【正文】 8051 的結(jié)構(gòu)8051 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 45 所示。對應(yīng)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計中的內(nèi)容，行走機(jī)構(gòu)開環(huán)控制，不使用傳感聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxxv器；轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)閉環(huán)控制，使用選擇光電編碼器作為伺服系統(tǒng)的傳感器，編碼器有絕對型和增量型兩類，增量型編碼器，轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)中使用絕對型編碼器。根據(jù)運(yùn)動學(xué)分析得知，為了達(dá)到這一目的，必須滿足一下兩個條件 ：]15[（1）第一萬向節(jié)兩軸間的夾角與第二萬向節(jié)兩軸間的夾角相等。不同結(jié)構(gòu)的軸承具有不同的工作特性，不同的使用場合和安裝部位對軸承的結(jié)構(gòu)和性能也有不同的要求。m外形尺寸：總長 96 mm,外徑 55 mm,軸徑 6 mm聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxxi圖 318 行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動電機(jī)圖轉(zhuǎn)彎伺服系統(tǒng)可使用功率更小的電機(jī)。這些非技術(shù)因素也是完美方案的一個不可缺少的部分。而一旦有經(jīng)驗(yàn)的銷售工程師了解到您的傳動機(jī)構(gòu)，他可以為您提供整套系統(tǒng)配搭的方案，保證系統(tǒng)的完美組合。 電機(jī)的選擇為了滿足四足機(jī)器人行走時的各項(xiàng)要求，其驅(qū)動電機(jī)的選擇至關(guān)重要，它與機(jī)器人運(yùn)動功能的實(shí)現(xiàn)、控制硬件的配置、電源能量的消耗、系統(tǒng)控制的效果都有很大的關(guān)系。然而，為了使機(jī)器人在不轉(zhuǎn)彎時也能調(diào)整步長，可用三部伺服電機(jī)控制，一部控制脊柱中的腱(h h2)，另外兩部電機(jī)分別控制左右兩側(cè)的髖關(guān)節(jié)偏距 E。則： …………………………………………………(2)??12hrn??????令 β 為轉(zhuǎn)彎角（轉(zhuǎn)彎時機(jī)體的圓周角） ，則 …………………………………………………… (3)??1n????那么，脊柱彎曲控制函數(shù)為： ……………………………………………………(4)?12hr(2) 步長控制函數(shù)當(dāng)機(jī)體按圖 5 所示軌跡轉(zhuǎn)彎時，有：聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxvi圖 314 機(jī)器人機(jī)體轉(zhuǎn)彎軌跡 ……………………………………………………(5)12aBR????????其中，B—左右兩腿足端距離（體寬） ；θ —軌跡對應(yīng)的一節(jié)脊骨的偏角。以下將求出主凸輪的輪廓：由圖 39，根據(jù)平面幾何學(xué)的知識，可得凸輪從動件平底的直線方程為： ??21211()cos()sin()tan()??????????o oyrxr???????它是以 為參數(shù)的直線族，而凸輪輪廓線是以該直線族的包絡(luò)線。 參數(shù)選擇 由于本課題所設(shè)計的機(jī)器人是以狗的外形作為參考模型，因此，腿機(jī)構(gòu)的尺寸參數(shù)如下：髖關(guān)節(jié)偏距： E = 50 mm ；小腿長： ；mh201?大腿長： ；8步長： S = 150 mm 。一般有三種控制方式：電氣控制、液壓控制和純機(jī)械控制。BO運(yùn)動學(xué)正解可以通過平面幾何確定： 12121213cos()cos()inin?????????cOBxl hOByB???…………（1）根據(jù)余弦定理 221112cos????OBlhEOB根據(jù)正弦定理 212sinsin?OBl? 運(yùn)動學(xué)逆解就是給定（ ， ） ，求解 和 。 各參數(shù)關(guān)系（控制函數(shù)）為了使圖 33 所示機(jī)構(gòu)的足端 C ，能按圖中虛線所示軌跡運(yùn)動，并滿足（）中所述的所有要求，必須求出各參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系。5. 在要求 1 中，足端通過直線段的時間是通過曲線段的時間的 3 倍，即支撐相的相位角 ①為 3π/2，懸空相的相位角為 π/2。 四足動物行走的特點(diǎn)四足動物（如狗）正常行走（非奔跑狀態(tài)）時，四條腿的協(xié)調(diào)動作順序一般按對角線原則，即如左前腿→右后腿→左后腿→右前腿→左前腿→……如此循環(huán)下去。在行走機(jī)器人研究中，人們多是著力于讓機(jī)器采用類似于動物的腿的機(jī)構(gòu)，即關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu)。]5[此外，與一般機(jī)械的設(shè)計相比，機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計在結(jié)構(gòu)的靈巧性、緊湊性等方面有更高的要求。首先，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)（或移動關(guān)節(jié)）連接起來的開式運(yùn)動鏈。通過內(nèi)部傳感器（光電編碼器等）將這三部分有機(jī)地結(jié)合在一起。環(huán)境：機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)形式取決于移動環(huán)境。計算機(jī)控制系統(tǒng)：各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動的指令值由主計算機(jī)計算后在每個采樣周期給出。本課題的主要任務(wù)是提供一個比較完善的行走機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)，為開發(fā)完整的行走機(jī)器人系統(tǒng)提供硬件支持。仿生機(jī)構(gòu)技術(shù)機(jī)器人作為一種擬人（動物）的自動機(jī)械裝置，就應(yīng)該像人（動物）一樣有手腳，而且實(shí)現(xiàn)像人或動物一樣以步行方式行走是機(jī)器人學(xué)研究領(lǐng)域最重要的一個方向。人工智能人工智能的研究，采用計算機(jī)科學(xué)的觀點(diǎn)和方法，撇開人腦的細(xì)微結(jié)構(gòu)，單純進(jìn)行人腦宏觀功能的模擬。該機(jī)器人采]3[用開式鏈腿機(jī)構(gòu)，每條腿有 3 個自由度，它采用力和位置混合控制，腳底裝有PVDF 測力傳感器，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對角線動態(tài)行走。目前最具代表的四足步行機(jī)器人是美國 Bostondynamics 實(shí)驗(yàn)室研制的BigDog，如圖 1—4 所示。1981 ～1984 年 Hirose 教授研制成功腳部裝有傳感和信號處理系統(tǒng)的 TITANIII。其中，四足步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡單且靈活，承載能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，在搶險救災(zāi)、探險、娛樂及軍事等許多方面有很好的應(yīng)用前景，其研制工作一直受到國內(nèi)外的重視。1920 年，捷克作家卡雷爾在此基礎(chǔ)上，論文采用主從式控制方式設(shè)計了四足機(jī)器人的控制系統(tǒng)，重點(diǎn)討論了以 8051 單片機(jī)為控制器的行走機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計。為此，項(xiàng)目將四足機(jī)器人本體作為一個柔性整體，采用三維建模軟件 Pro/ 設(shè)計了四足機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)，提出了一種新穎的凸輪控制驅(qū)動式行走機(jī)構(gòu)，設(shè)計了一種腿機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)的凸輪控制驅(qū)動機(jī)構(gòu)，并初步設(shè)計了柔性轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)。機(jī)器人的誕生和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，成為二十世紀(jì)人類科學(xué)技術(shù)的重大成就之一。 國內(nèi)外四足行走機(jī)器人得研究概況目前，常見的步行機(jī)器人以兩足式、四足式、六足式應(yīng)用較多。20 世紀(jì) 80、90 年代最具代表性的四足步行機(jī)器人是日本 Shigeo Hirose 實(shí)驗(yàn)室研制的 TITAN 系列。它的另一特點(diǎn)是利用了激光和 CCD 攝像機(jī)導(dǎo)航，可以辨別和避讓前方存在的障礙，能夠在封閉回廊中實(shí)現(xiàn)無碰撞快速行走。1996 年該研究所研制成功了 JTUWM—III ，如 15 所示。 機(jī)器人學(xué)主要涉及的學(xué)科內(nèi)容機(jī)器人學(xué)主要涉及控制論、仿生機(jī)構(gòu)學(xué)和人工智能三大基礎(chǔ)學(xué)科。小型高強(qiáng)度機(jī)械裝置的研制，對機(jī)器人手、足機(jī)構(gòu)的改進(jìn)起到了很大的推動作用。本課題的研究重點(diǎn)是設(shè)計一種四足行走行走機(jī)構(gòu)，并設(shè)計了一種脊柱轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)，以這兩種機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ)，以狗外形作為外形參考模型，設(shè)計了一種四足行走機(jī)器人( 機(jī)器狗 )。常用的驅(qū)動單元是各種伺服電機(jī)，由于一般伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速很高(1000r/min~10000r/min)，因此，在電機(jī)與負(fù)載之間用一套傳動裝置來進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的匹配。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文ix機(jī)構(gòu)設(shè)計 步態(tài)規(guī)劃設(shè)計 運(yùn)動學(xué)、動 力學(xué)分析 控制子系統(tǒng)的設(shè)計 驅(qū)動子系統(tǒng)的設(shè)計總體設(shè)計建模仿真 兼容性分析傳感器子系統(tǒng)的設(shè)計加工物理樣機(jī)圖 21 四足機(jī)器人的研發(fā)流程任務(wù) 四足機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)：本課題并未要求規(guī)劃機(jī)器人的任務(wù)，因此，在本節(jié)系統(tǒng)規(guī)劃中將其納入機(jī)器人系統(tǒng)中，但在后續(xù)設(shè)計中并不進(jìn)行具體設(shè)計。調(diào)整優(yōu)化聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文x任務(wù) 環(huán)境機(jī)器人模型環(huán)境模型工作任務(wù)程序控制算法外部傳感器行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)減速機(jī)構(gòu)動力裝置（伺服電機(jī)）接口電路內(nèi)部傳感器機(jī)器人控制系統(tǒng)計算機(jī)語言 交互作用22 機(jī)器人結(jié)構(gòu)框架圖機(jī)器人本體：機(jī)器人本體主要由三個部分組成：動力裝置（伺服電機(jī)） 、減速裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)（行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)） 。機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計與一般的機(jī)械設(shè)計相比，許多方面是類似的，但是也有不少特殊之處。再如，一般的機(jī)械設(shè)計中控制機(jī)械諧振頻率是為了保證不破壞，而在機(jī)器人上，是從運(yùn)動的穩(wěn)定性、快速性等伺服性能角度來控制機(jī)械諧振頻率的 。從仿生學(xué)的角度出發(fā)，我們將行走機(jī)構(gòu)稱為“腿” 。行走機(jī)器人的腿在行走過程中交替地支撐機(jī)體的重量，并在附中狀態(tài)下推進(jìn)機(jī)體向前運(yùn)動，因此，腿機(jī)構(gòu)必須具備與整機(jī)重量相適應(yīng)的剛性和承載能力，只有這樣，在不至于患“軟骨病” 。4. 對于要求 1 中曲線段，沒有形狀要求，但對其最高點(diǎn)有要求，即其高度決定了機(jī)器人在起伏不平的地面上的通過能力。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xvi——膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角；3?該機(jī)構(gòu)完成滿足()中所述要求的運(yùn)動的機(jī)理如下：先令髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)不動,即 =0、 =0；只向右移動移動關(guān)節(jié) A ，則足端 C 沿著以 O2 為圓心，13?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(diǎn)也勻速運(yùn)動；再令髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動，使足端 C 運(yùn)動到上述的交點(diǎn)，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(yùn)動，至此，滿足了()中所述的所有要求。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xvii圖 34當(dāng)約束條件（1）確定時，求 、 的函數(shù)關(guān)系就相當(dāng)于平面二桿機(jī)器人1?3的運(yùn)動學(xué)逆解問題，二桿為 和 BC。 控制方式選擇由上一節(jié)可知：要控制行走機(jī)構(gòu)的行走過程，必須對 、 及 進(jìn)行1?23?控制。因此，本課題使用凸輪機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)這 12 個參數(shù)的控制。 的控制——主凸輪?主凸輪控制 的機(jī)理是將圖 33 中移動關(guān)節(jié) A 沿 AO 1 移動的運(yùn)動規(guī)律作為2凸輪從動件的運(yùn)動規(guī)律，凸輪機(jī)構(gòu)如圖 38 所示：圖 38 主凸輪結(jié)構(gòu)原理圖如上節(jié)所述，移動關(guān)節(jié) A 的運(yùn)動規(guī)律是沿 AO 1 勻速移動，所以主凸輪的從動件的運(yùn)動規(guī)律為聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxii 23bs???其中： —— 從動件位移；2S b —— 移動關(guān)節(jié) A 的運(yùn)動行程； —— 凸輪軸的轉(zhuǎn)角； η —— 為凸輪的轉(zhuǎn)向系數(shù)，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)向?yàn)轫槙r針時 η=1，當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)向?yàn)槟鏁r針時 η=1。脊骨多于 6 節(jié)，即 θ 5176。如圖 315 所示：聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxviii圖 315 轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)總裝圖 控制方式由于 hh Δe 均正比于 β，用一部伺服電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)這三個參數(shù)的控制。驅(qū)動系統(tǒng)必須有足夠的功率對關(guān)節(jié)進(jìn)行加減速并帶動負(fù)載，而且自身必須輕便、經(jīng)濟(jì)、精確、靈敏、可靠且便于維護(hù)。一次隨意性的絲杠導(dǎo)程選取，可能讓您的電機(jī)與控制系統(tǒng)增加一倍的價格。伺服系統(tǒng)的價格、供貨期、樣品庫存、最低定貨量等。=(w)功率：40 W電壓：24 V電流： A轉(zhuǎn)速：3000 r/min轉(zhuǎn)矩： N采用什么樣的軸承，提供什么樣的潤滑，如何保持良好的工作條件，這些都對機(jī)器人的正常工作起著非常重要的作用。本文選擇的是雙十字萬向節(jié)，起運(yùn)動特性為第一萬向節(jié)的不等速效應(yīng)有可能被第二萬向節(jié)的不等速效應(yīng)所抵消，從而實(shí)現(xiàn)兩軸之間的等角速傳動。本設(shè)計僅就行走控制系統(tǒng)及轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了設(shè)計，因此須為其選定相應(yīng)的傳感器。8051 的技術(shù)性能如下：? 工作環(huán)境溫度：0～+70?C；? 存儲環(huán)境溫度：65～+150?C；? EA/VPP端對 VSS的電壓：～+；? 任何引腳到 VSS的電壓為：～+7V；? 電源電壓：+5V?10%；? 電源電流：125～250mA；? 電源功耗：。其中，P0 口是地址/數(shù)據(jù)復(fù)合總線，它用于傳送第 8 位地址 A0～A7；也用于傳送數(shù)據(jù)D0～D7。在方式 0 時，串行數(shù)據(jù)的輸入輸出都由 RXD 端執(zhí)行， 而 TXD 用于串行時鐘。方式 1 時，數(shù)據(jù)發(fā)送用 TXD 端，接收用 RXD 端；數(shù)據(jù)傳輸格式用 10 位，其中一個起始位(0)，8 個數(shù)據(jù)位(地位在前)，一個停止位(1)；傳送波特率可辨。程序存儲器的尋址空間有 64K，其中有 4K 是片內(nèi)尋址空間(EA=1)，在 EA=0時，片內(nèi)的 0～4095 地址可由片外存儲空間覆蓋。圖 47 行走伺服控制系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖 伺服電機(jī)用 PWM 功率放大器進(jìn)行驅(qū)動。C S 為片選信號輸入端，當(dāng) =1 時，可選中 0832，利用寫操作可把控制數(shù)據(jù)從單片機(jī)送入 0832 中。1的輸出電壓去控制 PWM 功率放大器，就可以使伺服電機(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，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走速度的控制。它的結(jié)構(gòu)可參考附錄 3。電流從 輸出由 運(yùn)算放大器處理之后輸1I1U出的電壓為 –VREF它的分辨率時 。G4(s)是伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)，具有如下形式： )1/()(4??SKsGj?其中： 是靜態(tài)放大系數(shù)， （Φ 是電機(jī)每極總磁通，單位為GKeC?韋伯； 是常數(shù)， (P 是磁極對數(shù)， N 是電機(jī)繞組總數(shù)，a 是并聯(lián)eCa60/Ne?支路對數(shù))） ； 是機(jī)電時間常數(shù)， （J 是電機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量；j? 22mCj eJR/π?Ra 是電樞電阻。0832 是作為單片機(jī)的外存單元，它的地址為 7000 H，當(dāng)片選信號 CS=1 時，該地址有效。1K在速度環(huán)校正環(huán)節(jié)中，一般采用 PI 調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，即比例微分環(huán)節(jié)。)(sH?故反饋環(huán)節(jié)輸入是光電編碼，輸出是單片機(jī)中相應(yīng)的數(shù)據(jù)