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1、基于STM32的六足仿生机器人设计辅助结构设计与运动仿真分析摘 要六足仿生机器人（Hexapod Robot），又叫蜘蛛机器人，是足式机器人的一种。因其特殊的结构和运动方式，让六足仿生机器人在复杂地形环境中依旧有着良好的平稳性。在各个领域中有着广泛的应用前景。本文的主要内容是对六足仿生机器人的运动学分析，解析出其运动学方程。并就运动学方程对六足仿生机器人的步行足运动空间进行分析。再使用Matlab的机器人工具箱（Robotics Toolbox）和遗传算法进行步行足的运动轨迹规划。最终在Adams中进行整体的运动仿真分析，以检验机器人的结构以及运动的实际效果。且对六足仿生机器的防滑和测距这两项
2、辅助结构进行设计。关键词：足式机器人；运动学仿真；辅助结构设计Design of hexapod bionic robot based on stm32Auxiliary structural design and dynamic simulation analysisAbstractA Hexapod Robot, also known as a spider Robot, is a type of foot Robot.Due to its special structure and movement mode, the hexapod bionic robot still has goo
3、d stability in the complex terrain environment.It has wide application prospect in various fields.The main content of this paper is to analyze the kinematics of the hexapod bionic robot and get its kinematic equation.The kinematic equation is used to analyze the walking space of hexapod bionic robot
4、.Then, Robotics Toolbox and genetic algorithm based on Matlab software were used to plan the trajectory of walking feet.Finally, the overall motion simulation analysis was carried out in Adams to verify the structure of the robot and the actual effect of motion.The two auxiliary structures of the si
5、x - legged bionic machine are designed.Keywords: foot robot; kinematics simulation; auxiliary structure design目录1 绪论1.1 六足仿生机器人研究背景及研究意义 11.2 仿生机器人的意义 11.3 国内外关于六足仿生机器人的研究状况 21.4 本文主要研究内容 32 六足仿生机器人的运动分析2.1 机体坐标系到足坐标系的建立 42.2 步行足的运动分析 42.3.1 步行足的建模 62.3.2 步行足的正逆解 72.3.3 步行足的运动空间云图 93 基于遗传算法的步行足轨迹规划3
6、.1 轨迹规划的重要意义 113.2 与Robotics Toolbox轨迹规划的对比 113.3 基于遗传算法的轨迹规划的基本步骤 123.4 生成初始族群 123.5 解码与初次筛选 123.6 验证 133.7 选择 143.8 交叉变异 153.9 最优解的筛选 163.10 最终结果的分析 164 基于ADAMS的仿真分析4.1 Adams中机器人的建模 184.2 关于驱动函数的编写 184.3 仿真的分析与结论 195 六足仿生机器人辅助结构的设计5.1 足部防滑设计 225.2 足部到地距离传感器 226 总结与展望6.1 全文总结 246.2 展望 24参考文献 26谢辞 2
7、71 绪论1.1 六足仿生机器人研究背景及研究意义近年来机器人的热度不断的提高，吸引着各行各业的关注。其背后显现出的是人们对先进生产力的需求，随着工业化的推进，各种各样的机器人加入我们的生产生活之中，给我们带来了便利。这些种类繁多的机器人，按照运动方式可以将其划分为轮式、履带式以及足式三类。其中以轮式、履带式为运动方式的机器人对运行环境有一定要求，像是野外这样的复杂地形环境中就不便开展作业。而足式机器人在此类环境中有着良好的适应能力，其中的一个原因可以归结于设计足类机器人时我们模仿了自然界中一些已有的结构来进行仿生设计，这些结构在自然界的残酷筛选中已经验证了其可行性，此时借用于机器人上自然是一
8、个不错的方案。正是这样的优势让足式机器人在复杂环境下有其他两类机器人不具备的强适应性。让足式机器人可以代替人类进行危险、复杂的任务。仿生足式机器人可以应用于在复杂地形中的物资运输、巡逻警戒，还可用于军事侦查、地形勘探、玩具娱乐、智能教育等领域，有着广阔的发展应用前景。1.2 仿生机器人的意义“仿生学”这一词于 1960 年在第一届仿生学会议上被提了出来，并通过长久的发展，仿生学与各个学科融合发展成为了一门新兴的学科。仿生学顾名思义就是模仿自然界中已存在的生物进行设计的一门学问。其中机械可以说是与仿生学最早融合的，早先人们通过模仿自然界中的各式结构来制造他们的工具以提高生产效率。除了简单的模仿，
9、仿生设计还可以给我们许多解决问题的方案。当我们为某个方案而苦苦思索时，说不定在自然界中早已有一种方案已经通过千百年的考验和完善只待我们发现。这种自然界给出的方案无疑大大减轻了人们的设计负担，我们只需要分析学习它即可得到一个完美天成的设计。通过仿生设计所设计出来的机器人，大多都有其独到之处，或是高精度，或是高可靠性，或是高灵活性等等。综合来说仿生机器人是我们人类对大自然的一种模仿学习，是将自然选择所筛选出来的优秀“设计”融如自身的过程。在六足仿生机器人中，我们就是仿照了自然界中一些昆虫的结构和运动原理。像是六足结构，我们便是仿照自然界中“六足纲” 昆虫的结构设计。这些昆虫一般有三对足，对应六足机
10、器人的前、中、后三对足。每个足上我们都仿照昆虫足上的基节、转节、腿节、胫节、跗节和前跗节的结构设计机器人的各个关节，使得六足机器人对环境的适应能力优于其他机器人。在行动步态方面也仿照了昆虫的三角步态，我们将六足分为两组，一为支持足，一为步行足。在行进过程中两组足部相互交替，每次行进都是三足悬空、三足接地，以三角形支架结构交替前行。让重心保持在三角形中，使得六足机器人在行进中有着良好的稳定性。1.3 国内外关于六足仿生机器人的研究状况随着人类科学技术的发展，人们对未知的探索越发热切，探索范围越来越大、越来越深。期间充满危机，科技的快速发展也难以护得探索者周全。这时代替人类担任探索任务的机器人应运
11、而生。为了探索外星地貌，人类需要一种适应复杂地形环境的机器人。就这一目标美国于1980年起便开始了对六足机器人的研究，后来推出了Genghis、Hannibal（图1、图2）等六足机器人。 图1 Hannibal 图2 Genghis1995年前后Rockwell公司还研发了用以河道排雷的六足机器人ALUV（图3），在设计时仿照了螃蟹的结构，且该机器人还可水陆两用，显示出了六足机器人对环境适应性强的特点。到了二十一世纪NASA因为勘探的需求，加大了在六足机器人的研发。作为收获，NASA在2002年和2005年前后推出微型仿生蜘蛛机器人和Lemur系列（图4）。其中Lemur 系列已经可以应用于
12、外太空的勘探和协助宇航员进行空间站的维修建设任务。 图3 ALUV 图4 Lemur国内的六足机器人的研究大概在上世纪八十年代末，由清华大学、燕山大学、北京航空航天大学、上海交通大学、哈尔滨工程大学、沈阳自动化研究所、哈尔滨工业大学等大学机构进行了有关的研究。中国科学院沈阳自动化研究所与光机所于 1989 年 3 月共同研制了海蟹号六足步行机器人。华中科技大学研制的“4+2”步行机器人。1还有Vincross 人工智能科技公司于2017年研发的HEXA（图5），它的头部可360转动，可朝任意方向前进，可以1.2km/h的速度行进，可攀爬15cm高的障碍物，可适应各种复杂地形，可通过手机进行可视
13、化操作，可进行二次编程开发等等功能。 图5 HEXA1.4 本文主要研究内容本文主要内容是六足仿生机器人的仿真分析以及辅助结构的设计。对于六足仿生机器人的仿真分析将会从其运动学的数学模型入手，主要分析步行足在行进过程中足端的位移情况。并且分析足端的可达工作空间，为步行足的轨迹规划提供参考。建立步行足的数学模型后再利用Matlab中的机器人工具箱（Robotics Toolbox）求解步行足的运动学正逆解，并且利用工具箱对步行足进行初步的轨迹规划。后通过遗传算法进一步得到更加精确、合理的最优时间解，以完成最终的轨迹规划。完成上述工作后就在Adams中对机器人整体进行仿真分析，用以验证机器人的结构是否合理，运动是否达到规划的目标。最后再对六足仿生机器人的防滑结构、测距结构这两项辅助功能模块进行设计。2 六足仿生机器人的运动分析2.1 机体坐标系到足坐标系的建立运动学分析在研究六足仿生机器人中有着重要的地位，它是后面进行步态规划、运动控制以及仿真的基础。而要进行运动学
