【正文】 可以使伺服電機以不同的速度實2現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，伺服電機以不同的速度轉(zhuǎn)動，可實現(xiàn)控制機器人轉(zhuǎn)彎時轉(zhuǎn)彎急促程度。圖 51 行走伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構框圖在控制框圖中， 是給定速度值，是一個 8 位二進制數(shù)據(jù)，也就是控制量VRC； K 3 是 PWM 功率放大器的比例放大系數(shù)；G 4(s)是伺服電機的傳遞函數(shù)。確定給定值 Rv ，就是由主計算機確定機器人行走速度之后再發(fā)送給 8051。角度反饋的結(jié)果和給定值 Rθ進行相減，產(chǎn)生角度偏差信號 。由于光電編碼器的輸入是轉(zhuǎn)速，輸出是角)(5sG度。1?F按式（510）進行程序編程，就可以求出現(xiàn)行控制量 C(n)的值。由于角度位置反饋量是直接檢測出來的，無需公式計算來求出，故令 )()(sF???則式（56）可寫成： ………（57）)/1()(() 021 SKsRKsC??????為了進行離散化,取雙線性變換: 其中:T 為采樣周期。 是常 數(shù)， ） ；mCaeπ2/PN?S 是拉氏變換算子。聊城大學本科畢業(yè)論文xliii圖 53 轉(zhuǎn)彎伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構框圖在控制框圖中， 是給定角度值 ， 是角度偏差的比例放大系數(shù)， 是?R1K3KPWM 功率放大器的比例放大系數(shù) ， 是速度環(huán)放大及串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，)(2sG?是伺服電機的傳遞函數(shù)， 是速度角度變換的傳遞的函數(shù)， 是角)(4sG5 )(sH?度反饋傳遞函數(shù)。轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)的單片機程序框圖如圖 52 所示：程序開始執(zhí)行時，首先對單片機的 I/O 口進行初始化。要取光電編碼器數(shù)據(jù)時，單片機只需讀取 I/O 口 P1 的內(nèi)容。 的放大系數(shù)為 1，同時在它的負輸入端加上了1U2U 的參考電壓；所以，當 輸出為 0V 時， ；當 U1 輸出為 5V12時， 輸出為 +。這個接口由083運算放大器 和 U2 組成。它由單片機 805伺服電機及其接口電路、光電編碼器及其接口電路組成。電流從 I1 輸出由 U1 運算放大器處理之后輸出的電壓為 –VREF它的結(jié)構可參考附錄 2。以下將進行行走控制子系統(tǒng)的設計。定時器部件有兩個，它們分別時 16 位的定時器 0 和定時器 1，并且都可以工作在定時器或計數(shù)器方式。方式 3 和方式 2基本一樣，只是在方式 3 中，波特率可改變。P3 是控制信號及 I/O 信號復用口，它除了用作 I/O 口之外，還用于傳送控制信號。ALU 步件含有 ALU 單元以及累加器 ACC、寄存器 B、棧指針 SP、數(shù)據(jù)指針DPTR、程序狀態(tài)字 PSW、暫時寄存器 TMPTMP2 等。1/2? 輸出信號類型：TTL ? 數(shù)據(jù)編碼：格雷碼 ? 數(shù)據(jù)輸出：并行? 電源電壓：DC5V? 允許軸速（電氣/機械）：6000/10000 控制器機電產(chǎn)品中使用的控制器一般有工控機、PLC、單片機，用單片機作為控制器的數(shù)字伺服系統(tǒng)，有體積小、可靠性高、經(jīng)濟性好、接口齊全等明顯優(yōu)點，因此，本設計選用 Intel 公司生產(chǎn)的在國內(nèi)廣泛應用的 MCS51 系列單片集中的8051 作為控制器。轉(zhuǎn)彎機構的萬向節(jié)傳動副三維實體模型如下圖 323 所示：聊城大學本科畢業(yè)論文xxxiv圖 323 萬向節(jié)傳動副三維實體模型圖 供電電源為了滿足伺服電機的供電要求，以及機器人移動的便捷性，可選擇蓄電池作為機器人的供電電源。在為本課題的四足行走機器人選擇軸承時，還要重視下面兩個因素：（1）由于微小型系統(tǒng)自身的能量非常有限，如果能夠通過選取合適的軸承聊城大學本科畢業(yè)論文xxxiii來減小摩擦力矩、降低系統(tǒng)的能耗，這對節(jié)省機器人總系統(tǒng)彌足珍貴的能量是十分有利的，同時也提高了機器人的工作效率。180 r/min轉(zhuǎn)矩：7 mN因此，主電機容量只能按如下方法估計：從本課題設計的機器人的外形和材料（硬質(zhì)塑料）來看，機器人的重量大概為 15 kg。電機在不同的機器中工作狀況大不相同，因此需要選擇不同種類的系統(tǒng)。但在多種影響因素中，主要的因素有以下幾點：電機用于何種產(chǎn)品，做何種驅(qū)動，該產(chǎn)品是維修還是開發(fā)生產(chǎn)，預計批量。由于彈性腱比較復雜，使用的腱均為剛性腱。又， ………………………………………………(7)12()bhsE??其中， b—圖 3 中關節(jié) A 到關節(jié) O1的距離；h1—小腿長；h2—大腿長；E—髖關節(jié)偏距。所以，凸輪輪廓線方程為： 即得凸輪輪廓線上的點的直角坐標值聊城大學本科畢業(yè)論文xxiii 其中： 由于式(4)中有一個變量 θ1，支撐相中的 θ1 由公式（1）確定（） ，懸空相中的 θ1 表 31 確定（） 。為了使步長 S 可變，參考（）中的控制函數(shù)的推導過程，應使髖骨長E 可變，二者關系見下一節(jié)“轉(zhuǎn)彎機構的設計” 。其特點是重量輕、體積小、系統(tǒng)具有柔性。1arctn()yx????r2=xc2+yc2???22os/OBOBlhl???????聊城大學本科畢業(yè)論文xviii ………………………… (2)39。1?23 ]7[為更方便地求 、 及 的函數(shù)關系，先將圖 33 所示的機構簡化成圖 324 所示。①本文相位角指的是凸輪的相位角，凸輪一周的相位角為 2 π。因此，對于每條腿的運動來說，腳掌離地時間與著地時間之比為1:3。為了使行走機器人能在不平的地面上行走，以及腿復位的需要，腿的伸長（即足端相對于機身的高度）應該是可變的。四足行走機器人機械系統(tǒng)結(jié)構簡圖如圖 3]6[1，機械系統(tǒng)結(jié)構三維實體圖 32: 圖 31 機械系統(tǒng)結(jié)構簡圖設計說明：脊柱中有四根鋼絲，拉放這四根鋼絲，可使脊柱在空間任意彎曲，從而使機體具有柔性。末端的位置、速度、加速度和各關節(jié)力矩（或力）之間的關系是動力分析的主要內(nèi)容，在開鏈結(jié)構中，每個關節(jié)的運動受到其他關節(jié)運動的影響，作用在每個關節(jié)上的重力負載和慣性負載隨著手臂的形位變化，在高速情況下，還存在不容忽視的力心理和哥氏力的影響，因此，嚴格地講，機器人是一個多輸入多輸出的非線性的強耦合的位置時變的動力學系統(tǒng)，動力學分析十分復雜，即使經(jīng)過一定程度的簡化，也區(qū)別于一般的機構分析方法。系統(tǒng)集成：要把以上四個部分結(jié)合在一起，構成一個有機的機器人系統(tǒng)，完成了如下工作：利用計算機語言將任務“告訴”控制系統(tǒng)，經(jīng)控制系統(tǒng)處理后，產(chǎn)生控制信號，經(jīng)過接口電路，控制伺服電機動作，機器人在具體的環(huán)境中運動，與環(huán)境相互作用，通過外部傳感器，將環(huán)境信息采集處理后傳輸給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)指導機器人如何動作。本課題所設計的機器人的移動環(huán)境是陸上表面環(huán)境。4．感知系統(tǒng)與通信接口：機器人要正常地進行工作，必須與周圍環(huán)境保持密切的聯(lián)系。機械本體結(jié)構：從機構學的角度來分析，機器人的機械結(jié)構可以看作有一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關節(jié)（或移動關節(jié)）連接起來的開式運動鏈。機器人還涉及到其他領域，如材料科學、心理學等其他學科。電子技術電子技術的進步，特別是微處理器、存儲器及大規(guī)模集成電路的發(fā)展，使得聊城大學本科畢業(yè)論文vi機器人的控制能力提高，而體積減小。清華大學所研制的一款四足步行機器人，如圖 16 所示。其腿關節(jié)類似動物腿關節(jié)，安裝有吸收震動部件和能量循環(huán)部件。TITAN Ⅵ 機器人采用新型的直動型腿機構，避免了上樓梯過程中各腿間的干涉，并采用兩級變速驅(qū)動機構，對腿的支撐相和擺動相聊城大學本科畢業(yè)論文iv分別進行驅(qū)動。最后，歸納總結(jié)了未來四足步行機器人的幾個發(fā)展趨勢 ，以期對以]2[后的研究工作具有指導作用。Robot(機器人)一詞由此演化而來。 stepped mechanism。行走機構和轉(zhuǎn)彎機構是四足機器人最關鍵的部分，目前，行走機構的研究大多采用在腿機構的關節(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。在此后的五十多年里，機器人技術取得了突飛猛進的發(fā)展，表 1—1 是近代機器人發(fā)展的重大事件的時間表 。世界上第一臺真正意義的四足步行機器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年制作的。系統(tǒng)控制是由基于 CPG 的控制器通過反射機制來完成的。圖 13TekkenIV 圖 14 美國“機器騾子”國內(nèi)四足機器人研制工作從 20 世紀 80 年代起步，取得一定成果的研究機構有上海交通大學、清華大學、哈爾濱工業(yè)大學 等。綜上所述，美國、日本的研究最具代表性，其技術水平已經(jīng)較為先進，實用化程度也在逐步提高。機器人有視覺、聽覺和觸覺等感覺，相應傳感技術包括視覺系統(tǒng)的模式識別技術，環(huán)境的情景分析，三維位置測量技術和皮膚的感覺（如觸覺、壓覺等力的感覺） ，其他還有語音識別和自然語言理解等。目前國際上對四足行走機器人的研究相當熱門，技術也已相當成熟，主要集中在電子寵物機器人領域，如前所述的日本及美國的機器狗，均標志著兩國在機器人和機器動物研制領域已處于世界領先地位。②當腿處于懸空狀態(tài)時，足端抬離地面，向前邁步為下一個支撐相作準備，這種狀態(tài)稱為懸空相。首先，采用虛擬樣機技術（vitual prototype） ，利用三維造型軟件]5[（PRO/E）建立機器人機械部分的三維實體模型；然后利用動力學分析軟件（ADAMS）建立機械系統(tǒng)的運動學和動力學模型，進行動力學仿真；與此同時，進行四足機器人的控制、驅(qū)動和傳感器子系統(tǒng)設計。計算機系統(tǒng)可由二級或三級組成，由主計算機完成智能控制功能，從計算機產(chǎn)生行走控制信號。 機器人機械設計的內(nèi)容及特點所謂“機械” ，經(jīng)典的定義就是“按確定的位置相互聯(lián)結(jié)，并按一定的規(guī)律相對運動的機構或零件的組合體。為了克服開鏈機構的缺陷，目前已發(fā)展了基于閉鏈結(jié)構的機器人。聊城大學本科畢業(yè)論文xiii 行走機構的研究 概述在行走機器人機械系統(tǒng)設計中，最重要的是行走機構（腿）的設計。當機體的運動由腿機構之外的其他獨立的轉(zhuǎn)向機構完成時，腿機構可以是兩自由度的平面機構。2. 為了不至于使機器人在運動的過程中，因機體上下顛簸而消耗不必要的能量，應保證要求 1 中的直線段有一定的直線度。下面對應的各參數(shù)：21O2OE——髖關節(jié)偏距； ——小腿長；1h——大腿長；2hS——步長；——髖關節(jié)轉(zhuǎn)角；1?——步距角 ①；2 ②自由度的計算：低副 （轉(zhuǎn)動副和移動副）提供兩個約束，高副 提供一個約束，自lp hp由度計算公式為 ；其中活動構件的數(shù)目為 n=4， (轉(zhuǎn)動副 3 個，)2(31nF??? 4?l移動副一個), ，故 F=3。求 、 及 的函數(shù)關系，是機器人運動學求逆解問題 。本設1?23 1?23計中利用 PRO/E 中的草繪，測得 15 個點的 、 及 的值，如下表所示：1?23序號 （ 186。純機械控制即利用一些機構來實現(xiàn)控制，其特點是簡單、功率較大、柔性差。由公式（4）只能得到髖關節(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(nèi)包絡線。圖 311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及其相關聯(lián)的零件圖，組裝成 ASM 文件圖 ，如圖 312 所示：]1[圖 312 齒輪齒條與凸輪配合的三維實體總裝圖 轉(zhuǎn)彎機構的設計如本章第一節(jié)總體設計所述，可利用脊柱機構來實現(xiàn)機體的轉(zhuǎn)彎，脊柱機構由脊骨、關節(jié)和腱構成 ，如下圖：]7[聊城大學本科畢業(yè)論文xxv圖 313 轉(zhuǎn)彎機構的結(jié)構簡圖 控制函數(shù)(1) 脊柱彎曲控制函數(shù) ]6[假設脊柱有 n 節(jié)脊骨，由于受力情況相似，可認為對于每節(jié)脊骨均有 θ i =θ ，則腱的伸縮量為： …………………………………………………(1)????12ta/2nhr??????其中，h1—內(nèi)側(cè)腱的伸縮量； h2—外側(cè)腱的伸縮量； r —腱到脊柱軸線的距離。由公式(9)可得： 0EBea???…………………………………(10)因為,； ??/1n????…………………………………(11) …………………………………(12)/aL其中，L—脊柱的長度；n—脊柱的節(jié)數(shù)。]12[本課題選擇以狗的外形作為設計的藍本，力求使設計的產(chǎn)品能夠吸引人們的眼球，獲得人們的關注。一套好的運動控制方案除了選擇合適的電機，還需要合理設計傳動機構。這包括電機的負載類型，是恒定負載還是變化負載，電機力矩轉(zhuǎn)化為直線推力，或是旋轉(zhuǎn)帶動大慣量負載，電機負載隨轉(zhuǎn)速變化嗎。則機器人的功耗為：P= mgvtg230 186。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/