【正文】 術(shù)因素也是完美方案的一個(gè)不可缺少的部分。179。如下圖 321所示錐齒輪傳動(dòng)副三維實(shí)體模型。由于考慮到安裝的精度問題，因此 本課題中的軸承 選用深溝球軸承。所有的控制系統(tǒng)都包含硬件部分和軟件部分，四足行走機(jī)器人行走控制系統(tǒng)硬件部分包括控制器，傳感器及各個(gè)相應(yīng)的接口電路（也可把伺服電機(jī)包括在控制系統(tǒng)硬件中，本設(shè)計(jì)將伺服電機(jī)歸入機(jī)械系統(tǒng)）。 是生產(chǎn)過程控制、智能儀器、機(jī)電一體化等領(lǐng)域十分有用的一種單片機(jī)。他和 ALU 部件形成了 8051 的 CPU。串行 I/O口占用并行 I/O口 P3的 和 兩位。串行 I/O 口有四種工作方式。在方式1中，定時(shí)器以 16 位方式進(jìn)行定時(shí)或計(jì)數(shù)；在方式 2中，定時(shí)器的高 8位用于存放初值，定時(shí)器的低 8 位用于定時(shí)計(jì)數(shù)，在計(jì)數(shù)產(chǎn)生溢出時(shí)，自動(dòng)把高 8 位內(nèi)容聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxxix 裝入低 8 位中去，又開始對(duì)低 8 位計(jì)數(shù)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理 8051 控制的伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 47所示。這個(gè)接口由 083運(yùn)算放大器 U1 和 U2組成。 2U 的放大系數(shù)為 1，同時(shí)在它的負(fù)輸入端加上了 的參考電壓；所以，當(dāng) 1U 輸出為 0V 時(shí)， 2U 輸出為 ；當(dāng) 1U 輸出為 5V 時(shí)， 2U 輸出為 +。單片機(jī)輸出的數(shù)字控制信號(hào)通過 D/A 轉(zhuǎn)換器 0832 之后轉(zhuǎn)換成0～ 5V的模擬信號(hào)，再通過運(yùn)算放大器 U2 變換之后變成 ～ + 模擬信號(hào)去控制 PWM 功率放大器。不過在寫 0832 時(shí)，要執(zhí)行兩次寫操作，因?yàn)樗鼉?nèi)部的兩個(gè)寄存器是不 能同時(shí)接收外部數(shù)據(jù)的，而必須先由輸入寄存器接收，在由輸入寄存器傳送給 DAC 寄存器。 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xlii 由于控制機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)彎急促程度的控制精度要求不高，為了節(jié)約單片機(jī)的 I/O 口， D/A 轉(zhuǎn)換器也可使用四位的轉(zhuǎn)換器。 這 個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)。 5. 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 行走系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 行走伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 行走伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 51所示。實(shí)際上， 2U 的輸出電壓 V U 2 為： 2UV =1UV V 其中，1UV是運(yùn)算放大器 1U 的輸出電壓。 D/A 轉(zhuǎn)換器 0832 作為單片機(jī) 8051 的一個(gè)存儲(chǔ)單元。 光電編碼器是一個(gè) 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(shù)據(jù)。 接口電路 在圖 47中，可以看出系統(tǒng)只有一個(gè)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(tǒng)包括：行走控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng) ]6[ 。無論工作在定時(shí)器還是在計(jì)數(shù)器方式，定時(shí)器 0 和定時(shí)器 1 都有四種方式。 表 41 P3 口個(gè)引腳對(duì)應(yīng)的控制信號(hào) 引腳編號(hào) 控制信號(hào) 說明 RXD 串行數(shù)據(jù)輸入 TXD 串行數(shù)據(jù)輸出 INT0 外部中斷 0 INT1 外部中斷 1 T0 定時(shí)器 0輸入 T1 定時(shí)器 1輸入 W R 寫存儲(chǔ)器信號(hào) R D 讀存儲(chǔ)器信號(hào) 串行 I/O接口可以以全雙工方式工作。 P3口對(duì)應(yīng)引腳用于控制信號(hào)時(shí)的情況如聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxxviii 表 41 所示。 ALU 除了可以進(jìn)行四則算術(shù)運(yùn)算外，還可以進(jìn)行布爾運(yùn)算。 8051 的性能 8051是 Intel公司 MCS51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)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(hù)簡單、價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn)，而成為本機(jī)器人系統(tǒng)供電電源的首選。 （ 2） 對(duì)四足行走機(jī)器人的控制需要完成預(yù)定的運(yùn)動(dòng)以外，還要求達(dá)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(huì)影響機(jī)器人各控制任務(wù)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(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖 傳動(dòng)設(shè)計(jì) 步行四足機(jī)器人根關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置為電機(jī) +齒輪減速，根關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)有一級(jí)齒輪進(jìn)行減速，而髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置中除了采用上述的減速外，還增加了一級(jí)錐齒輪傳動(dòng)，將經(jīng)減速器主軸傳出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變方向，使得傳動(dòng)的輸出軸線和腿部中心線重合，以適應(yīng)四足行走機(jī)器人腿部細(xì)長的外形結(jié)構(gòu)。 =15179。如果可能，推算一下電機(jī)在正常工作速度范圍內(nèi)所需的力矩 。絲杠導(dǎo)程的選取，齒輪的傳動(dòng)比，皮帶輪的直徑，除了考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊湊，還應(yīng)與電機(jī)與控制方案聯(lián)合考慮。機(jī)器狗的外形如圖 317 所示： 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxx 圖 317 機(jī)器狗的外形設(shè)計(jì)圖 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在仿生機(jī)器人中的作用相當(dāng)于生物的肌肉，它通過直接或間接轉(zhuǎn)動(dòng)腿部 的各關(guān)節(jié)來改變機(jī)器人的姿態(tài)。 故， 步長控制函數(shù) 為： 01 EBne nL?? ? ?? ?????????????? (13) 由上述理論分析可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)，在 PRO/E 中建立三維模型的各個(gè)零件，然后通過建立組件（ ASM 文件即 轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)的總裝圖）可以看到組成后的轉(zhuǎn)彎聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxix 機(jī)構(gòu)。 若轉(zhuǎn)彎角不超過 45176。 通過上面的理論分析，在 PRO/E 中建立模型并畫出髖關(guān)節(jié)凸輪的三維實(shí)體模型（通過實(shí)時(shí)渲染后的三維截圖） ]10[ ，如圖 37所示： 圖 37 髖關(guān)節(jié)凸輪的三維實(shí)體圖 注：具體的凸輪繪制方法見附錄。 對(duì)于本課題，由于每條腿有 1? 、 2? 及3?三個(gè)參數(shù)需要控制，四條腿就有12 個(gè)參數(shù)要控制，即若選擇電氣控制，就需 12 部伺服電機(jī)，再加上與這些電機(jī)匹配的減速器，電氣控制的重量輕、 體積小的特點(diǎn)就顯示不出來了；若選擇液壓控制，就需 12 個(gè)液壓缸（液壓馬達(dá)），再由于行走過程的顛簸，液壓控制聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxi 也不太適合。） 1 4 2 8 3 12 4 15 5 17 6 19 7 20 8 22 9 23 10 25 11 26 12 27 13 29 14 30 15 31 表 31 具體的測量方法如圖 35 所示（下部布置了 十五 個(gè)點(diǎn)，此圖為第一個(gè)點(diǎn)的測量實(shí)例，其他各點(diǎn)測量方法類似）： 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xx 圖 35 懸空相測點(diǎn)圖 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)上一節(jié)的研究結(jié)果，現(xiàn)在進(jìn)行本課題行走機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)。 ①由于在支撐相θ 2由足端所處位置決定，即由步距決定， 故稱θ 2為步距角。 圖 3—3 三自由度腿的平面機(jī)構(gòu) 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xvii 2? ——步距角① ； 3?——膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角； 該機(jī)構(gòu)完成滿足 ()中所述要求的運(yùn)動(dòng)的機(jī)理如下：先令髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)不動(dòng) ,即 1? =0、3? =0；只向右移動(dòng)移動(dòng)關(guān)節(jié) A ，則足端 C 沿著以 O2 為圓心，以(h1+h2)半徑的圓弧移動(dòng)，若關(guān)節(jié) A 勻速移動(dòng)，則 B C 與圖 32 中虛線軌跡的直線段的交點(diǎn)也勻速運(yùn)動(dòng)；再令髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)，使足端 C 運(yùn)動(dòng)到上述的交點(diǎn)，這就滿足了 （ ）中的要求 2～ 3；再令移動(dòng)關(guān)節(jié) A 向左快速移動(dòng)，移動(dòng)行程與向右移動(dòng)行程相等 ,但移動(dòng)時(shí)間為向右移動(dòng)時(shí)間的 1/3，并是足端 C 沿著圖 32中虛線軌跡的曲線段運(yùn)動(dòng)，至此，滿足了 ()中所述的所有要求。 3. 為了不至于使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的過程中，因支撐機(jī)體的三條腿的足端運(yùn)動(dòng)速度不相等而產(chǎn)生摩擦，而消耗不必要的能量，應(yīng)保證足端在要求 1 中的直線段上勻速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)機(jī)器人機(jī)體的推進(jìn)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)均由復(fù)合機(jī)架完成時(shí)，只圖 32 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)三維實(shí) 體圖 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xv 要求單自由度的伸縮腿機(jī)構(gòu)。因此，對(duì)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究很有必要。 再次，機(jī)器人的機(jī)械 結(jié)構(gòu)，特別是關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng)，使整個(gè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)中的一個(gè)組成環(huán)節(jié)，因此，機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)具有機(jī)電一體化的特點(diǎn)，比如，一般機(jī)械對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的慣量控制只是從減少驅(qū)動(dòng)功率著眼的，而對(duì)機(jī)器人來說，常從縮短機(jī)電時(shí)間常數(shù)、提高機(jī)器人的快速響應(yīng)能力這一角度出發(fā)來控制慣量的。通過這種組合可以達(dá)到減輕或代替人的勞動(dòng)，完成有用的機(jī)械功或轉(zhuǎn)換機(jī)械能的目的”。 本設(shè)計(jì)完成了從計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了行走控制功能。最后，對(duì)機(jī)器人各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行集成、調(diào)試，根據(jù)調(diào)試的結(jié)果修改設(shè)計(jì)缺陷，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)改進(jìn)，直至獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案后，再制作物理樣機(jī)。 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 ix 關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)： 機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)作靠的是關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)大多是基于閉環(huán)控制的原理來進(jìn)行的。 由于現(xiàn)實(shí)世界中，狗占據(jù)著寵物的“霸主”地位，故本課題選擇狗的外形作為四足行走機(jī)器人外形的參考模型；而且，狗作為人類的得力助手，在福利助殘 (導(dǎo)盲犬 )，對(duì)付犯罪 (緝毒犬、警犬等 )等方面能發(fā)揮重要的作用，故本課題的研究就具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。 機(jī)械技術(shù) 機(jī)器人的手和足要能像人一樣靈活動(dòng)作，必須要有精密靈巧的機(jī)械裝置。國內(nèi)四足步行機(jī)器的研究起步比較晚，在上個(gè)世 紀(jì) 90 年代以后才逐步有了成果，但研究水平據(jù)世界先進(jìn)水平還有差距。 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 vi 圖 15 JTUWM— III 圖 16 清華大學(xué)四足機(jī)器人 上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所于 1991年開展了 JTUWM系列四足步行機(jī)器人的研究。TekkenIV能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則地面的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)步行，顯示了生物激勵(lì)控制對(duì)未知的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的優(yōu)點(diǎn)。該機(jī)器人具有較好的步態(tài)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性，但其缺點(diǎn)是，該 機(jī)器人的關(guān)節(jié)是由邏輯電路組成的狀態(tài)機(jī)控制的，因此機(jī)器人的行為受到限制，只能呈現(xiàn)固定的運(yùn)動(dòng)形式。 時(shí)間 事件 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 iv 1954 年 1960 年 1968 年 1970 年1978 年 1984 年 1998 年 2021 年 2021 年 Gee Devol 開發(fā)出第一臺(tái)可編程機(jī)器人； Unimation 公司推出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人； 第一臺(tái)智能機(jī)器人 Shakey 在斯坦福研究所（ SRI）誕生； ETL 公司發(fā)明帶視覺的自適應(yīng)機(jī)器人； 美國推出通用工業(yè)機(jī)器人 PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成熟； 機(jī)器人 Helpmate 問世，該機(jī)器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送郵件等； 丹麥樂高公司推出機(jī) 器人（ Mindstorms）套件； iRobot 公司推出吸塵機(jī)器人 Roomba，是世界上銷量最大的家用機(jī)器人； 微軟公司推出的 Microsoft Robotics Studio，機(jī)器人模塊化、平臺(tái)化的趨勢越來越明顯，比爾?蓋茨預(yù)言，家用機(jī)器人會(huì)很快席卷全球。 凸輪控制驅(qū)動(dòng)式的四足機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1. 引言 機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 自從人類制造出了一電子計(jì)算機(jī)為代表的各種信息處理和計(jì)算的工具，進(jìn)一步拓展和延伸了人類大腦的功能。 控制器 ........................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 ................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 課題簡介 ...................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 stepped mechanism。行走機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)是四足機(jī)器人最關(guān)鍵的部分 ， 目前，行走機(jī)構(gòu)的研究大多采用在腿機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié)處安裝伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了機(jī)器人的重量和控制策略的難度。three dimensional design。 四足機(jī)器人研發(fā)流程 ............................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 腱機(jī)構(gòu) ........................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 行走系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) .............................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。佩克（ Karel Capek）在其幻想情節(jié)劇《羅沙姆的萬能機(jī)器人》中描述了一個(gè)名為 的工廠，將人類從繁 重而乏味的工作中解放出來，制造出一種與人類相似，但能不知疲倦工作的機(jī)器奴仆，取名 ROBOTA。本文介 紹了國內(nèi)外在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、步態(tài)、控制等方面已經(jīng)取得的進(jìn)展，并分析了其中的關(guān)鍵技術(shù)。它的腳底部由形狀記憶合金組成，可自動(dòng)檢測與地面接觸的狀態(tài)姿態(tài)傳感器和姿態(tài)控制系統(tǒng)根據(jù)傳感信息做出的控制決策，實(shí)現(xiàn)在不平整地面的自適應(yīng)靜態(tài)步行。它能以不同步態(tài)在惡劣的地形上攀爬，可以負(fù)載高達(dá)52KG 的重量，爬升斜坡可達(dá) 35176。但其步行速度較慢，極限步速僅為 ；另外，其負(fù)重能力有限，故在實(shí)際作業(yè)時(shí)實(shí)用性較差。人工智能是在 20 世紀(jì) 50 年代后半期，即電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展已具備各種復(fù)雜工作能力是形成的。因此，必須進(jìn)行行走步態(tài)、重心轉(zhuǎn)移、移動(dòng)導(dǎo)向、穩(wěn)定步行等仿生問題的研究。 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 viii 本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)器人 的腿機(jī)構(gòu)技術(shù)性能如下： 腿機(jī)構(gòu)的自由度： 3 個(gè) 機(jī)構(gòu)所含的運(yùn)動(dòng)副：轉(zhuǎn)動(dòng)