【正文】 多輸出的非線性的強(qiáng)耦合的位置時變的動力學(xué)系統(tǒng)，動力學(xué)分析十分復(fù)雜，即使經(jīng)過一定程度的簡化，也區(qū)別于一般的機(jī)構(gòu)分析方法。再次，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)，特別是關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)，使整個機(jī)器人伺服系統(tǒng)中的一個組成環(huán)節(jié)，因此，機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)具有機(jī)電一體化的特點(diǎn)，比如，一般機(jī)械對運(yùn)動部件的慣量控制只是從減少驅(qū)動功率著眼的，而對機(jī)器人來說，常從聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xii縮短機(jī)電時間常數(shù)、提高機(jī)器人的快速響應(yīng)能力這一角度出發(fā)來控制慣量的。四足行走機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖 3]6[1，機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三維實(shí)體圖 32: 圖 31 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖設(shè)計(jì)說明：脊柱中有四根鋼絲，拉放這四根鋼絲，可使脊柱在空間任意彎曲，從而使機(jī)體具有柔性。因此，對行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究很有必要。為了使行走機(jī)器人能在不平的地面上行走，以及腿復(fù)位的需要，腿的伸長（即足端相對于機(jī)身的高度）應(yīng)該是可變的。當(dāng)機(jī)器人機(jī)體的推進(jìn)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動均由復(fù)合機(jī)架完成時，圖 32 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)三維實(shí)體圖聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xiv只要求單自由度的伸縮腿機(jī)構(gòu)。因此，對于每條腿的運(yùn)動來說，腳掌離地時間與著地時間之比為1:3。3. 為了不至于使機(jī)器人在運(yùn)動的過程中，因支撐機(jī)體的三條腿的足端運(yùn)動速度不相等而產(chǎn)生摩擦，而消耗不必要的能量，應(yīng)保證足端在要求 1 中的直線段上勻速運(yùn)動。①本文相位角指的是凸輪的相位角，凸輪一周的相位角為 2 π。h①由于在支撐相 θ 2由足端所處位置決定，即由步距決定， 故稱 θ 2為步距角。1?23 ]7[為更方便地求 、 及 的函數(shù)關(guān)系，先將圖 33 所示的機(jī)構(gòu)簡化成圖 324 所示。1?23 ]9[都滿足如下條件：2 ????2 22arctn/ccyxS????式（1）即為（五）中所述的約束條件。1arctn()yx????r2=xc2+yc2???22os/OBOBlhl???????聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xviii ………………………… (2)39。）1 42 83 124 155 176 197 208 229 2310 2511 2612 2713 2914 3015 31表 31具體的測量方法如圖 35 所示（下部布置了十五個點(diǎn)，此圖為第一個點(diǎn)的測量實(shí)例，其他各點(diǎn)測量方法類似）：聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xix圖 35 懸空相測點(diǎn)圖 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)上一節(jié)的研究結(jié)果，現(xiàn)在進(jìn)行本課題行走機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)。其特點(diǎn)是重量輕、體積小、系統(tǒng)具有柔性。對于本課題，由于每條腿有 、 及 三個參數(shù)需要控制，四條腿就1?23?有 12 個參數(shù)要控制，即若選擇電氣控制，就需 12 部伺服電機(jī)，再加上與這些電機(jī)匹配的減速器，電氣控制的重量輕、體積小的特點(diǎn)就顯示不出來了；若選擇液壓控制，就需 12 個液壓缸（液壓馬達(dá)） ，再由于行走過程的顛簸，聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xx液壓控制也不太適合。為了使步長 S 可變，參考（）中的控制函數(shù)的推導(dǎo)過程，應(yīng)使髖骨長E 可變，二者關(guān)系見下一節(jié)“轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)” 。通過上面的理論分析，在 PRO/E 中建立模型并畫出髖關(guān)節(jié)凸輪的三維實(shí)體模型（通過實(shí)時渲染后的三維截圖） ，如圖 37 所示：]10[圖 37 髖關(guān)節(jié)凸輪的三維實(shí)體圖 注：具體的凸輪繪制方法見附錄。所以，凸輪輪廓線方程為： 即得凸輪輪廓線上的點(diǎn)的直角坐標(biāo)值聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxiii 其中： 由于式(4)中有一個變量 θ1，支撐相中的 θ1 由公式（1）確定（） ，懸空相中的 θ1 表 31 確定（） 。若轉(zhuǎn)彎角不超過 45176。又， ………………………………………………(7)12()bhsE??其中， b—圖 3 中關(guān)節(jié) A 到關(guān)節(jié) O1的距離；h1—小腿長；h2—大腿長；E—髖關(guān)節(jié)偏距。故，步長控制函數(shù)為： 01EBenL?????……………………………………(13)由上述理論分析可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)，在 PRO/E 中建立三維模型的各個零件，然后通過建立組件（ASM 文件即轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)的總裝圖）可以看到組成后的轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)。由于彈性腱比較復(fù)雜，使用的腱均為剛性腱。機(jī)器狗的外形如圖 317 所示：聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxix圖 317 機(jī)器狗的外形設(shè)計(jì)圖 驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)驅(qū)動系統(tǒng)在仿生機(jī)器人中的作用相當(dāng)于生物的肌肉，它通過直接或間接轉(zhuǎn)動腿部的各關(guān)節(jié)來改變機(jī)器人的姿態(tài)。但在多種影響因素中，主要的因素有以下幾點(diǎn)：電機(jī)用于何種產(chǎn)品，做何種驅(qū)動，該產(chǎn)品是維修還是開發(fā)生產(chǎn)，預(yù)計(jì)批量。絲杠導(dǎo)程的選取，齒輪的傳動比，皮帶輪的直徑，除了考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊湊，還應(yīng)與電機(jī)與控制方案聯(lián)合考慮。電機(jī)在不同的機(jī)器中工作狀況大不相同，因此需要選擇不同種類的系統(tǒng)。如果可能，推算一下電機(jī)在正常工作速度范圍內(nèi)所需的力矩。因此，主電機(jī)容量只能按如下方法估計(jì)：從本課題設(shè)計(jì)的機(jī)器人的外形和材料（硬質(zhì)塑料）來看，機(jī)器人的重量大概為 15 kg。=15tg230 186。180 r/min轉(zhuǎn)矩：7 mN圖 321 錐齒輪傳動副三維實(shí)體模型 軸承的選擇四足行走機(jī)器人的運(yùn)動是靠運(yùn)動副（關(guān)節(jié)）的正常工作來實(shí)現(xiàn)的，因此運(yùn)動副的摩擦性能對機(jī)器人的工作性能影響很大。在為本課題的四足行走機(jī)器人選擇軸承時，還要重視下面兩個因素：（1）由于微小型系統(tǒng)自身的能量非常有限，如果能夠通過選取合適的軸承聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxxiii來減小摩擦力矩、降低系統(tǒng)的能耗，這對節(jié)省機(jī)器人總系統(tǒng)彌足珍貴的能量是十分有利的，同時也提高了機(jī)器人的工作效率。如下圖 322 所示深溝球軸承的三維實(shí)模型圖：322 深溝球軸承三維模型圖 轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)的傳動設(shè)計(jì)本課題提出的一種新型的轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種與之相配合的萬象傳動機(jī)構(gòu)，能夠很好的使轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)運(yùn)作。轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)的萬向節(jié)傳動副三維實(shí)體模型如下圖 323 所示：聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxxiv圖 323 萬向節(jié)傳動副三維實(shí)體模型圖 供電電源為了滿足伺服電機(jī)的供電要求，以及機(jī)器人移動的便捷性，可選擇蓄電池作為機(jī)器人的供電電源。 傳感器傳感器俗稱“電五官” ，是機(jī)器人的感官系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)因?yàn)闆]有涉及智能開發(fā)，相應(yīng)的眾多傳感器也不能確定。1/2? 輸出信號類型：TTL ? 數(shù)據(jù)編碼：格雷碼 ? 數(shù)據(jù)輸出：并行? 電源電壓：DC5V? 允許軸速（電氣/機(jī)械）：6000/10000 控制器機(jī)電產(chǎn)品中使用的控制器一般有工控機(jī)、PLC、單片機(jī)，用單片機(jī)作為控制器的數(shù)字伺服系統(tǒng)，有體積小、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好、接口齊全等明顯優(yōu)點(diǎn)，因此，本設(shè)計(jì)選用 Intel 公司生產(chǎn)的在國內(nèi)廣泛應(yīng)用的 MCS51 系列單片集中的8051 作為控制器。8051 的主要特點(diǎn) 如下：]16[? 采用高性能的 HMOS 生產(chǎn)工藝生產(chǎn)；? 內(nèi)部行定時器/計(jì)數(shù)器；? 有二級中斷優(yōu)先處理結(jié)構(gòu)；聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxxvi? 有 32 條 I/O 線，輸入輸出能力強(qiáng)；? 程序?qū)ぶ房臻g達(dá) 64K 字節(jié)；? 內(nèi) EPROM 有保險(xiǎn)功能，可防止 EPROM 誤寫入；? 由布爾處理功能，可擴(kuò)展性能；? 對內(nèi)部 RAM 有位尋址功能；? 游客變成的全雙工串行口；? 含基本指令 111 條，其中 64 條是單字節(jié)指令；? 數(shù)據(jù)存儲器尋址空間 64K。ALU 步件含有 ALU 單元以及累加器 ACC、寄存器 B、棧指針 SP、數(shù)據(jù)指針DPTR、程序狀態(tài)字 PSW、暫時寄存器 TMPTMP2 等。并行 I/O 接口有 P0、PP2 和 P3 共四個，他們都是 8 位并行端口。P3 是控制信號及 I/O 信號復(fù)用口，它除了用作 I/O 口之外，還用于傳送控制信號。串行 I/O 口有四種工作方式。方式 3 和方式 2基本一樣，只是在方式 3 中，波特率可改變。在方式 0 時，串行數(shù)據(jù)的輸入輸出都由 RXD 端執(zhí)行， 而 TXD 用于串行時鐘。定時器部件有兩個，它們分別時 16 位的定時器 0 和定時器 1，并且都可以工作在定時器或計(jì)數(shù)器方式。在方式 3 中，定時器 1 不工作，定時器 0 分成高 8 位和低 8 位兩個獨(dú)立的 8 位計(jì)數(shù)器進(jìn)行工作。以下將進(jìn)行行走控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。它由單片機(jī) 805伺服電機(jī)及其接口電路組成。它的結(jié)構(gòu)可參考附錄 2。D/A 轉(zhuǎn)換器 0832 作為單片機(jī) 8051 的一個存儲單元。電流從 I1 輸出由 U1 運(yùn)算放大器處理之后輸出的電壓為 –VREF實(shí)際上， 的輸出電壓 V 為：2 2U = V2UV1其中， 是運(yùn)算放大器 的輸出電壓。它由單片機(jī) 805伺服電機(jī)及其接口電路、光電編碼器及其接口電路組成。PWM 功率放大器由三角波發(fā)生器、比較器以及橋式開關(guān)功率放大電路組成。這個接口由083運(yùn)算放大器 和 U2 組成。在圖 47 所示系統(tǒng)中，0832 接成電流開關(guān)方式工作狀態(tài)，故轉(zhuǎn)換的結(jié)果是電流量。 的放大系數(shù)為 1，同時在它的負(fù)輸入端加上了1U2U 的參考電壓；所以，當(dāng) 輸出為 0V 時， ；當(dāng) U1 輸出為 5V12時， 輸出為 +。②. 光電編碼器接口光電編碼器可以產(chǎn)生 8 位數(shù)據(jù)。要取光電編碼器數(shù)據(jù)時，單片機(jī)只需讀取 I/O 口 P1 的內(nèi)容。由主計(jì)算機(jī)給定 RV ，產(chǎn)生的速度控制信號之后，再送去下一個環(huán)節(jié)。轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)的單片機(jī)程序框圖如圖 52 所示：程序開始執(zhí)行時，首先對單片機(jī)的 I/O 口進(jìn)行初始化。在求取控制量之后，應(yīng)馬上送給 0832，產(chǎn)生控制信號控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到給定的行走速度。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xliii圖 53 轉(zhuǎn)彎伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖在控制框圖中， 是給定角度值 ， 是角度偏差的比例放大系數(shù)， 是?R1K3KPWM 功率放大器的比例放大系數(shù) ， 是速度環(huán)放大及串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，)(2sG?是伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)， 是速度角度變換的傳遞的函數(shù)， 是角)(4sG5 )(sH?度反饋傳遞函數(shù)。角度偏差信號 由比例環(huán)節(jié) 放大之后，再送去下一個環(huán)節(jié)。 是常 數(shù)， ） ；mCaeπ2/PN?S 是拉氏變換算子。由于光電編碼器直接把輸出的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)。由于角度位置反饋量是直接檢測出來的，無需公式計(jì)算來求出，故令 )()(sF???則式（56）可寫成： ………（57）)/1()(() 021 SKsRKsC??????為了進(jìn)行離散化,取雙線性變換: 其中:T 為采樣周期。在實(shí)際控制時，可以把式（510）改寫成下式： )1()()。1?F按式（510）進(jìn)行程序編程，就可以求出現(xiàn)行控制量 C(n)的值。所以， 實(shí)質(zhì)上)(sH?也是一個比例環(huán)節(jié)： ??KsH?)(其中，K θ 是角度位置反饋環(huán)節(jié)的比例系數(shù)。由于光電編碼器的輸入是轉(zhuǎn)速，輸出是角)(5sG度。所以， SSsG01012 /)/(() ?????? ?K其中： 和 是時間常數(shù)， 01是比例系數(shù)， 。角度反饋的結(jié)果和給定值 Rθ進(jìn)行相減，產(chǎn)生角度偏差信號 。故送 C 到 0832，實(shí)際上是把控制量 C 寫入 7000 H 中。確定給定值 Rv ，就是由主計(jì)算機(jī)確定機(jī)器人行走速度之后再發(fā)送給 8051。 是常 數(shù)， ） ；mCaePN?S 是拉氏變換算子。圖 51 行走伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖在控制框圖中， 是給定速度值，是一個 8 位二進(jìn)制數(shù)據(jù)，也就是控制量VRC； K 3 是 PWM 功率放大器的比例放大系數(shù)；G 4(s)是伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)。當(dāng)光電編碼器隨伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)處于不同位置時，它送出的數(shù)據(jù)不同，每一個數(shù)據(jù)和一個角度對應(yīng)。1的輸出電壓去控制 PWM 功率放大器，就可以使伺服電機(jī)以不同的速度實(shí)2現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)以不同的速度轉(zhuǎn)動，可實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時轉(zhuǎn)彎急促程度。D/256，其中 D 是輸入 0832 總的數(shù)據(jù)。C S 為片選信號輸入端，當(dāng) =1 時，可選中 0832，利用寫操作可把控制數(shù)據(jù)從單片機(jī)送入 0832 中。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xl圖 48 轉(zhuǎn)彎伺服控制系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 2. 接口電路 在圖 48 中，可以看出系統(tǒng)有兩個接口電路，即控制 PWM 功率放大器的接口電路和光電編碼器接口電路則兩個接口。伺服電機(jī)用 PWM功率放大器進(jìn)行驅(qū)動。 轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)在對四足行走機(jī)器人轉(zhuǎn)彎進(jìn)行控制時，需要由單片機(jī) 8051 構(gòu)成一個角度伺服控制系統(tǒng)。由于 VREF =5V，所以 輸出的電壓時 0～ 5V。不過在寫 0832 時，要執(zhí)行兩次寫操作，因?yàn)樗鼉?nèi)部的兩個寄存器是不能同時接收外部數(shù)據(jù)的，而必須先由輸入寄存器接收，再由輸入寄存器傳送給 DAC 寄存器。()Uk)K1 G4(S)Rθ ()yt()ek)K1 G2(s) K3 G5(S)Hθ(s)eθ C θ聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxxix單片機(jī)和 PWM 功率放大器的接口也就是控制量輸出接口。單片機(jī)輸出的數(shù)字控制信號通過 D/A轉(zhuǎn)換器 0832 之后轉(zhuǎn)換成 0～5V 的模擬信號，再通過運(yùn)算放大器 U2變換之后變成 ～+ 模擬信號去控制 PWM 功率放大器。]6[ 行走控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)