【正文】 交點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= 。機器人通過重復(fù)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(shè)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(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 六足仿生機器人的控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)的設(shè)計主要任務(wù)是完成全方位步態(tài)的軟件設(shè)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(yīng)表脈沖值（ms ） 對應(yīng)角度（度）0 45 90 135 18026 避障模塊設(shè)計動作的能力。所以避開障礙物的功能實現(xiàn)，傳感器的選擇將是首要解決的問題。刀 K 與觸點 A、B 關(guān)系一個常開、另一個常閉。安裝在機器人的前部，做成兩個長長的觸角，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引腳對應(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 單個舵機控制方法從 到 ，相對應(yīng)舵盤的位置 0~180 度，呈線性變化，如圖 47 所示。由此可見，舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動范圍不得超過 180 度。圖 48 舵機的控制脈沖圖30圖 49 控制脈沖程序流程圖流程圖說明：初始化部分：設(shè)定定時器初值，定時時間為舵機脈沖寬度時間 t。并改變定時器初值，定時間為 Tt。 /*主程序*/ void main(void) {31TMOD=0x11。 /*數(shù)值 1620 即對應(yīng) ，為舵機的中間 90 度的位置*/ c=a。 TH1=(b/256)。 TR0=1。) { /*在這個 for 循環(huán)中，可以根據(jù)程序需要 在任何時間改變 a、b 值來改變脈寬的輸 出時間，從而控制舵機*/ } } /*以下函數(shù)為定時器中斷函數(shù)*/ /*定時器 1，控制舵機 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)字為定時器初值。從舵機的控制信號（圖 48）可以知道，變化的時間為 t 的范圍從 ~ 之間，也就是說每一個舵機控制信號至少有 必是低電平且不會發(fā)生變化。不論電機要轉(zhuǎn)過的角度是多少，對不同引腳控制時間間隔為 ，那么在 20ms 內(nèi)最多可以控制 8 路信號（20ms/=8） 。所以本設(shè)計采用后者。如圖 410（b）是 8 個舵機在一個周期內(nèi)電平變化 16 次。12個電機控制占用 CPU 的時間為執(zhí)行 24 次中斷程序的時間。所以初始化的時候，將所有電機的位置定在 90 度的位置。flag1=1 時：p00=1。定時器重置初值，定時時間為() flag1++,break 結(jié)束中斷程序flag1=5 時：p02=1。定時器重置初值，定時時間為() flag1++,break 結(jié)束中斷程序35flag1=3 時：p01=1。flag1 ,flag2 為兩個標(biāo)志位。端口 ~,~ 是舵機控制端口。定時器在計數(shù)時不占用 CPU 時間，且兩個定時器可以并行工作，所以兩個定時器在忽略中斷執(zhí)行時間時，對電機控制幾乎是并行的。本設(shè)計將 12 個電機分成兩組，分別由兩個定時器，定時器 0 和定時器 1 控制 [13]，其中定時器 0控制電機 1~6，定時器 1 控制電機 7~12。具體的實現(xiàn)方法有兩種，一種是采用延時方法來產(chǎn)生脈沖，另外一種是用定時器的方法。如果在 20ms 內(nèi),首先引腳 p00 置高電平，t ms 后引腳取反，電機轉(zhuǎn)軸將轉(zhuǎn)到 t ms 對應(yīng)的角度。但如果要控制12 個之多的舵機，顯然是不夠現(xiàn)實的。c=2540)c=a。 /*20850 代表 20 ms，為一個周期的時間*/ TH0=(c/256)。 PT0=1。 /*設(shè)定定時器初始計數(shù)值*/ EA=1。 TH0=(a/256)。 a=1620。 /*a 為舵機 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。 舵機的控制脈沖如圖 48 所示，t=(~),T=20ms。也就是，給舵機提供一定寬度的脈沖，它的輸出軸就會保持在一個相對的角度上，無論外界的轉(zhuǎn)矩怎樣變化，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應(yīng)位置上。設(shè)定一個目標(biāo)功能：在行進的過程中完成避開障礙物。圖 44 微動開關(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，使機器人具備觸覺功能。接觸式傳感器一般用微動開關(guān),當(dāng)機器人接觸到物體時間可以從產(chǎn)生電位的變化中檢測到。 [12]。 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，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(fù)位。 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計中央控制模塊是整個控制系統(tǒng)的核心，本次設(shè)計采用微處理器AT89S52為核心構(gòu)成，負責(zé)舵機協(xié)調(diào)動作處理，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 個參數(shù)對應(yīng) 12 個舵機的轉(zhuǎn)動角度舵機1舵機2舵機3舵機4舵機5舵機6舵機7舵機9舵機11舵機8舵機10舵機12圖 41 基本功能框圖高層動作前進23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: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；則此時的位置矢量： OXY123456P1= (),02TSLmn????????P2=??,ThP3= (),(),02SLn????????P4=??,TmhP5= (),02SL???????P6=??,Tnh?（3）5向后移動半步，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向后移動半步長，做姿勢調(diào)整，此時的位置矢量：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)。六足仿生機器人直線行走步態(tài)示意圖如圖36所示。ZYXABC FEDB1F1D1O1OA1B1圖34步行機器人任一時刻姿態(tài)圖 穩(wěn)定裕量計算設(shè)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(shè)質(zhì)心投影O1與XOY平面坐標(biāo)原點重合。? (31)（32）14 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O?間距為n，,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(shè)計的一些參數(shù)，給出了相關(guān)的參數(shù)，為后續(xù)的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。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]10 六足仿生機器人機械結(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)?；爻虝r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?fù)冗\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(shè)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(shè)計方案的正確性和可靠性.論文主要內(nèi)容有:以自行設(shè)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(xué)、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(yīng)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