【正文】 器人等。5 特種移動(dòng)機(jī)器人:根據(jù)具體的應(yīng)用目的，還有其他種類的移動(dòng)機(jī)器人，如墻壁清洗機(jī)器人、爬纜索機(jī)器人以及管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人等，這些機(jī)器人是根據(jù)某種特殊目的設(shè)計(jì)的機(jī)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(dòng)機(jī)器人智能水平介于遙控和自主式移動(dòng)機(jī)器人之間，具備一定的感知、判斷和決策功能，但對(duì)一些復(fù)雜任務(wù)仍需在人工干預(yù)下才能順利完成。另外，隨著生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人在柔性自動(dòng)化制造生產(chǎn)線上和無人化工廠中也得到了廣泛的應(yīng)用。而以自主移動(dòng)機(jī)器人為對(duì)象或應(yīng)用領(lǐng)域的，基于自適應(yīng)、學(xué)習(xí)、進(jìn)化機(jī)理，具有高級(jí)生命行為的自主系統(tǒng)的研究與研發(fā)，已成為21世紀(jì)初信息科學(xué)與生命科學(xué)富于挑戰(zhàn)性的交叉研究領(lǐng)域之一。70年代末，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng)機(jī)器人研究又出現(xiàn)了新的高潮。一些新型機(jī)器人還包括語音合成和識(shí)別技術(shù)以及多媒體系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。3通常的機(jī)器人采用主計(jì)算機(jī)與關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)伺服計(jì)算機(jī)兩級(jí)計(jì)算機(jī)控制，有時(shí)為了實(shí)現(xiàn)智能控制，還需對(duì)包括視覺等各種傳感器信號(hào)進(jìn)行采集、處理并進(jìn)行模式識(shí)別、問題求解、任務(wù)規(guī)劃、判斷決策等，這時(shí)空間的示教點(diǎn)將由另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上級(jí)計(jì)算機(jī)根據(jù)傳感信號(hào)產(chǎn)生，形成三級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。伺服控制器的作用是使驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)并帶動(dòng)負(fù)載超減少偏差的方向動(dòng)作。 機(jī)器人的基本組成：1. 機(jī)械本體機(jī)器人的機(jī)械本體機(jī)構(gòu)基本上分為兩大類：一類是操作本體機(jī)構(gòu)，它類似人的手臂和手腕，配上各種手爪與末端操作器后可進(jìn)行各種抓取動(dòng)作和操作作業(yè)，工業(yè)機(jī)器人主要采用這種結(jié)構(gòu)。第三代機(jī)器人是目前正在研究的“智能機(jī)器人”。這種機(jī)器人被稱作第一代機(jī)器人。1974年Cincinnati Milacron公司開發(fā)成功多關(guān)節(jié)機(jī)器人；1979年，Unimation公司又推出了PUMA機(jī)器人，它是一種多關(guān)節(jié)、全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、多CPU二級(jí)控制；采用VAL專用語言；可配視覺、觸覺、力覺傳感器，在當(dāng)時(shí)是一種技術(shù)先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人。1950年美國(guó)作家阿西莫夫提出了機(jī)器人學(xué)（Robotics）這一概念，并提出了所謂的“機(jī)器人三原則”，即： ；，但不和（1）矛盾的指令；（1）、（2）原則不相矛盾的前提下，機(jī)器人可維護(hù)自身不受傷害。在近代，隨著第一次、第二次工業(yè)革命，各種機(jī)械裝置的發(fā)明與應(yīng)用，世界各地出現(xiàn)了許多“機(jī)器人”玩具和工藝品。它將機(jī)構(gòu)學(xué)、電子技術(shù)、控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)和人工智能等相關(guān)學(xué)科融合為一體，不斷吸收其他學(xué)科諸如材料、能源科學(xué)的最新成果，形成了一門獨(dú)立的高科技學(xué)科——機(jī)器人學(xué)。機(jī)器人技術(shù)在八十年代后期已經(jīng)形成比較完整的體系。 機(jī)器人的發(fā)展歷史早在三千多年前的西周時(shí)代，我國(guó)就出現(xiàn)了能歌善舞的木偶，稱為“倡者”，這可能是世界上最早的“機(jī)器人”?，F(xiàn)在已被人們作為機(jī)器人的專用名詞 [2]。70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人得到了迅速發(fā)展。只具有記憶、存儲(chǔ)能力，按相應(yīng)程序重復(fù)作業(yè)，但2對(duì)周圍環(huán)境基本沒有感知與反饋控制能力。第二代機(jī)器人已進(jìn)入了使用化，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。通常情況下，可將機(jī)器人理解為：機(jī)器人是一種在計(jì)算機(jī)控制下的可編程的自動(dòng)機(jī)器，根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)需要，它具有至少一項(xiàng)或多項(xiàng)擬人功能，另外還可能程度不同地具有某些環(huán)境感知能力（如視覺、力覺、觸覺、接近覺等），以及語言功能乃至邏輯思維、判斷決策功能等，從而使它能在要求的環(huán)境中代替人進(jìn)行作業(yè)。 2. 驅(qū)動(dòng)伺服單元機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)作是依靠關(guān)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，而大多數(shù)機(jī)器人是基于閉環(huán)控制原理進(jìn)行的。主計(jì)算機(jī)根據(jù)示教點(diǎn)參考坐標(biāo)的空間位置、方位及速度，通過運(yùn)動(dòng)學(xué)逆運(yùn)算把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)節(jié)的指令值。一般還有一個(gè)以上的串行通訊接口，以完成磁盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程控制及離線編程、雙機(jī)器人協(xié)調(diào)等工作。與此同時(shí)，最早的操作式步行機(jī)器人也研制成功，從而開始了機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)方面的研究，以解決機(jī)器人在不平整地域的運(yùn)動(dòng)問題，設(shè)計(jì)并研制出了多足機(jī)器人。如美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的“戰(zhàn)略計(jì)算與生存能力”工程，日本能產(chǎn)省的“極限環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人”發(fā)展計(jì)劃、歐洲共同體的“尤里卡”計(jì)劃，以及我國(guó)的“863”高科技計(jì)劃中，都把有害環(huán)境如核工廠和戰(zhàn)場(chǎng)使用的移動(dòng)機(jī)器人作為重要的研究?jī)?nèi)容。其中自主式移動(dòng)機(jī)器人由于其高度的自主性，正在越來越多的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，特別是在軍事偵察、宇宙開發(fā)、掃雷排險(xiǎn)、防核化污染等惡劣的環(huán)境中有著廣泛的應(yīng)用前景。不具備任何自主性。(二)按移動(dòng)方式來分:輪式移動(dòng)機(jī)器人:輪式機(jī)器人動(dòng)作穩(wěn)定，操縱簡(jiǎn)單，其移動(dòng)速度和方向容易控制.在無人工廠中用來搬運(yùn)零部件或做其它基本任務(wù)用的很多，適合于平地行走。足式移動(dòng)方式具有主動(dòng)隔振能力，允許機(jī)身運(yùn)動(dòng)軌跡和足運(yùn)動(dòng)軌跡解禍，足式步行機(jī)器人的研究已成為機(jī)器人學(xué)中一個(gè)引人注目的研究領(lǐng)域。3. 混合式機(jī)器人。研發(fā)人員開始紛紛研究多足機(jī)器人的模型和樣機(jī)，并一步步攻關(guān)一個(gè)個(gè)難題。最后在Lee設(shè)計(jì)了具有獨(dú)特獨(dú)特結(jié)構(gòu)的SERO六足仿生機(jī)器人，它把整個(gè)機(jī)器人的步態(tài)進(jìn)行了規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。圖12Gengh機(jī)器人同樣，在國(guó)內(nèi)也漸漸出現(xiàn)了一批設(shè)計(jì)和生產(chǎn)仿生機(jī)器人公司和個(gè)人，圖13是德普施科技有限公司的DRROB系列高級(jí)機(jī)器人產(chǎn)品 [5]。本文對(duì)現(xiàn)有的機(jī)器人分析機(jī)械結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)的研究，分析其步態(tài)穩(wěn)定性，給出不同步態(tài)下的機(jī)器人落足點(diǎn)的位置矢量表達(dá)式，按照計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，根據(jù)六足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性、準(zhǔn)確性的控制要求，確定六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)不同步態(tài)的控制策略。 本章小結(jié)本章主要是對(duì)機(jī)器人有一各概況，著重介紹了機(jī)器人的發(fā)展及國(guó)內(nèi)外的一些機(jī)器人的發(fā)展成果，并交代了本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)背景，為后續(xù)的設(shè)計(jì)指明了方向。腿的支撐相(support phase)指腿支撐在地并推動(dòng)機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)的階段，支撐相的狀態(tài)記為“0”。腿行程 (leg stroke)，指支撐相時(shí)足端相對(duì)于機(jī)體移動(dòng)的距離。推程時(shí)間tp，指腿在支撐相的持續(xù)時(shí)間。行走系統(tǒng)采用波形步態(tài)時(shí)，度范圍內(nèi)都采用波形步態(tài). 三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)原理 “六足綱”昆蟲的三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)原理機(jī)體運(yùn)動(dòng)根據(jù)有荷因數(shù)(dutyf actor)的大小可分為3種情況:(1 )Q = 1 /2 : 在三擺動(dòng)腿著地的同時(shí)，另外三支撐腿立即抬起，即任意時(shí)刻同時(shí)具有支撐相和擺動(dòng)相?！傲憔V”昆蟲(蟑螂、螞蟻等)步行時(shí)，一般不是六足同時(shí)直線前進(jìn)，而是將三對(duì)足分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)交替前行。這就是典型的三角步態(tài)行走法，其行走軌跡并非是直線，而是呈“之”字形的曲線前進(jìn)。本設(shè)計(jì)的機(jī)器人的相關(guān)參數(shù)如下表：表21 本設(shè)計(jì)機(jī)器人相關(guān)參數(shù)機(jī)器人 自重尺寸（MM）長(zhǎng)寬高負(fù)重 自由度 前進(jìn)速度 310*279*135 12 驅(qū)動(dòng)方式 工作電壓 步長(zhǎng) 轉(zhuǎn)角 越障高度直流伺服 六足仿生機(jī)器人的實(shí)物如圖21所示：圖21 本設(shè)計(jì)的六足仿生機(jī)器人六足仿生機(jī)器人就結(jié)構(gòu)來說是腿部最為復(fù)雜，它的六條腿是完全根據(jù)仿生學(xué)而設(shè)計(jì)的，腿部的比例是要有特定數(shù)值的。機(jī)器人腿部的實(shí)物如圖22所示：11圖22機(jī)器人腿部實(shí)物 本章小結(jié)本章主要分析了“六足綱”昆蟲的遠(yuǎn)動(dòng)步態(tài)以及原理。六足步行機(jī)器人腿部分組圖簡(jiǎn)圖如圖31所示。 六足步行機(jī)器人坐標(biāo)定義六足步行機(jī)器人機(jī)械簡(jiǎn)圖如圖32所示，定義地面坐標(biāo)系 及XOY與機(jī)身平行，Z軸O?與機(jī)身垂直:機(jī)身坐標(biāo)系 ，坐標(biāo)原點(diǎn)與機(jī)器質(zhì)心重合。由圖 3 3 ( b)可得六足步行機(jī)器人髖關(guān)節(jié)電機(jī)向前旋轉(zhuǎn) 角度時(shí)，立足點(diǎn)A在Y?方向前進(jìn)半步長(zhǎng)S/2，六足步行機(jī)器人腿部Y方向前進(jìn)步長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果： sin2SL??由表達(dá)式(32)，可以確定散關(guān)節(jié)電機(jī)向前旋轉(zhuǎn)Y1角度與立足點(diǎn)Ai在Y方向前進(jìn)半步長(zhǎng)S/2的定量關(guān)系，當(dāng) 較小時(shí)，可設(shè)旋轉(zhuǎn) 角度后腿部在X軸上的投影長(zhǎng)度近似為L(zhǎng)。在實(shí)際控制中，要合理選擇機(jī)器人的跨步和轉(zhuǎn)角，以保證點(diǎn)O1 落在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。NP則六足機(jī)器人以三角步態(tài)行走時(shí)，其最小穩(wěn)定裕量判據(jù)為d=min{dl，d2，d3}16 六足仿生機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)步態(tài)設(shè)計(jì) 步態(tài)規(guī)劃前面我們已經(jīng)介紹過了“六足綱”昆蟲的三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)原理，下面將三角步態(tài)運(yùn)用到六足仿生機(jī)器人的六足上面就會(huì)得到了六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，這種運(yùn)動(dòng)的步態(tài)是六足仿生機(jī)器人在直線運(yùn)動(dòng)的情況下完成的，它完成了六足仿生機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)的一個(gè)周期的循環(huán)。17 步態(tài)動(dòng)作分析對(duì)直線行走步態(tài)規(guī)劃圖具體分析，其不同步態(tài)時(shí)刻的各點(diǎn)位置矢量如下:（1）如圖36(A)所示，5腿抬起向前，初始位置不做分析，由于前面已經(jīng)提到當(dāng)較小時(shí)，可設(shè)旋轉(zhuǎn) 角度后腿部在X軸上的投影長(zhǎng)度近似為L(zhǎng)。若A組腿先擺動(dòng)，機(jī)器人右轉(zhuǎn)，若B組腿先擺動(dòng)，則左轉(zhuǎn)。20O123456?XY圖 37（A）(2)如圖37(B)所示，機(jī)器人B組腿作支撐腿，A組抬起，此時(shí)，腿的位置矢量為:123456?XYOP1=??(),TLmnh??P2= si0?P3=??(),TP4= sinLm??P5=??(),0ThP6= si??圖 37（B ）(3)如圖37 (C) 所示，機(jī)器人B組腿作支撐腿，A組抬起，做姿態(tài)調(diào)整，位置矢量為:P1=??(),0TLmn??P2= sih?P3=??(),TP4= sinLm??P5=??(),0TP6= ,sih??21123456XYOP1=??(),sin,TLmh???P2= 0P3=??(),(si),T?P4= nLm?P5=??(),si,Th?P6= ()0?圖 37（C）(4)如圖37 (D)所示，A和B組腿均落地，作支撐腿，完成旋轉(zhuǎn)y角度動(dòng)作，此時(shí)位置矢量為:123456P1=??(),sin,0TLm???P2=P3=??(),(si),T?P4= n0Lm?P5=??(),si,T?P6= ()?XY O圖 37（D ）通過以上分析，“三角步態(tài)斤定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)穩(wěn)定性易滿足，其最大轉(zhuǎn)角計(jì)算考慮到機(jī)械結(jié)構(gòu)和行走地貌的約束。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。控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖可表示為圖 41 所示。在本次設(shè)計(jì)中，整個(gè)系統(tǒng)是以模塊化的設(shè)計(jì)思想，將對(duì)所有舵機(jī)調(diào)度做成一個(gè)獨(dú)立的模塊，所有的高層動(dòng)作都是通過調(diào)用底層舵機(jī)控制的模塊來完成。3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗(WDT),AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為OHz并可通過軟件設(shè)置的省電模式。24圖42 AT89S52封裝圖AT89S52具有32個(gè)可編程I/O端口，其中，P0口和P1口的前六個(gè)引腳分別接12個(gè)舵機(jī)，來控制舵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，P3口前兩個(gè)引腳接觸位開關(guān)。舉個(gè)簡(jiǎn)單的四通飛機(jī)來說，飛機(jī)上有以下幾個(gè)地方需要控制： ，來控制發(fā)動(dòng)機(jī)的拉力（或推力）； 25（安裝在飛機(jī)機(jī)翼后緣），用來控制飛機(jī)的橫滾運(yùn)動(dòng)； ，用來控制飛機(jī)的俯仰角； ，用來控制飛機(jī)的偏航角； 遙控器有四個(gè)通道，分別對(duì)應(yīng)四個(gè)舵機(jī)，而舵機(jī)又通過連桿等傳動(dòng)元件帶動(dòng)舵面的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)?！?傳統(tǒng)舵機(jī)的控制方式以20ms 為一個(gè)周期，177。在未來的自動(dòng)化控制領(lǐng)域有著不可估量的優(yōu)勢(shì)。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計(jì)是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。為此，必須提高機(jī)器人對(duì)當(dāng)前感知環(huán)境的快速理解識(shí)別及實(shí)時(shí)避障的能力。避障傳感器一般有接觸式、和非接觸式的。當(dāng)碰觸到障礙物時(shí)，常開點(diǎn)閉合、常閉合點(diǎn)斷開。傳感器安裝位置如圖 44 所示。圖 45 硬件設(shè)計(jì)仿真圖 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成全方位的步態(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。290 18090X(ms)Y(度)圖 47 舵盤的位置線性變化圖 對(duì)應(yīng)舵盤的 0 度， 對(duì)應(yīng)舵盤的 180 度。舵機(jī)實(shí)現(xiàn)的是一種定位功能，它的定位功能和較大力矩承受能力適合行走機(jī)器人的關(guān)節(jié)設(shè)計(jì)。開中斷，設(shè)定中斷優(yōu)先級(jí)。詳細(xì)程序如下：include define uchar unsigned chardefine uint unsigned int uint a,b,c,d。 /*設(shè)初值*/ p12=1。d=b。 TL1=(b%256)。EX0=1PX0=0。 /*輸出取反*/ c=20850c。amp。32 多舵機(jī)控制 用上述方法采用一個(gè)定時(shí)器來控制舵機(jī)軸的轉(zhuǎn)角，可以很容易實(shí)現(xiàn)。設(shè) P0 端口上接有 8 個(gè)舵機(jī)。舵機(jī)控制脈沖如圖 410 所示：（a）(b)圖 410 8 路信號(hào)舵機(jī)控制脈沖圖運(yùn)用這種思想方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì) 8 路舵機(jī)獨(dú)立控制和同時(shí)控制。33AT89S52 單片機(jī)有三個(gè)定時(shí)器，其中定時(shí)器 0 和定時(shí)器 1 兩個(gè)為常用定時(shí)器。每個(gè)定時(shí)器控制 6 個(gè)電機(jī)，在一個(gè)周期內(nèi)必須產(chǎn)生 12 次定時(shí)器中斷（6 個(gè)電機(jī) 12 次電平變化） 。下面是本設(shè)計(jì)的 12 個(gè)舵機(jī)控制流程圖（圖 411） 。初始化中定時(shí)器初值可以任意的。定時(shí)器重置初值，定時(shí)時(shí)間為 p00 高電平持續(xù)時(shí)間t1，flag1++,break 結(jié)束中斷程序flag1=2 時(shí)：p00=0。 定時(shí)器重置初值，定時(shí)時(shí)間為 p02 高電平持續(xù)時(shí)間t3，flag1++,break 結(jié)束中斷程序flag1=6 時(shí)