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1、北京理工大学珠海学院2020届本科生毕业设计仿蜥蜴机器人设计与制作控制部分设计 控制部分设计摘 要仿生技术出现至今已有数十载，而仿生学是应用生物学领域的一门分支学科，软硬件的相互结合赋予了机器人另一种形式的“生命力”。本次毕业设计是通过研究蜥蜴的外形和运动姿态所设计与制作的仿蜥蜴机器人。根据步态分析和自由度的计算，设计结构外形和基本运动姿态，通过电路设计和程序写入去控制各运动副的关节运动，并且通过仿真优化和上位机的调试优化得到能满足运动要求的仿蜥蜴机器人。关键词：仿生技术，电路设计，优化，关节运动Design and manufacture of lizard - like quadruped
2、 robotControl system designAbstractIt has been decades since the advent of bionic technology, and bionics is a branch discipline in the field of applied biology. The combination of software and hardware endows robots with another form of vitality. This graduation project is a lizard robot designed a
3、nd made by studying the appearance and movement of lizards. According to the analysis of gait and the calculation of degree of freedom, the design of the structure shape and the basic motion posture, through the circuit design and program writing to control the joint motion of each motion pair, and
4、through the simulation optimization and the upper computer debugging optimization can meet the motion requirements of the lizard robot.Key words: bionic technology, circuit design, optimization, joint motion目录1绪论11.1研究仿生蜥蜴机器人的现实意义和目的11.2国内外的发展状况对于仿生蜥蜴机器人12仿生蜥蜴机器人步态设计42.1行走原理42.2 自由度计算42.3步态分析53硬件模块介
5、绍73.1硬件选用73.2 硬件系统框图73.3舵机选型83.4微处理器选型93.5舵机控制板选型123.6电源选型153.7超声波测距模块选型153.8 硬件系统电路设计164开发软件介绍174.1 Arduino IDE174.1.1 Arduino IDE软件介绍174.1.2 Arduino IDE界面展示184.1.3 Arduino IDE数据类型204.2 Lobot Servo Control204.3 Solidworks214.4 ALTIUM DESIGNER225控制系统软件设计245.1软件系统设计基本流程框图245.2运动组软件设计265.2.1运动组方案设计265
6、.2.2 舵机偏差调整265.3动作组各参数275.3.1 前进275.3.2 后退285.3.3 转向295.4 程序代码305.4.1 程序结构流程图305.4.2 程序代码336调试过程386.1 16路PWM舵机驱动板从机内部资源386.2 Arduino主机内部资源396.2.1超声波测距模块396.3 整体运行调试40总结41参考文献42谢辞43附录44附录一.程序完整代码44附录二.电路原理图501绪论1.1研究仿生蜥蜴机器人的现实意义和目的代替人类在各种复杂和未知的工作环境中工作，国际社会对此表示赞成的声音越来越多，例如深海勘测，核辐射影响地区，对于恐怖组织所在地区，太阳系和各
7、遥远星系人类所不可及之处。往小的方面说，需要机器人解放人类的劳动力，提高工作效率，例如负重搬运，运送物资，工厂生产，交通维护等都可以使用机器人代替人类社会工作。而四足机器人相比于两足机器人而言，具有更强的稳定性和良好的机动性，而相对于六足机器人而言，在构建和维护上又比六足更简单。而制作一台机器人的最终目的就是让它应用在我们的生活之中，模拟爬行动物的运动特征，通过机械结构和算法程序赋予其“生命”，使其能服务于人类社会，譬如赋予蜥蜴机器人自动避障和行走功能，便能使其具有基本避障神经元系统和运动特性，再赋予其图像识别和资料上传功能，便又具有勘测和记录的功能，我们可以根据所需要完成的目标而赋予其基本功
8、能，所以研究仿生蜥蜴机器人的潜力十分巨大。1.2国内外的发展状况对于仿生蜥蜴机器人仿蜥蜴机器人的运动机构可以根据运动方式分为：传统的履带运动机器人，多足型传动机器人，多轮型传动机器人还有仿蛇爬形机器人，还包括近几年出现的水栖仿生机器人与多翼式仿生飞行机器人，未来可能出现的也许有喷射式机器人和磁力式机器人，或许还会出现打破传统力学机构的量子机器人和反重力机器人，这都是更高级的运动方式结构，而我们目前研究最多的方向还是在传统足式机器人，轮式机器人和履带机器人。第一个探索发展阶段是原始探索时期，此阶段通过对生物的物理外形和生物原型进行原始模仿，就比如飞机，原始的飞行器，通过模仿鸟类而制造，而且该阶段
9、主要驱动力还是原始人力。直至科技不断发展，驱动系统装置不断更新换代和计算机技术的问世，从而进入第二个阶段在 2O世纪中后期， 第二个阶段主要是利用机电系统结合，通过编写控制程序实现生物功能例如行走，跳跃和爬行等。这是属于宏观上的仿生，不仅仅是仿形态而且也是仿行态，并实现较多的人为操控。快速的科技革新，使得人们进入了21世纪，人们开始从传统物理学和摩尔公式中继续摸索机器人的下一阶段-第三阶段。在第三阶段中，通过对生物的不断深入研究和发现，生命机理的不断突破进展而进入了能将机械的结构跟生物体之间的部分特性进行巧妙融合，机械技术也在不断发展结合生物科学，这时候的计算机技术也在革新，当这三者巧妙的融合
10、之后，仿生机器体也开始步入下一个发展阶段第四个阶段。机械结构和生物性能进行部分的融合，亦如传统的机械结构与仿生材料之间的融合以及仿生驱动运动。随着对生物机理认识的不断发展，和计算机技术的不断革新，仿生机器人也往着下一阶段第四阶段发展。第四阶段是属于机械结构与生命形式进行融合的类生命形态（传统意义上不算是生命），以科技赋予传统的机械体生物的部分特征与仿生形态，通过技术嵌入自主学习与思考能力，自我认知，还有运动姿态的生命特征，更与生物本身模仿更进一步，也随着人类对生命思维和意识还有神经系统神经元的不断深入。人类对机器人研究的不断探索如下图1-1所示 。 图1-1 机器人研究发展趋势目前所能了解到的
11、仿生蜥蜴机器人相对而言数量十分有限，这个研究对象对于国际社会而言并不是热门选择。通过网上查阅资料可以依稀发现有研究这方面课题的科研项目，他们所研究的仿生蜥蜴机器人结构如下图1-2，图1-3，图1-4所示。图1-2 仿生蜥蜴机器人A图1-3仿生蜥蜴机器人B图1-4 仿生蜥蜴机器人C生物，物理，机械的结合和仿生神经元系统控制成为科学家们研究的前沿方向。2仿生蜥蜴机器人步态设计2.1行走原理根据研究蜥蜴的爬行机制，骨骼之间驱动力的相互传导，还有关节的自由度，设计了一个以八自由度为运动关节，其中分为两只前肢和两只后肢，前后肢的机理都是相同的，每一条肢体都分配了三个自由度，分别是肩膀和手肘和手腕，胯和膝
12、盖和脚踝这两种位置。需要实现的基本运动功能为：“前进”，“后退”，“左转”，“右转”。根据研究蜥蜴的运动形态，如图2-1所示。图2-1蜥蜴的运动形态2.2 自由度计算 在对其进行自由度的计算，仿生蜥蜴机器人都是空间移动，但传统的自由度计算公式繁多，每个公式对应的情况都各不相同，每个公式也都有一定的缺陷和局限性，对于此仿生蜥蜴机器人而言，综合考量后觉得使用目前最常用的自由度计算公式会比较合适，此计算自由度的公式是由1943年间，原苏联的科学院通讯院士陀勃罗弗尔斯基，由约束理论为根基所建立的一种具有一个统一的平面，空间机构的自由度公式：5：（式2-1）其中，式子中的m代表各个运动机构在运动过程中受
13、到的共同的约束数量，式子中的n代表活动的杆体数额，而k为运动副级别的数量值。 通过对传统的计算公式简化，可以得到一个新等式： （式2-2）式中，P为机构各级别运动副的总数，为多余的自由度，N是空间封闭的闭环数。可以通过计算代入参数得出PX=3，=0，所以N=0，因此不构成封闭环，所以得出以下算式：W=3-0-3*0=3（式2-3）再通过计算，总自由度=每只脚的自由度*脚的数量=12； 所以该仿生蜥蜴机器人的总自由度是12.如图2-2所示单独观察单条腿的3自由度运动结构机理：图2-2单条腿自由度的三维结构图 2.3步态分析运动方式根据研究运动中的占空比以区分而分成3种：行走时（=0.75）,加速
14、走动时（0.5=0.75），跑步时（0.5）。其中，步行时是属于稳定步态，加速走动还有跑步运动时都是属于非稳定步态，仿生蜥蜴机器人在稳定步态过程中，运动的任意时刻要有三条节肢与地面接触以支撑身体平衡，且机体需要在稳定占空比区间里做出调整，以使重心落在三足的支撑点构成的稳定区间内。当稳定度达到一个相对值时候，仿蜥蜴机器人行走的速度也达到相对值时，这时运动运动损失的能量越少而得到运动步态越合适。仿蜥蜴机器人运动步态运动一个周期的时间可以细分为迈腿损失时间和调整重心损失时间，仿蜥蜴机器人运动的速度跟跨度值的大小有关，也与重心所在落点位置还有运动时间有关，当迈腿的时间变小时运动步态便越合适。当稳定阈值
15、不变时，运动需要调整的重心改变值越小得出的步态运动效率会越高，而运动损失的能量跟运动周期中重心的偏移程度相关。本次设计选用的是三角步态法，前进时让前肢左，后肢左和后肢右，与前肢右，后肢左和后肢所分别构成的三角形区域交叉进行，使重心落于其中，而后退时是让前肢左，前肢右和后肢左，与前肢左，前肢右和后肢右所分别构成的三角形区域交叉进行，使重心落于其中。机器人便能稳定运行。3硬件选型与电路设计3.1硬件选用12个MG90S舵机，各3D打印零部件，Arduino UNO R3，杜邦线若干，1个面包板。1个HC-SR04超声波测距模块，1个16路PWM舵机控制板。3.2 硬件系统框图设计与制作整个硬件电路系统，首先需要设计好硬件电路的系统框图，而硬件系统框图如图3-1所示。6V电源输入
