【正文】 ,BC,CA的垂線，設, ,d1=0M2ONd3=P則dl,d2,d3為機器人質(zhì)心投影與支撐三角形各邊的距離。第三章 六足仿生機器人的步態(tài)分析和設計六足步行機器人的步態(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)是六足步行機器人實現(xiàn)步行的典型步態(tài) [8]。(3 )Q 1/ 2: 機體移動較快時，六條腿有同時為擺動相的時刻，即六條腿同時在空中，處于騰空狀態(tài)，顯然此交替過程要求機體機構具有彈性和消振功能，否則難以實現(xiàn)?！傲憔V”昆蟲的運動原理 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。于是以McGhee等人為代表的對多足機器人的遠動步態(tài)進行了研究并提出了方案。自主式移動機器人按人預先設置的任務命令，根據(jù)己知的環(huán)境信息進行路徑規(guī)劃，同時在行進過程中不斷獲取周圍的局部環(huán)境信息，自主地做出判斷和決策，隨時調(diào)整移動機器人的運行路徑并執(zhí)行相應的動作和操作。 移動機器人概述移動機器人是機器人學的一個重要分支，其研究始于60年代末期，斯坦福研究院的Nils Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名為Shakey的自主式移動機器人。它不僅具有比第二代機器人更加完善的環(huán)境感知能力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據(jù)作業(yè)要求與環(huán)境信息自主地進行工作。這些裝置大多由時鐘機構驅動，用凸輪和杠桿傳遞運動。1920年，（漢語前譯為“勞伯”）這個名詞。 機器人的定義和基本組成 機器人的定義由于研究的側重點不同，對于機器人的定義，國際上目前尚未有明確的統(tǒng)一標準。目的是研究應用人工智能技術，在復雜環(huán)境下機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。整個過程不需人為參與，由機器人自主進行。隨后，國內(nèi)外的眾多學者便開始研究多足機器人的運動步態(tài)和控制。腿的懸空相(Transfer phase)指腿抬離地面的階段，懸空相狀態(tài)記為“1”。三角步態(tài) (或交替三角步態(tài)、3+3步態(tài))，是Q =1/2時的波形步態(tài)，運動時六條腿成兩組三角形交替支撐邁步前進。該步 態(tài) 是 將機器人的6條腿分為2組，腿5為A組，分別為Al,A2, A3，腿6為B組，分別為B1, B2, B3，步行過程2組腿交替地擺起、放下。直線AB方程為: (Y12)X= +垂線OM的方程為： ()21由上兩式解得直線AB和直線OM的交點M (XM ，YM)的坐標為: 22(Y1)X)=[+(]22(X)1Y)M=[+(]則：dl= = O2XY?同理，可以求得d2= , d3= 。22第四章 六足仿生機器人的控制系統(tǒng)設計控制系統(tǒng)的設計主要任務是完成全方位步態(tài)的軟件設計，也就是對12個舵機的調(diào)度和控制。常用的AT89S52封裝電路為PDIP形式，其圖如圖42所示。 工作原理：控制電路板接受來自信號線的控制信號（具體信號待會再講），控制電機轉動，電機帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。安裝在機器人的前部，做成兩個長長的觸角，用來探測前方是否有障礙物。圖 48 舵機的控制脈沖圖30圖 49 控制脈沖程序流程圖流程圖說明：初始化部分：設定定時器初值，定時時間為舵機脈沖寬度時間 t。 TH1=(b/256)。 /*判斷脈寬是否在正常范圍之內(nèi)*/ } 程序中的 162540 等數(shù)字為定時器初值。如圖 410（b）是 8 個舵機在一個周期內(nèi)電平變化 16 次。定時器重置初值，定時時間為() flag1++,break 結束中斷程序flag1=5 時：p02=1。定時器在計數(shù)時不占用 CPU 時間，且兩個定時器可以并行工作，所以兩個定時器在忽略中斷執(zhí)行時間時，對電機控制幾乎是并行的。但如果要控制12 個之多的舵機，顯然是不夠現(xiàn)實的。 /*設定定時器初始計數(shù)值*/ EA=1。=1：將控制引腳端口置高電平。圖 44 微動開關安裝位置圖left, right 分別為左邊和右邊的探測障礙物的傳感器。 舵機的控制一般需要一個20ms 左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般~ 范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。如表41所示。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)。六足仿生機器人直線行走步態(tài)示意圖如圖36所示。機器人步態(tài)的規(guī)劃包括:步態(tài)穩(wěn)定性分析，直行步態(tài)規(guī)劃與分析，定點轉彎步態(tài)規(guī)劃與分析等。身體左側的前、后足及右側的中足為一組，右側的前、后足和左側的中足為另一組，分別組成兩個三角形支架。運動周期T指周期步態(tài)中某一腿運動一個完整循環(huán)所需要的時間。同時，在國內(nèi)，中科院沈陽自動化研究所、清華大學、等單位也先后展開了機器人的研究，并取得了較大的成果。按輪數(shù)的多少又可分為二輪、三輪、四輪式三種。70年代末，隨著計算機的應用和傳感器技術的發(fā)展，移動機器人研究又出現(xiàn)了新的高潮。 機器人的基本組成：1. 機械本體機器人的機械本體機構基本上分為兩大類：一類是操作本體機構，它類似人的手臂和手腕，配上各種手爪與末端操作器后可進行各種抓取動作和操作作業(yè)，工業(yè)機器人主要采用這種結構。1950年美國作家阿西莫夫提出了機器人學（Robotics）這一概念，并提出了所謂的“機器人三原則”，即： ；，但不和（1）矛盾的指令；（1）、（2）原則不相矛盾的前提下，機器人可維護自身不受傷害。 機器人的發(fā)展歷史早在三千多年前的西周時代，我國就出現(xiàn)了能歌善舞的木偶，稱為“倡者”，這可能是世界上最早的“機器人”。第二代機器人已進入了使用化，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應用。一般還有一個以上的串行通訊接口，以完成磁盤數(shù)據(jù)存儲、遠程控制及離線編程、雙機器人協(xié)調(diào)等工作。不具備任何自主性。研發(fā)人員開始紛紛研究多足機器人的模型和樣機，并一步步攻關一個個難題。 本章小結本章主要是對機器人有一各概況，著重介紹了機器人的發(fā)展及國內(nèi)外的一些機器人的發(fā)展成果，并交代了本次設計的設計背景，為后續(xù)的設計指明了方向。行走系統(tǒng)采用波形步態(tài)時，度范圍內(nèi)都采用波形步態(tài). 三角步態(tài)運動原理 “六足綱”昆蟲的三角步態(tài)運動原理機體運動根據(jù)有荷因數(shù)(dutyf actor)的大小可分為3種情況:(1 )Q = 1 /2 : 在三擺動腿著地的同時，另外三支撐腿立即抬起，即任意時刻同時具有支撐相和擺動相。機器人腿部的實物如圖22所示：11圖22機器人腿部實物 本章小結本章主要分析了“六足綱”昆蟲的遠動步態(tài)以及原理。在實際控制中，要合理選擇機器人的跨步和轉角，以保證點O1 落在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。20O123456?XY圖 37（A）(2)如圖37(B)所示，機器人B組腿作支撐腿，A組抬起，此時，腿的位置矢量為:123456?XYOP1=??(),TLmnh??P2= si0?P3=??(),TP4= sinLm??P5=??(),0ThP6= si??圖 37（B ）(3)如圖37 (C) 所示，機器人B組腿作支撐腿，A組抬起，做姿態(tài)調(diào)整，位置矢量為:P1=??(),0TLmn??P2= sih?P3=??(),TP4= sinLm??P5=??(),0TP6= ,sih??21123456XYOP1=??(),sin,TLmh???P2= 0P3=??(),(si),T?P4= nLm?P5=??(),si,Th?P6= ()0?圖 37（C）(4)如圖37 (D)所示，A和B組腿均落地，作支撐腿，完成旋轉y角度動作，此時位置矢量為:123456P1=??(),sin,0TLm???P2=P3=??(),(si),T?P4= n0Lm?P5=??(),si,T?P6= ()?XY O圖 37（D ）通過以上分析，“三角步態(tài)斤定點轉彎步態(tài)穩(wěn)定性易滿足，其最大轉角計算考慮到機械結構和行走地貌的約束。3個16位可編程定時計數(shù)器，2個全雙工串行通信口，看門狗(WDT),AT89S52設計和配置了振蕩頻率可為OHz并可通過軟件設置的省電模式。在未來的自動化控制領域有著不可估量的優(yōu)勢。當碰觸到障礙物時，常開點閉合、常閉合點斷開。舵機實現(xiàn)的是一種定位功能，它的定位功能和較大力矩承受能力適合行走機器人的關節(jié)設計。d=b。amp。33AT89S52 單片機有三個定時器，其中定時器 0 和定時器 1 兩個為常用定時器。定時器重置初值，定時時間為 p00 高電平持續(xù)時間t1，flag1++,break 結束中斷程序flag1=2 時：p00=0。下面是本設計的 12 個舵機控制流程圖（圖 411） 。設 P0 端口上接有 8 個舵機。EX0=1PX0=0。詳細程序如下：include define uchar unsigned chardefine uint unsigned int uint a,b,c,d。圖 45 硬件設計仿真圖 控制系統(tǒng)軟件設計軟件設計主要任務是完成全方位的步態(tài)的軟件設計，也就是對 12 個舵機的調(diào)度和控制。為此，必須提高機器人對當前感知環(huán)境的快速理解識別及實時避障的能力。舉個簡單的四通飛機來說，飛機上有以下幾個地方需要控制： ，來控制發(fā)動機的拉力（或推力）； 25（安裝在飛機機翼后緣），用來控制飛機的橫滾運動； ，用來控制飛機的俯仰角； ，用來控制飛機的偏航角； 遙控器有四個通道，分別對應四個舵機，而舵機又通過連桿等傳動元件帶動舵面的轉動，從而改變飛機的運動狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)的基本結構圖可表示為圖 41 所示。17 步態(tài)動作分析對直線行走步態(tài)規(guī)劃圖具體分析，其不同步態(tài)時刻的各點位置矢量如下:（1）如圖36(A)所示，5腿抬起向前，初始位置不做分析，由于前面已經(jīng)提到當較小時，可設旋轉 角度后腿部在X軸上的投影長度近似為L。 六足步行機器人坐標定義六足步行機器人機械簡圖如圖32所示，定義地面坐標系 及XOY與機身平行，Z軸O?與機身垂直:機身坐標系 ，坐標原點與機器質(zhì)心重合。這就是典型的三角步態(tài)行走法，其行走軌跡并非是直線，而是呈“之”字形的曲線前進。腿行程 (leg stroke)，指支撐相時足端相對于機體移動的距離。圖12Gengh機器人同樣，在國內(nèi)也漸漸出現(xiàn)了一批設計和生產(chǎn)仿生機器人公司和個人，圖13是德普施科技有限公司的DRROB系列高級機器人產(chǎn)品 [5]。足式移動方式具有主動隔振能力，允許機身運動軌跡和足運動軌跡解禍，足式步行機器人的研究已成為機器人學中一個引人注目的研究領域。如美國國防高級研究計劃局的“戰(zhàn)略計算與生存能力”工程，日本能產(chǎn)省的“極限環(huán)境下作業(yè)的機器人”發(fā)展計劃、歐洲共同體的“尤里卡”計劃，以及我國的“863”高科技計劃中，都把有害環(huán)境如核工廠和戰(zhàn)場使用的移動機器人作為重要的研究內(nèi)容。 2. 驅動伺服單元機器人本體機械結構的動作是依靠關節(jié)機器人的關節(jié)驅動，而大多數(shù)機器人是基于閉環(huán)控制原理進行的。70年代，隨著計算機技術、現(xiàn)代控制技術、傳感技術、人工智能技術的發(fā)展，機器人得到了迅速發(fā)展。它將機構學、電子技術、控制理論、計算機技術、傳感器技術和人工智能等相關學科融合為一體，不斷吸收其他學科諸如材料、能源科學的最新成果，形成了一門獨立的高科技學科——機器人學。這種機器人被稱作第一代機器人。3通常的機器人采用主計算機與關節(jié)驅動伺服計算機兩級計算機控制，有時為了實現(xiàn)智能控制，還需對包括視覺等各種傳感器信號進行采集、處理并進行模式識別、問題求解、任務規(guī)劃、判斷決策等，這時空間的示教點將由另一臺計算機上級計算機根據(jù)傳感信號產(chǎn)生，形成三級計算機系統(tǒng)。另外，隨著生產(chǎn)自動化技術的發(fā)展，移動機器人在柔性自動化制造生產(chǎn)線上和無人化工廠中也得到了廣泛的應用。(四)按功能和用途來分:醫(yī)療機器人，軍用機器人，助殘機器人，清潔機器人等。對六足仿生機器人控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件流程給出詳細介紹，并進行相關測試，驗證整體設計方案的正確性和可靠性.論文主要內(nèi)容有:以自行設計的六足仿生機器人為研究對象，分析其機械結構，按照“六足綱”昆蟲的運動原理，進行步態(tài)分析，確定機器人的步態(tài)規(guī)劃。回程時間tr，指腿在懸空相的持續(xù)時間。整個腿有大腿和小腿組成，通過髖關節(jié)的正交電機的驅動，實現(xiàn)了豎直方向的抬起和水平方向的移動。? (31)（32）14 六足機器人的穩(wěn)定性分析 穩(wěn)定性分析步行機器人任一時刻姿態(tài)圖如圖34所示。下面以左轉運動步態(tài)為例子來分析它的步態(tài)。 控制系統(tǒng)的硬件設計中央控制模塊是整個控制系統(tǒng)的核心，本次設計采用微處理器AT89S52為核心構成，負責舵機協(xié)調(diào)動作處理，障礙檢測數(shù)據(jù)處理等功能。 的脈沖來控制舵機的角度變化，隨著以 CPU 為主的數(shù)字革命的興起，現(xiàn)在的舵機已成為模擬舵機和數(shù)字舵機并存的局面，但即使是現(xiàn)在的數(shù)字舵機，177。接觸式傳感器一般用微動開關,當機器人接觸到物體時間可以從產(chǎn)生電位的變化中檢測到。也就是，給舵機提供一定寬度的脈沖，它的輸出軸就會保持在一個相對的角度上，無論外界的轉矩怎樣變化，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應位置上。 a=1620。 /*20850 代表 20 ms，為一個周期的時間*/ TH0=(c/256)。具體的實現(xiàn)方法有兩種，一種是采用延時方法來產(chǎn)生脈沖，另外一種是用定時器的方法。flag1 ,flag2 為兩個標志位。所以初始化的時候，將所有電機的位置定在 90 度的位置。不論