【正文】 故有： ])1(2[)(() 01 ?????zTKzFRKzC?? )(2)( 10101 ??zZKTtt???聊城大學本科畢業(yè)論文xlv ………………（58）令： 002/)(?KTb???2a因而有： )()()1()1 1bZa?????FzRKZzC……………（59）111)(???? zFKz??aa把（59）寫成差分方程，則得到控制量 C 的算法公式： )()()()()()( 11 ?? nCbnRbFnRC????11……………（510）上式說明，現行控制量和本次對給定值 本次對角度位置反饋的采樣)(?有關，同時也和上次對給定值 ，上次對角度位置反饋的采樣)(nR? 1?nR以及上次控制量 C(n1)有關。是光電編碼器的傳遞函數。這個系統由角度反饋環(huán)構成構成的閉環(huán)系統。它把 P2 口設定為輸出口，用于發(fā)送控制伺服電機轉速的數字信號。5. 控制系統的軟件設計 行走系統軟件設計 行走伺服控制系統的結構框圖行走伺服控制系統的結構框圖如圖 51 所示。實際上， 的輸出電壓 V U 2 為：2 2 = V2UV1其中， 是運算放大器 的輸出電壓。D/A 轉換器 0832 作為單片機 8051 的一個存儲1U單元。光電編碼器是一個 8 位的編碼器，位置檢測精度為 。D/256，其中 D 是輸入 0832 總的數據。接口電路 在圖 47 中，可以看出系統只有一個接口電路，即控制 PWM 功率放大器的接口電路。行走控制子系統包括：行走控制系統和轉彎控制系統 。無論工作在定時器還是在計數器方式，定時器 0 和定時器 1 都有四種方式。表 41 P3 口個引腳對應的控制信號引腳編號 控制信號 說明 RXD 串行數據輸入 TXD 串行數據輸出 INT0 外部中斷 0 INT1 外部中斷 1 T0 定時器 0 輸入 T1 定時器 1 輸入 W R 寫存儲器信號 R D 讀存儲器信號串行 I/O 接口可以以全雙工方式工作。P3 口對應引腳用于控制信號時聊城大學本科畢業(yè)論文xxxvii的情況如表 41 所示。ALU 除了可以進行四則算術運算外，還可以進行布爾運算。 8051 的性能8051 是 Intel 公司 MCS51 系列單片機的典型產品。在蓄電池中，由于鎘鎳堿性蓄電池具有放電率大、耐惡劣環(huán)境、貯存和循環(huán)壽命長、使用和維護簡單、價格合理等優(yōu)點，而成為本機器人系統供電電源的首選。 （2）對四足行走機器人的控制需要完成預定的運動以外，還要求達到規(guī)定的定位精度，但加工、制造、安裝及使用過程中存在的各種偏差都會影響機器人各控制任務的執(zhí)行。m重量：≤ 200 g外形尺寸：總長 mm,外徑 30 mm,軸徑 6 mm圖 319 轉彎機構驅動電機圖 傳動設計步行四足機器人根關節(jié)的驅動裝置為電機+齒輪減速，根關節(jié)的轉動有一級齒輪進行減速，而髖關節(jié)和膝關節(jié)的驅動裝置中除了采用上述的減速外，還增加了一級錐齒輪傳動，將經減速器主軸傳出的旋轉運動改變方向，使得傳動的輸出軸線和腿部中心線重合，以適應四足行走機器人腿部細長的外形結構。設機器人能以 m/s 的速度，沿坡度為 30186。比如有的電機僅是在 1200rpm 高速運行，有的只在 100rpm以下低速工作，有的是每分鐘 80 次快速起停，而有的要求從 度/秒連續(xù)可調且不能有抖動，每一種要求都牽涉到不同的電機選擇以及驅動器甚至控制方式的選擇，所以有必要詳細了解電機的工作狀況。了解電機應用對于選型至關重要，可以通過其它類似項目的經驗做出準確的選型，同時可以通過對產品市場類型，批量潛力的判斷，來確定那些方案可行。 機器人的外形設計 本課題中機器人外形的設計屬于工業(yè)設計的范疇。故， ………………………………………………(8)12aB????其中，聊城大學本科畢業(yè)論文xxviiE1—外側腿髖關節(jié)偏距；E2—內側腿髖關節(jié)偏距。通過上面的理論分析，在 PRO/E 中建立模型并畫出髖關節(jié)凸輪的三維實體模型（通過實時渲染后的三維截圖） ，如圖 310 所示：圖 310 主凸輪三維實體圖 的控制——膝關節(jié)凸輪?膝關節(jié)凸輪控制 的機理如 311，根據幾何知識，膝凸輪從動件的運動規(guī)3律為： 1332Rrs??所以，凸輪輪廓線上的點的直角坐標值（X, Y） ……………………（6）其中，支撐相中的 由公式（3）確定（） ，懸空相中的 表 31 確定? 3?聊城大學本科畢業(yè)論文xxiv（） 。 具體設計 如前述，使用凸輪機構來實現 、 及 這 3 個參數的控制，因此設計的1?2重點就是凸輪機構的設計。液壓控制即利用液壓缸或液壓馬達作為執(zhí)行裝置，由控制器（如單片機）按照控制函數對應的控制算法，產生控制信號。112OB???????22arcos/OBlhrlh?????? ………………………… (3)3????式（1）～（3）就是控制腿機構在支撐相中運動所需的函數。 按（）所述的所有要求，當腿機構處于支撐相時，腿機構中各參數必須滿足某種嚴格的數學函數關系，而當腿機構處于懸空相時，腿機構各參數沒有特殊的函數關系。聊城大學本科畢業(yè)論文xv 腿機構的形式為了滿足 中所設計的要求 1~4，提出一種三自由度 2的的平面機構 ，]8[如圖 3—3 所示，來作為四足機器人的腿機構。 四足行走機器人腿機構的要求根據如前所述的腿機構的基本要求以及四足動物行走的特點，對四足行走機器人腿機構提出如下要求 ：]7[1. 腿的足端部相對于機體的運動軌跡形狀應如“ ”。從機器人整體的行走性能出發(fā)，一方面要求機體能走出直線運動或平面曲線軌跡（在嚴重崎嶇不平地面） ，另一方面要求能夠轉向。拉放左右兩根鋼絲，可使機體左右轉彎；腿的運動過程如下：伺服電機 11 的輸出通過諧波齒輪減速器 二級減速齒輪 螺旋齒輪副 3 減速，使膝關節(jié)凸輪、髖關節(jié)凸輪、主凸輪轉動，這些凸輪相互配合使腿按照一定的規(guī)律運動，從而實現機體的運動。其次，機器人的開鏈結構形式比期一般機構來說，雖在靈巧性和空間可達性等方面要好得多，但是由于開鏈結構相當于一系列懸臂桿件串聯在一起，機械誤差和彈性變形的累積，使機器人的剛度和精度大受影響，也就是說，這種形式的機器人在運動傳遞上存在先天的不足。 機構設計是四足機器人系統設計的基礎，整體機械結構、自由度數、驅動方聊城大學本科畢業(yè)論文xi式和傳動機構等都會直接影響機器人的運動和動力性能。其特點是表面較硬、凹凸不平、有障礙、獨立（即環(huán)境不應因機器人的運動而改變） 。除了關節(jié)伺服驅動系統中供反饋用的位置、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。①步行機器人在運動過程中，各腿交替的呈現兩種不同的狀態(tài)，即支撐狀態(tài)和懸空狀態(tài)?？傊瑱C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。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。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。同時，腿部連有很多傳感器，其運動通過伺服電機來控制。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。20 世紀 60 年代，四足步行機器人的研究工作開始起步。1960 年，美國 Unimation 公司根據 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 Unimate 工業(yè)機器人。 cam drive。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。 control system 。1962 年，美國的 General Motors 公司在壓鑄件生產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。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，現代四足步行機器人的研制工作進入了廣泛開展的階段。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。該機器人機動性和反應能力都很強，平衡能力極佳。不足之處是腿運動時的協調控制比較復雜，而且承載能力較小。傳感技術這是涉及很多學科領域的技術。 課題簡介本課題所設計的是一種四足行走機器人。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。 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?？刂葡到y：控制系統由計算機系統及相應的軟件組成。同時四足機器人在機構設計除了需要滿足系統的技術性能外，還需要滿足經濟性要求，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。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。前后兩腿通過聯軸節(jié) 6 聯接。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。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） 。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)。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。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 。其特點是功率大、運行平穩(wěn)、系統具有一定的柔性。 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 ） 。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。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。而一個產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 。電機與傳動機構的配合結構。電機的負載情況。 的坡行走。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。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。4. 控制系統的硬件設計本設計所指的控制系統是行走控制系統。他的性能比早期的MCS48 要好得多。定時和控制部件用于產生指令執(zhí)行的同步信號及微操作信號。串行 I/O 接口可以以全雙工方式工作。串行 I/O 口占用并行 I/O 口 P3 的 和 兩位。在方式 0 時，定時器以 13 位方式進行定時或計數。]6[ 行走控制系統轉彎機構 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。()Uk)K1 G4(S)Rθ ()yt()ek)K1 G2(s) K3 G5(S)Hθ(s)eθ C θ聊城大學本科畢業(yè)論文xxxix單片機和 PWM 功率放大器的接口也就是控制量輸出接口。由于 VREF =5V，所以 輸出的電壓時 0～ 5V。伺服電機用 PWM功率放大器進行驅動。C S 為片選信號輸入端，當 =1 時，可選中 0832，利用寫操作可把控制數據從單片機送入 0832 中。1的輸出電壓去控制 PWM 功率放大器，就