【正文】 在對四足行走機器人行走進行控制時，需要由單片機 8051 構成一個速度控制伺服系統(tǒng)。數(shù)據(jù)存儲器的尋址空間有 64K，片內有數(shù)據(jù)存儲器 256Byte,地址 0～256。在方式 0 時，定時器以 13 位方式進行定時或計數(shù)。方式 2 時，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，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，其中一個起始位(0)，8 個數(shù)據(jù)位(地位在前)，一個停止位(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。定時和控制部件用于產(chǎn)生指令執(zhí)行的同步信號及微操作信號。 8051 的結構8051 的內部結構如圖 45 所示。他的性能比早期的MCS48 要好得多。對應機械系統(tǒng)設計中的內容，行走機構開環(huán)控制，不使用傳感聊城大學本科畢業(yè)論文xxxv器；轉彎機構閉環(huán)控制，使用選擇光電編碼器作為伺服系統(tǒng)的傳感器，編碼器有絕對型和增量型兩類，增量型編碼器，轉彎機構中使用絕對型編碼器。4. 控制系統(tǒng)的硬件設計本設計所指的控制系統(tǒng)是行走控制系統(tǒng)。根據(jù)運動學分析得知，為了達到這一目的，必須滿足一下兩個條件 ：]15[（1）第一萬向節(jié)兩軸間的夾角與第二萬向節(jié)兩軸間的夾角相等。綜上所述，對于四足機器人而言，將以摩擦力矩和旋轉精度作為主要的衡量標準來選取軸承。不同結構的軸承具有不同的工作特性，不同的使用場合和安裝部位對軸承的結構和性能也有不同的要求。如下圖 320 所示為一級直齒齒輪傳動副的三維實體模型：聊城大學本科畢業(yè)論文xxxii圖 320 一級直齒齒輪傳動副的三維實體模型需要指出四足步行機器人傳動系統(tǒng)選用錐齒輪 傳動副主要出于以下考慮,一方面用于相互垂直的軸線間的運動傳遞，以改變電機輸出運動的方向；另一方面錐齒輪的傳動具有運轉平穩(wěn)、誤差小、噪聲小等特點，但同時考慮到設計及其加工制造的因素，故采用直齒錐齒輪進行傳動。m外形尺寸：總長 96 mm,外徑 55 mm,軸徑 6 mm聊城大學本科畢業(yè)論文xxxi圖 318 行走機構驅動電機圖轉彎伺服系統(tǒng)可使用功率更小的電機。 的坡行走。這些非技術因素也是完美方案的一個不可缺少的部分。電機的負載情況。而一旦有經(jīng)驗的銷售工程師了解到您的傳動機構，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。電機與傳動機構的配合結構。 電機的選擇為了滿足四足機器人行走時的各項要求，其驅動電機的選擇至關重要，它與機器人運動功能的實現(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系。而一個產(chǎn)品的設計通過外觀線型的塑造、細節(jié)的刻畫、色調品味等元素的共性化處理，在人們的心目中會建立起風格和特色鮮明的一個形象 。然而，為了使機器人在不轉彎時也能調整步長，可用三部伺服電機控制，一部控制脊柱中的腱(h h2)，另外兩部電機分別控制左右兩側的髖關節(jié)偏距 E。假設外側腿髖關節(jié)偏距的增量與內側腿髖關節(jié)偏距的減少量相等，即 0122eaB?????………………………………(9)其中，E0—正常行走時髖關節(jié)偏距；Δ e—髖關節(jié)偏距增量。則： …………………………………………………(2)??12hrn??????令 β 為轉彎角（轉彎時機體的圓周角） ，則 …………………………………………………… (3)??1n????那么，脊柱彎曲控制函數(shù)為： ……………………………………………………(4)?12hr(2) 步長控制函數(shù)當機體按圖 5 所示軌跡轉彎時，有：聊城大學本科畢業(yè)論文xxvi圖 314 機器人機體轉彎軌跡 ……………………………………………………(5)12aBR????????其中，B—左右兩腿足端距離（體寬） ；θ —軌跡對應的一節(jié)脊骨的偏角。由公式（6）只能得到膝關節(jié)凸輪的理論輪廓曲線，實際輪廓曲線是以理論輪廓曲線上各點為圓心、以滾輪半徑為半徑的一族圓的內包絡線。以下將求出主凸輪的輪廓：由圖 39，根據(jù)平面幾何學的知識，可得凸輪從動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線。 的控制——髖關節(jié)凸輪?髖關節(jié)凸輪控制 的機理如 36，1圖 36 髖關節(jié)結構原理圖根據(jù)平面幾何的知識，凸輪的從動件的運動規(guī)律為 11tan()sE????所以，凸輪輪廓線上的點的直角坐標值（X, Y）聊城大學本科畢業(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 ） 。 參數(shù)選擇 由于本課題所設計的機器人是以狗的外形作為參考模型，因此，腿機構的尺寸參數(shù)如下：髖關節(jié)偏距： E = 50 mm ；小腿長： ；mh201?大腿長： ；8步長： S = 150 mm 。其特點是功率大、運行平穩(wěn)、系統(tǒng)具有一定的柔性。一般有三種控制方式：電氣控制、液壓控制和純機械控制。在懸空相中不能通過上述方法求得,由于只需對足端進行點位控制，故只需知道一些特殊點的 、 及 ，有多種方法可以求得這些點的 、 及 。BO運動學正解可以通過平面幾何確定： 12121213cos()cos()inin?????????cOBxl hOByB???…………（1）根據(jù)余弦定理 221112cos????OBlhEOB根據(jù)正弦定理 212sinsin?OBl? 運動學逆解就是給定（ ， ） ，求解 和 。從控制的角度來說，當腿機構處于支撐相時，需進行連續(xù)控制；當腿機構處于懸空相時，只需進行點位控制。 各參數(shù)關系（控制函數(shù)）為了使圖 33 所示機構的足端 C ，能按圖中虛線所示軌跡運動，并滿足（）中所述的所有要求，必須求出各參數(shù)間的函數(shù)關系。從仿生學的角度來說，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 為膝關節(jié)，稱 為髖關節(jié)。5. 在要求 1 中，足端通過直線段的時間是通過曲線段的時間的 3 倍，即支撐相的相位角 ①為 3π/2，懸空相的相位角為 π/2。直線段對應的就是足支撐機體的運動軌跡（支撐相） ，曲線段對應的是腳掌離開地面部分的足端運動軌跡（懸空相） 。 四足動物行走的特點四足動物（如狗）正常行走（非奔跑狀態(tài)）時，四條腿的協(xié)調動作順序一般按對角線原則，即如左前腿→右后腿→左后腿→右前腿→左前腿→……如此循環(huán)下去。當前進運動和轉向運動均由腿的運動完成時，腿機構應不少于三個自由度，并且足端具備一個實體的工作空間。在行走機器人研究中，人們多是著力于讓機器采用類似于動物的腿的機構，即關節(jié)式機構。前后兩腿通過聯(lián)軸節(jié) 6 聯(lián)接。]5[此外，與一般機械的設計相比，機器人的機械設計在結構的靈巧性、緊湊性等方面有更高的要求。一般機械設計主要是強度設計，機器人的機械設計既要滿足強度要求，又要考慮剛度和精度設計。首先，從機構學的角度來分析，機器人的機械結構可以看作有一系列連桿通過旋轉關節(jié)（或移動關節(jié)）連接起來的開式運動鏈。同時四足機器人在機構設計除了需要滿足系統(tǒng)的技術性能外，還需要滿足經(jīng)濟性要求，即必須在滿足機器人的預期技術指標的同時，考慮用材合理、制造安裝簡單以及可靠性高等問題。通過內部傳感器（光電編碼器等）將這三部分有機地結合在一起?？刂葡到y(tǒng)：控制系統(tǒng)由計算機系統(tǒng)及相應的軟件組成。環(huán)境：機器人的移動機構形式取決于移動環(huán)境。 四足機器人研發(fā)流程四足行走機器人的研發(fā)流程如圖 21 所示。計算機控制系統(tǒng)：各關節(jié)伺服驅動的指令值由主計算機計算后在每個采樣周期給出。腿處于支撐狀態(tài)時，足端與地面接觸支持機體重量，并且推動機體前進，這種狀態(tài)稱為支撐相。本課題的主要任務是提供一個比較完善的行走機器人機械系統(tǒng)，為開發(fā)完整的行走機器人系統(tǒng)提供硬件支持。 課題簡介本課題所設計的是一種四足行走機器人。仿生機構技術機器人作為一種擬人（動物）的自動機械裝置，就應該像人（動物）一樣有手腳，而且實現(xiàn)像人或動物一樣以步行方式行走是機器人學研究領域最重要的一個方向。傳感技術這是涉及很多學科領域的技術。人工智能人工智能的研究，采用計算機科學的觀點和方法，撇開人腦的細微結構，單純進行人腦宏觀功能的模擬。不足之處是腿運動時的協(xié)調控制比較復雜，而且承載能力較小。該機器人采]3[用開式鏈腿機構，每條腿有 3 個自由度，它采用力和位置混合控制，腳底裝有PVDF 測力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊算法相結合，實現(xiàn)了對角線動態(tài)行走。該機器人機動性和反應能力都很強，平衡能力極佳。目前最具代表的四足步行機器人是美國 Bostondynamics 實驗室研制的BigDog，如圖 1—4 所示。它的每個關節(jié)安裝了一個光電碼盤、陀螺儀、傾角計和觸覺傳感器。1981 ～1984 年 Hirose 教授研制成功腳部裝有傳感和信號處理系統(tǒng)的 TITANIII。隨著計算機技術和機器人控制技術的研究和應用，到了 20 世紀 80 年代，現(xiàn)代四足步行機器人的研制工作進入了廣泛開展的階段。其中，四足步行機器人機構簡單且靈活，承載能力強、穩(wěn)定性好，在搶險救災、探險、娛樂及軍事等許多方面有很好的應用前景，其研制工作一直受到國內外的重視。1962 年，美國的 General Motors 公司在壓鑄件生產(chǎn)線上安裝了第一臺工業(yè) Unimate 機器人,標志著第一代機器人的正式誕生。1920 年，捷克作家卡雷爾 control system 。在此基礎上，論文采用主從式控制方式設計了四足機器人的控制系統(tǒng)，重點討論了以 8051 單片機為控制器的行走機構和轉向機構的控制系統(tǒng)設計。聊城大學本科畢業(yè)論文 摘 要 四足機器人作為仿生機器人的一種，得到了廣泛的研究。為此，項目將四足機器人本體作為一個柔性整體，采用三維建模軟件 Pro/ 設計了四足機器人的機械系統(tǒng)，提出了一種新穎的凸輪控制驅動式行走機構，設計了一種腿機構以及相應的凸輪控制驅動機構，并初步設計了柔性轉彎機構。 cam drive。機器人的誕生和相關技術的發(fā)展，成為二十世紀人類科學技術的重大成就之一。1960 年，美國 Unimation 公司根據(jù) Devol 的專利技術研制出了第一臺工業(yè)機器人樣機，并定型生產(chǎn) Unimate 工業(yè)機器人。 國內外四足行走機器人得研究概況目前，常見的步行機器人以兩足式、四足式、六足式應用較多。20 世紀 60 年代，四足步行機器人的研究工作開始起步。20 世紀 80、90 年代最具代表性的四足步行機器人是日本 Shigeo Hirose 實驗室研制的 TITAN 系列。20222022 年，日本電氣通信大學的木村浩等人研制成功了具有寵物狗外形的機器人 TekkenIV，如 1—3 所示。它的另一特點是利用了激光和 CCD 攝像機導航，可以辨別和避讓前方存在的障礙，能夠在封閉回廊中實現(xiàn)無碰撞快速行走。同時，腿部連有很多傳感器，其運動通過伺服電機來控制。1996 年該研究所研制成功了 JTUWM—III ，如 15 所示。它采用開環(huán)關節(jié)連桿機構作為步行機構，通過模擬動物的運動機理，實現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運動，可以自主應付復雜的地形條件，完成上下坡行走、越障等功能。 機器人學主要涉及的學科內容機器人學主要涉及控制論、仿生機構學和人工智能三大基礎學科。另外，大容量晶體管、柵控閘流晶體管、場效應管等電子元件的開發(fā)，促進了機器人伺服驅動技術的發(fā)展。小型高強度機械裝置的研制，對機器人手、足機構的改進起到了很大的推動作用?？傊?，機器人學是一門綜合性的學科，它的發(fā)展和進步與其他相關學科的發(fā)展密切相關。本課題的研究重點是設計一種四足行走行走機構，并設計了一種脊柱轉彎機構，以這兩種機構為基礎，以狗外形作為外形參考模型，設計了一種四足行走機器人( 機器狗 )。①步行機器人在運動過程中，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)。常用的驅動單元是各種伺服電機，由于一般伺服電機的輸出轉速很高(1000r/min~10000r/min)，因此，在電機與負載之間用一套傳動裝置來進行轉速和轉矩的匹配。除了關節(jié)伺服驅動系統(tǒng)中供反饋用的位置、速度、加速度的傳感器(稱為機器人的內部傳感器)，機器人還可配備視覺、力覺、觸覺、接近覺等等多種類型的傳感器(稱為機器人的外部傳感器) ，以及傳感信號的采集處理系統(tǒng)。聊城大學本科畢業(yè)論文ix機構設計 步態(tài)規(guī)劃設計 運動學、動 力學分析 控制子系統(tǒng)的設計 驅動子系統(tǒng)的設計總體設計建模仿真 兼容性分析傳感器子系統(tǒng)的設計加工物理樣機圖 21 四足機器人的研發(fā)流程