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四足载物箱的设计与实现-软件设计.docx
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四足载物箱的设计与实现-软件设计.docx
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四足载物箱的设计与实现-软件设计
摘 要
在当今社会上,运输机器大都是轮式或者履带式的机器,虽然它们在人类生活
地区广泛应用,但是在人类生活地区内,还存在着崎岖不平或者坑坑洼洼的地形,
轮式或者履带式的机器难以在如此地形上行走搬运物资,故而需要一类可适用于该
地形的机器来代替这类运输机器运输物品。
经过大自然的物竞天择法则,哺乳动物在各种地形上具有非常强大的适应性和
机动性,而足式机器人是模仿哺乳动物的机器人,在人类生活地区中,它可以很好
地进行行走和跑动,非常适合成为人类生活中另一种搬运的机器人。
四足机器人在足式机器人中最具代表性,是移动机器人研究的热点,虽然它并
没有广泛出现在人们眼前,但它在社会中具有非常巨大的实用性。在此次研究中,
主要研究一款可成为人类生活中便捷的搬运四足机器人,此机器要求具备有一些基
础功能分别是行走功能,跟踪功能,避障功能和防走失功能,使其能在复杂的地形
上进行物体跟踪,实现物资运输功能。
关键词:四足机器人,行走功能,跟踪功能,避障功能,防走失功能,物资运输
Design and implementation of quadruped load box software design
Abstract
In today's society, most of the transportation machines are wheel type or track type
machines. Although they are widely used in human living areas, there are still rugged or
potholed terrain in human living areas. It is difficult for wheel type or track type machines
to move materials on such terrain, so a kind of machine suitable for the terrain is needed to
replace this kind of machine Transport machines transport goods.
Through the natural law of natural selection, mammals have a very strong adaptability
and mobility in various terrain, while the foot robot is a robot that imitates mammals. In the
human life area, it can walk and run well, and it is very suitable to become another kind of
carrying robot in human life.
Quadruped robot is the most representative of the foot robot, and it is the hot spot
of mobile robot research. Although it does not widely appear in front of people, it has great
practicability in the society. In this study, we mainly study a quadruped robot that can be
used in human life. This machine requires some basic functions, such as walking function,
tracking function, obstacle avoidance function and loss prevention function, so that it can
track objects on complex terrain and realize material transportation function.
Key words: Quadruped robot, walking function, tracking function, obstacle avoidance
function, loss prevention function, material transportation
目录
1. 引言 ................................................................................................................................................1
1.1. 研究背景及意义 ................................................................................................................1
1.2. 研究内容及目标 ................................................................................................................1
1.3. 国内外发展现状 ................................................................................................................1
1.4. 四足机器人发展趋势 ........................................................................................................2
2.四足机器人软件设计方案 ..............................................................................................................3
2.1. 树莓派 ................................................................................................................................3
2.2. python 语言 .......................................................................................................................3
3、元器件分析 ....................................................................................................................................4
3.1. 舵机 ....................................................................................................................................4
3.2. 超声波 ................................................................................................................................4
3.3. 蜂鸣器 ................................................................................................................................4
3.4. 摄像头 ................................................................................................................................5
4、功能设计 ........................................................................................................................................6
4.1.行走功能 ..............................................................................................................................6
4.1.1. 舵机控制 ................................................................................................................6
4.1.2. 步态 ........................................................................................................................8
4.2. 避障功能 ............................................................................................................................9
4.3. 防走失功能 ......................................................................................................................11
4.4. 跟踪功能 ..........................................................................................................................12
4.4.1. 颜色识别 ..............................................................................................................12
4.4.2. 图像处理 ..............................................................................................................14
4.4.3. 获取轮廓 ..............................................................................................................15
4.4.4. 跟踪算法 PID .......................................................................................................16
5. 结论 ..............................................................................................................................................18
参考文献 ............................................................................................................................................19
谢 辞 ................................................................................................................................................20
附 录 ..................................................................................................................................................21
1
1. 引言
1.1. 研究背景及意义
在这个信息大爆炸时代,人工智能的发展以非常迅速的速度向人类生活蔓延,
在各处行业中都能够看到人工智能机器的身影。在其中最具代表性的是机器人,其
模仿人类或者动物的行为举止,代替人类或者动物服务于人类,如端茶送水的餐厅
服务员机器人,工厂里分类物资的小型机器人,打扫卫生的扫地机器人和服务大厅
答疑机器人,这些形形色色的机器人被人为做出专注于做某一件事,代替人类成为
此事件的负责人,本文研究的四足载物箱也是有此意思。
人们在外出旅行或者逛街都喜欢简洁的出门,身上不愿带有众多物品,但当购
物的时候人们身上难免需要承担物品,加重了自身重量,行走困难,不一会儿就会
身体疲惫,若是有一款机器代为承重,则免去了这些麻烦,故本文设计的四足载物
箱的作用就是适用于人们外出旅行或者逛街,它的功能是成为主人随身的物资搬运
工。当主人购买或者搬运东西时,主人可以将物资放于四足载物箱中,让机器人成
为搬运工具,解放主人的双手,使得主人在做事情能够更为便捷,行走更为自如。
类似的机器人还有很多,它们加入到人类生活中,方便了人类生活,解放了人
类劳动力,促进了人类文明的进步,让人们有更多时间去做更有意义的事情。
1.2. 研究内容及目标
本文研究目标是通过软件编写程序实现四足载物箱的功能。
研究内容:
行走功能:使用 8 个 LX824 串行总线舵机模拟正常动物行走的关节,按照 walk
步态行走;
避障功能:使用超声波进行避障;
防走失功能:使用蜂鸣器报警;
跟踪功能:使用摄像头识别并进行跟踪。
1.3. 国内外发展现状
从 20 世纪 60 年代起,McGhee 研制出第一台四足机器人,四足机器人开始问世。
此后经过许多年的发展,四足机器人的驱动方式达到了三种,分别是气压驱动、液
压驱动和电机驱动。气压驱动由于非线性特性难以控制;液压驱动能够提供较强劲
的动力而得到广泛应用;电机驱动控制精度高,噪声低,负载小,是人们较为喜欢,
2
也是较为常用的驱动方式。此外,四足机器人的步态从单一状态发展到现在多种步
态转换,有 trot 步态(对角小跑), bound 步态(跳跃),pace 步态(踱步),walk
步态(行走)等步态。四足机器人的模式也从一开始满足行走的愿望,到现在的负
载型四足机器人、速度型四足机器人和平稳型四足机器人。
现在,在国外最为出名的是美国波士顿公司推出的 Spot Mini 四足机器人,该机
器人重量轻并且完全采用电机驱动方式,噪声低,运动上也更加灵活,在其上还可
搭载机械臂,完成抓取,递放等一系列手臂行为。
在国内四足机器人发展比较晚,是从 20 世纪 90 年代起,但国家综合实力发展
迅速,四足机器人也做出了许多成就,就最近 2018 年,云深处科技公司推出四足机
器人“绝影”超过国外众多四足机器人,重亮上达 70kg,可负载 20kg,不仅能够在
恶劣的环境稳定地行走,更能失去平衡之后迅速调整过来,其移动速度最高达到为
6km/h,续航 2 小时。
1.4. 四足机器人发展趋势
从国内外四足机器人发展现状来看,我认为未来四足机器人的发展趋势主要有
以下几方面:
一、移动速度方面
在速度上,轮式机器人远远超过足式机器人,足式机器人速度还是具有较大的
发展潜力。
二、负载能力方面
负载是输运物资的重要参数,负载多少影响运输的效率。通过结构设计的改变
和功率的提升,可以进一步提升负载能力。
三、环境适应能力
目前的四足机器人已经具有较强的环境适应能力,但在一些特殊的地方还是需
要设计更专业的四足机器人
四、续航能力
高速度,高负载,高功率带来的是续航能力的低,故而还需降低能量的消耗
五、驱动方式
目前的驱动方式各有各的优点和缺点,想要将各种能力齐于一身,需要新的驱
动方式
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南抖北快东卫
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