蜘蛛机器人设计
Design of the spider robot
2013 年 5 月
摘要
在自然界中，蜘蛛因其独特的爬行机理可以在垂直的墙壁甚至倒立在天花板上进行行走。本文介绍了一个运用仿生学原理设计制作的八足蜘蛛仿生机器人系统。它以自然界中的蜘蛛为模仿对象，采用仿蜘蛛爬行机理设计并实现一种八足爬行机器人。具体来讲，就是在尽量满足蜘蛛的仿生学生理结构的基础上，吸取其与接触面高强附着力的特点，基于这种机器人功能和结构的特点，用最简单的结构和加工工艺及材料设计出了相应的机械结构，电路，及控制程序。本文中从机械机构设计、运动机理、电路设计、控制等四个方面完整阐述了八足仿生机器人的设计与实现过程。在机构设计方面，详细描述了从概念到最终三维图的设计全过程，其中包括：图纸设计，二维、三维图的绘画三个部分内容。在电路设计方面，详细阐述了该机器人系统电路板的设计全过程，其中包括：电路原理，“Protel DXP”制图以及电路板的焊制三个部分内容。控制方面阐述了控制的构建过程，其中包含有：总体流程图及单片机程序编制与仿真两部分内容。最终的蜘蛛机器人可模仿现实当中蜘蛛的爬行方式在平地进行爬行运动，实现前进、后退、转弯等动作，为进一步研究爬壁机器人提供了一个基础测试平台。 关键词：机器人；仿生学；机构设计；控制系统。
目录
1 绪论 ............................................................. 5
1.1 机器人发展史 ............................................... 5
1.2 仿生机器人的研究现状 ....................................... 6
1.2.1 跳跃机器人............................................ 6
1.2.2足式机器人 ............................ 错误！未定义书签。
1.2.3 爬壁机器人........................... 错误！未定义书签。
1.2.4 管道机器人........................... 错误！未定义书签。
1.3 仿生机器人的发展趋势 ...................... 错误！未定义书签。
1.4 本课题提出的背景和要求 .................... 错误！未定义书签。
1.5 蜘蛛机器人研发的目的和意义 ................ 错误！未定义书签。
1.6 结束语 .................................... 错误！未定义书签。 2 机构设计 ........................................ 错误！未定义书签。
2.1 仿生蜘蛛整体结构确定 ...................... 错误！未定义书签。
2.2 蜘蛛机器人电机的选择 ...................... 错误！未定义书签。
2.3 蜘蛛机器人具体结构的设计 .................. 错误！未定义书签。
2.3 绘图总结 .................................. 错误！未定义书签。 3 运动机理分析 .................................... 错误！未定义书签。
3.1 蜘蛛机器人行走步态选择 .................... 错误！未定义书签。
3.1.1 相关参数描述........................ 错误！未定义书签。
3.1.2 八足步态形式分析.................... 错误！未定义书签。
3.1.3 结论................................ 错误！未定义书签。
3.2 蜘蛛机器人运动机理分析 ..................... 错误！未定义书签。 4 硬件电路设计 .................................... 错误！未定义书签。
4.1 电路原理 ................................... 错误！未定义书签。
4.1.1 主控芯片的选择....................... 错误！未定义书签。
4.1.2 主控芯片ATmega16单片机简介：........ 错误！未定义书签。
4.1.3 各个模块电路原理..................... 错误！未定义书签。
4.2 Protel制图................................ 错误！未定义书签。
4.3 电路面板的制作 ............................ 错误！未定义书签。
4.4 电路设计经验总结 .......................... 错误！未定义书签。 5 程序控制及仿真 .................................. 错误！未定义书签。
5.1 控制设计总体流程 .......................... 错误！未定义书签。
5.2 单片机控制程序的编写 ...................... 错误！未定义书签。
5.2.1 ICCAVR简介 .......................... 错误！未定义书签。
5.2.2 控制程序的编写...................... 错误！未定义书签。
5.3 控制程序的仿真和实现 ..................... 错误！未定义书签。 6 结束语 .......................................... 错误！未定义书签。 致谢 .............................................. 错误！未定义书签。 参考文献 .......................................... 错误！未定义书签。
附录一 蜘蛛机器人结构三维图 ...................................... 51
附录二 总体电路图 ................................................ 52
附录三 PCB板 ..................................................... 53
附录四 PCB三维图 ................................................. 54
1 绪论
1.1 机器人发展史
机器人一词的出现和世界上第一台工业机器人的问世都是近几十年的事。然而人们对机器人的幻想与追求却已有3 000多年的历史。人类希望制造一种像人一样的机器，以便代替人类完成各种工作。西周时期，中国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是中国最早记载的机器人，体现了中国劳动人民的聪明智慧。1738年，法国天才技师杰克· 戴·瓦克逊发明了一只机器鸭，它会嘎嘎叫，会游泳和喝水，还会进食和排泄。瓦克逊的本意是想把生物的功能加以机械化而进行医学上的分析。1893年摩尔制造了“蒸汽人”，“蒸汽人”靠蒸汽驱动双腿沿圆周走动。进人2O世纪后，机器人的研究与开发得到了更多人的关心与支持，一些适用化的机器人相继问世，1927年美国西屋公司工程师温兹利制造了第一个机器人“电报箱”，并在纽约举行的世界博览会上展出。1959年第一台工业机器人(可编程、圆坐标)在美国诞生，开创了机器人发展的新纪元。随着计算机技术和人工智能技术的飞速发展，使机器人在功能和技术层次上有了很大的提高，移动机器人和机器人的视觉和触觉等技术就是典型的代表。由于这些技术的发展，推动了机器人概念的延伸。20世纪，将具有感觉、思考、决策和动作能力的系统称为智能机器人，这是一个概括的、含义广泛的概念。这一概念不但指导了机器人技术的研究和应用，而且又赋予了机器人技术向深广发展的巨大空间，地面机器人、微小型机器人、水下机器人、空中机器人等各种用途的机器人相继问世，许多梦想成为了现实。
仿生科学以仿生学为核心的相关学科进行研究，其中运动仿生、感知仿生、控制仿生、能量仿生、材料仿生等诸多基础仿生技术的深入研究为仿生机器人的发展提供了一定的理论基础和技术支持．仿生机器人是指模仿生物、从事生物特点工作的机器人。仿生机器人是机器人技术领域中一个新兴的发展分支，是当前机器人领域的研究热点。过去、现在甚至未来，对仿生机器人的研究，都是多方面的。近些年，国内外有诸多学者开始对仿生机器人进行深入细致的研究。仿生机器人的种类有很多种，有天上飞的，地上走的，甚至还有水里游的。而地上走的，根据仿生机器人行走方式的不同，可以将机器人分为跳跃机器人、轮式机器人、足式机器人以及爬行机器人等。在下面一节中我将具体描述各类型机器人的发展现状及成果。
1.2 仿生机器人的研究现状
1.2.1 跳跃机器人
仿生跳跃机器人涉及仿生学、机械学和控制学等多学科交叉，具有许多目前科技发展水平难以逾越的技术难点，研制难度大。对这种机器人进行研究的最初目的是模拟袋鼠、麻雀等动物的骨骼机构和运动方法。随着对这种机器人研究的深入，这种技术可以被用来研究运动员的跳高、跳远、跳水、蹦床和体操等运动，从而提高运动员的成绩。此外，