【正文】 交點(diǎn)M (XM ，YM)的坐標(biāo)為: 22(Y1)X)=[+(]22(X)1Y)M=[+(]則：dl= = O2XY?同理，可以求得d2= , d3= 。機(jī)器人通過重復(fù)著上圖的動(dòng)作就可以實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人的擺動(dòng)相和支撐相的交替過程。3. 5“三角步態(tài)”定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)設(shè)計(jì)“三角步態(tài)”定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)也將步態(tài)周期劃分為4個(gè)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(jī)器人4,6腿旋轉(zhuǎn)Y角度，此時(shí)，各腿的位置矢量為:(設(shè)旋轉(zhuǎn)y角度后腿部在X軸上的投影長度近似為L) [9]。22第四章 六足仿生機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成全方位步態(tài)的軟件設(shè)計(jì)，也就是對(duì)12個(gè)舵機(jī)的調(diào)度和控制。動(dòng)作的協(xié)調(diào)完美性的實(shí)現(xiàn)，要求了在任一時(shí)刻能夠做出12 個(gè)舵機(jī)的同步動(dòng)作控制。從而完成機(jī)器人的前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎。TA89S52具有如下特點(diǎn):40個(gè)引腳，8KB Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256Bytes的隨機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)口，1個(gè)6向量2級(jí)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(jī)的飛行姿態(tài)是通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)和各個(gè)控制舵面來實(shí)現(xiàn)的。由此可見，凡是需要操作性動(dòng)作時(shí)都可以用舵機(jī)來實(shí)現(xiàn) [11]。純數(shù)字舵機(jī)采用全新的單線雙工通訊協(xié)議，不僅能執(zhí)行普通舵機(jī)的全部功能，還可以作為一個(gè)角度傳感器，監(jiān)測舵機(jī)的實(shí)際位置，而且可以多個(gè)舵機(jī)并聯(lián)互不影響。 工作原理：控制電路板接受來自信號(hào)線的控制信號(hào)（具體信號(hào)待會(huì)再講），控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤。表42 時(shí)基脈沖與舵機(jī)角度對(duì)應(yīng)表脈沖值（ms ） 對(duì)應(yīng)角度（度）0 45 90 135 18026 避障模塊設(shè)計(jì)動(dòng)作的能力。所以避開障礙物的功能實(shí)現(xiàn)，傳感器的選擇將是首要解決的問題。刀 K 與觸點(diǎn) A、B 關(guān)系一個(gè)常開、另一個(gè)常閉。安裝在機(jī)器人的前部，做成兩個(gè)長長的觸角，用來探測前方是否有障礙物。27表 43 探測障礙物的傳感器與單片機(jī)引腳對(duì)應(yīng)關(guān)系表left sensor(左傳感器) P20right sensor(右傳感器) P21總結(jié)前三節(jié)的內(nèi)容，就可以做出六足仿生機(jī)器人的仿真電路圖了，仿真電路圖如圖45 所示。系統(tǒng)軟件的總體流程圖如 46 所示：28開始初始化記錄當(dāng)前狀態(tài)右轉(zhuǎn)中間有障礙物？左邊有障礙物？是否有障礙物？后退，轉(zhuǎn)180 度右邊有障礙物？NNYY左轉(zhuǎn)恢復(fù)狀態(tài)YNYN圖 46 系統(tǒng)軟件的總體流程圖 單個(gè)舵機(jī)控制方法從 到 ，相對(duì)應(yīng)舵盤的位置 0~180 度，呈線性變化，如圖 47 所示。由此可見，舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍不得超過 180 度。圖 48 舵機(jī)的控制脈沖圖30圖 49 控制脈沖程序流程圖流程圖說明：初始化部分：設(shè)定定時(shí)器初值，定時(shí)時(shí)間為舵機(jī)脈沖寬度時(shí)間 t。并改變定時(shí)器初值，定時(shí)間為 Tt。 /*主程序*/ void main(void) {31TMOD=0x11。 /*數(shù)值 1620 即對(duì)應(yīng) ，為舵機(jī)的中間 90 度的位置*/ c=a。 TH1=(b/256)。 TR0=1。) { /*在這個(gè) for 循環(huán)中，可以根據(jù)程序需要 在任何時(shí)間改變 a、b 值來改變脈寬的輸 出時(shí)間，從而控制舵機(jī)*/ } } /*以下函數(shù)為定時(shí)器中斷函數(shù)*/ /*定時(shí)器 1，控制舵機(jī) 1，輸出引腳為 P12，可自定義*/void timer0(void) interrupt 1 using 1 {p12=!p12。 /*重新定義計(jì)數(shù)初值*/ if(c=508amp。 /*判斷脈寬是否在正常范圍之內(nèi)*/ } 程序中的 162540 等數(shù)字為定時(shí)器初值。從舵機(jī)的控制信號(hào)（圖 48）可以知道，變化的時(shí)間為 t 的范圍從 ~ 之間，也就是說每一個(gè)舵機(jī)控制信號(hào)至少有 必是低電平且不會(huì)發(fā)生變化。不論電機(jī)要轉(zhuǎn)過的角度是多少，對(duì)不同引腳控制時(shí)間間隔為 ，那么在 20ms 內(nèi)最多可以控制 8 路信號(hào)（20ms/=8） 。所以本設(shè)計(jì)采用后者。如圖 410（b）是 8 個(gè)舵機(jī)在一個(gè)周期內(nèi)電平變化 16 次。12個(gè)電機(jī)控制占用 CPU 的時(shí)間為執(zhí)行 24 次中斷程序的時(shí)間。所以初始化的時(shí)候，將所有電機(jī)的位置定在 90 度的位置。flag1=1 時(shí)：p00=1。定時(shí)器重置初值，定時(shí)時(shí)間為() flag1++,break 結(jié)束中斷程序flag1=5 時(shí)：p02=1。定時(shí)器重置初值，定時(shí)時(shí)間為() flag1++,break 結(jié)束中斷程序35flag1=3 時(shí)：p01=1。flag1 ,flag2 為兩個(gè)標(biāo)志位。端口 ~,~ 是舵機(jī)控制端口。定時(shí)器在計(jì)數(shù)時(shí)不占用 CPU 時(shí)間，且兩個(gè)定時(shí)器可以并行工作，所以兩個(gè)定時(shí)器在忽略中斷執(zhí)行時(shí)間時(shí)，對(duì)電機(jī)控制幾乎是并行的。本設(shè)計(jì)將 12 個(gè)電機(jī)分成兩組，分別由兩個(gè)定時(shí)器，定時(shí)器 0 和定時(shí)器 1 控制 [13]，其中定時(shí)器 0控制電機(jī) 1~6，定時(shí)器 1 控制電機(jī) 7~12。具體的實(shí)現(xiàn)方法有兩種，一種是采用延時(shí)方法來產(chǎn)生脈沖，另外一種是用定時(shí)器的方法。如果在 20ms 內(nèi),首先引腳 p00 置高電平，t ms 后引腳取反，電機(jī)轉(zhuǎn)軸將轉(zhuǎn)到 t ms 對(duì)應(yīng)的角度。但如果要控制12 個(gè)之多的舵機(jī)，顯然是不夠現(xiàn)實(shí)的。c=2540)c=a。 /*20850 代表 20 ms，為一個(gè)周期的時(shí)間*/ TH0=(c/256)。 PT0=1。 /*設(shè)定定時(shí)器初始計(jì)數(shù)值*/ EA=1。 TH0=(a/256)。 a=1620。 /*a 為舵機(jī) 1 的脈沖寬度，單位 1/1000 ms */ /*c、為中間變量*/ /*以下定義輸出管腳*/ sbit p12=P1^2。=1：將控制引腳端口置高電平。 舵機(jī)的控制脈沖如圖 48 所示，t=(~),T=20ms。也就是，給舵機(jī)提供一定寬度的脈沖，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對(duì)的角度上，無論外界的轉(zhuǎn)矩怎樣變化，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號(hào)，它才會(huì)改變輸出角度到新的對(duì)應(yīng)位置上。設(shè)定一個(gè)目標(biāo)功能：在行進(jìn)的過程中完成避開障礙物。圖 44 微動(dòng)開關(guān)安裝位置圖left, right 分別為左邊和右邊的探測障礙物的傳感器。圖 43 微動(dòng)開關(guān)示意圖接觸形式傳感器的優(yōu)勢是在黑暗處或者因障礙物的影響導(dǎo)致無法通過視覺獲取信息的條件下，使機(jī)器人具備觸覺功能。接觸式傳感器一般用微動(dòng)開關(guān),當(dāng)機(jī)器人接觸到物體時(shí)間可以從產(chǎn)生電位的變化中檢測到。 [12]。 舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms 左右的時(shí)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(jī)構(gòu)建的自動(dòng)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(hù)成本，提高產(chǎn)品性價(jià)比，增強(qiáng)市場競爭力。 的脈沖來控制舵機(jī)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(jī)已成為模擬舵機(jī)和數(shù)字舵機(jī)并存的局面，但即使是現(xiàn)在的數(shù)字舵機(jī)，177。舵機(jī)因此得名：控制舵面的伺服電機(jī)。如表41所示。在空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM、定時(shí)計(jì)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(fù)位。 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)中央控制模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，本次設(shè)計(jì)采用微處理器AT89S52為核心構(gòu)成，負(fù)責(zé)舵機(jī)協(xié)調(diào)動(dòng)作處理，障礙檢測數(shù)據(jù)處理等功能。蔽障右轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)后退_set_time()有 12 個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng) 12 個(gè)舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度舵機(jī)1舵機(jī)2舵機(jī)3舵機(jī)4舵機(jī)5舵機(jī)6舵機(jī)7舵機(jī)9舵機(jī)11舵機(jī)8舵機(jī)10舵機(jī)12圖 41 基本功能框圖高層動(dòng)作前進(jìn)23通過上圖可以看出，12 個(gè)舵機(jī)是需要同時(shí)控制的，那么，很顯然我們需要有 12 個(gè)控制信號(hào)來共同作用，也就意味著要求單片機(jī)產(chǎn)生 12 路的 PPM 波，利用這 12 個(gè) PPM 波來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)器人的定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。下面以左轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)步態(tài)為例子來分析它的步態(tài)。此時(shí)，各腿的支撐點(diǎn)位置??矢量為:O XYZ123456O P1= (),2TSLmnh???????? P2=??,0T P3= (),2SLnh???????? P4=??,0TmP5= (),2SLh???????P6= ??,0Tn?XY（2）如圖36（B）所示，5放下后，然后6抬起；則此時(shí)的位置矢量： OXY123456P1= (),02TSLmn????????P2=??,ThP3= (),(),02SLn????????P4=??,TmhP5= (),02SL???????P6=??,Tnh?（3）5向后移動(dòng)半步，做位置調(diào)整， 6向前,則其位置矢量：18YXO123456P1= (),02TSLmn????????P2=??,ThP3= (),(),02SLn?????????P4=??,TmshP5= (),02SL???????P6= (),(),Tnh?S/2（4）6放下后，5抬起；則位置矢量：123456YXOS/2P1= (),2TSLmnh????????P2=??,0TP3= (),(),2SLnh?????????P4=??,0TmP5= (),2SLh???????P6=??,(,0Tn?（5）6向后移動(dòng)半步長，做姿勢調(diào)整，此時(shí)的位置矢量：19OS123456 XYP1=??(),TLmnSh??P2= 0P3=??(),(),T?P4= LmnS?P5=??(),ThP6= (0?（6）六條腿均落地，回到最初的狀態(tài)。六足仿生機(jī)器人直線行走步態(tài)示意圖如圖36所示。ZYXABC FEDB1F1D1O1OA1B1圖34步行機(jī)器人任一時(shí)刻姿態(tài)圖 穩(wěn)定裕量計(jì)算設(shè)某一時(shí)刻，機(jī)器人以“三角步態(tài)”行走時(shí)，其B組支撐腿著地點(diǎn)，機(jī)器人質(zhì)心在XOY平面的投影如圖35所示，并設(shè)質(zhì)心投影O1與XOY平面坐標(biāo)原點(diǎn)重合。? (31)（32）14 六足機(jī)器人的穩(wěn)定性分析 穩(wěn)定性分析步行機(jī)器人任一時(shí)刻姿態(tài)圖如圖34所示。腿部順序定義如圖示，定義腿O?間距為n，,D為腿的站立點(diǎn)，Ai, Di為腿與艦關(guān)節(jié)連接點(diǎn)。機(jī)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(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃與分析等。并且分析和確定本設(shè)計(jì)的一些參數(shù)，給出了相關(guān)的參數(shù)，為后續(xù)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。整個(gè)腿有大腿和小腿組成，通過髖關(guān)節(jié)的正交電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了豎直方向的抬起和水平方向的移動(dòng)。 [7]10 六足仿生機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)分析“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(jī)器人機(jī)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(gè)三角形支架。(2 )Q 1 / 2: 機(jī)體移動(dòng)較慢時(shí)，擺動(dòng)相與支撐相有一短暫的重疊過程，即機(jī)體有六條腿同時(shí)著地的狀態(tài)。回程時(shí)間tr，指腿在懸空相的持續(xù)時(shí)間。腿節(jié)距 (leg pitch)，指橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)體同一端上相鄰?fù)冗\(yùn)動(dòng)主平面之間的距離。運(yùn)動(dòng)周期T指周期步態(tài)中某一腿運(yùn)動(dòng)一個(gè)完整循環(huán)所需要的時(shí)間。8第二章 六足仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)“六足綱”昆蟲(蟑螂,螞蟻等等) 在平坦無阻的地面上快速行進(jìn)時(shí),多以交替的三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)[1],即在步行時(shí)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(gè)穩(wěn)定的三角架支撐蟲體,因此在同一時(shí)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(dòng)蟲體前進(jìn),中足用以支撐并舉起所屬一側(cè)的身體,后足則推動(dòng)蟲體前進(jìn),同時(shí)使蟲體轉(zhuǎn)向,行走時(shí)蟲體向前并稍向外轉(zhuǎn),三條足同時(shí)行動(dòng),然后再與另一組的三條足交替進(jìn)行,兩組足如此交替地?cái)[動(dòng)和支撐,從而實(shí)現(xiàn)昆蟲的快速運(yùn)動(dòng) ，我們將這種步態(tài)定義為“三角步態(tài)” [6]。對(duì)六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件流程給出詳細(xì)介紹，并進(jìn)行相關(guān)測試，驗(yàn)證整體設(shè)計(jì)方案的正確性和可靠性.論文主要內(nèi)容有:以自行設(shè)計(jì)的六足仿生機(jī)器人為研究對(duì)象，分析其機(jī)械結(jié)構(gòu)，按照“六足綱”昆蟲的運(yùn)動(dòng)原理，進(jìn)行步態(tài)分析，確定機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃。該機(jī)器人以1個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)作為腿部和六足，以12個(gè)直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。同時(shí)，在國內(nèi)，中科院沈陽自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)、等單位也先后展開了機(jī)器人的研究，并取得了較大的成果。 [4]多足機(jī)器人六足仿生機(jī)器人的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)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(xiǎn)勘測、反恐防爆、軍事偵察等人類無法完成的或危險(xiǎn)的工作,并且機(jī)器人的足所具有的大量自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活,對(duì)凹凸不平的地形的適應(yīng)能力更強(qiáng)。(四)按功能和用途來分:醫(yī)療機(jī)器人，軍用機(jī)器人，助殘機(jī)器人，清潔機(jī)