【正文】 術(shù)因素也是完美方案的一個不可缺少的部分。179。如下圖 321所示錐齒輪傳動副三維實體模型。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，四足行走機器人行走控制系統(tǒng)硬件部分包括控制器，傳感器及各個相應(yīng)的接口電路（也可把伺服電機包括在控制系統(tǒng)硬件中，本設(shè)計將伺服電機歸入機械系統(tǒng)）。 是生產(chǎn)過程控制、智能儀器、機電一體化等領(lǐng)域十分有用的一種單片機。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，定時器以 16 位方式進行定時或計數(shù)；在方式 2中，定時器的高 8位用于存放初值，定時器的低 8 位用于定時計數(shù)，在計數(shù)產(chǎn)生溢出時，自動把高 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，又開始對低 8 位計數(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。這個接口由 083運算放大器 U1 和 U2組成。 2U 的放大系數(shù)為 1，同時在它的負輸入端加上了 的參考電壓；所以，當 1U 輸出為 0V 時， 2U 輸出為 ；當 1U 輸出為 5V 時， 2U 輸出為 +。單片機輸出的數(shù)字控制信號通過 D/A 轉(zhuǎn)換器 0832 之后轉(zhuǎn)換成0～ 5V的模擬信號，再通過運算放大器 U2 變換之后變成 ～ + 模擬信號去控制 PWM 功率放大器。不過在寫 0832 時，要執(zhí)行兩次寫操作，因為它內(nèi)部的兩個寄存器是不 能同時接收外部數(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 由于控制機器人轉(zhuǎn)彎時轉(zhuǎn)彎急促程度的控制精度要求不高，為了節(jié)約單片機的 I/O 口， D/A 轉(zhuǎn)換器也可使用四位的轉(zhuǎn)換器。 這 個系統(tǒng)是一個開環(huán)系統(tǒng)。 5. 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計 行走系統(tǒng)軟件設(shè)計 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。實際上， 2U 的輸出電壓 V U 2 為： 2UV =1UV V 其中，1UV是運算放大器 1U 的輸出電壓。 D/A 轉(zhuǎn)換器 0832 作為單片機 8051 的一個存儲單元。 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(shù)據(jù)。 接口電路 在圖 47中，可以看出系統(tǒng)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(tǒng)包括：行走控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng) ]6[ 。無論工作在定時器還是在計數(shù)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(yīng)的控制信號 引腳編號 控制信號 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(yīng)引腳用于控制信號時的情況如聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxxviii 表 41 所示。 ALU 除了可以進行四則算術(shù)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(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、使用和維護簡單、價格合理等優(yōu)點，而成為本機器人系統(tǒng)供電電源的首選。 （ 2） 對四足行走機器人的控制需要完成預(yù)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(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)彎機構(gòu)驅(qū)動電機圖 傳動設(shè)計 步行四足機器人根關(guān)節(jié)的驅(qū)動裝置為電機 +齒輪減速，根關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動有一級齒輪進行減速，而髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)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(jīng)減速器主軸傳出的旋轉(zhuǎn)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(yīng)四足行走機器人腿部細長的外形結(jié)構(gòu)。 =15179。如果可能，推算一下電機在正常工作速度范圍內(nèi)所需的力矩 。絲杠導(dǎo)程的選取，齒輪的傳動比，皮帶輪的直徑，除了考慮機械結(jié)構(gòu)的緊湊，還應(yīng)與電機與控制方案聯(lián)合考慮。機器狗的外形如圖 317 所示： 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxx 圖 317 機器狗的外形設(shè)計圖 驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計 驅(qū)動系統(tǒng)在仿生機器人中的作用相當于生物的肌肉，它通過直接或間接轉(zhuǎn)動腿部 的各關(guān)節(jié)來改變機器人的姿態(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)計出相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎機構(gòu)，在 PRO/E 中建立三維模型的各個零件，然后通過建立組件（ ASM 文件即 轉(zhuǎn)彎機構(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)凸輪的三維實體模型（通過實時渲染后的三維截圖） ]10[ ，如圖 37所示： 圖 37 髖關(guān)節(jié)凸輪的三維實體圖 注：具體的凸輪繪制方法見附錄。 對于本課題，由于每條腿有 1? 、 2? 及3?三個參數(shù)需要控制，四條腿就有12 個參數(shù)要控制，即若選擇電氣控制，就需 12 部伺服電機，再加上與這些電機匹配的減速器，電氣控制的重量輕、 體積小的特點就顯示不出來了；若選擇液壓控制，就需 12 個液壓缸（液壓馬達），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 個點，此圖為第一個點的測量實例，其他各點測量方法類似）： 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xx 圖 35 懸空相測點圖 行走機構(gòu)的設(shè)計計算 根據(jù)上一節(jié)的研究結(jié)果，現(xiàn)在進行本課題行走機構(gòu)的具體設(shè)計。 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； 該機構(gòu)完成滿足 ()中所述要求的運動的機理如下：先令髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)不動 ,即 1? =0、3? =0；只向右移動移動關(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，若關(guān)節(jié) A 勻速移動，則 B C 與圖 32 中虛線軌跡的直線段的交點也勻速運動；再令髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，使足端 C 運動到上述的交點，這就滿足了 （ ）中的要求 2～ 3；再令移動關(guān)節(jié) A 向左快速移動，移動行程與向右移動行程相等 ,但移動時間為向右移動時間的 1/3，并是足端 C 沿著圖 32中虛線軌跡的曲線段運動，至此，滿足了 ()中所述的所有要求。 3. 為了不至于使機器人在運動的過程中，因支撐機體的三條腿的足端運動速度不相等而產(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動。當機器人機體的推進和轉(zhuǎn)向運動均由復(fù)合機架完成時，只圖 32 機器人機械結(jié)構(gòu)三維實 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構(gòu)。因此，對行走機構(gòu)進行研究很有必要。 再次，機器人的機械 結(jié)構(gòu)，特別是關(guān)節(jié)傳動系統(tǒng)，使整個機器人伺服系統(tǒng)中的一個組成環(huán)節(jié)，因此，機器人的機械設(shè)計具有機電一體化的特點，比如，一般機械對運動部件的慣量控制只是從減少驅(qū)動功率著眼的，而對機器人來說，常從縮短機電時間常數(shù)、提高機器人的快速響應(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到減輕或代替人的勞動，完成有用的機械功或轉(zhuǎn)換機械能的目的”。 本設(shè)計完成了從計算機子系統(tǒng)，實現(xiàn)了行走控制功能。最后，對機器人各個系統(tǒng)進行集成、調(diào)試，根據(jù)調(diào)試的結(jié)果修改設(shè)計缺陷，對整個系統(tǒng)進行循環(huán)改進，直至獲得最優(yōu)設(shè)計方案后，再制作物理樣機。 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 ix 關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動系統(tǒng)： 機器人本體機械結(jié)構(gòu)的動作靠的是關(guān)節(jié)驅(qū)動，機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動大多是基于閉環(huán)控制的原理來進行的。 由于現(xiàn)實世界中，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)實意義。 機械技術(shù) 機器人的手和足要能像人一樣靈活動作，必須要有精密靈巧的機械裝置。國內(nèi)四足步行機器的研究起步比較晚，在上個世 紀 90 年代以后才逐步有了成果，但研究水平據(jù)世界先進水平還有差距。 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 vi 圖 15 JTUWM— III 圖 16 清華大學(xué)四足機器人 上海交通大學(xué)機器人研究所于 1991年開展了 JTUWM系列四足步行機器人的研究。TekkenIV能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則地面的自適應(yīng)動態(tài)步行，顯示了生物激勵控制對未知的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的優(yōu)點。該機器人具有較好的步態(tài)運動穩(wěn)定性，但其缺點是，該 機器人的關(guān)節(jié)是由邏輯電路組成的狀態(tài)機控制的，因此機器人的行為受到限制，只能呈現(xiàn)固定的運動形式。 時間 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)出第一臺可編程機器人； Unimation 公司推出第一臺工業(yè)機器人； 第一臺智能機器人 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)機器人； 美國推出通用工業(yè)機器人 PUMA，這標志著工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)成熟； 機器人 Helpmate 問世，該機器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送郵件等； 丹麥樂高公司推出機 器人（ Mindstorms）套件； iRobot 公司推出吸塵機器人 Roomba，是世界上銷量最大的家用機器人； 微軟公司推出的 Microsoft Robotics Studio，機器人模塊化、平臺化的趨勢越來越明顯，比爾?蓋茨預(yù)言，家用機器人會很快席卷全球。 凸輪控制驅(qū)動式的四足機器人系統(tǒng)設(shè)計 1. 引言 機器人及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 自從人類制造出了一電子計算機為代表的各種信息處理和計算的工具，進一步拓展和延伸了人類大腦的功能。 控制器 ........................................ 錯誤 !未定義書簽。 ................................. 錯誤 !未定義書簽。 課題簡介 ...................................... 錯誤 !未定義書簽。 stepped mechanism。行走機構(gòu)和轉(zhuǎn)彎機構(gòu)是四足機器人最關(guān)鍵的部分 ， 目前，行走機構(gòu)的研究大多采用在腿機構(gòu)的關(guān)節(jié)處安裝伺服電機進行驅(qū)動，增加了機器人的重量和控制策略的難度。three dimensional design。 四足機器人研發(fā)流程 ............................ 錯誤 !未定義書簽。 腱機構(gòu) ........................................ 錯誤 !未定義書簽。 行走系統(tǒng)軟件設(shè)計 .............................. 錯誤 !未定義書簽。佩克（ Karel Capek）在其幻想情節(jié)劇《羅沙姆的萬能機器人》中描述了一個名為 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器奴仆，取名 ROBOTA。本文介 紹了國內(nèi)外在機構(gòu)設(shè)計、步態(tài)、控制等方面已經(jīng)取得的進展，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，可以負載高達52KG 的重量，爬升斜坡可達 35176。但其步行速度較慢，極限步速僅為 ；另外，其負重能力有限，故在實際作業(yè)時實用性較差。人工智能是在 20 世紀 50 年代后半期，即電子計算機的發(fā)展已具備各種復(fù)雜工作能力是形成的。因此，必須進行行走步態(tài)、重心轉(zhuǎn)移、移動導(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)計的機器人 的腿機構(gòu)技術(shù)性能如下： 腿機構(gòu)的自由度： 3 個 機構(gòu)所含的運動副：轉(zhuǎn)動