【正文】 下來，因為重心總是落在三角支架之內(nèi)。其遠動步態(tài)主要仿生的對象是“六足綱”昆蟲 。向上移動的最大角度是 30度。該步 態(tài) 是 將機器人的 6條腿分為 2組，腿 5為 A組，分別為 Al,A2, A3，腿 6為 B組，分別為 B1, B2, B3，步行過程 2組腿交替地擺起、放下。 圖中 6 腿為 B 組；并用 虛線 表示 。 由圖 3 3(a)可得六足步行機器人髓關(guān)節(jié)電機向上旋轉(zhuǎn) ? 角度時，立 足點 A在 Z方向提升高度 h，六足步行機器人腿部 Z方向提升高度 計算結(jié)果為： 22h = L + H si n c o s( a r c ta n )22HL?? 由表達式 (31)，可以確定靛關(guān)節(jié)電機旋轉(zhuǎn) ? 角度與立足點 A在 Z方向提升高度 h的定量關(guān)系。 機器人以 “三角步態(tài)”行走時，任意時刻至少有 1組腿著地，只要機器人質(zhì)心投影點O1落在支撐腿構(gòu)成陰影內(nèi)，如圖 35所示，就能保證機器人穩(wěn)定。 直線 AB方程為 : (Y 1 Y 2 )(X X 1 )Y= (X 1 X 2 ) + Y 1 垂線 OM的方程為： (X1X2)Y= (Y2Y1)X 由上兩式解得直線 AB和直線 OM的交點 M (XM ， YM)的坐標為 : 22( Y 2 Y 1 ) ( X 1 Y 2 Y 1 X 2 )X M = [ ( X 1 X 2 ) + ( Y 1 Y 2 ) ] 22( X 1 X 2 ) ( X 1 Y 2 Y 1 X 2 )Y M = [ ( X 1 X 2 ) + ( Y 1 Y 2 ) ] 則： dl= OM = 22XM YM? 同理，可以求得 d2= ON , d3= OP 。 機器人通過重復著上圖的動 作就可以實現(xiàn)六足機器人的擺動相和支撐相的交替過程。 3. 5“三角步態(tài)”定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)設計 “三角步態(tài)”定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)也將步態(tài)周期劃分為 4個執(zhí)行階段，其擺腿順序也有 2種 :A到 B組或 B組 到 A組。 如圖 38(A)所示，機器人 4,6腿旋轉(zhuǎn) Y角度，此時， 各 腿的位置矢量為 :(設旋轉(zhuǎn) y角度后腿部在 X軸上的投影長度近似為 L)[9]。 1 2 3 4 5 6 X Y O P1=? ?( ) , sin , TL m n L h?? ? ? P2=? ?( ), sin , 0 TL m L ??? P3=? ?( ) , ( sin ) , TL m n L h?? ? ? ? P4=? ?( ), sin , 0 TL m n L ??? P5=? ?( ), sin , TL m L h?? P6=? ?( ) , ( sin ) , 0 TL m n L ?? ? ? 圖 37（ C） 1 2 3 4 5 6 P1=? ?( ) , sin , 0 TL m n L ?? ? ? P2=? ?( ), sin , 0 TL m L ??? P3=? ?( ) , ( sin ) , 0 TL m n L ?? ? ? ? P4=? ?( ), sin , 0 TL m n L ??? P5=? ?( ), sin , 0 TL m L ?? P6=? ?( ) , ( sin ) , 0 TL m n L ?? ? ? X Y O 圖 37（ D） 21 第四章 六足仿生機器人的控制系統(tǒng)設計 控制系統(tǒng)的 設計主要任務是完成全方位步態(tài)的軟件設計，也就是對 12個舵機的調(diào)度和控制。動作的協(xié)調(diào)完美性的實現(xiàn)，要求了在任一時刻能夠做出 12個舵機的同步動作控制。從而完成機器人的前進、后退以及轉(zhuǎn)彎。 TA89S52具有如下特點 :40個引腳， 8KB Flash片內(nèi)程序存儲器， 256Bytes的隨機存儲數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)， 32個外部雙向輸入 /輸出 (I/O)口， 1個 6向量 2級中斷結(jié)構(gòu) 。 常用的 AT89S52封裝 電路為 PDIP形式，其圖如圖 42所示。在航空模型中，飛行機的飛行姿態(tài)是通過調(diào)節(jié)發(fā)動機和各個控制舵面來實現(xiàn)的。由此可見，凡是需要操作性動作時都可以用舵機來實現(xiàn) [11]。純數(shù)字舵機采用全新的單線雙工通訊協(xié)議，不僅能執(zhí)行普通舵機的全部功能，還可以作為一個角度傳感器，監(jiān)測舵機的實際位置，而且可以多個舵機并聯(lián)互不影響。 工作原理：控制電路板接受來自信號線的控制信號（具體信號待會再講），控制電機轉(zhuǎn)動，電機帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。 表 42 時基脈沖與舵機角度對應 表 脈沖值（ ms） 。 舵機的控制一般需要一個 20ms 左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般~ 范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。采用純數(shù)字舵機構(gòu)建的自動化控制系統(tǒng)，不僅可以大幅提升系統(tǒng)性能，而且可以降低系統(tǒng)的生產(chǎn)維護成本，提高產(chǎn)品性價比，增強市場競爭力。 的脈沖來控制舵機的角度變化，隨著以 CPU 為主的數(shù)字革命的興起，現(xiàn)在的舵機已成為模擬舵機和數(shù)字舵機并存的局面，但即使是現(xiàn)在的數(shù)字舵機，其控制接口也還是傳統(tǒng)的 177。舵機因此得名：控制舵面的伺服電機。如表 41所示。在空閑模式下， CPU暫停工作，而 RAM、 定時計數(shù)器、串行口、外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，禁止電路的其他功能直至外中斷激活或硬件復位。 中央控制模塊是整個控制系統(tǒng)的核心， 本次設計 采用微處理器 AT89S52為 核心構(gòu)成，負責舵機協(xié)調(diào)動作處理，障 礙檢測數(shù)據(jù)處理 等功能。 通過上圖可以看出， 12 個舵機是需要同時控制的， 那 么 ， 很顯然我們需要有 12 個控制信號來共同作用，也就意味著要求單片機產(chǎn)生 12 路的 PPM 波，利用這 12個 PPM 波來控制舵機的轉(zhuǎn)動角度。在完成的避開障礙物的過程中來體現(xiàn) 全方位的 六足步態(tài) ?？梢酝ㄟ^合理選擇旋轉(zhuǎn)丫角度，完成機器人的定點轉(zhuǎn)彎動作。 下面以 左轉(zhuǎn)運動步態(tài) 為例子來分析它的步態(tài)。 此時， 各腿 的 支撐點 位置矢量為 : （ 2） 如圖 36（ B）所示， 5放下后，然后 6抬起 ； 則此時的位置矢量： （ 3） 5向后移動 半步，做位置調(diào)整， 6向前 ,則其位置矢量： O X Y Z 1 2 3 4 5 6 O P1= ( ), ,2TSL m n h??? ? ????? P2=? ?( ), 0, 0 TLm?? P3= ( ), ( ),2TSL m n h??? ? ? ????? P4=? ?( ), , 0 TL m n? P5= ( ), ,2TSL m h??????? P6= ? ?( ), , 0 TL m n?? X Y O X Y 1 2 3 4 5 6 P1= ( ) , , 02TSL m n??? ? ????? P2=? ?( ) , 0 , TL m h?? P3= ( ) , ( ) , 02TSL m n??? ? ? ????? P4=? ?( ) , , TL m n h? P5= ( ) , , 02TSLm??????? P6=? ?( ) , , TL m n h?? 17 （ 4） 6放下后， 5抬起； 則位置矢量： （ 5） 6向后移動半步長，做姿勢調(diào)整，此時的位置矢量： Y X O 1 2 3 4 5 6 P1= ( ) , , 02TSL m n??? ? ????? P2=? ?( ) , , TL m S h?? P3= ( ) , ( ) , 02TSL m n??? ? ? ????? P4=? ?( ) , ( ) , TL m n s h?? P5= ( ) , , 02TSLm??????? P6= ( ) , ( ) ,2TSL m n h??? ? ????? S/2 1 2 3 4 5 6 Y X O S/2 P1= ( ) , ,2TSL m n h??? ? ????? P2=? ?( ) , , 0 TL m S?? P3= ( ) , ( ) ,2TSL m n h??? ? ? ????? P4=? ?( ) , , 0 TL m n S?? P5= ( ) , ,2TSL m h??????? P6=? ?( ) , ( ) , 0 TL m n S? ? ? 18 （ 6）六條腿均落地，回到最初的狀態(tài)。六足仿生機器人直線行走步態(tài)示意圖如圖 36所示。 圖 34步行機器人任一時刻姿態(tài)圖 穩(wěn)定裕量計算 設某一時刻，機器人以“三角步態(tài)”行走時，其 B組支撐腿著地點 ， 機器人質(zhì)心在 XOY平面的投影如圖 35所示，并設質(zhì)心投影 O1與 XOY平面坐標原點重合。 六足機器人的穩(wěn)定性分析 穩(wěn)定性分析 步行機器人任一時刻姿態(tài)圖如圖 34所示。腿部順序定義如圖示，定義腿間距為 n，體寬為 ,D為腿的站立點， Ai, Di為腿與艦關(guān)節(jié)連接點。機器人步態(tài)的規(guī)劃包括 :步態(tài)穩(wěn)定性分析，直行步態(tài)規(guī)劃與分析，定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃與分析等。并且分析和確定本設計的一些參數(shù)， 給出了相關(guān)的參數(shù)， 為后續(xù)的設計奠定了基礎。整個腿有大腿和小腿組成，通過髖關(guān)節(jié)的正交電機的驅(qū)動，實現(xiàn)了豎直方向的抬起和水平方向的移動。 [7] “六足綱 ”昆蟲體的基本組成為軀千、腿部兩部分， 所以 文中涉及的 六足機器人機械結(jié)構(gòu)也主要由軀千、腿部兩部分組成。身體左側(cè)的前、后足及右側(cè)的中足為一組，右側(cè)的前、后足和左側(cè)的中足為另一組，分別組成兩個三角形支架。 (2 )Q 1 / 2: 機體移動較慢時，擺動相與支撐相有一短暫的重疊過程，即機體有六條腿同時著地的狀態(tài)。 回程時間 tr，指腿在懸空相的持續(xù)時間。 腿節(jié)距 (leg pitch)，指橫向運動時，機體同一端上相鄰腿運動主平面之間的距離。運動周期 T指周期步態(tài)中某一腿運動一個完整循環(huán)所需要的時間。 8 第二章 六足仿生機器人的結(jié)構(gòu)分析及設計 “六 足綱”昆蟲 (蟑螂 ,螞蟻等等 ) 在平坦無阻的地面上快速行進時 ,多以交替的三角步態(tài)運動 [1],即在步行時把六條足分為兩組 ,以身體一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足作為一組 ,形成一個穩(wěn)定的三角架支撐蟲體 ,因此在同一時間內(nèi)只有一組的三條足起行走作用 :前足用爪固定物體后拉動蟲體前進 ,中足用以支撐并舉起所屬一側(cè)的身體 ,后足則推動蟲體前進 ,同時使蟲體轉(zhuǎn)向 ,行走時蟲體向前并稍向外轉(zhuǎn) ,三條足同時行動 ,然后再與另一組的三條足交替進行 ,兩組足如此交替地擺動和支撐 ,從而實現(xiàn)昆蟲的快速 運動 ，我們 將這 種步態(tài)定義為“三角步態(tài)” [6]。對六足仿生機器人控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件流程給出詳細介紹，并進行相關(guān)測試，驗證整體設計方案的正確性和可靠性 . 論文主要內(nèi)容有 : 以自行設計的六足仿生機器人為研究對象，分析其機械結(jié)構(gòu)，按照“六 足綱”昆蟲的運動原理，進行步態(tài)分析，確定機器人的步態(tài)規(guī)劃。該機器人以 1個曲柄搖桿機構(gòu)和連桿機構(gòu)作為腿部和六足，以 12個直流伺服電機作為驅(qū)動元件。同時，在國內(nèi)，中科院沈陽自動化研究所、清華大學、等單位也先后展開了機器人的研究，并取得了較大的成果。 [4] 多足機器人 六足仿生機器人的一個最大的優(yōu)點是對行走路面的要求很低 ,它可以跨越障礙物、走過沙地、沼澤等特殊路面 ,因此可以用于工程探險勘測、反恐防爆、軍事偵察等人類無法完成的或危險的工作 ,并且機器人的足所具有的大量自由度可以使機器人的運動更加靈活 ,對凹凸不平的地形的適應能力更強。 (四 )按功能和用途來分 : 醫(yī)療機器人 ， 軍用機器人 ， 助殘機器人 ， 清潔機器人等。 特種移動機器人 :根據(jù)具體的應用目的，還有其他種類的移動機器人，如墻壁清洗機器人、爬纜索機器人以及管內(nèi)移動機器人等，這些機器人是根據(jù)某種特殊目的設計的機器人。按輪數(shù)的多少又可分為二輪、三輪、四輪式三種。 半自主式移動機器人 智能水平介于遙控和自主式移動機器人之間，具備一定的感知、判斷和決策功 能，但對一些復雜任務仍需在人工干預下才能順利完成。另外，隨著生產(chǎn)自動化技術(shù)的發(fā)展，移動機器人在柔性自動化制造生產(chǎn)線上和無人化 工廠中也得到了廣泛的應用。而以自主移動機器人為對象或應用領域的，基于自適應、學習、進化機理，具有高級生命行為的自主系統(tǒng)的研究與研發(fā)，已成為21世紀初信息科學與生命科學富于挑戰(zhàn)性的交叉研究領域之一。 70年代末，隨著計算機的應用和傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動 機器人研究又出現(xiàn)了新的高潮。一些新型機器人還包括語音合成和識別技術(shù)以及多媒體系統(tǒng)， 實現(xiàn)人機對話。 通常的機器人采用主計算機與關(guān)節(jié)驅(qū)動伺服計算機兩級計算機控制，有時為了實現(xiàn)智能控制，還需對包括視覺等各種