基于AVR微控制器的仿生六足机器人研究

论文摘要

随着社会的进步和科技的发展,机器人产品开始进入到生产过程和日常生活中,各种类型的机器人在特定的工作环境下发挥着越来越重要的作用。但是目前对于移动式机器人多采用轮式移动机构,在适应复杂地形时无法满足路况的要求,由此设计一种灵活的、行走平稳和对路况适应性强的机器人成为解决此类问题的关键。本文研究的六足仿生机器人是结合了仿生学原理和机器人技术而设计的一种多足微型机器人。根据昆虫运动时采用的三角步态走法设计了机器人的腿部五连杆行走机构,并对其进行了占空比、稳定性、转弯状态等分析。硬件控制芯片采用Atmel公司生产的AVR系列微控制器ATmega8515L,通过对其端口设计,配备相应的外围电路,由程序来控制机器人的动作。本论文设计的机器人具有自主行走和避障功能。安装在机器人前端的红外传感器探测前方的环境,如果没有障碍物就直达目标点;如果有障碍物就进行避障,通过路径选择最终到达目标点,无法避障时执行急停命令。红外传感器将探测信号传递到微控制器芯片中,控制程序确定下一步行动的方向,安装在机器人两侧的直流伺服电机实施转弯及急停。两个直流电机的启停或速率改变决定机器人转动的方向。最后由安装在直流电机上的机器人腿部五连杆机构执行转弯行为。机器人采用模糊控制和虚拟力场相结合的控制算法。虚拟力场法将机器人前方目标点和障碍物产生的引力和斥力经过计算后,产生的合力方向决定机器人的行走路径。在利用人工势场法获得障碍物的信息后,机器人通过对障碍物之间的距离和角度差论域的模糊化确定机器人控制输出的模糊规则表,再由模糊查表程序实现机器人下一步的动作。最后通过CodeVisionAVR编译环境编译调试了机器人避障程序。实验结果证明运行良好,可以实现机器人的避障等功能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 仿生学
• 1.3 机器人的定义与分类
• 1.3.1 机器人的定义
• 1.3.2 机器人的分类
• 1.4 课题的研究现状
• 1.4.1 国外研究动态
• 1.4.2 国内机器人研究动态
• 1.5 仿生六足机器人的特点
• 1.6 课题研究的主要内容
• 第二章 三角步态与机器人腿部执行机构的设计
• 2.1 三角步态走法
• 2.1.1 步态的基本概念
• 2.1.2 步态的相关术语与参数
• 2.1.3 三角步态
• 2.2 六足机器人腿部执行机构设计
• 2.2.1 五连杆机构设计
• 2.2.2 五连杆运动的轨迹分析
• 2.2.3 六足机器人的总体结构
• 2.3 六足机器人行走相关参数分析
• 2.3.1 占空系数分析
• 2.3.2 行走稳定性分析
• 2.3.3 转弯状态分析
• 2.3.4 转弯半径分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 机器人的硬件系统设计
• 3.1 控制模块
• 3.1.1 控制芯片的选取
• 3.1.2 ATmega8515L 的特性与引脚功能
• 3.2 电源管理模块
• 3.2.1 系统的两种工作状态
• 3.2.2 线性压差电源芯片选择
• 3.2.3 电源电路设计
• 3.3 红外避障模块
• 3.3.1 红外传感器的工作原理
• 3.3.2 红外线传感器的使用
• 3.3.3 基于反射光强度检测的红外避障传感器电路
• 3.4 电机驱动模块
• 3.4.1 微型伺服直流电机的工作原理
• 3.4.2 微型伺服直流电机内部结构
• 3.4.3 电机驱动电路
• 3.4.4 机器人转向控制
• 3.5 数据存储模块
• 3.5.1 存储芯片的选择
• 3.5.2 AT24C64 芯片简介
• 3.5.3 微控制器与AT24C64 芯片接口电路
• 3.6 串口通讯模块
• 3.6.1 MAX232 芯片简介
• 3.6.2 串口通讯电路设计
• 3.7 总电路图及车体结构
• 3.8 本章小结
• 第四章 机器人控制方法研究
• 4.1 机器人控制系统的基本结构
• 4.2 机器人控制理论
• 4.2.1 机器人控制中的常用方法
• 4.2.2 机器人控制中的优化算法
• 4.3 虚拟力场算法在机器人控制系统中的运用
• 4.3.1 虚拟力场算法原理
• 4.3.2 机器人运动控制
• 4.4 模糊控制在机器人控制中的运用
• 4.4.1 参数模糊化
• 4.4.2 建立模糊规则表
• 4.4.3 建立模糊控制查询表及去模糊化
• 4.5 本章小结
• 第五章 系统软件设计
• 5.1 机器人软件设计总体方案
• 5.2 系统软件设计
• 5.2.1 系统初始化
• 5.2.2 红外检测模块
• 5.2.3 模糊规则库搜索模块
• 5.2.4 电机测试子程序
• 5.3 软件抗干扰设计
• 5.3.1 软件“看门狗”技术
• 5.3.2 指令冗余
• 5.3.3 软件陷阱设计
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介