【正文】 可以使伺服電機(jī)以不同的速度實(shí)2現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)以不同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)彎急促程度。圖 51 行走伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖在控制框圖中， 是給定速度值，是一個(gè) 8 位二進(jìn)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(jī)的傳遞函數(shù)。確定給定值 Rv ，就是由主計(jì)算機(jī)確定機(jī)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(jìn)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(jìn)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(jì)算來求出，故令 )()(sF???則式（56）可寫成： ………（57）)/1()(() 021 SKsRKsC??????為了進(jìn)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(xué)本科畢業(yè)論文xliii圖 53 轉(zhuǎn)彎伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jī)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(jī)程序框圖如圖 52 所示：程序開始執(zhí)行時(shí)，首先對單片機(jī)的 I/O 口進(jìn)行初始化。要取光電編碼器數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)只需讀取 I/O 口 P1 的內(nèi)容。 的放大系數(shù)為 1，同時(shí)在它的負(fù)輸入端加上了1U2U 的參考電壓；所以，當(dāng) 輸出為 0V 時(shí)， ；當(dāng) U1 輸出為 5V12時(shí)， 輸出為 +。這個(gè)接口由083運(yùn)算放大器 和 U2 組成。它由單片機(jī) 805伺服電機(jī)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(yùn)算放大器處理之后輸出的電壓為 –VREF它的結(jié)構(gòu)可參考附錄 2。以下將進(jìn)行行走控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。定時(shí)器部件有兩個(gè)，它們分別時(shí) 16 位的定時(shí)器 0 和定時(shí)器 1，并且都可以工作在定時(shí)器或計(jì)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(fù)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(shí)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(jī)械）：6000/10000 控制器機(jī)電產(chǎn)品中使用的控制器一般有工控機(jī)、PLC、單片機(jī)，用單片機(jī)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(jì)性好、接口齊全等明顯優(yōu)點(diǎn)，因此，本設(shè)計(jì)選用 Intel 公司生產(chǎn)的在國內(nèi)廣泛應(yīng)用的 MCS51 系列單片集中的8051 作為控制器。轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)的萬向節(jié)傳動(dòng)副三維實(shí)體模型如下圖 323 所示：聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxxiv圖 323 萬向節(jié)傳動(dòng)副三維實(shí)體模型圖 供電電源為了滿足伺服電機(jī)的供電要求，以及機(jī)器人移動(dòng)的便捷性，可選擇蓄電池作為機(jī)器人的供電電源。在為本課題的四足行走機(jī)器人選擇軸承時(shí)，還要重視下面兩個(gè)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(xué)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(jī)器人總系統(tǒng)彌足珍貴的能量是十分有利的，同時(shí)也提高了機(jī)器人的工作效率。180 r/min轉(zhuǎn)矩：7 mN因此，主電機(jī)容量只能按如下方法估計(jì)：從本課題設(shè)計(jì)的機(jī)器人的外形和材料（硬質(zhì)塑料）來看，機(jī)器人的重量大概為 15 kg。電機(jī)在不同的機(jī)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(diǎn)：電機(jī)用于何種產(chǎn)品，做何種驅(qū)動(dòng)，該產(chǎn)品是維修還是開發(fā)生產(chǎn)，預(yù)計(jì)批量。由于彈性腱比較復(fù)雜，使用的腱均為剛性腱。又， ………………………………………………(7)12()bhsE??其中， b—圖 3 中關(guān)節(jié) A 到關(guān)節(jié) O1的距離；h1—小腿長；h2—大腿長；E—髖關(guān)節(jié)偏距。所以，凸輪輪廓線方程為： 即得凸輪輪廓線上的點(diǎn)的直角坐標(biāo)值聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxiii 其中： 由于式(4)中有一個(gè)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(dǎo)過程，應(yīng)使髖骨長E 可變，二者關(guān)系見下一節(jié)“轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)” 。其特點(diǎn)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(xué)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(guān)系，先將圖 33 所示的機(jī)構(gòu)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(yùn)動(dòng)來說，腳掌離地時(shí)間與著地時(shí)間之比為1:3。為了使行走機(jī)器人能在不平的地面上行走，以及腿復(fù)位的需要，腿的伸長（即足端相對于機(jī)身的高度）應(yīng)該是可變的。四足行走機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖 3]6[1，機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三維實(shí)體圖 32: 圖 31 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖設(shè)計(jì)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(jī)體具有柔性。末端的位置、速度、加速度和各關(guān)節(jié)力矩（或力）之間的關(guān)系是動(dòng)力分析的主要內(nèi)容，在開鏈結(jié)構(gòu)中，每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)受到其他關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的影響，作用在每個(gè)關(guān)節(jié)上的重力負(fù)載和慣性負(fù)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(yán)格地講，機(jī)器人是一個(gè)多輸入多輸出的非線性的強(qiáng)耦合的位置時(shí)變的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，動(dòng)力學(xué)分析十分復(fù)雜，即使經(jīng)過一定程度的簡化，也區(qū)別于一般的機(jī)構(gòu)分析方法。系統(tǒng)集成：要把以上四個(gè)部分結(jié)合在一起，構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的機(jī)器人系統(tǒng)，完成了如下工作：利用計(jì)算機(jī)語言將任務(wù)“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(jī)動(dòng)作，機(jī)器人在具體的環(huán)境中運(yùn)動(dòng)，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(dǎo)機(jī)器人如何動(dòng)作。本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)器人的移動(dòng)環(huán)境是陸上表面環(huán)境。4．感知系統(tǒng)與通信接口：機(jī)器人要正常地進(jìn)行工作，必須與周圍環(huán)境保持密切的聯(lián)系。機(jī)械本體結(jié)構(gòu)：從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來分析，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看作有一系列連桿通過旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（或移動(dòng)關(guān)節(jié)）連接起來的開式運(yùn)動(dòng)鏈。機(jī)器人還涉及到其他領(lǐng)域，如材料科學(xué)、心理學(xué)等其他學(xué)科。電子技術(shù)電子技術(shù)的進(jìn)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(xué)本科畢業(yè)論文vi機(jī)器人的控制能力提高，而體積減小。清華大學(xué)所研制的一款四足步行機(jī)器人，如圖 16 所示。其腿關(guān)節(jié)類似動(dòng)物腿關(guān)節(jié)，安裝有吸收震動(dòng)部件和能量循環(huán)部件。TITAN Ⅵ 機(jī)器人采用新型的直動(dòng)型腿機(jī)構(gòu)，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(dòng)機(jī)構(gòu)，對腿的支撐相和擺動(dòng)相聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文iv分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。最后，歸納總結(jié)了未來四足步行機(jī)器人的幾個(gè)發(fā)展趨勢 ，以期對以]2[后的研究工作具有指導(dǎo)作用。Robot(機(jī)器人)一詞由此演化而來。 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。在此后的五十多年里，機(jī)器人技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，表 1—1 是近代機(jī)器人發(fā)展的重大事件的時(shí)間表 。世界上第一臺真正意義的四足步行機(jī)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(jī)制來完成的。圖 13TekkenIV 圖 14 美國“機(jī)器騾子”國內(nèi)四足機(jī)器人研制工作從 20 世紀(jì) 80 年代起步，取得一定成果的研究機(jī)構(gòu)有上海交通大學(xué)、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué) 等。綜上所述，美國、日本的研究最具代表性，其技術(shù)水平已經(jīng)較為先進(jìn)，實(shí)用化程度也在逐步提高。機(jī)器人有視覺、聽覺和觸覺等感覺，相應(yīng)傳感技術(shù)包括視覺系統(tǒng)的模式識別技術(shù)，環(huán)境的情景分析，三維位置測量技術(shù)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(jī)器人的研究相當(dāng)熱門，技術(shù)也已相當(dāng)成熟，主要集中在電子寵物機(jī)器人領(lǐng)域，如前所述的日本及美國的機(jī)器狗，均標(biāo)志著兩國在機(jī)器人和機(jī)器動(dòng)物研制領(lǐng)域已處于世界領(lǐng)先地位。②當(dāng)腿處于懸空狀態(tài)時(shí)，足端抬離地面，向前邁步為下一個(gè)支撐相作準(zhǔn)備，這種狀態(tài)稱為懸空相。首先，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)（vitual prototype） ，利用三維造型軟件]5[（PRO/E）建立機(jī)器人機(jī)械部分的三維實(shí)體模型；然后利用動(dòng)力學(xué)分析軟件（ADAMS）建立機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真；與此同時(shí)，進(jìn)行四足機(jī)器人的控制、驅(qū)動(dòng)和傳感器子系統(tǒng)設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可由二級或三級組成，由主計(jì)算機(jī)完成智能控制功能，從計(jì)算機(jī)產(chǎn)生行走控制信號。 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容及特點(diǎn)所謂“機(jī)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(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)或零件的組合體。為了克服開鏈機(jī)構(gòu)的缺陷，目前已發(fā)展了基于閉鏈結(jié)構(gòu)的機(jī)器人。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xiii 行走機(jī)構(gòu)的研究 概述在行走機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，最重要的是行走機(jī)構(gòu)（腿）的設(shè)計(jì)。當(dāng)機(jī)體的運(yùn)動(dòng)由腿機(jī)構(gòu)之外的其他獨(dú)立的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成時(shí)，腿機(jī)構(gòu)可以是兩自由度的平面機(jī)構(gòu)。2. 為了不至于使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的過程中，因機(jī)體上下顛簸而消耗不必要的能量，應(yīng)保證要求 1 中的直線段有一定的直線度。下面對應(yīng)的各參數(shù)：21O2OE——髖關(guān)節(jié)偏距； ——小腿長；1h——大腿長；2hS——步長；——髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角；1?——步距角 ①；2 ②自由度的計(jì)算：低副 （轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副）提供兩個(gè)約束，高副 提供一個(gè)約束，自lp hp由度計(jì)算公式為 ；其中活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目為 n=4， (轉(zhuǎn)動(dòng)副 3 個(gè)，)2(31nF??? 4?l移動(dòng)副一個(gè)), ，故 F=3。求 、 及 的函數(shù)關(guān)系，是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)求逆解問題 。本設(shè)1?23 1?23計(jì)中利用 PRO/E 中的草繪，測得 15 個(gè)點(diǎn)的 、 及 的值，如下表所示：1?23序號 （ 186。純機(jī)械控制即利用一些機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)控制，其特點(diǎn)是簡單、功率較大、柔性差。由公式（4）只能得到髖關(guān)節(jié)凸輪的理論輪廓曲線，實(shí)際輪廓曲線是以理論輪廓曲線上各點(diǎn)為圓心、以滾輪半徑為半徑的一族圓的內(nèi)包絡(luò)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(guān)節(jié)凸輪的三維實(shí)體模型及其相關(guān)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(shí)體總裝圖 轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)如本章第一節(jié)總體設(shè)計(jì)所述，可利用脊柱機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)機(jī)體的轉(zhuǎn)彎，脊柱機(jī)構(gòu)由脊骨、關(guān)節(jié)和腱構(gòu)成 ，如下圖：]7[聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxv圖 313 轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖 控制函數(shù)(1) 脊柱彎曲控制函數(shù) ]6[假設(shè)脊柱有 n 節(jié)脊骨，由于受力情況相似，可認(rèn)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?yàn)?； ??/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(shè)計(jì)的藍(lán)本，力求使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠吸引人們的眼球，獲得人們的關(guān)注。一套好的運(yùn)動(dòng)控制方案除了選擇合適的電機(jī)，還需要合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。這包括電機(jī)的負(fù)載類型，是恒定負(fù)載還是變化負(fù)載，電機(jī)力矩轉(zhuǎn)化為直線推力，或是旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)大慣量負(fù)載，電機(jī)負(fù)載隨轉(zhuǎn)速變化嗎。則機(jī)器人的功耗為：P= mgvtg230 186。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/