【正文】 動(dòng)原理 步態(tài)的參數(shù)描述“六足綱”昆蟲體的腿可以看作兩狀態(tài)器件:腿的懸空相和腿的支撐相。行程節(jié)距(stroke pitch)，指縱向運(yùn)動(dòng)時(shí)，體同一端上相鄰?fù)刃谐讨悬c(diǎn)的間距。(3 )Q 1/ 2: 機(jī)體移動(dòng)較快時(shí)，六條腿有同時(shí)為擺動(dòng)相的時(shí)刻，即六條腿同時(shí)在空中，處于騰空狀態(tài)，顯然此交替過程要求機(jī)體機(jī)構(gòu)具有彈性和消振功能，否則難以實(shí)現(xiàn)。該機(jī)器人的每個(gè)腿有2個(gè)舵機(jī)組成，共12個(gè)舵機(jī)。第三章 六足仿生機(jī)器人的步態(tài)分析和設(shè)計(jì)六足步行機(jī)器人的步態(tài)是多樣的，其中三角步態(tài)(或交替三角步態(tài)、3+3步態(tài))步態(tài)是六足步行機(jī)器人實(shí)現(xiàn)步行的典型步態(tài) [8]。ZYXABCFEDOAiDin2mBiCiEiFi圖32 機(jī)器人腿部坐標(biāo)示意圖六足步行機(jī)器人腿部機(jī)械簡(jiǎn)圖如圖32所示，定義腿部X軸投影長(zhǎng)為L(zhǎng)，腿高度為H，大腿與小腿夾角為 ,髖關(guān)節(jié)在Z軸旋轉(zhuǎn)角度為 ,髖關(guān)節(jié)在Y軸旋轉(zhuǎn)角度為 。15XYPMNO1圖 35 三角步態(tài)穩(wěn)定圖B(X2,Y2)A(X1,Y1)C（X3,Y3）d1d2d3圖中，設(shè) A、B、C在XOY平面坐標(biāo)為:A( Xl,Yl)、B( X2,Y2)、C( X3,Y3 )，OM、ON,OP為原點(diǎn)到直線AB,BC,CA的垂線，設(shè), ,d1=0M2ONd3=P則dl,d2,d3為機(jī)器人質(zhì)心投影與支撐三角形各邊的距離。此時(shí)的位置矢量：123456YXOSP1=??(),0TLmnS??P2=P3=??(),(),TP4= 0LmnS?P5=??(),TP6= (?通過以分析，可以通過合理選擇步距，保證機(jī)器人質(zhì)心的投影點(diǎn)落在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，完成機(jī)器人的直線行走。 本章小結(jié)本章 研究六足機(jī)器人三角行走步態(tài)，分析了機(jī)器人三角步態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕量的計(jì)算，規(guī)劃了典型直線行走步態(tài)和定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)，并對(duì)典型直線行走步態(tài)和定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析，給出各種步態(tài)動(dòng)作時(shí)落足點(diǎn)的位置矢量表達(dá)式，為機(jī)器人行走奠定基礎(chǔ)。在這里我們可以用 51 單片里的兩個(gè)定時(shí)器來產(chǎn)生多次中斷的方法獲得這樣的控制的信號(hào)。該電路具有PDIP、TQFP和PLCC等封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求。 不僅在航模飛機(jī)中，在其他的模型運(yùn)動(dòng)中都可以看到它的應(yīng)用：船模上用來控制尾舵，車模中用來轉(zhuǎn)向等等。（2）舵機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制 一般來講，舵機(jī)主要由以下幾個(gè)部分組成， 舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)5k、直流電機(jī)、控制電路板等。機(jī)器人避障的關(guān)鍵問題之一是在運(yùn)動(dòng)過程中如何利用傳感器對(duì)環(huán)境的感知。 本設(shè)計(jì)的避開障礙物傳感器采用一對(duì)微動(dòng)開關(guān)。在完成的避開障礙物的過程中來體現(xiàn)全方位的六足步態(tài)。用單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)器產(chǎn)生舵機(jī)所需要的控制脈沖，控制脈沖程序流程圖 49 所示。 sbit p37=P3^7。 TL0=(a%256)。/*設(shè)定中斷優(yōu)先級(jí)*/ for(。 else c=20850a。因?yàn)?t 的最大取值為 ,所以無論 t 值為多少，在 后將 p00 置成高電平將不會(huì)影響 p00 對(duì)電機(jī) 1 的控制，t ms 后 p00 取反，按照相同方法依次置 p0p0p0p0p0p0p07 置高后取反。單片機(jī)內(nèi)部?jī)蓚€(gè)定時(shí)間器同時(shí)使用，且設(shè)置了同一優(yōu)先級(jí)時(shí)，二者肯定在某一時(shí)刻會(huì)產(chǎn)生沖突這就要求在中斷程序執(zhí)行時(shí)間盡可能短，即使產(chǎn)生沖突也不會(huì)影響其功能實(shí)現(xiàn)。34圖 411 12 個(gè)舵機(jī)控制流程圖對(duì)流程圖的說明：初始化：舵機(jī)的變化角度為 0~180 度，它的初始狀態(tài)在 0 度位置，那么電機(jī)只能朝一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。 定時(shí)器重置初值，定時(shí)時(shí)間為 p01 高電平持續(xù)時(shí)間t2，flag1++,break 結(jié)束中斷程序flag1=4 時(shí)：p01=0。進(jìn)入中斷后首先判斷標(biāo)志位，再進(jìn)入標(biāo)志位對(duì)應(yīng)的執(zhí)行程序。也就是在一個(gè)周期時(shí)間里（20ms）控制了 12 電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。延時(shí)的方法不僅占用大量的 CPU 時(shí)間，而且最多也只能控制 8 個(gè)舵機(jī)。要設(shè)計(jì)一個(gè)即能控制多個(gè)舵機(jī)，又能盡可能用定時(shí)器來精確控制的舵機(jī)控制算法。 TL0=(c%256)。/*開中斷*/ ET0=1。 b=1620。中斷：判斷是否進(jìn)入中斷，進(jìn)入中斷后引腳電平取反。舵機(jī)內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為 20ms，寬度 的基準(zhǔn)信號(hào)，有一個(gè)比較器，將外加信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)相比較，判斷方向和大小，從而產(chǎn)生舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號(hào)。與單片機(jī)引腳對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 43 所示。微動(dòng)開關(guān)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)單刀雙擲開關(guān)圖 312 所示。以180度角度伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系如表42 所示。 的模擬控制接口，只是控制芯片不再是普通的模擬芯片而已；不能完全發(fā)揮現(xiàn)代數(shù)字化控制的優(yōu)勢(shì)，這在傳統(tǒng)的遙控競(jìng)賽等領(lǐng)域，為了保持產(chǎn)品的兼容性，不得不保留模擬接口，而在一些新興的領(lǐng)域完全可以采用新型的全數(shù)字接口的純數(shù)字舵機(jī)。表41 I/O引腳分配表引腳端口 功能分配 接左邊的六個(gè)舵機(jī) 接右邊的六個(gè)舵機(jī) 接觸位開關(guān) 舵機(jī)模塊設(shè)計(jì)（1）舵機(jī)的概述 舵機(jī)最早出現(xiàn)在航模運(yùn)動(dòng)中。 微處理器 AT89S52 簡(jiǎn)介AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī) [10]，片內(nèi)含SKBI SP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器、該器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造、通用的8位CPU和ISP Flash為存儲(chǔ)單元，可為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、高性價(jià)比的解決方案。 功能分解要避開障礙物，首先探測(cè)到障礙物，其次能完成繞開障礙物，這就要求機(jī)器人能完成前進(jìn)，后退、左右轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。左轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃圖如圖37所示。1235461 11 122 223 33 34 44445 5555（A）66 666圖 36 六足步態(tài)示意圖（B）（C）（D）（F）（E）123圖A、B、C、D、E、F表示完成前進(jìn)一步的過程，其中：圖37（A）：5抬起向前；圖37（B）：抬起的5放下后，6抬起；圖37（C）：5向后移動(dòng)半步，做位置調(diào)整， 6向前；圖37（D）：6放下，5抬起的；圖37（E）：6向后移動(dòng)半步長(zhǎng)；圖37（F）：六條腿均落地，回到最初的狀態(tài)。站立點(diǎn)B、D、F及質(zhì)心O在地面坐標(biāo)系X0Y 平面內(nèi)投影為點(diǎn)BDF1和O1。123465圖 31 腿部組圖簡(jiǎn)圖12圖中 5 腿為 A 組；并用實(shí)線表示。并且腿部向前移動(dòng)的最大角度是45度，向后移動(dòng)的最大角度也是45度。當(dāng)一組三角形支架中所有的足同時(shí)提起時(shí)，另一組三角形支架的三只足原地不動(dòng)，支撐身體，并以其中足為支點(diǎn)，前足脛節(jié)的肌肉收縮，拉動(dòng)身體向前，后足脛節(jié)的肌肉收縮，將蟲體往前推，因此身體略作以中足為支點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)蟲體的重心落在另一組“三角形支架”的三足上，然后再重復(fù)前一組的動(dòng)作，相互輪換周而復(fù)始。平均速度 ，指機(jī)體的平均運(yùn)動(dòng)速度。周期步態(tài)指各腿的運(yùn)動(dòng)周期相同，且任一腿的運(yùn)動(dòng)周期不隨時(shí)間而變化.“六足綱”昆蟲在運(yùn)動(dòng)過程中，可以以不同的周期 (dutyf actor)指腿i支撐在地面上的時(shí)間占整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的比例: 以下有荷因數(shù)用Q表示，Q=腿i的支撐相時(shí)間/腿i的周期；Qi=腿i的支撐時(shí)間/腿i的周期若Qi=0,i=1,2，…，2k(2k為總足數(shù))，則步態(tài)稱為規(guī)則步態(tài)(regular)腿i的相對(duì)相位，9指第i足的觸地時(shí)刻相對(duì)于第一足的延時(shí)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中的比例Si=(tit1) /T 0≤Si≤l。分析適合機(jī)器人行走的運(yùn)動(dòng)步態(tài)形式，規(guī)劃典型直線行走步態(tài)和定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)，確定步態(tài)規(guī)劃中每種狀態(tài)的機(jī)器人足端位置矢量，進(jìn)行機(jī)器人穩(wěn)定性分析，根據(jù)六足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性、準(zhǔn)確性的控制要求，設(shè)計(jì)六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)，確定對(duì)機(jī)器人腿部十二個(gè)舵機(jī)的控制方案，使機(jī)器人根據(jù)目的地的方位，實(shí)現(xiàn)不同步態(tài)的控制策略。6圖11Fred Delyn六足仿生機(jī)器人圖11是模仿美國(guó)的一種叫Perip laa Americana的蟑螂而設(shè)計(jì)的仿生機(jī)器人，機(jī)器人的整個(gè)身體比例約是該蟑螂的12到17陪左右。(五) 按作業(yè)空間來分:陸地移動(dòng)機(jī)器人，水下機(jī)器人，無人飛機(jī)和空間機(jī)器人等。2. 履帶式移動(dòng)機(jī)器人:履帶式移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐面積大，接地比壓小，適合松軟或泥濘場(chǎng)地作業(yè)，下陷度小，滾動(dòng)阻力小，對(duì)路況具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，同時(shí)具有較強(qiáng)的爬坡能力和負(fù)載能力。當(dāng)前 ，由于生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高，對(duì)機(jī)器人提出了各種各樣的需求，要求能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能，其中移動(dòng)機(jī)器人成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱門方向。特別是在80年中期，設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人的浪潮席卷全世界。4. 傳感系統(tǒng)為了是機(jī)器人正常工作，必須與周圍環(huán)境保持密切聯(lián)系，除了關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置傳感器（稱作內(nèi)部傳感器）外，還要配備視覺、力覺、觸覺、接近覺等多種類型的傳感器（稱作外部傳感器）以及傳感信號(hào)的采集處理系統(tǒng) 5. 輸入/輸出系統(tǒng)接口為了與周邊系統(tǒng)及相應(yīng)操作進(jìn)行聯(lián)系與應(yīng)答，還應(yīng)有各種通訊接口和人機(jī)通信裝置。另一類為移動(dòng)型本體結(jié)構(gòu)，主要目的是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能，主要有輪式、履帶式、足腿式結(jié)構(gòu)以及蛇行、蠕動(dòng)、變形運(yùn)動(dòng)等機(jī)構(gòu)。進(jìn)入80年代，隨著傳感技術(shù)，包括視覺傳感器、非視覺傳感器（力覺、觸覺、接近覺等）以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代機(jī)器人—有感覺的機(jī)器人。本世紀(jì)50、60年代，隨著機(jī)構(gòu)理論和伺服理論的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入了使用化階段。機(jī)器人學(xué)是一種高度綜合和交叉的新興學(xué)科，涉及的領(lǐng)域很多，諸如機(jī)械、電氣、工藝、力學(xué)、傳動(dòng)、控制、通信、決策、生物、倫理等諸多方面，是當(dāng)代研究十分活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況，是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要標(biāo)志 [1]?！巴ㄓ脵C(jī)器人”專利；1960年美國(guó)AMF公司生產(chǎn)了柱坐標(biāo)型Versatran機(jī)器人，可作點(diǎn)位和軌跡控制，這是世界上第一種用于工業(yè)生產(chǎn)上的機(jī)器人。它能夠獲得作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的部分有關(guān)信息，進(jìn)行一定的實(shí)時(shí)處理，引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行作業(yè)。壁面爬行、水下推動(dòng)等機(jī)構(gòu)也可歸于這一類。工業(yè)機(jī)器人提供一內(nèi)部PLC，它可以與外部設(shè)備相聯(lián)，完成與外部設(shè)備間的邏輯與時(shí)實(shí)控制。一批世界著名的公司開始研制移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，這些移動(dòng)機(jī)器人主要作為大學(xué)實(shí)驗(yàn)室及研究機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)，90年代以來，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，高科技學(xué)科，涉及到機(jī)械、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、人工智能、力學(xué)等廣泛科學(xué)領(lǐng)域中的許。對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人來說，它有多種不同的分類方法，按不同的分類方法可將移動(dòng)機(jī)器人分為不同的種類:(一) 按自主水平來分:遙控式移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行動(dòng)作和運(yùn)行軌跡完全由人通過遙控來控制，機(jī)器人不進(jìn)行任何判斷和決策，只是執(zhí)行人發(fā)出的命令。多足移動(dòng)機(jī)器人:足式移動(dòng)對(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，足式移動(dòng)方式的立足點(diǎn)是離散的，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。 多足機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀早在上世紀(jì)80年代，美國(guó)的著名機(jī)器人學(xué)家McGhee開始著手研發(fā)四足仿生機(jī)器人以來，多足仿生機(jī)器人一直成為大量學(xué)者的研究對(duì)象。其參數(shù)如表11 表11機(jī)器人Fred Delyn的參數(shù)參數(shù)機(jī)器人名稱國(guó)別尺寸（M）長(zhǎng)*寬*高各部位比例髖*股節(jié)*脛節(jié)體重（KG）Fred Delyn 美國(guó) ** 1:: 11隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷完善，多足機(jī)器人也別運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域里面，圖12為MIT的仿生機(jī)器人，這個(gè)名為Gengh的機(jī)器人是MIT于1989年設(shè)計(jì)并制作的，主要用于火星的不規(guī)則地面的探測(cè)。完成六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。步距 ( stride length)，指一個(gè)完整的腿循環(huán)中機(jī)體重心移動(dòng)的位置。由此可以導(dǎo)出行程R、步距a和有荷因數(shù)Q之間的關(guān)系式是R=a*器人，由于要求Q1/2，所以tr≤tp ，即平均速度上限取決于tr。這種行走方式使昆蟲可以隨時(shí)隨地停息下來，因?yàn)橹匦目偸锹湓谌侵Ъ苤畠?nèi)。向上移動(dòng)的最大角度是30度。圖中 6 腿為 B 組；并用虛線表示。機(jī)器人以 “三角步態(tài)”行走時(shí)，任意時(shí)刻至少有1組腿著地，只要機(jī)器人質(zhì)心投影點(diǎn)O1落在支撐腿構(gòu)成陰影內(nèi)，如圖35所示，就能保證機(jī)器人穩(wěn)定。機(jī)器人通過重復(fù)著上圖的動(dòng)作就可以實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人的擺動(dòng)相和支撐相的交替過程。如圖38(A)所示，機(jī)器人4,6腿旋轉(zhuǎn)Y角度，此時(shí)，各腿的位置矢量為:(設(shè)旋轉(zhuǎn)y角度后腿部在X軸上的投影長(zhǎng)度近似為L(zhǎng)) [9]。動(dòng)作的協(xié)調(diào)完美性的實(shí)現(xiàn)，要求了在任一時(shí)刻能夠做出12 個(gè)舵機(jī)的同步動(dòng)作控制。TA89S52具有如下特點(diǎn):40個(gè)引腳，8KB Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256Bytes的隨機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)，32個(gè)外部雙向輸入/輸出(I/O)口，1個(gè)6向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)。在航空模型中，飛行機(jī)的飛行姿態(tài)是通過調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)和各個(gè)控制舵面來實(shí)現(xiàn)的。純數(shù)字舵機(jī)采用全新的單線雙工通訊協(xié)議，不僅能執(zhí)行普通舵機(jī)的全部功能，還可以作為一個(gè)角度傳感器，監(jiān)測(cè)舵機(jī)的實(shí)際位置，而且可以多個(gè)舵機(jī)并聯(lián)互不影響。表42 時(shí)基脈沖與舵機(jī)角度對(duì)應(yīng)表脈沖值（ms ） 對(duì)應(yīng)角度（度）0 45