。長期從事足式機(jī)器人研究的日本東京工業(yè)大學(xué)的広瀨茂男等學(xué)者認(rèn)為：從穩(wěn)定性和控制難易程度及制造成本等方面綜合考慮，四足機(jī)是最佳的足式機(jī)器人，四足機(jī)器人的研究深具社會(huì)意義和實(shí)用價(jià)值。四</p><p>　　三、研究的方法和創(chuàng)新之處</p><p>　　研究方法是利用創(chuàng)意之星模塊化機(jī)器人套件，在搭建一個(gè)會(huì)追光的四

22、足步行機(jī)器人的基礎(chǔ)上，先根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行各個(gè)舵機(jī)的ID和屬性，再通過Northstar軟件進(jìn)行前進(jìn)、轉(zhuǎn)向步態(tài)編程以及舵機(jī)追蹤光源的編程，并將這些獨(dú)立的方程塊組合完成程序流程圖的建立，最后對(duì)程序進(jìn)行編譯并下載到控制器中，根據(jù)兩個(gè)光敏傳感器采集的光敏強(qiáng)度之差進(jìn)行相應(yīng)的前進(jìn)或轉(zhuǎn)向步態(tài)，機(jī)器人就能進(jìn)行追光運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　本課題的創(chuàng)新之處是首先是利用類似于積木的模塊化的機(jī)器人套件搭建機(jī)器人，其特點(diǎn)在于其靈活性和

23、方便性。再次利用Northstar軟件進(jìn)行模塊化編程，只要能建立整個(gè)機(jī)器人的程序流程圖，就能編譯出相應(yīng)的C語言程序，讓C語言的初學(xué)者也能夠編寫出較復(fù)雜的程序，這使得可以根據(jù)自己的想法而編寫出相應(yīng)的程序，不需要擔(dān)心編寫時(shí)的語言錯(cuò)誤。進(jìn)行步態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)有兩種方案，第一種是最簡單的步態(tài)設(shè)計(jì)，要求四足都不能離開地面，利用四足同時(shí)蹬地來完成追光的行為；第二種時(shí)改進(jìn)后的步態(tài)，只要整個(gè)機(jī)器人的重心再任意三足形成的區(qū)域內(nèi)，就能保持機(jī)器人的靜態(tài)穩(wěn)定性，剩下的

24、一足就能進(jìn)行前進(jìn)、后退的邁進(jìn)。這樣能減少能量的損耗，有利于機(jī)器人的使用效率。</p><p>　　第1章 會(huì)追光的四足步行機(jī)器人的原理</p><p>　　1.1 四足步行機(jī)器人</p><p>　　四足步行機(jī)器人即腿式機(jī)器人，顧名思義就是使用腿系統(tǒng)作為主要行進(jìn)方式的機(jī)器人。腿式運(yùn)動(dòng)以一系列機(jī)器人與地面之間的點(diǎn)接觸為基本特征，主要的優(yōu)點(diǎn)包括在粗糙的地形上的自適應(yīng)性

25、和機(jī)動(dòng)性。當(dāng)然，腿式機(jī)器人的最主要缺點(diǎn)是動(dòng)力、控制、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。</p><p>　　在研究腿式機(jī)器人的特征時(shí)，主要考慮以下幾個(gè)方面：</p><p><b>　　一、腿的數(shù)目</b></p><p>　　三個(gè)點(diǎn)確定一個(gè)平面，機(jī)器人只需要和地面有三個(gè)獨(dú)立的接觸點(diǎn)，就能夠保持靜態(tài)平衡。但是，機(jī)器人需要抬腿走路，所以3 個(gè)點(diǎn)的平衡是不夠的，為了能

26、夠在行走中能夠?qū)崿F(xiàn)靜平衡，需要至少4 條腿。</p><p>　　四足機(jī)器人的每一條腿需要兩個(gè)關(guān)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)提起腿、擺動(dòng)向前、著地后蹬的一系列動(dòng)作，機(jī)器人如果在任何時(shí)刻都是單腿邁動(dòng)，可以保持靜平衡，如果有2條腿同時(shí)邁動(dòng)，將不能保持靜平衡。</p><p><b>　　二、腿的自由度</b></p><p>　　機(jī)器人運(yùn)用場合的不同，對(duì)自由度的要

27、求也不一樣。機(jī)器人的每一條腿需要多個(gè)關(guān)節(jié)，如圖1-1，從而實(shí)現(xiàn)提起腿、擺動(dòng)向前、著地后蹬的一系列動(dòng)作。</p><p>　　圖1-1 腿的自由度</p><p><b>　　三、穩(wěn)定性</b></p><p>　　不需要依靠運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的慣性力而實(shí)現(xiàn)的平衡叫做靜平衡。比如兩輪自平衡機(jī)器人就沒辦法實(shí)現(xiàn)靜平衡。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中，如果重力、慣性力、

28、離心力等讓機(jī)器人處于一個(gè)可持續(xù)的穩(wěn)定狀態(tài)，這種穩(wěn)定狀態(tài)為動(dòng)平衡狀態(tài)。</p><p>　　腿越多的機(jī)器人，它的穩(wěn)定性越好，當(dāng)腿的數(shù)量超過6 條之后，機(jī)器人在穩(wěn)定性上就有天然的優(yōu)勢。四足機(jī)器人是介于最困難的仿人機(jī)器人和相對(duì)容易的多足機(jī)器人之間，是最典型的腿式機(jī)器人研究平臺(tái)。四足機(jī)器人如果在任何時(shí)刻都是單腿邁動(dòng)，可以保持靜平衡，如果有 2條腿同時(shí)邁動(dòng)，將不能保持靜平衡。</p><p>　　

29、1.2 機(jī)器人設(shè)計(jì)原理</p><p>　　機(jī)器人整體的設(shè)計(jì)原理：頭部的光敏傳感器觀察到目標(biāo)物后，產(chǎn)生返回值左部光強(qiáng)_x和右部光強(qiáng)_y值，將兩者之差返回到控制器?？刂破鞲鶕?jù)對(duì)應(yīng)的光強(qiáng)之差發(fā)出指令，進(jìn)行相應(yīng)的步態(tài)，實(shí)現(xiàn)追光行為。</p><p>　　1.2.1 步態(tài)規(guī)劃</p><p>　　腿式機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過程中，各腿交替呈現(xiàn)兩種不同的狀態(tài)：支持狀態(tài)和轉(zhuǎn)移狀態(tài)。腿

30、處于支持狀態(tài)時(shí)，腿的末端與地面接觸，支持機(jī)器人的部分重量，并且能夠通過蹬腿使機(jī)器人的重心移動(dòng)；處于轉(zhuǎn)移狀態(tài)時(shí)，腿懸空，不和地面接觸，向前或向后擺動(dòng)，為下一次邁步做準(zhǔn)備。</p><p>　　步態(tài)的定義是：腿式機(jī)器人各條腿的支持狀態(tài)與轉(zhuǎn)移狀態(tài)隨著時(shí)間變化的順序集合。對(duì)于勻速前進(jìn)的機(jī)器人，步態(tài)呈周期性變化，我們將這種步態(tài)稱之為周期步態(tài)。更加智能的機(jī)器人，能夠根據(jù)傳感器獲取地面狀況和自身的姿態(tài)，進(jìn)而產(chǎn)生實(shí)時(shí)的步態(tài)。這種

31、步態(tài)稱為隨機(jī)步態(tài)或?qū)崟r(shí)步態(tài)。</p><p>　　周期步態(tài)中，所有腿支持狀態(tài)的時(shí)間之和與整個(gè)周期的比值，稱為步態(tài)占空比。如果占空比是0.75，說明不管任何時(shí)候，四足機(jī)器人一定有3 條腿支持軀體，機(jī)器人處于靜平衡狀態(tài)。如果機(jī)器人一直用4 條腿站著不動(dòng)，這步態(tài)占空比是1，因?yàn)橹С譅顟B(tài)時(shí)間和與周期相等。所以，0.75≤步態(tài)占空比≤1 時(shí)，機(jī)器人處于靜平衡狀態(tài)，這種步態(tài)稱為靜平衡步態(tài)；反之如果步態(tài)占空比＜0.75，機(jī)器人

32、處于非靜平衡狀態(tài)，需要借助運(yùn)動(dòng)時(shí)的慣性力、嚴(yán)格的時(shí)序，才能讓機(jī)器人保持平衡，這種步態(tài)稱為動(dòng)平衡步態(tài)。</p><p>　　根據(jù)上述的分析，得出幾個(gè)結(jié)論：</p><p>　　1、 如果機(jī)器人要在運(yùn)動(dòng)過程中保持靜態(tài)平衡，需要在任何時(shí)候都有3 條腿支撐地面，并且重心位于這三條腿與地面接觸點(diǎn)構(gòu)成的三角形內(nèi)部。</p><p>　　2、 機(jī)器人需要通過腿部運(yùn)動(dòng)，主動(dòng)移動(dòng)重心

33、，才能實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的整體運(yùn)動(dòng)。</p><p>　　1.2.2 任務(wù)規(guī)劃</p><p>　　當(dāng)機(jī)器人有了矯健的軀體、敏銳的眼睛之后，還需要考慮如何讓它接近光源。對(duì)光源敏感的傳感器只有光敏傳感器，可以用它作為機(jī)器人的眼睛。程序流程如圖1-2所示，通過兩只眼睛分辨光源的位置，如果光源在前方則往前移動(dòng)，如果光源在左就往左移動(dòng)，如果在右邊則往右邊移動(dòng)。</p><p>　　

34、圖1-2 程序流程圖</p><p>　　第2章 搭建會(huì)追光的四足步行機(jī)器人</p><p><b>　　2.1器件簡介</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)使用的是創(chuàng)意之星標(biāo)準(zhǔn)版的機(jī)器人套件，有以下器件：控制器MultiFLEX?2-AVR，多功能調(diào)試器，CDS5500數(shù)字舵機(jī)等。</p><p>　　2.1.1 CDS

35、5500數(shù)字舵機(jī)</p><p>　　在本設(shè)計(jì)中，所有CDS5500數(shù)字舵機(jī)處于舵機(jī)模式，位置限制是0‐300°，通過改變舵機(jī)的位置來實(shí)現(xiàn)步態(tài)設(shè)計(jì)，每一個(gè)小步態(tài)中舵機(jī)的位置是不一樣的。</p><p>　　機(jī)器人舵機(jī)CDS5500屬于一種集電機(jī)、伺服驅(qū)動(dòng)、總線式通訊接口為一體的集成伺服單元，如圖2-1所示，主要用于微型機(jī)器人的關(guān)節(jié)、輪子、履帶驅(qū)動(dòng)，也可用于其他簡單位置控制場合。&

36、lt;/p><p>　　圖2-1 CDS5500舵機(jī)</p><p>　　CDS5500的限制</p><p><b>　　1）角度限制</b></p><p>　　CDS5500 在舵機(jī)模式下，有效角度控制范圍是0‐300°。</p><p><b>　　2）電壓限制</b

37、></p><p>　　CDS5500 的工作電壓是6.5V‐10.5V，低于6.5V CDS5500 將不能正常工作，高于10.5V 會(huì)燒毀CDS5500。</p><p><b>　　3）溫度限制</b></p><p>　　CDS5500 能夠檢測自身工作溫度，溫度過高可能會(huì)燒毀舵機(jī)。可以設(shè)置正常工作溫度范圍，當(dāng)CDS5500 檢測

38、到溫度過高后，舵機(jī)將會(huì)強(qiáng)制卸載停止工作。</p><p><b>　　4）轉(zhuǎn)矩限制</b></p><p>　　“轉(zhuǎn)矩限制”限制了CDS5500 的最大工作電流，起到限制CDS5500 的最大輸出扭矩的作用。在機(jī)器人手掌關(guān)節(jié)或需要長時(shí)間堵轉(zhuǎn)的場合常常用到這個(gè)功能，默認(rèn)為最大值1023，即為最大扭矩輸出。</p><p>　　2.1.2 Mul

39、tiFLEX?2-AVR控制器</p><p>　　MultiFLEX?2-AVR控制器尺寸與MultiFLEXTM2-PXA270完全一致，重量較輕，功耗低，且實(shí)時(shí)性更好，速度為16MHz。MultiFLEX2-AVR適于要求高實(shí)時(shí)性的場合，MultiFLEX2-PXA270更適用于要求高性能、需要處理圖像和語音的場合，如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 MultiFLE

40、X?2-AVR控制器</p><p>　　2.1.3 多功能調(diào)試器</p><p>　　多功能調(diào)試器是控制器的下載、調(diào)試工具和舵機(jī)狀態(tài)設(shè)置工具。多功能調(diào)試器有RS232 模式、AVRISP 模式和SERVO模式，如圖2-3所示。</p><p>　　圖2-3 多功能調(diào)試器</p><p><b>　　2.2 組裝機(jī)器人</

41、b></p><p>　　本次設(shè)計(jì)采用的是創(chuàng)意之星標(biāo)準(zhǔn)版的套件，其控制器是MultiFLEX?2-AVR，利用兩個(gè)光敏傳感器來組裝機(jī)器人的眼睛，實(shí)現(xiàn)追光。</p><p>　　2.2.1 零件清單</p><p>　　本設(shè)計(jì)是利用創(chuàng)意之星標(biāo)準(zhǔn)版的套件來組裝會(huì)追光的四足步行機(jī)器人，如圖2-4，以下器件就可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的組裝，搭建機(jī)器人可以參考創(chuàng)意之星套件組裝指南

42、來搭建四足機(jī)器人。</p><p>　　圖2-4 組裝機(jī)器人的零件</p><p>　　2.2.2 搭建四足</p><p>　　圖2-5 機(jī)器人四足</p><p>　　搭建四足時(shí)，舵機(jī)安裝要注意方向一致，足與舵機(jī)連接是要根據(jù)軀干的左右方向來安裝，把四足和軀干組合時(shí)檢查四足的方向是否安裝正確，發(fā)現(xiàn)安裝不正確時(shí)拆了重新安裝。</p>

43、;<p>　　2.2.3 搭建機(jī)器人軀干</p><p>　　圖2-6 機(jī)器人軀干</p><p>　　如圖2-6，將腿部和底板組合到一起，機(jī)器人的軀體就完成了。為了讓機(jī)器人看起來更美觀更形象，再為它安裝一個(gè)頭部和尾巴，頭部安裝2 個(gè)光敏傳感器，讓機(jī)器人能夠看到光源。機(jī)器人通過對(duì)比左右兩只眼睛的光照強(qiáng)度來判斷光源相對(duì)自己的位置，進(jìn)而調(diào)整步態(tài)，往光源處走去。</p>

44、;<p>　　2.2.4 搭建機(jī)器人頭部</p><p>　　圖2-7 機(jī)器人頭部</p><p><b>　　圖2-8 機(jī)器人</b></p><p>　　如圖2-8，機(jī)器人頭部安裝一個(gè)CDS5500，作為機(jī)器人的脖子，讓機(jī)器人可以左右擺動(dòng)，尋找目標(biāo)。前方的兩個(gè)光敏傳感器有36°的夾角，用于區(qū)分左右的光線。當(dāng)左前方的光

45、源照射到機(jī)器人時(shí)，左邊的光敏傳感器能夠大面積接受光照，右邊的光敏傳感器由于36°夾角的存在，傳感器探頭被外殼擋住，照射到探頭的光線很少。因此兩邊的傳感器輸出值就會(huì)有很大的差異，機(jī)器人據(jù)此就可判斷出光源的大致方位。</p><p>　　2.2.5 機(jī)器人總裝</p><p>　　圖2-9 機(jī)器人總裝</p><p>　　2.2.6 機(jī)器人舵機(jī)連線</

46、p><p>　　圖2-10 機(jī)器人連線</p><p>　　如圖2-10，設(shè)計(jì)時(shí)每個(gè)CDS5500 需要使用不同ID；每串CDS5500 的數(shù)量不能太多，最好是6 個(gè)以下。正常工作下單個(gè)CDS5500 的電流可能達(dá)到500mA~1A，堵轉(zhuǎn)電流可達(dá)到2.5A，單組6 個(gè)CDS5500 的工作電流可能達(dá)到3‐8A。這樣的電流會(huì)讓舵機(jī)線發(fā)熱，并產(chǎn)生比較大的電壓降，最后一個(gè)CDS5500 可能因?yàn)檠赝?/p>

47、舵機(jī)線的分壓而導(dǎo)致工作電壓過低，CDS5500在電壓過低時(shí)會(huì)出現(xiàn)復(fù)位、數(shù)據(jù)通訊不正常等等狀況。本設(shè)計(jì)使用了10個(gè)舵機(jī)，每個(gè)足串聯(lián)兩個(gè)CDS5500，每個(gè)CDS5500出于舵機(jī)模式，在進(jìn)行舵機(jī)測試時(shí)超過角度限制，出現(xiàn)過載，進(jìn)入保護(hù)模式，切斷了舵機(jī)的扭矩輸出，舵機(jī)處于沒有力量的狀態(tài)。這種情況下我一般采取重新?lián)Q一個(gè)舵機(jī)，但也可以重新啟動(dòng)舵機(jī)的扭矩輸出。</p><p>　　2.2.7 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)搭建的四足步行機(jī)器人&

48、lt;/p><p>　　圖2-11 本設(shè)計(jì)搭建的機(jī)器人</p><p>　　圖2-12 本設(shè)計(jì)搭建的機(jī)器人</p><p>　　安裝時(shí)要注意細(xì)節(jié)的處理，如一定要注意在進(jìn)行舵機(jī)調(diào)試前盡量不要使舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，不然在后面的舵機(jī)調(diào)試和步態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)確定會(huì)出現(xiàn)混亂，重則影響實(shí)驗(yàn)效果，給實(shí)驗(yàn)運(yùn)行帶來不必要的麻煩。</p><p>　　安裝機(jī)器人四足時(shí)一定要注意

49、安裝的方向是否正確，如圖2-13，joint1、3、5、7的舵機(jī)安裝方向應(yīng)該組成一個(gè)逆時(shí)鐘的方向，而joint2、4、6、8的舵機(jī)安裝方向應(yīng)該組成一個(gè)逆時(shí)鐘的方向，不然和造成后面程序設(shè)計(jì)與舵機(jī)運(yùn)動(dòng)方向不對(duì)應(yīng)，而引起混亂。</p><p>　　圖2-13 機(jī)器人四足方向的確定</p><p>　　第3章 機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1

50、 前進(jìn)步態(tài)</b></p><p>　　多足機(jī)器人的行走方式按照平衡實(shí)現(xiàn)方式可以分為兩種，一種是接近動(dòng)物行走方式的動(dòng)態(tài)平衡方式，另一種是靜態(tài)平衡方式。</p><p>　　在設(shè)計(jì)步態(tài)之前，我們先設(shè)置好約束條件：</p><p>　?。?）機(jī)器人在任一個(gè)時(shí)刻必須有不少于 3 個(gè)支撐足。</p><p>　?。?）機(jī)器人的重心的投影必

51、須在 3 或4 個(gè)支持點(diǎn)所圍成的多邊形內(nèi)。</p><p>　　3.1.1 簡單的步態(tài)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　圖3-1 靜止?fàn)顟B(tài)</b></p><p>　　如圖3-1，可以看到，重心處于4 個(gè)支點(diǎn)的正中心，這意味著失去任何一個(gè)支點(diǎn)，構(gòu)型的重心都將處于其它三個(gè)支點(diǎn)所構(gòu)成的三角形的一條邊上，構(gòu)型會(huì)有向一側(cè)傾覆的危險(xiǎn)。所以為了讓構(gòu)型能夠平

52、穩(wěn)的抬起一支腳需要先讓重心移動(dòng)，如圖3-2，先控制所有的足向后方平移，在摩擦力的作用下，軀干將向前探出。</p><p>　　圖3-2 重心前移后</p><p>　　前移后的重心位于ABC 區(qū)域和ABD 區(qū)域中。</p><p>　　圖3-3 右前進(jìn)步態(tài)</p><p>　　如圖3-3，選擇移動(dòng)Ｄ，落地后的D 足與A、C 足形成的ACD 區(qū)

53、域包含重心，B足被解放出來，可以開始移動(dòng)了。</p><p>　　圖3-4 恢復(fù)初始狀態(tài)</p><p>　　如圖3-4，右側(cè)的B、D 足向前邁出的動(dòng)作做完后，開始向后蹬的動(dòng)作，使重心向左前方移動(dòng)。</p><p>　　圖3-5 左前進(jìn)步態(tài)</p><p>　　機(jī)器人回到剛開始重心前移后的狀態(tài)，但是頭的朝向偏向了左邊。為了彌補(bǔ)方向的偏移，如

54、圖3-5，左側(cè)的C 足開始向前邁出。C 足落地后，重心在BCD 區(qū)域內(nèi)。A 足得到解放，向前邁出。</p><p>　　圖3-6 恢復(fù)初始狀態(tài)</p><p>　　左側(cè)的A、C 足向前邁出完畢，開始向后蹬的動(dòng)作，使重心向右前方移動(dòng)。機(jī)器人的頭部回正，如圖3-6所示。至此一個(gè)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)周期就完成了，按照這樣的方法循環(huán)下去，機(jī)器人就會(huì)向前一左一右地前進(jìn)了。</p><p>

55、;　　3.1.2 改進(jìn)的步態(tài)設(shè)計(jì)</p><p>　　簡單步態(tài)并不是最理想的，因?yàn)樵谥匦那耙频倪^程中總是4 個(gè)支持足同時(shí)著地，這樣足的位置變化會(huì)在地面上發(fā)生滑動(dòng)，而滑動(dòng)會(huì)使很多能量浪費(fèi)掉。所以，如果能夠在3 個(gè)足著地的狀態(tài)下進(jìn)行機(jī)械足的后蹬運(yùn)動(dòng)就會(huì)節(jié)省更多的能量。</p><p><b>　　圖3-7 調(diào)整步態(tài)</b></p><p>　　如圖

56、3-7，重心前一步的步態(tài)做一下調(diào)整，讓A 向前伸出，C 不要直接運(yùn)動(dòng)到最后方。這是為了讓前進(jìn)步態(tài)周期能夠完美閉合而進(jìn)行的修訂。這時(shí)重心在ABC 區(qū)域內(nèi)，讓D 足向前邁出，同時(shí)，A、C 足向后蹬。D 足著地后，B 足向前邁出，在B足著地之前機(jī)器人有3 個(gè)足著地，這時(shí)讓D 后蹬。在重心脫離ACD 區(qū)域前讓B 足著地，與D 足一起后蹬，一旦重心落入ABD 區(qū)域，馬上讓C 足向前邁出。</p><p><b>

57、　　圖3-8 左前進(jìn)</b></p><p>　　如圖3-8，在C 足著地前，D 足已經(jīng)后蹬到了規(guī)定位置。C 落地后開始后蹬，并向前邁出A 足，這時(shí)B 足后蹬結(jié)束。A 足著地后后蹬，這時(shí)向前邁出D 足，完成一個(gè)前向運(yùn)動(dòng)流程。</p><p><b>　　3.2 轉(zhuǎn)向步態(tài)</b></p><p>　　轉(zhuǎn)向步態(tài)有左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)兩種情況，因左

58、轉(zhuǎn)跟右轉(zhuǎn)成鏡像關(guān)系，所以設(shè)計(jì)出左轉(zhuǎn)的步態(tài)，就能鏡像的設(shè)計(jì)出右轉(zhuǎn)的步態(tài)，這里這說明左轉(zhuǎn)步態(tài)的設(shè)計(jì)。</p><p>　　3.2.1 簡單的左轉(zhuǎn)步態(tài)</p><p><b>　　圖3-9 初始狀態(tài)</b></p><p>　　圖3-10 轉(zhuǎn)向步態(tài)</p><p>　　如圖3-10，依次邁出D 足、B 足。</p>

59、<p>　　圖3-11 轉(zhuǎn)向過程</p><p>　　如圖3-11，讓A、B、C、D 四個(gè)足同時(shí)蹬地，B、D 后蹬，A、C 前蹬。機(jī)器人軀干向左扭轉(zhuǎn)一個(gè)角度。如圖3-12所示，重心在CBD 區(qū)域中，所以A 足可以移動(dòng)。讓A 向后邁出后，重心在ABD 區(qū)域中，C 足也可以移動(dòng)了。讓C 足向后邁出。</p><p>　　圖3-12 轉(zhuǎn)向完成</p><p>

60、;　　至此，一個(gè)完整的原地轉(zhuǎn)向周期就完成。</p><p>　　3.2.2 改進(jìn)的左轉(zhuǎn)步態(tài)</p><p>　　重心移動(dòng)后的狀態(tài)，修正為如圖3-13所示。讓A、C 向前蹬地，重心在ABC 區(qū)域，向前邁進(jìn)D足。</p><p>　　圖3-13 修正步態(tài)</p><p>　　如圖3-13，D 足著地后，重心在ACD 區(qū)域，C 足繼續(xù)前蹬，D 足后

61、蹬，B 足向前邁出。當(dāng)B 足著地后，C 足移動(dòng)到了限制位置，重心在BCD 區(qū)域，A 足向后邁出。</p><p>　　圖3-14 轉(zhuǎn)向過程</p><p>　　如圖3-14，A 足著地后，D 足移動(dòng)到了限制位置，重心在ABD 區(qū)域，C 足向后邁出。如圖3-15，C 足著地后，機(jī)器人回到了初始狀態(tài)，完成了一個(gè)左轉(zhuǎn)周期。</p><p>　　圖3-15 轉(zhuǎn)向完成<

62、/p><p>　　右轉(zhuǎn)的步態(tài)也可以用這樣的方法實(shí)現(xiàn)，此時(shí)邁向前方的是左側(cè)的足。</p><p>　　第4章 機(jī)器人的程序設(shè)計(jì)</p><p><b>　　4.1 舵機(jī)的設(shè)置</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)中，舵機(jī)的作用是通過位置控制來實(shí)現(xiàn)步態(tài)設(shè)計(jì)，需要利用多功能調(diào)試器來設(shè)置舵機(jī)的初始狀態(tài)，還需利用AVR控制器和north

63、star軟件來設(shè)置機(jī)器人的舵機(jī)位置序列。</p><p>　　舵機(jī)有Motor模式和Servo 模式兩種模式：Servo 模式下可以控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，Motor 模式下可以控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向。Motor模式與Servo 模式的一點(diǎn)不同是：Motor不能控制到位角度，但是能進(jìn)行不限制的多周旋轉(zhuǎn)，而 Servo 模式能控制旋轉(zhuǎn)角度但最多僅能旋轉(zhuǎn)300 度。</p><p>　　4.1

64、.1 舵機(jī)ID編號(hào)和模式設(shè)置</p><p>　　一、在設(shè)備管理器中，點(diǎn)擊目錄 “端口”就會(huì)出現(xiàn)“USB Serial Port(COMx)”，其中“x”就代表調(diào)試器所接的端口號(hào)。</p><p>　　二、如4-1圖所示接好調(diào)試器、主機(jī)和舵機(jī)并且將多功能調(diào)試器調(diào)試到“SERVO”的模式。</p><p>　　圖4-1 舵機(jī)調(diào)試連接</p><p

65、>　　三、打開“RobotServoTerminal ”軟件，就會(huì)彈出如4-1圖所示的界面。將右上角的端口設(shè)置成4（假設(shè)端口號(hào)是4），波特率設(shè)置成“1000000”，點(diǎn)擊打開鍵，如果指示燈由綠燈變成紅燈，這表示端口已經(jīng)連上。選擇“單節(jié)點(diǎn)”和“定波特率”，點(diǎn)擊開始查找該舵機(jī)的ID地址和狀態(tài)，如圖4-2，就可以修改和設(shè)置舵機(jī)的ID地址和狀態(tài)了。</p><p>　　圖4-2 舵機(jī)ID和模式設(shè)置</p&g

66、t;<p>　　4.1.2 舵機(jī)位置序列設(shè)置</p><p>　　圖4-3 舵機(jī)位置序列設(shè)置連線</p><p>　　圖4-4 舵機(jī)序列位置設(shè)置</p><p>　　如圖4-4，用鼠標(biāo)拖動(dòng)三維場景中的構(gòu)型就可以生成相應(yīng)的舵機(jī)位置序列，將3D 模型擺放出自己需要的狀態(tài)，單擊“OK”就可以使“Servo”控件記錄下當(dāng)前的狀態(tài)，程序執(zhí)行該控件時(shí)，機(jī)器人就會(huì)呈

67、現(xiàn)出和三維場景一樣姿態(tài)。如果將機(jī)器人通過多功能調(diào)試器與計(jì)算機(jī)相連，還可以在“On‐line Test”控件上打勾，這樣，拖動(dòng)3D 構(gòu)型時(shí)，機(jī)器人也會(huì)跟著動(dòng)起來。</p><p>　　還有另一種調(diào)試方式，單擊“Start Service”下載服務(wù)程序，單擊“Open”打開串口，選擇“unload all”，將所有舵機(jī)卸載，這時(shí)可以用手直接扭動(dòng)構(gòu)型的關(guān)節(jié)，把構(gòu)型調(diào)整到我們需要的姿態(tài)，比如初始狀態(tài)，點(diǎn)擊“quary p

68、os”，North Star 會(huì)查詢舵機(jī)的當(dāng)前位置，“Property”中的“Angle”值會(huì)隨著我們對(duì)機(jī)器人的扭動(dòng)而改變。如果勾選“Save”復(fù)選框，則計(jì)算機(jī)讀取的舵機(jī)狀態(tài)將被記錄在列表框中，點(diǎn)擊“OK”即完成一個(gè)步態(tài)的編寫。</p><p>　　在調(diào)試步態(tài)的過程中，常常會(huì)遇到寫一部分調(diào)試一部分的情況，因?yàn)槎鏅C(jī)運(yùn)動(dòng)的速度參數(shù)很難在實(shí)驗(yàn)前計(jì)算到位，所以調(diào)試過一次之后，機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)都處于位置鎖死的狀態(tài)，所以我們

69、還會(huì)用到另一個(gè)功能“Unload all”勾選該選擇框后，所有的舵機(jī)上的力矩將解除，這時(shí)我們可以輕松扭動(dòng)機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)了。</p><p>　　用上述方法將機(jī)器人的動(dòng)作分成若干狀態(tài)點(diǎn)，一步步進(jìn)行舵機(jī)運(yùn)動(dòng)序列調(diào)試，這樣將一個(gè)完整的行走流程調(diào)試完后，我們就實(shí)現(xiàn)了4 足機(jī)器人的“前進(jìn)”、“后退”、“左轉(zhuǎn)”、“右轉(zhuǎn)”等基本運(yùn)動(dòng)方式控制模塊了。</p><p>　　4.2 程序基本設(shè)置</p

70、><p>　　機(jī)器人在程序的編寫上有兩種方法：</p><p>　　第一種是用Northstar 圖形化開發(fā)環(huán)境中，進(jìn)行模塊化編程。通過鼠標(biāo)的拖動(dòng)類似邏輯框的控件和對(duì)控件做簡單的屬性設(shè)置，就可以快捷的編寫機(jī)器人控制程序。程序編輯完后，可以編譯并下載到機(jī)器人控制器中運(yùn)行。</p><p>　　第二種是Northstar手寫代碼開發(fā)環(huán)境中，進(jìn)行手動(dòng)輸入代碼編程。從工具菜單或

71、者工具欄點(diǎn)擊“編輯代碼”，軟件就會(huì)切換到“代碼編輯”模式，手動(dòng)輸入代碼，然后編譯，下載，即可運(yùn)行程序。</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)采用第一種方法，利用Northstar軟件進(jìn)行模塊化編程。</p><p>　　4.2.1 初始化設(shè)置編程</p><p><b>　　一、新建工程</b></p><p>　　如圖4

72、-5，在Northstar 軟件中新建一個(gè)工程，彈出“工程設(shè)置”頁面?！翱刂破鬟x項(xiàng)”欄選擇當(dāng)前使用的控制器：MultiFLEX2‐AVR；</p><p>　　由于搭建的是標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)型，“構(gòu)型”欄選擇“Four Legged”，即“Customized”點(diǎn)擊“下一步”，彈出“舵機(jī)設(shè)置”頁面。</p><p>　　圖 4-5 新建工程</p><p>　　在“舵機(jī)設(shè)置”頁

73、面，機(jī)器人設(shè)置了十個(gè)舵機(jī)，1～8號(hào)舵機(jī)為機(jī)器人的四足，配置成“舵機(jī)模式”，9號(hào)舵機(jī)控制光敏傳感器的轉(zhuǎn)動(dòng)，配置成“舵機(jī)模式”，10號(hào)舵機(jī)控制尾巴的轉(zhuǎn)動(dòng)，配置成“舵機(jī)模式”，如圖4-6所示。</p><p>　　圖4-6 舵機(jī)配置</p><p>　　實(shí)驗(yàn)用到的兩只光強(qiáng)傳感器分別對(duì)應(yīng)兩路AD 信號(hào)，所以在AD 頁面中我們在“Number of AD channels you are usin

74、g”中填入數(shù)字2，如圖4-7所示。實(shí)驗(yàn)未使用IO 傳感器，所以IO 傳感器數(shù)量設(shè)為0，如圖4-8所示。</p><p>　　圖 4-7 AD配置</p><p>　　圖 4-8 IO配置</p><p><b>　　二、添加變量</b></p><p>　　我們需要添加兩個(gè)變量來儲(chǔ)存光強(qiáng)傳感器獲得的光強(qiáng)數(shù)值。如圖4-9

75、所示，鼠標(biāo)右擊流程圖空白處，在彈出的菜單里選擇“Add variable”，生成一個(gè)Variable 控件，雙擊該控件進(jìn)入其屬性頁，選擇變量類型，輸入變量名，點(diǎn)擊“OK”按鈕。</p><p>　　圖 4-8 IO配置</p><p>　　添加變量的方式有兩種：一是在流程圖空白處右擊鼠標(biāo)，在彈出的菜單中選擇“添加變量”；二是從左側(cè)控件欄“程序模塊”里拖一個(gè)“變量”控件到流程圖里。</

76、p><p>　　圖 4-9 添加變量</p><p>　　兩者的效果是一樣的。在“變量”控件的屬性里，輸入變量名及變量類型，如圖4-10所示。本設(shè)計(jì)共需要3個(gè)變量，每個(gè)變量對(duì)應(yīng)一個(gè)控件。</p><p>　　圖 4-10 變量控件</p><p>　　變量添加完畢之后，需要將其與相應(yīng)的傳感器建立聯(lián)系。從界面左側(cè)的控件列表“Function Wid

77、get”里拖拽一個(gè)AD Input 控件至流程圖里，雙擊該控件進(jìn)入屬性頁，如圖4-11所示，在“Return Value”里設(shè)置保存?zhèn)鞲衅鲾?shù)值的變量。這里我們將左側(cè)光強(qiáng)傳感器連到控制器的AD0，將右側(cè)光強(qiáng)傳感器連到控制器的AD1；設(shè)置Channel‐0 的AD 值儲(chǔ)存在Left，Channel‐1 的AD值儲(chǔ)存在Right。</p><p>　　圖 4-11 設(shè)置光強(qiáng)返回值</p><p>

78、;　　4.2.2 程序邏輯設(shè)計(jì)</p><p>　　在獲取了兩測的光強(qiáng)數(shù)值之后，我們可以開始設(shè)計(jì)程序的邏輯框架。我們將情況分為三種：狀況一，左側(cè)光比右側(cè)光強(qiáng)；狀況二，左側(cè)光比右側(cè)光弱；狀況三，左右光強(qiáng)近似相等。這三種情況在邏輯上較好區(qū)分，且覆蓋了可能出現(xiàn)的狀態(tài)。在程序的主循環(huán)里，我們用三個(gè)條件分支來區(qū)分這三種狀況。</p><p>　　如圖4-12所示，作為左右光強(qiáng)比較的中間變量，我們對(duì)兩

79、側(cè)光強(qiáng)的差值Diff 進(jìn)行計(jì)算：</p><p>　　圖 4-12 計(jì)算左右光強(qiáng)差值</p><p>　　三種狀況的區(qū)分，將圍繞這個(gè)差值Diff 進(jìn)行：</p><p>　?。?）狀況一，左側(cè)光比右側(cè)光要強(qiáng)：Diff >50，如圖4-13所示。</p><p>　?。?）狀況二，左側(cè)光比右側(cè)光要弱：Diff <‐50，如圖4-14

80、所示。</p><p>　?。?）狀況三，左側(cè)光強(qiáng)和右側(cè)光強(qiáng)近似相等：Diff>=‐50 且Diff<=50，如圖4-15所示。</p><p>　　在判斷條件里，使用的50 這個(gè)數(shù)值，是考慮到光強(qiáng)傳感器采集數(shù)據(jù)可能存在著差異，在后面的實(shí)驗(yàn)中，可以根據(jù)光強(qiáng)傳感器的具體表現(xiàn)進(jìn)行調(diào)整。</p><p>　　圖 4-13 左側(cè)光強(qiáng)較強(qiáng)的判斷條件</p&g

81、t;<p>　　圖 4-14 右側(cè)光強(qiáng)較強(qiáng)的判斷條件</p><p>　　圖 4-15 左右光強(qiáng)大致相等的判斷條件</p><p>　　4.3 等待延遲設(shè)計(jì)</p><p>　　在具體的實(shí)驗(yàn)中，如果在短時(shí)間內(nèi)向多個(gè)舵機(jī)發(fā)生大量控制指令，會(huì)導(dǎo)致舵機(jī)總線的擁堵，造成舵機(jī)收到新指令的時(shí)間延后，最直觀的表現(xiàn)就是舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)與指令發(fā)送之間存在一個(gè)延遲，有一種“欲速而

82、不達(dá)”的感覺。如圖4-16所示，為了保持舵機(jī)數(shù)據(jù)總線的通暢，我們通常在舵機(jī)指令發(fā)送間隙添加一定量的延時(shí)操作。</p><p>　　圖 4-16 延遲設(shè)置</p><p>　　4.3 程序下載與運(yùn)行</p><p>　　4.3.1 ATmega128下載途徑</p><p>　　給MultiFLEX? 2‐ AVR 控制器的ATmega128

83、下載程序，MultiFLEX? 2 ‐AVR 控制器有兩個(gè)處理器：主處理器ATmega128 和協(xié)處理器 ATmega8 。如圖4-17所示，步驟如下：</p><p>　　1 、 將調(diào)試器設(shè)為AVRISP 模式。 </p><p>　　2 、 把調(diào)試器的USB 線接到PC機(jī)上，將IDC 頭接到控制器的IDC 座上，注意方向。</p><p>　　圖 4-

84、17 ATmega128下載連線</p><p>　　這時(shí)您可以使用NorthSTAR或者AVR   Studio 對(duì)控制器進(jìn)行程序下載了。</p><p>　　4.3.2 ATmega8 下載途徑</p><p>　　給MultiFLEX? 2‐ AVR 控制器的ATmega8 下載程序，如圖4-18所示，步驟如下：</p><p

85、>　　1 、將調(diào)試器設(shè)為AVRISP 模式。 </p><p>　　2 、把調(diào)試器的USB 線接到PC機(jī)上，將 IDC 頭的1 、3、5 、7 、9 用插針接出（IDC 頭里帶“△”的針腳為1 腳），如圖2.79    ，9 為GND 。 </p><p>　　3 、控制器邊沿的5 個(gè)插針孔是 ATmega8 的程序下載接口（側(cè)邊有 M8_IS

86、P標(biāo)識(shí)）。將上述第2 點(diǎn)接出的插針接入控制器邊沿的這 5 個(gè)插針孔，注意線的GND 需和控制器上的GND 對(duì)應(yīng)，用手摁住便可進(jìn)行程序下載。</p><p>　　圖 4-18 ATmega18下載連線</p><p>　　4.3.3 串口通訊</p><p>　　給MultiFLEX? 2‐ AVR 控制器進(jìn)行串口通訊，步驟如下：</p><p

87、>　　1 、將調(diào)試器設(shè)為RS ‐ 232 模式。 </p><p>　　2 、把調(diào)試器的USB 線接到PC機(jī)上，將IDC 頭接到控制器的IDC 座上，注意方向。 </p><p>　　3 、注意將IDC 座旁邊的切換開關(guān)撥到Debug 的位置上，這個(gè)切換開關(guān)用于切換有線或者無線通訊模式。</p><p>　　4.3.4 程序編譯、下載&l

88、t;/p><p>　　確認(rèn)控制器的ATmega128@16MHz數(shù)據(jù)線與調(diào)控器連接好，并連接好電源，打開控制器開關(guān)，把調(diào)控器的開關(guān)打到“AVRISP 模式”，等待大概15秒，讓控制器引導(dǎo)內(nèi)置的Linux 系統(tǒng)。</p><p>　　打開Northstar，通過菜單打開安裝目錄下的DEMO 文件夾，隨便打開一個(gè)例子程序，會(huì)出現(xiàn)原來隱藏的一些菜單。點(diǎn)擊“設(shè)置”中的 “串口連接”，確定并設(shè)置好端口號(hào)

89、，點(diǎn)擊“啟動(dòng)服務(wù)”，然后點(diǎn)擊“打開”，顯示打開成功后就表明連接成功了，可以利用Northstar來下載程序到機(jī)器人的控制器里。如果串口連接不正常會(huì)出現(xiàn)“打開失敗”的提示框，這時(shí)請(qǐng)檢查“串口連接”中端口號(hào)設(shè)置是否正確、ATmega128@16MHz數(shù)據(jù)線是否接觸良好。</p><p>　　所有工作結(jié)束后，就可以編譯并下載到機(jī)器人上進(jìn)行驗(yàn)證了。點(diǎn)擊Northstar 工具欄上的“編譯”按鈕，查看“輸出窗口”里面的編譯

90、信息，提示“Compile succeeded…”說明編譯成功，如圖4-19所示。</p><p>　　圖 4-19 編譯成功</p><p>　　點(diǎn)擊工具欄上的“下載”按鈕，查看“輸出窗口”里面的編譯信息，提示“downloading succeeded…”說明下載成功，如圖4-20所示。</p><p>　　圖 4-20 下載成功</p><

91、p>　　第5章 機(jī)器人的追光設(shè)計(jì)</p><p><b>　　5.1 追光設(shè)計(jì)</b></p><p>　　編寫機(jī)器人追光程序需要注意的事項(xiàng)：</p><p>　　在機(jī)器人程序的編寫前，主機(jī)必須先安裝Northstar軟件，而Northstar軟件的安裝一定要安裝在軟件指定的目錄下，不要隨意的更改路徑。由于會(huì)追光的四足步行機(jī)器人是利用與地

92、面的摩擦力來實(shí)現(xiàn)蹬地動(dòng)作的，所以要求四足在靜態(tài)穩(wěn)定時(shí)要接觸地面并承受一定的壓力，所以在設(shè)置joint2、4、6、8的舵機(jī)屬性時(shí)，要根據(jù)實(shí)際運(yùn)動(dòng)的地面情況來設(shè)置參數(shù)，所以每次做實(shí)驗(yàn)時(shí)都要進(jìn)行調(diào)試。在下載程序時(shí)，要注意控制器的狀態(tài)指示燈是否閃爍，如果有閃爍即正在下載程序。</p><p>　　整個(gè)實(shí)驗(yàn)操作的部分可以分為二個(gè)部分：1、簡單步態(tài)設(shè)計(jì)2、改進(jìn)步態(tài)設(shè)計(jì)</p><p>　　5.2 簡單

93、步態(tài)的追光設(shè)計(jì)</p><p><b>　　初始狀態(tài)：</b></p><p>　　圖5-1 所有舵機(jī)處于初始狀態(tài)</p><p><b>　　靜態(tài)平衡時(shí)的狀態(tài)：</b></p><p><b>　　圖5-2 初始狀態(tài)</b></p><p>　　簡單步

94、態(tài)追光設(shè)計(jì)的流程圖:</p><p><b>　　圖5-3 流程圖</b></p><p>　　因?yàn)樵诮M裝機(jī)器人時(shí)，可能因?yàn)槿藶樵蚨斐啥鏅C(jī)的初始位置發(fā)生一定的偏移，在進(jìn)行步態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行相關(guān)的調(diào)整。</p><p><b>　　5.2.1 左轉(zhuǎn)</b></p><p>　　圖5-4 步態(tài)一：重

95、心前移后的初始步態(tài)</p><p>　　圖5-5 步態(tài)二：右后足向前邁進(jìn)</p><p>　　圖5-6 步態(tài)三：右前足向前邁進(jìn)</p><p>　　圖5-7 步態(tài)四：四個(gè)足同時(shí)蹬地，右邊的足后蹬，左邊的足前蹬</p><p>　　圖5-8 步態(tài)五：左前足向后邁出</p><p>　　圖5-9步態(tài)六：左后足向后邁出<

96、;/p><p>　　至此，一個(gè)完整的左轉(zhuǎn)步態(tài)設(shè)計(jì)完成了，但時(shí)同時(shí)四足蹬地?fù)p耗能量太大，所以需改進(jìn)步態(tài)，后面再介紹改進(jìn)后的步態(tài)。</p><p><b>　　5.2.2 右轉(zhuǎn)</b></p><p>　　圖5-10 步態(tài)一：初始狀態(tài)</p><p>　　圖5-11 步態(tài)二：向前邁進(jìn)左后足</p><p&g

97、t;　　圖5-12 步態(tài)三：向前邁進(jìn)左前足</p><p>　　圖5-13 步態(tài)四：左邊的足后蹬，右邊的足前蹬</p><p>　　圖5-14 步態(tài)五：右前足向后邁進(jìn)</p><p>　　圖5-15 步態(tài)六：右后足向后邁進(jìn)</p><p>　　至此，一個(gè)右轉(zhuǎn)的完整步態(tài)設(shè)計(jì)就完成了，同樣，跟左轉(zhuǎn)類似，四足同時(shí)蹬地過于消耗能量，仍可以進(jìn)行改進(jìn)

98、，利用改變機(jī)器人的重心所在的區(qū)域來實(shí)現(xiàn)步態(tài)設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　5.2.3 前進(jìn)</b></p><p>　　圖5-16 步態(tài)一：初始步態(tài)</p><p>　　圖5-17 步態(tài)二：向前邁進(jìn)右后足</p><p>　　圖5-18 步態(tài)三：向前邁進(jìn)右前足</p><p>　　圖5-1

99、9 步態(tài)四：右邊的足向后蹬地</p><p>　　機(jī)器人回到剛開始重心前移后的狀態(tài)，但是頭的朝向偏向了左邊。為了彌補(bǔ)方向的偏移，如圖5-19，左側(cè)的C 足開始向前邁出。C 足落地后，重心在BCD 區(qū)域內(nèi)。A 足得到解放，向前邁出。</p><p>　　圖5-20 步態(tài)五：向前邁進(jìn)左后足</p><p>　　圖5-21步態(tài)六：向前邁進(jìn)左前足</p>&

100、lt;p>　　圖5-22 步態(tài)七：四足開始蹬地</p><p>　　至此一個(gè)完整的會(huì)追光的四足步行機(jī)器人的步態(tài)設(shè)計(jì)就完成了，按照這樣的方法循環(huán)下去，機(jī)器人就會(huì)相應(yīng)的轉(zhuǎn)向并向前一左一右地前進(jìn)了。</p><p>　　以上所介紹的是一個(gè)最簡單的讓四足機(jī)器人前進(jìn)的步態(tài)，但是這種步態(tài)并不是最理</p><p>　　想的，因?yàn)樵谥匦那耙频倪^程中總是4 個(gè)支持足同時(shí)著地，

101、這樣足的位置變化會(huì)在地面上發(fā)生滑動(dòng)，而滑動(dòng)會(huì)使很多能量浪費(fèi)掉。所以，如果能夠在3 個(gè)足著地的狀態(tài)下進(jìn)行機(jī)械足的后蹬運(yùn)動(dòng)就會(huì)節(jié)省更多的能量。</p><p>　　5.3改進(jìn)步態(tài)追光設(shè)計(jì)</p><p>　　會(huì)追光的四足步行機(jī)器人改進(jìn)后步態(tài)設(shè)計(jì)的流程圖如圖5-23所示。</p><p><b>　　圖5-23 流程圖</b></p>

102、<p>　　5.3.1 前進(jìn)（左前足為A，左后足為C，右前足為B，右后足為D）</p><p>　　圖5-24 步態(tài)一：重心移動(dòng)后的狀態(tài)，修正為如圖所示</p><p>　　圖5-25步態(tài)二：讓左邊的足A、C向前蹬地，重心在ABC 區(qū)域，向前邁進(jìn)D足。</p><p>　　圖5-26 步態(tài)三：D 足著地后，重心在ACD 區(qū)域，C 足繼續(xù)前蹬，D 足后蹬

103、，B 足向前邁出。</p><p>　　圖5-27 步態(tài)四：當(dāng)B 足著地后，C 足移動(dòng)到了限制位置，重心在BCD 區(qū)域，A 足向后邁出。</p><p>　　圖5-28 步態(tài)五：A 足著地后，D 足移動(dòng)到了限制位置，重心在ABD 區(qū)域，C 足向后邁出。C 足著地后，機(jī)器人回到了初始狀態(tài)，完成了一個(gè)左轉(zhuǎn)周期。</p><p>　　5.3.2 右轉(zhuǎn)：（左前足為A，左后足

104、為C，右前足為B，右后足為D）</p><p>　　圖5-29 步態(tài)一：修正重心前移后的步態(tài)</p><p>　　圖5-30 步態(tài)二：讓右邊的足B、D向前蹬地，重心在BCD 區(qū)域，向前邁進(jìn)C足。</p><p>　　圖5-31 步態(tài)三：C 足著地后，重心在ACD 區(qū)域，D足繼續(xù)前蹬，C足后蹬，A足向前邁出。</p><p>　　圖5-32

105、步態(tài)四：當(dāng)A足著地后，D足移動(dòng)到了限制位置，重心在ACD 區(qū)域，B 足向后邁出。</p><p>　　圖5-33 步態(tài)五：步態(tài)五：B足著地后，C足移動(dòng)到了限制位置，重心在ABC 區(qū)域，D足向后邁出D足著地后，機(jī)器人回到了初始狀態(tài)，完成了一個(gè)右轉(zhuǎn)周期。</p><p>　　5.3.3 左轉(zhuǎn)（前足為A，左后足為C，右前足為B，右后足為D）</p><p>　　圖5-34

106、 步態(tài)一：，把重心前一步的步態(tài)做一下調(diào)整，讓A 向前伸出，C 不要直接運(yùn)動(dòng)到最后方。這是為了讓前進(jìn)步態(tài)周期能夠完美閉合而進(jìn)行的修訂。</p><p>　　圖5-35 步態(tài)二：重心在ABC 區(qū)域內(nèi)，讓D 足向前邁出，同時(shí)，A、C 足向后蹬。</p><p>　　圖5-36 步態(tài)三：D 足著地后，B 足向前邁出，在B足著地之前機(jī)器人有3 個(gè)足著地，這時(shí)讓D 后蹬。在重心脫離ACD 區(qū)域前讓B

107、足著地，與D 足一起后蹬，一旦重心落入ABD 區(qū)域，馬上讓C 足向前邁出。</p><p>　　圖5-37 步態(tài)四：在C 足著地前，D 足已經(jīng)后蹬到了規(guī)定位置。C 落地后開始后蹬，并向前邁</p><p>　　出A 足，這時(shí)B 足后蹬結(jié)束</p><p>　　圖5-38 步態(tài)五：A 足著地后后蹬，這時(shí)向前邁出D 足，完成一個(gè)前向運(yùn)動(dòng)流程。</p>&l

108、t;p>　　會(huì)追光的四足步行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)過程需要注意的事項(xiàng)：</p><p>　　在整個(gè)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)過程中，最好是使用軟件中的“調(diào)試”功能，這樣就能很清晰的知道程序運(yùn)行的流程是什么樣的，問題出在哪里。在不同版本的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)下，但是最好是在XP系統(tǒng)下運(yùn)行，因?yàn)閄P系統(tǒng)的自我保護(hù)的級(jí)別是最低的。最好不要選用vista系統(tǒng)，因?yàn)関ista系統(tǒng)中注冊表信息不能更改。 總 結(jié)</p><p>　　

109、大學(xué)整整四年的學(xué)習(xí)生活，讓我感觸很深。在大學(xué)的整個(gè)學(xué)習(xí)過程中，畢業(yè)設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的課題，是我們步入社會(huì)參與實(shí)際工程建設(shè)的一次極好的演示，很好的鍛煉了我們的實(shí)際操作能力，通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我深深的體會(huì)到，畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)于我們大學(xué)生是受益匪淺，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，我們不僅僅加深了理論上的知識(shí)積累，更重要的是知道怎樣培養(yǎng)了我們將理論用于實(shí)踐的能力。</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的課題是《會(huì)追光的四足步行機(jī)器人》，從會(huì)追光的四

110、足步行機(jī)器人理論的學(xué)習(xí)再到機(jī)器人的搭建，再到最后調(diào)試和不斷的實(shí)驗(yàn)，我對(duì)會(huì)追光的四足步行機(jī)器人的原理一點(diǎn)一點(diǎn)的加深，對(duì)應(yīng)用Northstar軟件模塊化編程的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用也不斷進(jìn)步，而且在整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中，不僅僅知道了怎樣發(fā)現(xiàn)問題，還學(xué)會(huì)了怎么分析問題，解決問題，最后得出問題出現(xiàn)的原因，讓我影響最深的是一定要注意細(xì)節(jié)，并且要對(duì)設(shè)計(jì)的會(huì)追光的四足步行機(jī)器人有一個(gè)深刻的了解和認(rèn)知，這對(duì)于我將來的學(xué)習(xí)和工作都是非常有益處的，這也正是畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)于畢

111、業(yè)生重要意義的所在，所以在以后的學(xué)習(xí)和工作中，我會(huì)記住這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，時(shí)刻提醒自己，認(rèn)真對(duì)待每一個(gè)細(xì)節(jié)，好好的對(duì)待學(xué)習(xí)和工作上的每一件小事，不斷完善自己，努力提升自己的綜合素質(zhì)。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我要特別謝謝我的指導(dǎo)老師盛孟剛老師。在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中，老師經(jīng)常給我提供及時(shí)有效的幫助，因?yàn)槠鞑氖莿e

112、人幫我領(lǐng)的，所以少了一些器材，老師及時(shí)給我聯(lián)系相關(guān)老師，事后還特意的電話問我還有什么問題或困難。老師在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中提供了非常及時(shí)有效的指導(dǎo)，讓我盡快的熟悉我要設(shè)計(jì)的課題。在實(shí)驗(yàn)過程中老師給我的引導(dǎo)和指導(dǎo)都對(duì)我的畢業(yè)設(shè)計(jì)有很大的激勵(lì)作用，盛老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、求實(shí)的工作作風(fēng)、樸實(shí)的人生品格及親切和藹的態(tài)度時(shí)時(shí)熏陶著我，使我受益非淺，并且盛老師樂于幫助學(xué)生的友善和學(xué)習(xí)工作的務(wù)實(shí)也是值得我好好學(xué)習(xí)的。在畢業(yè)設(shè)計(jì)完成之際，對(duì)盛老師的無私

113、幫助深表謝意，感謝盛老師的辛勤培養(yǎng)！</p><p>　　同時(shí)感謝湘潭大學(xué)、信息工程學(xué)院為我提供的優(yōu)越的學(xué)習(xí)環(huán)境，正是有了這些基本的保障，我才能在大學(xué)中學(xué)到這么多有用的知識(shí)。</p><p>　　我還要感謝含辛茹苦撫養(yǎng)我長大的父母，以及一直以來關(guān)心和鼓勵(lì)我的所有親人和朋友，是他們的支持和鼓勵(lì)使我專心完成自己的學(xué)業(yè)！</p><p>　　最后向參加論文審閱、答辯的專家

114、和老師表示由衷的感謝并致以崇高的敬意！ </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1]彭文生等主編.機(jī)械設(shè)計(jì).第 2 版.武漢：華中理工大學(xué)出版社，2000． </p><p>　　[2].郭巧主編.現(xiàn)代機(jī)器人學(xué).北京：北京理工大學(xué)出版社，1999 年 7 月 </p><p>　　[3].劉

115、興良主編.機(jī)器人基礎(chǔ)知識(shí).北京：新時(shí)代出版社， 1986 年 8 月 </p><p>　　[4].熊有倫等編著.機(jī)器人學(xué). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993 年 10 月 </p><p>　　[5].合田周平 木下源一郎 著.機(jī)器人技術(shù). 北京：科學(xué)出版社，1983 年 12 月 </p><p>　　[6].吳芳美主編.機(jī)器人控制基礎(chǔ). 石家莊：中國鐵道出版社，