【正文】 ?( ), , 0 TL m n? P5= ( ), ,2TSL m h??????? P6= ? ?( ), , 0 TL m n?? X Y O X Y 1 2 3 4 5 6 P1= ( ) , , 02TSL m n??? ? ????? P2=? ?( ) , 0 , TL m h?? P3= ( ) , ( ) , 02TSL m n??? ? ? ????? P4=? ?( ) , , TL m n h? P5= ( ) , , 02TSLm??????? P6=? ?( ) , , TL m n h?? 17 （ 4） 6放下后， 5抬起； 則位置矢量： （ 5） 6向后移動半步長，做姿勢調整，此時的位置矢量： Y X O 1 2 3 4 5 6 P1= ( ) , , 02TSL m n??? ? ????? P2=? ?( ) , , TL m S h?? P3= ( ) , ( ) , 02TSL m n??? ? ? ????? P4=? ?( ) , ( ) , TL m n s h?? P5= ( ) , , 02TSLm??????? P6= ( ) , ( ) ,2TSL m n h??? ? ????? S/2 1 2 3 4 5 6 Y X O S/2 P1= ( ) , ,2TSL m n h??? ? ????? P2=? ?( ) , , 0 TL m S?? P3= ( ) , ( ) ,2TSL m n h??? ? ? ????? P4=? ?( ) , , 0 TL m n S?? P5= ( ) , ,2TSL m h??????? P6=? ?( ) , ( ) , 0 TL m n S? ? ? 18 （ 6）六條腿均落地，回到最初的狀態(tài)。此時的位置矢量： 通過以分析，可以通過合理選擇步距，保證機器人質心 的投影點落在穩(wěn)定區(qū)域內，完成機器人的直線行走 。 3. 5“三角步態(tài)”定點轉彎步態(tài)設計 “三角步態(tài)”定點轉彎步態(tài)也將步態(tài)周期劃分為 4個執(zhí)行階段，其擺腿順序也有 2種 :A到 B組或 B組 到 A組。若 A組腿先擺動，機器人右轉，若 B組腿先擺動，則左轉。 下面以 左轉運動步態(tài) 為例子來分析它的步態(tài)。左轉 彎步態(tài)規(guī)劃圖如圖 37所示。 如圖 38(A)所示，機器人 4,6腿旋轉 Y角度，此時， 各 腿的位置矢量為 :(設旋轉 y角度后腿部在 X軸上的投影長度近似為 L)[9]。 O S 1 2 3 4 5 6 X Y P1=? ?( ), , TL m n S h? ? ? P2=? ?( ) , , 0 TL m S?? P3=? ?( ) , ( ) , TL m n S h? ? ? ? P4=? ?( ) , , 0 TL m n S?? P5=? ?( ) , , TL m S h? P6=? ?( ) , ( ) , 0 TL m n S? ? ? 1 2 3 4 5 6 Y X O S P1=? ?( ) , , 0 TL m n S? ? ? P2=? ?( ) , , 0 TL m S?? P3=? ?( ) , ( ) , 0 TL m n S? ? ? ? P4=? ?( ) , , 0 TL m n S?? P5=? ?( ) , , 0 TL m S? P6=? ?( ) , ( ) , 0 TL m n S? ? ? 19 (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 : (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)調整，位置矢量為 : O 1 2 3 4 5 6 ? X Y 圖 37（ A） 1 2 3 4 5 6 ? X Y O P1=? ?( ), , TL m n h?? P2=? ?( ), si n , 0 TL m L ?? ? ? P3=? ?( ), , TL m n h? ? ? P4=? ?( ), sin , 0 TL m n L ??? P5=? ?( ) , 0 , TL m h? P6=? ?( ), ( sin ), 0 TL m n L ?? ? ? 圖 37（ B） P1=? ?( ), , 0 TL m n?? P2=? ?( ), si n , TL m L h?? ? ? P3=? ?( ), , 0 TL m n? ? ? P4=? ?( ), sin , TL m n L h??? P5=? ?( ) , 0 , 0 TLm? P6=? ?( ), ( sin ), TL m n L h?? ? ? 20 (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 : 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。可以通過合理選擇旋轉丫角度，完成機器人的定點轉彎動作。 本章 研究六足機器人三角行走步態(tài)，分析了機器人三角步態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕量的計算，規(guī)劃了典型直線行走步態(tài)和定點轉彎步態(tài)，并對典型直線行走步態(tài)和定點轉彎步態(tài)進行了詳細分析，給出各種步態(tài)動作時落足點的位置矢量表達式，為機器人行走奠定基礎。 1 2 3 4 5 6 X Y O P1=? ?( ) , sin , TL m n L h?? ? ? P2=? ?( ), sin , 0 TL m L ??? P3=? ?( ) , ( sin ) , TL m n L h?? ? ? ? P4=? ?( ), sin , 0 TL m n L ??? P5=? ?( ), sin , TL m L h?? P6=? ?( ) , ( sin ) , 0 TL m n L ?? ? ? 圖 37（ C） 1 2 3 4 5 6 P1=? ?( ) , sin , 0 TL m n L ?? ? ? P2=? ?( ), sin , 0 TL m L ??? P3=? ?( ) , ( sin ) , 0 TL m n L ?? ? ? ? P4=? ?( ), sin , 0 TL m n L ??? P5=? ?( ), sin , 0 TL m L ?? P6=? ?( ) , ( sin ) , 0 TL m n L ?? ? ? X Y O 圖 37（ D） 21 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個舵機的調度和控制。設定一個目標功能：在行進的過程中完成避開障礙物。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) 。 要避開障礙物，首先探測到障礙物，其次能完成繞開障礙物，這就要求機器人能完成前進，后退、左右轉彎動作。動作的協(xié)調完美性的實現(xiàn)，要求了在任一時刻能夠做出 12個舵機的同步動作控制。 控制系統(tǒng) 的基本結構圖可表示為圖 41 所示 。 通過上圖可以看出， 12 個舵機是需要同時控制的， 那 么 ， 很顯然我們需要有 12 個控制信號來共同作用，也就意味著要求單片機產(chǎn)生 12 路的 PPM 波，利用這 12個 PPM 波來控制舵機的轉動角度。在這里我們 可以用 51 單片里的兩個定時器來產(chǎn)生多次中斷的方法獲蔽障 右轉 左轉 后退 _set_time()有 12個參數(shù)對應 12 個舵機的轉動角度 舵機1 舵機2 舵機3 舵機4 舵機5 舵機6 舵機7 舵機9 舵機11 舵機8 舵機10 舵機12 圖 41 基本功能框圖 高層 動作 前進 22 得這樣的控制的信號。從而完成機器人的前進、后退以及轉彎。 在本次設計中，整個系統(tǒng)是以 模塊化的設計思想，將對所有舵機調度做成一個獨立的模塊，所有的高層動作都是通過調用底層舵機控制的模塊來完成。 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)調動作處理，障 礙檢測數(shù)據(jù)處理 等功能。 微處理器 AT89S52簡介 AT89S52是一種低功耗、高性能 CMOS 8位單片機 [10]，片內含 SKBI SP(Insystem programmable)的可反復擦寫 1000次的 Flash只讀程序存儲器、該器件采用 Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術制造、兼容標準 MCS51指令系統(tǒng)及 80C51引腳結構 .片內集成了通用的 8位 CPU和 ISP Flash為存儲單元，可為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、高性價比的解決方案。 TA89S52具有如下特點 :40個引腳， 8KB Flash片內程序存儲器， 256Bytes的隨機存儲數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)， 32個外部雙向輸入 /輸出 (I/O)口， 1個 6向量 2級中斷結構 。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)電路和片內時鐘振蕩器 .此外 ,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。在空閑模式下， CPU暫停工作，而 RAM、 定時計數(shù)器、串行口、外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，禁止電路的其他功能直至外中斷激活或硬件復位。該電路具有 PDIP、 TQFP和PLCC等封 裝形式，以適應不同產(chǎn)品的設計要求。 常用的 AT89S52封裝 電路為 PDIP形式，其圖如圖 42所示。 23 圖 42 AT89S52封裝圖 AT89S52具有 32個可編程 I/O端口，其中， P0口和 P1口的前六個引腳分別接 12個舵機，來控制舵機的運轉， P3口前兩個引腳接觸位開關。如表 41所示。 表 41 I/O引腳分配表 引腳端口 功能分配 接左邊的六個舵機 接右邊的六個舵機 接觸位開關 舵機模塊設計 （ 1）舵機的 概述 舵機最早 出現(xiàn)在航模運動中。在航空模型中，飛行機的飛行姿態(tài)是通過調節(jié)發(fā)動機和各個控制舵面來實現(xiàn)的。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）； （安裝在飛機機翼后緣），用來控制飛機的橫滾運動； 24 ，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)。舵機因此得名：控制舵面的伺服電機。 不僅在航模飛機中，在其他的 模型運動中都可以看到它的應用：船模上用來控制尾舵，車模中用來轉向等等。由此可見，凡是需要操作性動作時都可以用舵機來實現(xiàn) [11]。 傳統(tǒng)舵機的控制方式以 20ms 為一個周期，用一個 177。 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，其控制接口也還是傳統(tǒng)的 177。 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，這在傳統(tǒng)的遙控競賽等領域，為了保持產(chǎn)品 的兼容性，不得不保留模擬接口，而在一些新興的領域完全可以采用新型的全數(shù)字接口的純數(shù)字舵機。純數(shù)字舵機采用全新的單線雙工通訊協(xié)議，不僅能執(zhí)行普通舵機的全部功能，還可以作為一個角度傳感器，監(jiān)測舵機的實際位置，而且可以多個舵機并聯(lián)互不影響。在未來的自動化控制領域有著不可估量的優(yōu)勢。采用純數(shù)字舵機構建的自動化控制系統(tǒng)，不僅可以大幅提升系統(tǒng)性能，而且可以降低系統(tǒng)的生產(chǎn)維護成本，提高產(chǎn)品性價比，增強市場競爭力。 （ 2）舵機的 結構和控制 一般來講，舵機主要由以下幾個部分組成， 舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計 5k、直流 電機、控制電路板等。 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。舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機的轉動方向和速度，從而達到目標停止。 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~ 范圍內的角度控制脈沖部分。以 180度角度伺服為例，那么對應的控制關系 如表 42所示。 表 42 時基脈沖與舵機角度對應 表 脈沖值（ m