【正文】 動(dòng)力裝置，12V 蓄電池為系統(tǒng)提供能量；也使用了齒輪副作為二級(jí)、三級(jí)減速；使用了一種三自由度的平面關(guān)節(jié)式腿機(jī)構(gòu)作為行走機(jī)構(gòu)；轉(zhuǎn)彎功能通過(guò)一種脊柱機(jī)構(gòu)完成。 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)對(duì)于行走機(jī)器人來(lái)說(shuō)，總體機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為三大部分：行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)、動(dòng)力傳輸機(jī)構(gòu)（伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)） 。在每一時(shí)刻，至少有三條腿著地，支撐著機(jī)體，即最多只有一條腿抬起，腳掌離地。對(duì)圖 33 所示的機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析，可知只需知道 、 及 的函數(shù)，即可對(duì)足端 C 的空間位置1?23進(jìn)行控制， 、 及 的函數(shù)即為控制函數(shù) 。電氣控制即利用伺服電機(jī)作為執(zhí)行裝置，由控制器（如單片機(jī)）按照控制函數(shù)對(duì)應(yīng)的控制算法，產(chǎn)生控制信號(hào)。由微分幾何得知，以 為參數(shù)的曲線(xiàn)族的包絡(luò)線(xiàn)方程為：圖 39 主凸輪的輪廓圖 其中：f (X, Y, )=0 是曲線(xiàn) 族的方程，X、Y 是包絡(luò)線(xiàn)上的點(diǎn)的直角坐標(biāo)值。 腱機(jī)構(gòu)圖 316 腱機(jī)構(gòu)的原理圖如圖 316 所示，腱的工作原理為：腱的兩端的端套與機(jī)體連接，固定不動(dòng)；管套是根橡膠管，可任意彎曲；筋是根鋼絲，筋可以在管套中自由移動(dòng)；筋的一端的移動(dòng)必然引起另一端的移動(dòng) 若不考慮鋼絲的彈性，則稱(chēng)為“剛性腱” ；若考慮鋼絲的彈性，稱(chēng)為“彈性腱” 。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxx電機(jī)的工作狀況。查參考文獻(xiàn)【14】可得 30SZWT 型永磁直流穩(wěn)速電動(dòng)機(jī)滿(mǎn)足要求，其技術(shù)性能數(shù)據(jù)如下功率： W電壓：26 V電流：≤ A轉(zhuǎn)速：9000177。（2）第一萬(wàn)向節(jié)從動(dòng)叉的平面與第二萬(wàn)向節(jié)主動(dòng)叉的平面處于同一個(gè)平面中（本條的實(shí)現(xiàn)完全可以由傳動(dòng)軸和萬(wàn)向節(jié)叉的正確裝配來(lái)保證） 。它主要包括有 ALU 部件、定時(shí)和控制部件、并行 I/O 接口、串行 I/O 接口、定時(shí)器部件、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等七個(gè)部分。方式 2 時(shí)，數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送用 TXD 端，接收用 RXD 端；數(shù)據(jù)傳輸格式用 11 位，格式與方式 1 類(lèi)同，只是在數(shù)據(jù)位后多了一個(gè)編程位；傳送波特率選定在振蕩頻率的 1/32 獲 1/64 處。 行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)在機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)中，確定了本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)器人控制系統(tǒng)為二級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，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(hào)（行走控制子系統(tǒng)） 。在圖 47 所示系統(tǒng)中，0832 接成電流開(kāi)關(guān)方式工作狀態(tài)，故轉(zhuǎn)換的結(jié)果是電流量。①. 控制量輸出接口控制量輸出接口也就是單片機(jī)和 PWM 功率放大器的接口。光電編碼器輸出的 8 位數(shù)據(jù)從 8051 的 P1 端口輸入。 轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖轉(zhuǎn)彎伺服控制系統(tǒng)每部電機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 53 所示。 控制器的離散化圖 53 所示系統(tǒng)中 C 之前的環(huán)節(jié)與控制器（單片機(jī)）直接相關(guān)，可稱(chēng)之為模擬控制器，可用下面式子表示： …………（56）)()()()( 21sGKsRs ?????其中，K θ θ(s)是角度位置反饋量。故它是一個(gè)積分器，所以 的形式為：)(5sGS/1?是角度反饋傳遞函數(shù)。圖 52 控制程序框圖Rv 可直接作為控制量 C，或按一定規(guī)律變換后作為控制量 C。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xli由于控制機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)彎急促程度的控制精度要求不高，為了節(jié)約單片機(jī)的 I/O 口，D/A 轉(zhuǎn)換器也可使用四位的轉(zhuǎn)換器。單片機(jī)輸出的數(shù)字控制信號(hào)通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換器 0832 之后轉(zhuǎn)換成 0～5V 的模擬信號(hào)，再通過(guò)運(yùn)算放大器 U2 ～+ 模擬信號(hào)去控制 PWM 功率放大器。這個(gè)接口由083運(yùn)算放大器 U1 和 U2 組成。在方式 1 中，定時(shí)器以 16 位方式進(jìn)行定時(shí)或計(jì)數(shù)；在方式 2 中，定時(shí)器的高 8 位用于存放初值，定時(shí)器的低 8 位用于定時(shí)計(jì)數(shù)，在計(jì)數(shù)產(chǎn)生溢出時(shí)，自動(dòng)把高 8聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxxviii位內(nèi)容裝入低 8 位中去，又開(kāi)始對(duì)低 8 位計(jì)數(shù)。串行 I/O 口占用并行 I/O 口 P3 的 和 兩位。是生產(chǎn)過(guò)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)。由于考慮到安裝的精度問(wèn)題，因此本課題中的軸承選用深溝球軸承。則機(jī)器人的功耗為：P= mgvtg230 186。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)。由公式(9)可得： 0EBea???…………………………………(10)因?yàn)?； ??/1n????…………………………………(11) …………………………………(12)/aL其中，L—脊柱的長(zhǎng)度；n—脊柱的節(jié)數(shù)。由公式（4）只能得到髖關(guān)節(jié)凸輪的理論輪廓曲線(xiàn)，實(shí)際輪廓曲線(xiàn)是以理論輪廓曲線(xiàn)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(xiàn)。本設(shè)1?23 1?23計(jì)中利用 PRO/E 中的草繪，測(cè)得 15 個(gè)點(diǎn)的 、 及 的值，如下表所示：1?23序號(hào) （ 186。下面對(duì)應(yīng)的各參數(shù)：21O2OE——髖關(guān)節(jié)偏距； ——小腿長(zhǎng)；1h——大腿長(zhǎng)；2hS——步長(zhǎng)；——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。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)。為了克服開(kāi)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。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可由二級(jí)或三級(jí)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(hào)。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(chēng)為懸空相。機(jī)器人有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等感覺(jué)，相應(yīng)傳感技術(shù)包括視覺(jué)系統(tǒng)的模式識(shí)別技術(shù)，環(huán)境的情景分析，三維位置測(cè)量技術(shù)和皮膚的感覺(jué)（如觸覺(jué)、壓覺(jué)等力的感覺(jué)） ，其他還有語(yǔ)音識(shí)別和自然語(yǔ)言理解等。圖 13TekkenIV 圖 14 美國(guó)“機(jī)器騾子”國(guó)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。世界上第一臺(tái)真正意義的四足步行機(jī)器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年制作的。three dimensional design。 stepped mechanism。最后，歸納總結(jié)了未來(lái)四足步行機(jī)器人的幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì) ，以期對(duì)以]2[后的研究工作具有指導(dǎo)作用。其腿關(guān)節(jié)類(lèi)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。電子技術(shù)電子技術(shù)的進(jìn)步，特別是微處理器、存儲(chǔ)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。機(jī)械本體結(jié)構(gòu)：從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來(lái)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(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)（或移動(dòng)關(guān)節(jié)）連接起來(lái)的開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈。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。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(kāi)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(xiàn)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(guò)一定程度的簡(jiǎn)化，也區(qū)別于一般的機(jī)構(gòu)分析方法。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(zhǎng)（即足端相對(duì)于機(jī)身的高度）應(yīng)該是可變的。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。1arctn()yx????r2=xc2+yc2???22os/OBOBlhl???????聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xviii ………………………… (2)39。為了使步長(zhǎng) S 可變，參考（）中的控制函數(shù)的推導(dǎo)過(guò)程，應(yīng)使髖骨長(zhǎng)E 可變，二者關(guān)系見(jiàn)下一節(jié)“轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)” 。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(zhǎng)；h2—大腿長(zhǎng)；E—髖關(guān)節(jié)偏距。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(kāi)發(fā)生產(chǎn)，預(yù)計(jì)批量。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(lái)看，機(jī)器人的重量大概為 15 kg。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(guò)選取合適的軸承聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxxiii來(lái)減小摩擦力矩、降低系統(tǒng)的能耗，這對(duì)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。1/2? 輸出信號(hào)類(lèi)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(guó)內(nèi)廣泛應(yīng)用的 MCS51 系列單片集中的8051 作為控制器。P3 是控制信號(hào)及 I/O 信號(hào)復(fù)用口，它除了用作 I/O 口之外，還用于傳送控制信號(hào)。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。它的結(jié)構(gòu)可參考附錄 2。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。 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 +。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(kāi)始執(zhí)行時(shí)，首先對(duì)單片機(jī)的 I/O 口進(jìn)行初始化。 是常 數(shù)， ） ；mCaeπ2/PN?S 是拉氏變換算子。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。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(hào) 。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)。C S 為片選信號(hào)輸入端，當(dāng) =1 時(shí)，可選中 0832，利用寫(xiě)操作可把控制數(shù)據(jù)從單片機(jī)送入 0832 中。由于 VREF =5V，所以 輸出的電壓時(shí) 0～ 5V。]6[ 行走控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu) 在對(duì)四足行走機(jī)器人行走進(jìn)行控制時(shí)，需要由單片機(jī) 8051 構(gòu)成一個(gè)速度控制伺服系統(tǒng)。串行 I/O 口占用并行 I/O 口 P3 的 和 兩位。定時(shí)和控制部件用于產(chǎn)生指令執(zhí)行的同步信號(hào)及微操作信號(hào)。4. 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)所指的控制系統(tǒng)是行走控制系統(tǒng)。如下圖 320 所示為一級(jí)直齒齒輪傳動(dòng)副的三維實(shí)體模型：聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxxii圖 320 一級(jí)直齒齒輪傳動(dòng)副的三維實(shí)體模型需要指出四足步行機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)選用錐齒輪 傳動(dòng)副主要出于以下考慮,一方面用于相互垂直的軸線(xiàn)間的運(yùn)動(dòng)傳遞，以改變電機(jī)輸出運(yùn)動(dòng)的方向；另一方面錐齒輪的傳動(dòng)具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、誤差小、噪聲小等特點(diǎn)，但同時(shí)考慮到設(shè)計(jì)及其加工制造的因素，故采用直齒錐齒輪進(jìn)行傳動(dòng)。電機(jī)的負(fù)載情況。而一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)通過(guò)外觀線(xiàn)型的塑造、細(xì)節(jié)的刻畫(huà)、色調(diào)品味等元素的共性化處理，在人們的心目中會(huì)建立起風(fēng)格和特色鮮明的一個(gè)形象 。由公式（6）只能得到膝關(guān)節(jié)凸輪的理論輪廓曲線(xiàn)，實(shí)際輪廓曲線(xiàn)是以理論輪廓曲線(xiàn)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(xiàn)。其特點(diǎn)是功率大、運(yùn)行平穩(wěn)、系統(tǒng)具有一定的柔性。從控制的角度來(lái)說(shuō)，當(dāng)腿機(jī)構(gòu)處于支撐相時(shí)，需進(jìn)行連續(xù)控制；當(dāng)腿機(jī)構(gòu)處于懸空相時(shí)，只需進(jìn)行點(diǎn)位控制。直線(xiàn)段對(duì)應(yīng)的就是足支撐機(jī)體的運(yùn)動(dòng)軌跡（支撐相） ，曲線(xiàn)段對(duì)應(yīng)的是腳掌離開(kāi)地面部分的足端運(yùn)動(dòng)軌跡（懸空相） 。前后兩腿通過(guò)聯(lián)軸節(jié) 6 聯(lián)接。同時(shí)四足機(jī)器人在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)除了需要滿(mǎn)足系統(tǒng)的技術(shù)性能外，還需要滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性要求，即必須在滿(mǎn)足機(jī)器人的預(yù)期技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)，考慮用材合理、制造安裝簡(jiǎn)單以及可靠性高等問(wèn)題。 四足機(jī)器人研發(fā)流程四足行走機(jī)器人的研發(fā)流程如圖 21 所示。 課題簡(jiǎn)介本課題所設(shè)計(jì)的是一種四足行走機(jī)器人。不足之處是腿運(yùn)動(dòng)時(shí)的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜，而且承載能力較小。它的每個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)光電碼盤(pán)、陀螺儀、傾角計(jì)和觸覺(jué)傳感器。1962 年，美國(guó)的 General Motors 公司在壓鑄件生產(chǎn)線(xiàn)上安裝了第一臺(tái)工業(yè) Unimate 機(jī)器人,標(biāo)志著第一代機(jī)器人的正式誕生。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 摘 要 四足機(jī)器人作為仿生機(jī)器人的一種，得到了廣泛的研究。1960 年，美國(guó) Unimation 公司根據(jù) Devol 的專(zhuān)利技術(shù)研制出了第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人樣機(jī)，并定型生產(chǎn) Unimate 工業(yè)機(jī)器人。20222022 年，日本電氣通信大學(xué)的木村浩等人研制成功了具有寵物狗外形的機(jī)器人 TekkenIV，如 1—3 所示。它采用開(kāi)環(huán)關(guān)節(jié)連桿機(jī)構(gòu)作為步行機(jī)構(gòu)，通過(guò)模擬動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運(yùn)動(dòng)，可以