仿生机器人设计报告

仿生机器人设计报告（共5篇）

1.仿生机器人设计报告 篇一

仿生双足机器人具有出色的移动性能, 因而对其行走控制的研究成为当今仿生机器人领域中最前沿的问题。采用有线控制方式对机器人的移动性能产生较大约束, 而传统的无线调试方案, 没有可视化界面, 互动性差, 功能单一;电脑作为无线调试终端体积庞大, 不适合携带。因此寻找新的适合于移动机器人的控制终端对于仿生机器人的发展具有重要作用。

近年来Android智能手机广泛普及, 其系统良好的开源性和java语言的可移植性使手机正逐渐发展为众多设备的控制终端。文章就智能手机与仿生机器人的交互式控制原理进行介绍。重点讲解仿生机器人调试平台手机app的研究与设计。

1总体设计方案

本设计方案基于微控制单元 (Microcontroller Unit;MCU) 、Android智能手机和HC-06蓝牙模块进行研究。整体控制流程如图1所示, 手机作为控制终端负责发布指令和接收处理传感器采集的信息, 并通过可视化界面予以显示。手机与仿生机器人之间的信息交互通过安装在单片机上的蓝牙模块和手机自带蓝牙模块进行通讯。

2硬件设计部分

HC-06蓝牙从模块与单片机通过总线驱动器连接。当总线驱动器的T/R端口接地时, 蓝牙从模块发送数据, 机器人接收来自手机终端的指令。此时BTXD端口与单片机BRXD端口连接;当T/R端口为高电平时, HC-06蓝牙从模块作为数据接收端, 手机终端显示单片机反馈的各种数据。此时RXD端口与单片机TXD端口连接。蓝牙模块默认波特率9600波特。模块上电以后绿色指示灯不断闪烁等待主蓝牙模块连接, 建立连接后绿色指示灯变为常亮。

3上位机控制平台设计

Android是基于Linux系统为核心的开源手机操作系统。在集成开发环境Eclipse IDE和Android SDK上利用Java语言开发文章所需的Android应用软件:仿生机器人移动控制平台。软件编写过程中主要用到Android手机系统的活动、服务、广播接收者等组件。

3.1界面设计

为了操作的便捷性, 调试平台主界面设计的比较简洁, 包括蓝牙连接、参数设置、状态查询、控制平台和系统帮助五个进入二级界面的图形按钮。参数设置界面可对仿生机器人的运动参数进行设置。状态查询界面可对仿生机器人的速度、位置和AD值进行实时查询。主界面如图2所示。

通过主控界面下的蓝牙设备连接界面可以进行蓝牙配对。该界面打开后有两个视图列表控件, 一个是曾经配对过的设备, 另一个是对话列表。设备连接界面如图3所示。

3.2手机蓝牙编程

使用蓝牙设备进行通信, 需要完成4个步骤:蓝牙设置、蓝牙配对、蓝牙连接和数据传输。安卓开发中所有涉及蓝牙的活动都要请求Bluetooth Adapter来实现, 蓝牙设备之间的数据传输是通过Socket通道实现, 必须用到蓝牙串口服务的通用唯一识别码UUID。当手机与蓝牙从模块进行连接时, 它将携带一个UUID用来唯一标识它要连接的服务, UUID必须匹配, 连接才会被接受。此外仿生机器人调试平台在调用手机的蓝牙功能时需要权限, 因此要在Android Manifest.xml文件中声明蓝牙允许的使用权限:

3.3指令发送和数据处理

实现数据的发送要对每个button按钮设置监听器, 当触发按钮的时候才能利用建立好的通信信道发送数据。数据的处理与发送都在监听器里的Datachanged () 方法实现;部分程序示例如下:

4结束语

文章介绍了利用蓝牙技术实现手机对机器人的远程控制。克服了传统的遥控技术如红线遥控和调频遥控技术的部分缺点。该控制系统具有移动性强、便携式好、成本低、不依赖网络等特点, 经过测试, 设计的上位机软件能够在android手机终端顺利安装并流畅运行, 可实现对机器人运动的控制和行走状态的实时监控, 该设计还可以进一步完善, 包括增加障碍感应, 摄像功能等。

摘要：文章利用Android智能手机作为上位机, 将带有HC-06蓝牙从模块的MCU作为仿生机器人的遥控信号接受端, 利用蓝牙作为媒介完成对仿生机器人运动的控制。由此实现了以智能手机为依托的新型仿生机器人控制平台的设计。

关键词：Android智能手机,仿生机器人,蓝牙模块

参考文献

[1]Pu Changjiu, Wang Yujun.A method for lateral motion planning on the biped robot.The proceedings of IFITA 2009, 2009, 5.

[2]Bluetooth specifications Version 2.0+EDR.370650.http://www.docin.com/p57455142.html.

[3]蒲昌玖.基于蓝牙的机器人通信控制方法[J].重庆教育学院学报, 2010, 11.

[4]肖爱平, 孙汉旭, 谭月胜.基于蓝牙技术的机器人模块化无线通信设计[J].北京邮电大学学报, 2004, 2.

2.身怀“轻功”的仿生机器人 篇二

近日, 由哈尔滨工业大学化工学院潘钦敏教授率领的研究团队开发出一种可以模仿水黾跳跃能力的仿生微型机器人。这种机器人不仅能够在水上行走, 还可以在水上连续跳跃。这种敏捷跳跃的能力, 可以使其在从事军事侦察、水污染监测或其他任务时越过障碍。

这个可以在水上跳跃的机器人采用了一种新型驱动系统, 包括微型直流电发动机、减速器齿轮装置等。在材料设计上, 机器人的3个支撑腿及2个跳跃腿使用了多孔超疏水 (憎水) 泡沫镍。尽管该机器人自身重量有11克, 相当于1 100只水黾, 但在实验中其每次跳跃高度却有近14厘米, 前进的距离达35厘米, 超过自身长度2倍以上

3.仿生机器人设计报告 篇三

2014年10月,学校安排我培训学生参加Power Tech仿生机器人创新大赛。比赛要求学生用两块小小的薄木板在两个小时内,经过裁切、钻孔、打磨等工序,装上电线、齿轮、马达等电力系统,最终组成两个形态各异的“机械兽”,在不同的赛道上角力、竞速。考虑到不能影响孩子的学业,只能在放学后的时间对他们进行培训。每次培训结束,天已经黑了,孩子们却乐此不疲。

“2014年江苏Power Tech仿生机器人创意大赛”在常州举行,来自全省的92个小学组参赛队、46个中学组参赛队参加了万兽之王竞速、拔河和创意3个单项的比赛。这几个平时让老师们“头痛”的孩子,一看到这么大的场面,也自觉地认真起来。赛前的一个晚上,十点半了,还在背诵我给他们的流程分配表。一个孩子说:“平时,我们背语文课文都没有这么认真,明天一定要拿个好名次。”

随着裁判员一声令下,比赛开始了。各参赛队将面前桌上的工具箱、材料盒打开,经过一番讨论后,两组队员开始分头行动。孩子们开始做得很顺利,但是看到周围其他队伍有做得比他们快的,就开始慌乱起来,一会儿齿轮断了,一会儿腿粘错了,好在队里的那个“慢性子”孩子一个人不慌不忙地组装着,坚持着。时间还剩半个小时,其他几个孩子开始相互配合,一起重新拆装,终于在比赛结束的铃响那一刻完成了任务,并取得了两个特等奖、4个二等奖的好成绩。比赛结束后,有个平时学习不太认真的孩子居然对我说:“老师,这次培训的时间太短了,有很多机器人的运动原理我还没弄懂,您还教我们吗?”我说:“要了解这些物理原理,先要把你的数学学好哟。”他一个劲地点着头:“我知道,我要学好数理化,我将来要当机器人工程师。”

机器人活动是一个失败-总结-再失败-再总结,最终走向成功的过程。在这个过程中,孩子们总是在不停地吸取教训、弥补自己的不足,思考和实践能力不断获得提高。孩子们相互间的合作交流和互助学习不仅让他们的知识更加丰富,更使他们学会了与人交流、相处,使他们的情感价值观得到提升。

4.仿生机器人设计报告 篇四

微型机器人能进入人类和宏观机器人所不能及的空间内进行检修、装配、运输等作业,具有广阔的应用前景。开展仿生微型机器人的运动机理、控制原理、驱动能源等方面的研究,开发不同驱动机理、不同结构的仿生微型机器人具有重要意义。

尺蠖是一种以屈伸步态移动的软体动物。本文根据SMA驱动方式的特点提出并设计了一种新型偏动式双程SMA微型驱动器,以此驱动器为基础研发出了一种新型尺蠖式仿生微型机器人,在该机器人中首次提出用四杆机构与SMA弹簧构成一种靠交替摩擦自锁方式行走的新型腿来替代关节型腿,这种四杆机构腿能有效改变微型驱动器输出力方向,也能通过改变其各杆的比例来改变步幅的大小。在我们所能查阅的资料和所掌握的综合行业信息中,尚没发现与本文结构相同的SMA尺蠖机器人,特别是没发现用四杆机构作为行走腿的微型机器人。

1 机器人基本结构和运动机理

微型机器人结构见图1[1],用矩形截面的60Si2Mn弹性弧杆做偏置元件,它与SMA主驱动弹簧构成偏动式双程SMA微型驱动器。SMA主弹簧在通电加热过程中收缩,当SMA弹簧变为奥氏体状态时屈服应力最大,驱动器处于高温力平衡态。SMA主弹簧在断电冷却过程中复原,弹性弧杆提供回复力,SMA主弹簧变为马氏体状态时屈服应力最小。表1列出了该机器人一个运动周期内各元件的加热时序[1],其中,A表示加热状态,B表示保温状态,C表示冷却状态。

驱动器及各弹簧的运动规律与周期见图2[1]。图2的原点表示SMA弹簧9开始加热;t1表示SMA弹簧9加热完成并保温,此时主驱动SMA弹簧6开始加热;t2表示SMA弹簧6加热完成并保温,此时SMA弹簧2开始加热,SMA弹簧9开始冷却;t3表示SMA弹簧2加热完成并保温;t4表示SMA弹簧9冷却完成,此时SMA簧6开始冷却;t5表示SMA弹簧6冷却完成,此时SMA弹簧2开始冷却;t7表示SMA弹簧2冷却完成。在t6时刻再次加热SMA弹簧9,开始下一个运动周期。l2和l3分别表示普通弹簧7和SMA弹簧9的输出位移,l1和l4分别表示普通弹簧4和SMA弹簧2的输出位移,l5表示SMA弹簧6和弹性杆弧5的输出位移。

1.主驱动(SMA)弹簧6的变化规律 2.前脚上驱动(SMA) 弹簧9的变化 3.前脚上复位(普通)弹簧7的变化规律 4.后脚上驱动(SMA)弹簧2的变化规律 5.后脚上复位 (普通)弹簧4的变化规律

2 主要部件的结构及工作原理

2.1 机械手结构及工作原理

文献[2]研究了一种悬臂梁式电热微机械手,本文对其改进后的基本结构及尺寸见图3。

微机械手由两个夹持臂构成,每个夹持臂包括由三根平行的矩形变截面硅梁构成的驱动臂,其顶端由连接梁相连,末端为硅基板。给不同的硅梁通电可实现通电张开或通电闭合的双向夹持运动。扩展臂依据具体夹持对象设计成相适应的形状。把原型的单硅基板改为两个上下平行硅基板结构,给不同的硅基板通电可实现机械手的上下摆动。文献[2]中,三个平行梁是等截面梁,硅基底板为实心基板。本文在每个梁的体积和质量均不变的前提下,将驱动臂改为三个不等截面但轴线相互平行的三平行梁结构,改善了驱动臂的受力条件,并使驱动臂重心向基板方向偏移。在基板质量不变的前提下,调整结构尺寸将实心硅基底板改为空心基板,提高硅基板的刚度。

2.2 四杆机构结构和工作原理[1]

图4所示为前刚性脚上四杆机构。普通弹簧CF与常温的SMA脚弹簧CE保持平衡,使四杆机构为原始态。CE弹簧加热收缩时克服CF弹簧阻力驱动四杆机构运动;CE弹簧冷却时拉力逐渐减小,在CF弹簧作用下四杆机构逐渐回复原始态。杆AC与刚性脚FE的初始夹角为75°,在CE弹簧拉力作用下先逆时针转18°使CD杆触地,再继续转57°将刚性脚FE抬起约0.83mm。在三角形ACE中,∠CAE=105°,由图4所示关系和余弦定理得

$CE=\sqrt{AC{}^2+AE{}^2-2AC\cdot AE\text{c}\text{o}\text{s}\angle CAE}$ (1)

当杆AC的转角达到θ=75°时,∠C″AE=30°,由余弦定理可求C″E长度。因此,可以求出SMA脚弹簧CE的原始长度和被加热相变后的变形量。

后刚性脚上四杆机构在驱动器处于伸展状态时工作,因此,后刚性脚上四杆机构某些杆长和夹角不同于前脚,如图5所示。后脚上杆AC与刚性脚的初始夹角为60°,在SMA脚弹簧CE加热收缩拉力作用下逆时针旋转75°后将刚性脚抬起0.83mm。可见,后脚上杆CD触地时与地面的倾角小于前脚上杆CD触地时与地面的倾角,保证了后脚上的四杆机构有一定的传动角而机构自身不会发生传动自锁。

(a)四连杆自锁机构 (b)四连杆运动状态

3 机器人运动的摩擦自锁分析[1]

3.1 驱动器收缩过程受力分析

收缩过程如图6、图7所示。图7中,G为机器人重力;N为法向反作用力。用T1、T2表示前后脚阻力;f1、f2表示前后脚摩擦力。SMA弹簧6加热,由马氏体向奥氏体转变而收缩,驱动力FSMA渐增,FSMA与Ti(i=1,2)的垂直分量很小而水平分量大,摩擦力fi(i=1,2)小。当FSMA水平分量大于Ti水平分量及摩擦力fi时,前脚沿地面左滑移而后脚沿地面右滑移。驱动条件为

FSMAcos α>fi+Ticos βi i=1,2 (2)

式中,α为SMA主弹簧作用力与水平面夹角;β为弹性弧杆作用力与水平面夹角。

(a)后脚组件受力 (b)前脚组件受力

SMA弹簧6加热时,前脚SMA弹簧CE也加热收缩,克服普通弹簧CF阻力驱动四杆机构,CD杆触地后使前脚抬起,此时后脚四杆机构不动。随着α和β的增大,FSMA与Ti的水平分量减小而垂直分量增大,CD杆摩擦阻力f1增大而后脚摩擦阻力f2减小。当f1增至使CD杆绕其触地点转动而不向左滑移时,后脚在FSMA水平分量作用下克服f2力继续向右滑。CD杆自锁条件为

FSMAcos α≤T1cos β1+f1 (3)

3.2 驱动器舒张过程受力分析

舒张过程如图8、图9所示。SMA弹簧6冷却,由奥氏体向马氏体转变舒张,驱动力FSMA渐减。前脚SMA弹簧CE冷却使其CD杆抬起而前脚触地,此时后脚SMA弹簧CE被加热驱动四连杆,其CD杆触地使后脚抬起。舒张初期弹性弧杆5回复力T4与FSMA的垂直分量增大,当摩擦力f4增至使CD杆摩擦自锁时,CD杆绕触地点转动而不向左滑,受力状态为

fSMAcos α+f4≥T4cos β4 (4)

此时前脚摩擦力f3减小,在T3水平分量作用下前脚向右滑移。舒张后期α角减小,后脚CD杆摩擦自锁条件被破坏,前后脚同时舒展,但后脚向左滑移的距离小于前脚向右滑移的距离,此时机器人整体仍是前进运动。

上述两个过程的四个滑动摩擦力可表示为

$f{}_i=\mu {}_j({\rm T}{}_i\sin \beta {}_i\pm F{}_{\text{S}\text{Μ}\text{A}}\sin \alpha +\frac{G}{4})$ (5)

i=1,2,3,4;j=1,2

式中,fi为刚性脚或连杆与地面的滑动摩擦力;μi为脚或杆与地面滑动摩擦阻尼系数;G为微机器人及夹持物的总重量。

(a)后腿分离体受力图 (b)前腿分离体受力图

式(5)中,当i取2、3时j取1,当i取1、4时j取2;当i为1、4时取“+”,i为2、3时取“-”。

为增大CD杆与地面摩擦因数以利于摩擦自锁,需在其端部镀高摩擦因数材料涂层(如橡胶[3])。为利于脚(图4中FE杆)沿地面滑移,需在脚底镀低摩擦因数材料涂层(如聚四氟乙烯)[4]。

SMA主弹簧6拉力与弹性弧杆5变形的关系非线性,因此,前后脚的摩擦自锁不一定一直出现在某一特定位置状态之后的持续状态,可能会出现某些断续状态的摩擦自锁,但这只影响机器人步伐精度,不影响机器人总体运动状态和前行趋势。

4 SMA驱动弹簧设计

4.1 SMA弹簧特性和基本参数

与普通弹簧相比,SMA弹簧有如下特性[5]:①载荷、位移、温度三者间为复杂非线性关系;②电阻率ρ和比热容c在相变中非常数,在完全马氏体和完全奥氏体状态,c基本不随温度改变;③在一个很窄的温度范围内,SMA材料的弹性模量变化较大,因此,形状恢复的动作很突然;④加载、卸载和升温、降温时存在滞后。

SMA弹簧结构为螺旋型,材料为TiNi合金,奥氏体、马氏体时弹性模量分别为EH=108GPa,EL=40GPa;高温时载荷FH=1.2N,行程Δδ=3.5mm;作用循环次数为20000～30000。基本设计过程如下:

(1)确定最大剪切应变γmax。对于NiTi合金,令γL为马氏体时剪切应变量;γmax与循环寿命成反比,选其值为1.5%。马氏体剪切弹性模量较小,在同样载荷下其应变大,则取

γmax=γL

(2)确定奥氏体时剪切应变γH。如果已知奥氏体时的弹簧位移量δH,由于γ正比于δ,此时的剪切应变γH由$\gamma {}_{\text{Η}}=\frac{\delta {}_{\text{Η}}}{\delta {}_{\text{L}}}\gamma {}_{\text{L}}$求得。若知高温、低温下的载荷,因应变γ与载荷F成正比,与弹性模量E成反比,则奥氏体时剪切应变为$\gamma {}_{\text{Η}}=\frac{F{}_{\text{Η}}E{}_{\text{L}}}{F{}_{\text{L}}E{}_{\text{Η}}}\gamma {}_{\text{L}}$,载荷一定时,求得$\gamma {}_{\text{Η}}=\frac{40}{108}\times 1.05\%=0.56\%$。

(3)确定高温(奥氏体)时的剪切应力τH。由τH=γHEH得τH=0.56%×108GPa=0.6048GPa。

(4)选择弹簧指数C,计算应力修整系数k。本文选取C=4,则由$k=\frac{4C-1}{4C-4}+\frac{0.615}{C}$,得k=1.25。

(5)计算弹簧丝直径d和弹簧中径D。弹簧丝直径为

$\begin{array}{l}d=\sqrt{8kF{}_{\text{Η}}C/(\text{π}{\rm T}{}_{\text{Η}})}=\\ \sqrt{(8\times 1.25\times 1.2\times 4)/(605\text{π})}=0.16\text{m}\text{m}\end{array}$

弹簧中径为

D=Cd =6×0.16=0.96mm,取D=1mm。

(6)计算弹簧的有效圈数n。由$\text{Δ}\gamma =\frac{d}{\text{π}nD{}^2}\text{Δ}\delta$得

$n=\frac{d}{\text{π}\text{Δ}\gamma D{}^2}\text{Δ}\delta$

式中,Δδ为弹簧在高低温时的位移(变形)之差,也即弹簧的有效工作行程。

将Δγ=γL-γH代入上式可求得n值。因Δγ=γL-γH=1.5%-0.56%=0.94%,则得

$n=\frac{d}{\text{π}\text{Δ}\gamma D{}^2}\text{Δ}\delta =\frac{0.16}{\text{π}\times 0.94\%\times 1{}^2}\times 3.5=19$

同理可求:前脚四杆机构SMA脚弹簧丝直径为0.05mm,弹簧中径为0.25mm,有效圈数为9;后脚四杆机构SMA脚弹簧丝直径为0.05mm,弹簧中径为0.25mm,有效圈数为10。

4.2 SMA弹簧的温度响应分析[1,6]

SMA弹簧的响应时间是驱动器的重要性能参数,通过ANSYS瞬态分析得到在12V电压作用下,SMA弹簧的响应时间如图10所示。SMA弹簧温度达到327.7K所需的时间为4.7s,也即驱动器的响应时间为4.7s。在t=4.7s时SMA弹簧的温度场如图11所示,温度场基本满足弹簧内部温度均匀的假设。

由于SMA弹簧降温时只需降到马氏体相变结束的温度(304.5K),无需降到室温,所以,在后继的加热过程中,考虑从马氏体相变结束温度加热到马氏体逆相变结束温度,由图10可得响应时间是1.7s。驱动电压对机器人的响应时间影响较大,机器人响应时间随驱动电压的变化规律如图12所示。

SMA弹簧冷却到马氏体相变结束温度所需的时间为4.8s,如图13所示,也即SMA弹簧完成一次加热—冷却过程的时间为9.5s。同理可求出四杆机构上SMA弹簧CE的响应时间为2.5s。在此后的加热—冷却循环中,微型机器人的响应时间是6.5s。

5 结语

对新型尺蠖式微型机器人进行了整体结构和新型偏动式双程SMA驱动器设计。介绍了由SMA弹簧驱动的四杆机构与刚性化脚相配合产生的交替触地运动形式,分析了四杆机构摩擦自锁机理。确定了SMA弹簧的设计参数,分析了SMA弹簧在加热—冷却过程的相变力学特性,求解出微型机器人的响应时间和回复时间,确定了微型机器人的稳态运动条件。

由于新型偏动式双程SMA驱动器具有输出位移大、功重比高、机构简单、驱动电压低、能以自身为回馈等特点,使新型尺蠖式仿生机器人具有步幅大、攀爬力强、转向方便、承载力强等优势。

参考文献

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[4]Cai Mingdong,Langford Stephen C,Wa Mingjie,etal.Study of Martensitic Phase Transformation in aNiTiCu Thin-film Shape-memory Alloy UsingPhotoelectron Emission Microscopy[J].AdvancedFunctional Materials,2007,17(1):161-167.

[5]杨杰.形状记忆合金螺旋弹簧的性能测试及设计方法[J].中国科学技术大学学报,1992,22(1):51-57.

5.仿生机器人设计报告 篇五

手摇钻在中小学科技活动中经常使用,目前中小学普遍使用的是普通的手摇钻(图1)。在Power Tech比赛中,一些学校使用的是进口的手摇钻(图2),这种手摇钻性价比较高,质量可靠。

我国生产的手摇钻价格相差不大,性能差别却很大。相比较而言,图3中的手摇钻更适合中小学生在Power Tech比赛中使用。它采用双齿轮传动,选用45号钢材质和硅熔胶工艺铸造钻架和手摇盘,精密度高;加厚高强度ABS工程塑料手柄内可以存放备用钻夹头;使用粉末冶金工艺精铸齿轮,精度高,淬火加硬,耐磨;双齿轮驱动机构使手摇运行灵活,不易卡死;采用和普通手摇钻通用的钥匙钻夹头,夹持精度高,钻头不易偏心、断裂。

二、使用方法及注意事项

左手握住手摇钻的手柄,将其与钻孔面垂直握稳,轻轻向下用力,稳住手摇钻,否则会别断钻头或者摇不动。

右手尽量匀速摇动,并保持钻身不能晃动,否则会影响钻孔精度或者别断钻头。同时,要给齿轮、齿盘、传动轴部件滴加润滑油。

三、训练

孔与工件表面垂直是Power Tech比赛评分的关键,需训练学生观察确定钻体是否垂直、保持手摇钻与工件表面垂直。