【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(diào)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(jī)器人質(zhì)心 的投影點落在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，完成機(jī)器人的直線行走 。 3. 5“三角步態(tài)”定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)設(shè)計 “三角步態(tài)”定點轉(zhuǎn)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(jī)器人右轉(zhuǎn)，若 B組腿先擺動，則左轉(zhuǎn)。 下面以 左轉(zhuǎn)運動步態(tài) 為例子來分析它的步態(tài)。左轉(zhuǎn) 彎步態(tài)規(guī)劃圖如圖 37所示。 如圖 38(A)所示，機(jī)器人 4,6腿旋轉(zhuǎn) Y角度，此時， 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(jī)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(jī)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 : 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(zhuǎn) 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(zhuǎn)彎步態(tài)穩(wěn)定性易滿足，其最大轉(zhuǎn)角計算考 慮 到 機(jī)械結(jié)構(gòu)和行走地貌的約束?？梢酝ㄟ^合理選擇旋轉(zhuǎn)丫角度，完成機(jī)器人的定點轉(zhuǎn)彎動作。 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)定裕量的計算，規(guī)劃了典型直線行走步態(tài)和定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)，并對典型直線行走步態(tài)和定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析，給出各種步態(tài)動作時落足點的位置矢量表達(dá)式，為機(jī)器人行走奠定基礎(chǔ)。 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(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計 控制系統(tǒng)的 設(shè)計主要任務(wù)是完成全方位步態(tài)的軟件設(shè)計，也就是對 12個舵機(jī)的調(diào)度和控制。設(shè)定一個目標(biāo)功能：在行進(jìn)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(jī)器人能完成前進(jìn)，后退、左右轉(zhuǎn)彎動作。動作的協(xié)調(diào)完美性的實現(xiàn)，要求了在任一時刻能夠做出 12個舵機(jī)的同步動作控制。 控制系統(tǒng) 的基本結(jié)構(gòu)圖可表示為圖 41 所示 。 通過上圖可以看出， 12 個舵機(jī)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(jī)產(chǎn)生 12 路的 PPM 波，利用這 12個 PPM 波來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)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(zhuǎn) 左轉(zhuǎn) 后退 _set_time()有 12個參數(shù)對應(yīng) 12 個舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度 舵機(jī)1 舵機(jī)2 舵機(jī)3 舵機(jī)4 舵機(jī)5 舵機(jī)6 舵機(jī)7 舵機(jī)9 舵機(jī)11 舵機(jī)8 舵機(jī)10 舵機(jī)12 圖 41 基本功能框圖 高層 動作 前進(jìn) 22 得這樣的控制的信號。從而完成機(jī)器人的前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎。 在本次設(shè)計中，整個系統(tǒng)是以 模塊化的設(shè)計思想，將對所有舵機(jī)調(diào)度做成一個獨立的模塊，所有的高層動作都是通過調(diào)用底層舵機(jī)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(shè)計 采用微處理器 AT89S52為 核心構(gòu)成，負(fù)責(zé)舵機(jī)協(xié)調(diào)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(jī) [10]，片內(nèi)含 SKBI SP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000次的 Flash只讀程序存儲器、該器件采用 Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造、兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)及 80C51引腳結(jié)構(gòu) .片內(nèi)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(yīng)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(nèi)程序存儲器， 256Bytes的隨機(jī)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(jié)構(gòu) 。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(nèi)時鐘振蕩器 .此外 ,AT89S52設(shè)計和配置了振蕩頻率可為 OHz并可通過軟件設(shè)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(jié)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(fù)位。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(jī)，來控制舵機(jī)的運轉(zhuǎn)， P3口前兩個引腳接觸位開關(guān)。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(jī) 接右邊的六個舵機(jī) 接觸位開關(guān) 舵機(jī)模塊設(shè)計 （ 1）舵機(jī)的 概述 舵機(jī)最早 出現(xiàn)在航模運動中。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)動機(jī)和各個控制舵面來實現(xiàn)的。舉個簡單的四通飛機(jī)來說，飛機(jī)上有以下幾個地方需要控制： ，來控制發(fā)動機(jī)的拉力（或推力）； （安裝在飛機(jī)機(jī)翼后緣），用來控制飛機(jī)的橫滾運動； 24 ，用來控制飛機(jī)的俯仰角； ，用來控制飛機(jī)的偏航角； 遙控器有四個通道，分別對應(yīng)四個舵機(jī)，而舵機(jī)又通過連桿等傳動元件帶動舵面的轉(zhuǎn)動，從而改變飛機(jī)的運動狀態(tài)。舵機(jī)因此得名：控制舵面的伺服電機(jī)。 不僅在航模飛機(jī)中，在其他的 模型運動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。由此可見，凡是需要操作性動作時都可以用舵機(jī)來實現(xiàn) [11]。 傳統(tǒng)舵機(jī)的控制方式以 20ms 為一個周期，用一個 177。 的脈沖來控制舵機(jī)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(jī)已成為模擬舵機(jī)和數(shù)字舵機(jī)并存的局面，但即使是現(xiàn)在的數(shù)字舵機(jī)，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(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)。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，還可以作為一個角度傳感器，監(jiān)測舵機(jī)的實際位置，而且可以多個舵機(jī)并聯(lián)互不影響。在未來的自動化控制領(lǐng)域有著不可估量的優(yōu)勢。采用純數(shù)字舵機(jī)構(gòu)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(hù)成本，提高產(chǎn)品性價比，增強(qiáng)市場競爭力。 （ 2）舵機(jī)的 結(jié)構(gòu)和控制 一般來講，舵機(jī)主要由以下幾個部分組成， 舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計 5k、直流 電機(jī)、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(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉(zhuǎn)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(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。 舵機(jī)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。以 180度角度伺服為例，那么對應(yīng)的控制關(guān)系 如表 42所示。 表 42 時基脈沖與舵機(jī)角度對應(yīng) 表 脈沖值（ m