摘 要

机器人是一个涉及动力学，机械制造学，计算机科学等多种学科的研究项目，引起国内外专家学者的广泛关注。目前，轮式和履带式的机器人技术已经十分完善并得到广泛应用，而足型机器人的研究还处于发展研究之中。这其中，四足机器人相较于两足机器人更具稳定性，相较于八足机器人有较少的冗余度，是最具有研究价值的足型机器人。

本文设计并制作一款具有12个舵机关节，采用Arduino进行控制的小型四足机器人。就此设计并实现了挥手和起身仰俯的姿态，对角小跑，静走，定点转弯三种步态。随后对四足机器人的功能进行了扩展，利用Android的蓝牙功能实现了对四足机器人的远程控制，利用opencv的跨平台性和摄像头图像采集功能，PcDuino对Arduino和linux的整合实现了实时视频传输功能。搭建了完整的四足机器人控制系统。

关键词：四足机器人；步态与姿态；Arduino；Android系统；蓝牙；OpenCV；PCduino

Abstract

Robot is a research project involving dynamics, mechanical manufacturing, computer science and other disciplines, which has aroused wide attention of experts and scholars all over the world. At present, the wheeled and tracked robot technology has been well developed and widely used, but the research of the foot robots is still under research. Among these robots, quadruped robots are more stable compared with the biped robot and less redundant compared with eight legged robot, and thus are the most valuable of foot type robots.

This paper implements a small four legged robot with 12 steering gears, which is controlled by Arduino. The paper also realizes waving and pitching up posture and three gaits including diagonal trotting, static walking and turning. Then I extended the quadruped robots to achieve the remote control using Android Bluetooth, with OpenCV cross platform and camera image acquisition function, and with PcDuino which integrate Arduino and Linux to realize real-time video transmission function. A complete control system for a four legged robots is set up.

Keywords：four legged robot; pose and gait;Arduino; AndroidSystem; bluetooth; OpenCV; Pcduino

目 录

摘要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2国内外研究现状及热点 1

1.3研究内容 2

1.4论文结构安排 2

第二章 四足机器人设计与控制 3

2.1机身结构 3

2.2四足机器人选材 4

2.3舵机控制 5

第三章 四足机器人姿态与步态 7

3.1姿态设计 7

3.1.1挥手姿态 7

3.1.2起身仰卧姿态 7

3.2四足机器人步态基础 8

3.2.1平衡性原理 8

3.2.2步态基本概念 9

3.3 四足机器人步态实现 9

3.3.1对角小跑步态 9

3.3.2爬行步态 11

3.3.3定点转弯步态 14

第四章 四足机器人的远程操控 16

4.1实现意义 16

4.2技术手段介绍 16

4.2.1 Android 16

4.2.2蓝牙 16

4.3远程控制的实现 16

4.3.1 Android APP 16

4.3.2 Arduino响应机制 19

第五章 远程视频传输 20

5.1 实现技术及平台 20

5.1.1 PcDuino简介 20

5.1.2 OpenCV，Socket简介 21

5.2 OpenCV结合socket实现视频传输 21

第六章 总结与展望 24

6.1本文工作总结 24

6.2未来工作展望 24

参考文献 25

致谢 26

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

机器人一词出现于1920年，捷克局作家及科幻小说家卡雷尔·恰佩克的作品《罗萨姆万能机器人公司（R.U.R)》中，引起了大家的广泛关注，也掀起了机器人的科幻浪潮。如今，机器人的概念和产品已经走进了千家万户。机器人中除了传统的履带式机器人，轮式机器人还有足型机器人。国内对两足，四足，八足机器人的研究比较多。四足机器人相较于两足机器人，更具稳定性，相较于六足，八足机器人，更易于控制。因此，四足机器人研究是机器人研究中的热点。

机器人可以说是一个嵌入式系统，嵌入式系统以其功能强大，体积小巧，灵活多样，兼容并包的特点符合机器人的特点和要求，因此，嵌入式机器人成为小型机器人，遥控机器人的主要选择，具有广泛的应用和研究价值。

1.2国内外研究现状及热点

在市场制造领域，国内外的机器人水平存在较大差距。德国的KUKA，日本的FANUC，YASKAWA，瑞士的ABB这四家公司占了世界百分之七十的机器人输出。 Staubli，DENSO，Toshiba、Epson，Adept等公司的水平多关节机器人（SCARA机器人）、蜘蛛机器人（Delta机器人）还有桌面小型垂直多关节机器人（6轴通用机器人，5kg以下）做的都很有代表性。ABB、KUKA是16kg-160kg的六轴通用机器人领域技术最成熟的两家。FANUC的机器人特点是专门针对机床生产，机器人在机床协调方面的经验非常丰富。国内机器人企业的产品产量水平仍然较低，竞争主要集中在中低端领域。国内大型机器人企业广数、新松、博实在精度、成本、寿命等方面落后；至于国内中小型企业东莞启帆、苏州铂电侧重经济型机器人，更贴近市场需求。

在国外学术研究领域，四足机器人研究始于上世纪60年代，Hildobrand在1965 年拍摄了四足动物慢走、小跑、奔跑等不同运动情况下各条腿的连续照片，进而研究四足动物的慢走、小跑、奔跑的过程^[1]。南斯拉夫的 Tomovic在1961 年至 1966 年把腿的状态分为支撑状态和悬空状态^[2]。1968 年 McGhee则用线性代数研究四足机器人的运动，提出了步态矩阵的概念，并从数学角度定义了四足机器人运动的许多参数^[3]。同年，他又和 Frank 在步态研究中采用了步态矩阵和步态公式^[4]。由此可见，早期国外的学者们建立了该领域的基础体系。随后，串联结构和并联结构的各种各样的腿型也被提出并得到实践和应用。