基于SoC的六足機(jī)器人設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).pdf

1、在礦井、地震等人類無(wú)法到達(dá)或者極度危險(xiǎn)的災(zāi)難現(xiàn)場(chǎng)中，使用機(jī)器人作業(yè)已成為一種趨勢(shì)。六足機(jī)器人具有較好的靈活度和穩(wěn)定性，在復(fù)雜路況中優(yōu)勢(shì)明顯，但因其冗余的肢體結(jié)構(gòu)帶來(lái)的步態(tài)規(guī)劃和控制的復(fù)雜性，使其在實(shí)際應(yīng)用中面臨諸多問(wèn)題。目前市場(chǎng)上能實(shí)際應(yīng)用的六足機(jī)器人價(jià)格昂貴、體積較大。因此研制一款小型化、低成本、監(jiān)控效果良好、適應(yīng)多路況環(huán)境的六足機(jī)器人具有較高的應(yīng)用價(jià)值。
　　論文在“Terasic Spider”機(jī)器人開(kāi)發(fā)平臺(tái)上，增加了足底壓

2、力傳感器、姿態(tài)傳感器、超聲波傳感器、USB攝像頭、語(yǔ)音控制模塊、無(wú)線路由器等硬件設(shè)備，設(shè)計(jì)相關(guān)步態(tài)控制算法，實(shí)現(xiàn)了具有視頻采集與傳輸、手機(jī)監(jiān)控、語(yǔ)音控制、自主避障等功能的六足機(jī)器人。論文主要工作如下：
　　①采用“FPGA+ARM”的 SoC架構(gòu)完成了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)。自主設(shè)計(jì)了足力探測(cè)模塊用于實(shí)現(xiàn)路面感知；通過(guò)姿態(tài)感知模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)體姿態(tài)的實(shí)時(shí)感知；通過(guò)在 FPGA資源中設(shè)計(jì)控制邏輯實(shí)現(xiàn)對(duì)伺服電機(jī)、足底壓力傳感器、超聲波傳感器等設(shè)備的

3、驅(qū)動(dòng)控制；最后利用SoC技術(shù)將各硬件模塊進(jìn)行集成，完成了六足機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)。
　?、谕瓿闪肆銠C(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)分析、步態(tài)規(guī)劃和控制算法設(shè)計(jì)。根據(jù)機(jī)器人開(kāi)發(fā)平臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用D-H法和幾何投影法推導(dǎo)了六足機(jī)器人正逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程；對(duì)六足機(jī)器人進(jìn)行了三角步態(tài)、四角步態(tài)、五角步態(tài)、橫向行走步態(tài)和定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)的規(guī)劃；針對(duì)用單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)計(jì)算歐拉角不準(zhǔn)確的問(wèn)題，采用了改進(jìn)的基于四元素的捷聯(lián)慣導(dǎo)算法，提高了姿態(tài)歐拉角的準(zhǔn)確性；采用運(yùn)動(dòng)分解合成的思

4、想，完成了位姿調(diào)整算法設(shè)計(jì)，保證了六足機(jī)器人的行走過(guò)程中的穩(wěn)定性；最后通過(guò)設(shè)計(jì)路面感知算法改進(jìn)了五角步態(tài)，提高了六足機(jī)器人對(duì)多路況的適應(yīng)性。
　　③完成了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。通過(guò)移植Linux操作系統(tǒng)到DE0-Nano-SoC開(kāi)發(fā)板上，滿足了嵌入式端軟件多任務(wù)的需求；開(kāi)發(fā)了手機(jī)監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)了在危險(xiǎn)環(huán)境下，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和圖像信息實(shí)時(shí)監(jiān)視。
　　經(jīng)反復(fù)測(cè)試，課題設(shè)計(jì)的六足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了在多路況環(huán)境下的穩(wěn)定行走，監(jiān)控軟件界面友好