【正文】 在對(duì)四足行走機(jī)器人行走進(jìn)行控制時(shí)，需要由單片機(jī) 8051 構(gòu)成一個(gè)速度控制伺服系統(tǒng)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址空間有 64K，片內(nèi)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 256Byte,地址 0～256。在方式 0 時(shí)，定時(shí)器以 13 位方式進(jìn)行定時(shí)或計(jì)數(shù)。方式 2 時(shí)，數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送用 TXD 端，接收用 RXD 端；數(shù)據(jù)傳輸格式用 11 位，格式與方式 1 類同，只是在數(shù)據(jù)位后多了一個(gè)編程位；傳送波特率選定在振蕩頻率的 1/32 獲 1/64 處。串行 I/O 口占用并行 I/O 口 P3 的 和 兩位。方式 1 時(shí)，數(shù)據(jù)發(fā)送用 TXD 端，接收用 RXD 端；數(shù)據(jù)傳輸格式用 10 位，其中一個(gè)起始位(0)，8 個(gè)數(shù)據(jù)位(地位在前)，一個(gè)停止位(1)；傳送波特率可辨。串行 I/O 接口可以以全雙工方式工作。P2 口是高 8 位地址 A8～A15 的地址總線，但也可做一般的 I/O 口。定時(shí)和控制部件用于產(chǎn)生指令執(zhí)行的同步信號(hào)及微操作信號(hào)。 8051 的結(jié)構(gòu)8051 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 45 所示。他的性能比早期的MCS48 要好得多。對(duì)應(yīng)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的內(nèi)容，行走機(jī)構(gòu)開(kāi)環(huán)控制，不使用傳感聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxxv器；轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)閉環(huán)控制，使用選擇光電編碼器作為伺服系統(tǒng)的傳感器，編碼器有絕對(duì)型和增量型兩類，增量型編碼器，轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)中使用絕對(duì)型編碼器。4. 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)所指的控制系統(tǒng)是行走控制系統(tǒng)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得知，為了達(dá)到這一目的，必須滿足一下兩個(gè)條件 ：]15[（1）第一萬(wàn)向節(jié)兩軸間的夾角與第二萬(wàn)向節(jié)兩軸間的夾角相等。綜上所述，對(duì)于四足機(jī)器人而言，將以摩擦力矩和旋轉(zhuǎn)精度作為主要的衡量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)選取軸承。不同結(jié)構(gòu)的軸承具有不同的工作特性，不同的使用場(chǎng)合和安裝部位對(duì)軸承的結(jié)構(gòu)和性能也有不同的要求。如下圖 320 所示為一級(jí)直齒齒輪傳動(dòng)副的三維實(shí)體模型：聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxxii圖 320 一級(jí)直齒齒輪傳動(dòng)副的三維實(shí)體模型需要指出四足步行機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)選用錐齒輪 傳動(dòng)副主要出于以下考慮,一方面用于相互垂直的軸線間的運(yùn)動(dòng)傳遞，以改變電機(jī)輸出運(yùn)動(dòng)的方向；另一方面錐齒輪的傳動(dòng)具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、誤差小、噪聲小等特點(diǎn)，但同時(shí)考慮到設(shè)計(jì)及其加工制造的因素，故采用直齒錐齒輪進(jìn)行傳動(dòng)。m外形尺寸：總長(zhǎng) 96 mm,外徑 55 mm,軸徑 6 mm聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxxi圖 318 行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖轉(zhuǎn)彎伺服系統(tǒng)可使用功率更小的電機(jī)。 的坡行走。這些非技術(shù)因素也是完美方案的一個(gè)不可缺少的部分。電機(jī)的負(fù)載情況。而一旦有經(jīng)驗(yàn)的銷售工程師了解到您的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，他可以為您提供整套系統(tǒng)配搭的方案，保證系統(tǒng)的完美組合。電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的配合結(jié)構(gòu)。 電機(jī)的選擇為了滿足四足機(jī)器人行走時(shí)的各項(xiàng)要求，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇至關(guān)重要，它與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)、控制硬件的配置、電源能量的消耗、系統(tǒng)控制的效果都有很大的關(guān)系。而一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)通過(guò)外觀線型的塑造、細(xì)節(jié)的刻畫、色調(diào)品味等元素的共性化處理，在人們的心目中會(huì)建立起風(fēng)格和特色鮮明的一個(gè)形象 。然而，為了使機(jī)器人在不轉(zhuǎn)彎時(shí)也能調(diào)整步長(zhǎng)，可用三部伺服電機(jī)控制，一部控制脊柱中的腱(h h2)，另外兩部電機(jī)分別控制左右兩側(cè)的髖關(guān)節(jié)偏距 E。假設(shè)外側(cè)腿髖關(guān)節(jié)偏距的增量與內(nèi)側(cè)腿髖關(guān)節(jié)偏距的減少量相等，即 0122eaB?????………………………………(9)其中，E0—正常行走時(shí)髖關(guān)節(jié)偏距；Δ e—髖關(guān)節(jié)偏距增量。則： …………………………………………………(2)??12hrn??????令 β 為轉(zhuǎn)彎角（轉(zhuǎn)彎時(shí)機(jī)體的圓周角） ，則 …………………………………………………… (3)??1n????那么，脊柱彎曲控制函數(shù)為： ……………………………………………………(4)?12hr(2) 步長(zhǎng)控制函數(shù)當(dāng)機(jī)體按圖 5 所示軌跡轉(zhuǎn)彎時(shí)，有：聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxvi圖 314 機(jī)器人機(jī)體轉(zhuǎn)彎軌跡 ……………………………………………………(5)12aBR????????其中，B—左右兩腿足端距離（體寬） ；θ —軌跡對(duì)應(yīng)的一節(jié)脊骨的偏角。由公式（6）只能得到膝關(guān)節(jié)凸輪的理論輪廓曲線，實(shí)際輪廓曲線是以理論輪廓曲線上各點(diǎn)為圓心、以滾輪半徑為半徑的一族圓的內(nèi)包絡(luò)線。以下將求出主凸輪的輪廓：由圖 39，根據(jù)平面幾何學(xué)的知識(shí)，可得凸輪從動(dòng)件平底的直線方程為： ??21211()cos()sin()tan()??????????o oyrxr???????它是以 為參數(shù)的直線族，而凸輪輪廓線是以該直線族的包絡(luò)線。 的控制——髖關(guān)節(jié)凸輪?髖關(guān)節(jié)凸輪控制 的機(jī)理如 36，1圖 36 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)原理圖根據(jù)平面幾何的知識(shí)，凸輪的從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為 11tan()sE????所以，凸輪輪廓線上的點(diǎn)的直角坐標(biāo)值（X, Y）聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxi 1()cosinoxry??????……………………………………（4）其中，支撐相中的 由公式（ 1）確定（） ，懸空相中的 表 31 確1? 1?定（見(jiàn) ） 。 參數(shù)選擇 由于本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)器人是以狗的外形作為參考模型，因此，腿機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)如下：髖關(guān)節(jié)偏距： E = 50 mm ；小腿長(zhǎng)： ；mh201?大腿長(zhǎng)： ；8步長(zhǎng)： S = 150 mm 。其特點(diǎn)是功率大、運(yùn)行平穩(wěn)、系統(tǒng)具有一定的柔性。一般有三種控制方式：電氣控制、液壓控制和純機(jī)械控制。在懸空相中不能通過(guò)上述方法求得,由于只需對(duì)足端進(jìn)行點(diǎn)位控制，故只需知道一些特殊點(diǎn)的 、 及 ，有多種方法可以求得這些點(diǎn)的 、 及 。BO運(yùn)動(dòng)學(xué)正解可以通過(guò)平面幾何確定： 12121213cos()cos()inin?????????cOBxl hOByB???…………（1）根據(jù)余弦定理 221112cos????OBlhEOB根據(jù)正弦定理 212sinsin?OBl? 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解就是給定（ ， ） ，求解 和 。從控制的角度來(lái)說(shuō)，當(dāng)腿機(jī)構(gòu)處于支撐相時(shí)，需進(jìn)行連續(xù)控制；當(dāng)腿機(jī)構(gòu)處于懸空相時(shí)，只需進(jìn)行點(diǎn)位控制。 各參數(shù)關(guān)系（控制函數(shù)）為了使圖 33 所示機(jī)構(gòu)的足端 C ，能按圖中虛線所示軌跡運(yùn)動(dòng)，并滿足（）中所述的所有要求，必須求出各參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系。從仿生學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，我們可以將圖 33 中的 BC 為稱為小腿， B 為大2O腿，稱 為髖骨；稱 B 為膝關(guān)節(jié)，稱 為髖關(guān)節(jié)。5. 在要求 1 中，足端通過(guò)直線段的時(shí)間是通過(guò)曲線段的時(shí)間的 3 倍，即支撐相的相位角 ①為 3π/2，懸空相的相位角為 π/2。直線段對(duì)應(yīng)的就是足支撐機(jī)體的運(yùn)動(dòng)軌跡（支撐相） ，曲線段對(duì)應(yīng)的是腳掌離開(kāi)地面部分的足端運(yùn)動(dòng)軌跡（懸空相） 。 四足動(dòng)物行走的特點(diǎn)四足動(dòng)物（如狗）正常行走（非奔跑狀態(tài)）時(shí)，四條腿的協(xié)調(diào)動(dòng)作順序一般按對(duì)角線原則，即如左前腿→右后腿→左后腿→右前腿→左前腿→……如此循環(huán)下去。當(dāng)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)均由腿的運(yùn)動(dòng)完成時(shí)，腿機(jī)構(gòu)應(yīng)不少于三個(gè)自由度，并且足端具備一個(gè)實(shí)體的工作空間。在行走機(jī)器人研究中，人們多是著力于讓機(jī)器采用類似于動(dòng)物的腿的機(jī)構(gòu)，即關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu)。前后兩腿通過(guò)聯(lián)軸節(jié) 6 聯(lián)接。]5[此外，與一般機(jī)械的設(shè)計(jì)相比，機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)的靈巧性、緊湊性等方面有更高的要求。一般機(jī)械設(shè)計(jì)主要是強(qiáng)度設(shè)計(jì)，機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)既要滿足強(qiáng)度要求，又要考慮剛度和精度設(shè)計(jì)。首先，從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來(lái)分析，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看作有一系列連桿通過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（或移動(dòng)關(guān)節(jié)）連接起來(lái)的開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈。同時(shí)四足機(jī)器人在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)除了需要滿足系統(tǒng)的技術(shù)性能外，還需要滿足經(jīng)濟(jì)性要求，即必須在滿足機(jī)器人的預(yù)期技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)，考慮用材合理、制造安裝簡(jiǎn)單以及可靠性高等問(wèn)題。通過(guò)內(nèi)部傳感器（光電編碼器等）將這三部分有機(jī)地結(jié)合在一起。控制系統(tǒng)：控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及相應(yīng)的軟件組成。環(huán)境：機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)形式取決于移動(dòng)環(huán)境。 四足機(jī)器人研發(fā)流程四足行走機(jī)器人的研發(fā)流程如圖 21 所示。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)的指令值由主計(jì)算機(jī)計(jì)算后在每個(gè)采樣周期給出。腿處于支撐狀態(tài)時(shí)，足端與地面接觸支持機(jī)體重量，并且推動(dòng)機(jī)體前進(jìn)，這種狀態(tài)稱為支撐相。本課題的主要任務(wù)是提供一個(gè)比較完善的行走機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)，為開(kāi)發(fā)完整的行走機(jī)器人系統(tǒng)提供硬件支持。 課題簡(jiǎn)介本課題所設(shè)計(jì)的是一種四足行走機(jī)器人。仿生機(jī)構(gòu)技術(shù)機(jī)器人作為一種擬人（動(dòng)物）的自動(dòng)機(jī)械裝置，就應(yīng)該像人（動(dòng)物）一樣有手腳，而且實(shí)現(xiàn)像人或動(dòng)物一樣以步行方式行走是機(jī)器人學(xué)研究領(lǐng)域最重要的一個(gè)方向。傳感技術(shù)這是涉及很多學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù)。人工智能人工智能的研究，采用計(jì)算機(jī)科學(xué)的觀點(diǎn)和方法，撇開(kāi)人腦的細(xì)微結(jié)構(gòu)，單純進(jìn)行人腦宏觀功能的模擬。不足之處是腿運(yùn)動(dòng)時(shí)的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜，而且承載能力較小。該機(jī)器人采]3[用開(kāi)式鏈腿機(jī)構(gòu)，每條腿有 3 個(gè)自由度，它采用力和位置混合控制，腳底裝有PVDF 測(cè)力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)角線動(dòng)態(tài)行走。該機(jī)器人機(jī)動(dòng)性和反應(yīng)能力都很強(qiáng)，平衡能力極佳。目前最具代表的四足步行機(jī)器人是美國(guó) Bostondynamics 實(shí)驗(yàn)室研制的BigDog，如圖 1—4 所示。它的每個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)光電碼盤、陀螺儀、傾角計(jì)和觸覺(jué)傳感器。1981 ～1984 年 Hirose 教授研制成功腳部裝有傳感和信號(hào)處理系統(tǒng)的 TITANIII。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)器人控制技術(shù)的研究和應(yīng)用，到了 20 世紀(jì) 80 年代，現(xiàn)代四足步行機(jī)器人的研制工作進(jìn)入了廣泛開(kāi)展的階段。其中，四足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單且靈活，承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，在搶險(xiǎn)救災(zāi)、探險(xiǎn)、娛樂(lè)及軍事等許多方面有很好的應(yīng)用前景，其研制工作一直受到國(guó)內(nèi)外的重視。1962 年，美國(guó)的 General Motors 公司在壓鑄件生產(chǎn)線上安裝了第一臺(tái)工業(yè) Unimate 機(jī)器人,標(biāo)志著第一代機(jī)器人的正式誕生。1920 年，捷克作家卡雷爾 control system 。在此基礎(chǔ)上，論文采用主從式控制方式設(shè)計(jì)了四足機(jī)器人的控制系統(tǒng)，重點(diǎn)討論了以 8051 單片機(jī)為控制器的行走機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 摘 要 四足機(jī)器人作為仿生機(jī)器人的一種，得到了廣泛的研究。為此，項(xiàng)目將四足機(jī)器人本體作為一個(gè)柔性整體，采用三維建模軟件 Pro/ 設(shè)計(jì)了四足機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)，提出了一種新穎的凸輪控制驅(qū)動(dòng)式行走機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種腿機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)的凸輪控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并初步設(shè)計(jì)了柔性轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)。 cam drive。機(jī)器人的誕生和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，成為二十世紀(jì)人類科學(xué)技術(shù)的重大成就之一。1960 年，美國(guó) Unimation 公司根據(jù) Devol 的專利技術(shù)研制出了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)，并定型生產(chǎn) Unimate 工業(yè)機(jī)器人。 國(guó)內(nèi)外四足行走機(jī)器人得研究概況目前，常見(jiàn)的步行機(jī)器人以兩足式、四足式、六足式應(yīng)用較多。20 世紀(jì) 60 年代，四足步行機(jī)器人的研究工作開(kāi)始起步。20 世紀(jì) 80、90 年代最具代表性的四足步行機(jī)器人是日本 Shigeo Hirose 實(shí)驗(yàn)室研制的 TITAN 系列。20222022 年，日本電氣通信大學(xué)的木村浩等人研制成功了具有寵物狗外形的機(jī)器人 TekkenIV，如 1—3 所示。它的另一特點(diǎn)是利用了激光和 CCD 攝像機(jī)導(dǎo)航，可以辨別和避讓前方存在的障礙，能夠在封閉回廊中實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞快速行走。同時(shí)，腿部連有很多傳感器，其運(yùn)動(dòng)通過(guò)伺服電機(jī)來(lái)控制。1996 年該研究所研制成功了 JTUWM—III ，如 15 所示。它采用開(kāi)環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)作為步行機(jī)構(gòu)，通過(guò)模擬動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運(yùn)動(dòng)，可以自主應(yīng)付復(fù)雜的地形條件，完成上下坡行走、越障等功能。 機(jī)器人學(xué)主要涉及的學(xué)科內(nèi)容機(jī)器人學(xué)主要涉及控制論、仿生機(jī)構(gòu)學(xué)和人工智能三大基礎(chǔ)學(xué)科。另外，大容量晶體管、柵控閘流晶體管、場(chǎng)效應(yīng)管等電子元件的開(kāi)發(fā)，促進(jìn)了機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。小型高強(qiáng)度機(jī)械裝置的研制，對(duì)機(jī)器人手、足機(jī)構(gòu)的改進(jìn)起到了很大的推動(dòng)作用?？傊瑱C(jī)器人學(xué)是一門綜合性的學(xué)科，它的發(fā)展和進(jìn)步與其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān)。本課題的研究重點(diǎn)是設(shè)計(jì)一種四足行走行走機(jī)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了一種脊柱轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)，以這兩種機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，以狗外形作為外形參考模型，設(shè)計(jì)了一種四足行走機(jī)器人( 機(jī)器狗 )。①步行機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，各腿交替的呈現(xiàn)兩種不同的狀態(tài)，即支撐狀態(tài)和懸空狀態(tài)。常用的驅(qū)動(dòng)單元是各種伺服電機(jī)，由于一般伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速很高(1000r/min~10000r/min)，因此，在電機(jī)與負(fù)載之間用一套傳動(dòng)裝置來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的匹配。除了關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中供反饋用的位置、速度、加速度的傳感器(稱為機(jī)器人的內(nèi)部傳感器)，機(jī)器人還可配備視覺(jué)、力覺(jué)、觸覺(jué)、接近覺(jué)等等多種類型的傳感器(稱為機(jī)器人的外部傳感器) ，以及傳感信號(hào)的采集處理系統(tǒng)。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文ix機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 步態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng) 力學(xué)分析 控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)建模仿真 兼容性分析傳感器子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)加工物理樣機(jī)圖 21 四足機(jī)器人的研發(fā)流程