【導(dǎo)讀】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。行走機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)。處安裝伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，增加了機(jī)器人的重量和控制策略的難度。人本體大多是一個(gè)剛性整體，轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)研究不足。作為一個(gè)柔性整體，采用三維建模軟件Pro/設(shè)計(jì)了四足機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng)，控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，并初步設(shè)計(jì)了柔性轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)。在此基礎(chǔ)上，論文采用主從式控制。構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。步拓展和延伸了人類大腦的功能。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。

　　

【正文】 xxxvi 器；轉(zhuǎn)彎?rùn)C(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(duì)型和增量型兩類，增量型編碼器，轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)中使用絕對(duì)型編碼器。 轉(zhuǎn)彎伺服系統(tǒng)使用的絕對(duì)型編碼器選用 ROC408,其外形尺寸如圖 41： 圖 41 其技術(shù)參數(shù)如下： ? 脈沖數(shù)： 28 =256P/R ? 絕對(duì)測(cè)量步距角（近似）： ? 分辨率（近似）：177。 1/2 ? 輸出信號(hào) 類型 ： 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 。 8051 的性能 8051是 Intel公司 MCS51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品。他的性能比早期的 MCS48要好得多。 是生產(chǎn)過程控制、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)。 8051 的主要特點(diǎn) ]16[ 如下： ? 采用高性能的 HMOS 生產(chǎn)工藝生產(chǎn)； ? 內(nèi)部行定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器； ? 有二級(jí)中斷優(yōu)先處理結(jié)構(gòu)； 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxxvii ? 有 32 條 I/O 線，輸入輸出能力強(qiáng)； ? 程序?qū)ぶ房臻g達(dá) 64K 字節(jié)； ? 內(nèi) EPROM 有保險(xiǎn)功能，可防止 EPROM 誤寫入； ? 由布爾處理功能，可擴(kuò)展性能； ? 對(duì)內(nèi)部 RAM 有位尋址功能； ? 游客變成的全雙工串行口； ? 含基本指令 111 條，其中 64 條是單字節(jié)指令； ? 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器尋址空間 64K。 8051 的技術(shù)性 能如下 ： ? 工作環(huán)境溫度： 0～ +70?C； ? 存儲(chǔ)環(huán)境溫度： 65～ +150?C； ? EA/VPP端對(duì) 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： 。 8051 的結(jié)構(gòu) 8051 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 45所示。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。 ALU 步件含有 ALU單元以及累加器 ACC、寄存器 B、棧指針 SP、數(shù)據(jù)指針 DPTR、程序狀態(tài)字 PSW、暫時(shí)寄存器 TMP TMP2 等。 ALU 除了可以進(jìn)行四則算術(shù)運(yùn)算外，還可以進(jìn)行布爾運(yùn)算。 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)。他和 ALU 部件形成了 8051 的 CPU。 并行 I/O 接口有 P0、 P P2和 P3共四個(gè)，他們都是 8位并行端口。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。 P2口是高 8位地址 A8～ A15 的地址總線，但也可做一般的 I/O 口。 P1 是一個(gè)純 I/O 口，他只用于數(shù)據(jù)的輸入輸出。 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)。 P3口對(duì)應(yīng)引腳用于控制信號(hào)時(shí)的情況如聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxxviii 表 41 所示。 串行 I/O接口可以以全雙工方式工作。串行 I/O口占用并行 I/O口 P3的 和 兩位。串行 I/O 口有四種工作方式。在方式 0時(shí)，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(shí)鐘。方式 1 時(shí)，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(gè)起始位 (0)， 8 個(gè)數(shù)據(jù)位 (地位在前 )，一個(gè)停止位 (1)；傳送波特率可辨。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。方式 3 和方式 2 基本一樣，只是在方式 3 中，波特率可改變。 表 41 P3 口個(gè)引腳對(duì)應(yīng)的控制信號(hào) 引腳編號(hào) 控制信號(hào) 說明 RXD 串行數(shù)據(jù)輸入 TXD 串行數(shù)據(jù)輸出 INT0 外部中斷 0 INT1 外部中斷 1 T0 定時(shí)器 0輸入 T1 定時(shí)器 1輸入 W R 寫存儲(chǔ)器信號(hào) R D 讀存儲(chǔ)器信號(hào) 串行 I/O接口可以以全雙工方式工作。串行 I/O口占用并行 I/O口 P3的 和 兩位。串行 I/O 口有四種工作方式。在方式 0時(shí)，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(shí)鐘。方式 1 時(shí)，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(gè)起始位 (0)， 8 個(gè)數(shù)據(jù)位 (地位在前 )，一個(gè)停止位 (1)；傳送波特率可辨。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。方式 3 和 方式 2 基本一樣，只是在方式 3 中，波特率可改變。 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。無論工作在定時(shí)器還是在計(jì)數(shù)器方式，定時(shí)器 0 和定時(shí)器 1 都有四種方式。在方式 0 時(shí)，定時(shí)器以 13位方式進(jìn)行定時(shí)或計(jì)數(shù)。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 位內(nèi)容聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxxix 裝入低 8 位中去，又開始對(duì)低 8 位計(jì)數(shù)。在方式 3 中，定時(shí)器 1 不工作，定時(shí)器0分成高 8位和低 8位兩個(gè)獨(dú)立的 8 位計(jì)數(shù)器進(jìn) 行工作。 程序存儲(chǔ)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(shí)，片內(nèi)的 0～ 4095 地址可由片外存儲(chǔ)空間覆蓋。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的尋址空間有 64K，片內(nèi)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 256Byte,地址 0～ 256。 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)）。以下將進(jìn)行行走控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 行走控制子系統(tǒng)包括：行走控制系統(tǒng)和轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng) ]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)。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理 8051 控制的伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 47所示。它由單片機(jī) 805伺服電機(jī)及其接口電路組成。 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(dòng)。單片機(jī)輸出的數(shù)字控制信號(hào)通過 D/A轉(zhuǎn)換器 0832 之后轉(zhuǎn)換成 0～ 5V 的模擬信號(hào)，再通過運(yùn)算放大器 U2變換之后變成 ～ + 模擬信號(hào)去控制 PWM功率放大器。 PWM 功率放大器由三角波發(fā)生器、比較器以及橋式開關(guān)功率放大電路組成。它的結(jié)構(gòu)可參考附錄 2。 接口電路 在圖 47中，可以看出系統(tǒng)只有一個(gè)接口電路，即控制 PWM 功率放大器的接口電路。 ()Uk ) K1 G4(S) Rθ ()yt ()ek ) K1 G2(s) K3 G5(S) Hθ(s) eθ C θ 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xl 單片機(jī)和 PWM 功率放大器的接口也就是控制量輸出接口。這個(gè)接口由 083運(yùn)算放大器 U1 和 U2組成。 D/A 轉(zhuǎn)換器 0832 作為單片機(jī) 8051 的一個(gè)存儲(chǔ)單元。 C S為片選信號(hào)輸入端，當(dāng) =1 時(shí)，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。不過在寫 0832 時(shí)，要執(zhí)行兩次寫操 作，因?yàn)樗鼉?nèi)部的兩個(gè)寄存器是不能同時(shí)接收外部數(shù)據(jù)的，而必須先由輸入寄存器接收，再由輸入寄存器傳送給 DAC 寄存器。在圖 47所示系統(tǒng)中， 0832 接成電流開關(guān)方式工作狀態(tài)，故轉(zhuǎn)換的結(jié)果是電流量。電流從 I1 輸出由 U1 運(yùn)算放大器處理之后輸出的電壓為 – VREF178。 D/256，其中 D 是輸入 0832 總的數(shù)據(jù)。由于 VREF =5V，所以 1U 輸出的電壓時(shí) 0～ 5V。 2U 的放大系數(shù)為 1，同時(shí)在它的負(fù)輸入端加上了 的參考電壓；所以，當(dāng) 1U 輸出為 0V 時(shí)， 2U 輸出為 ；當(dāng) 1U 輸出為 5V 時(shí)， 2U 輸出為 +。實(shí)際上， 2U 的輸出電壓 V 2U 為： 2UV =1UV V 其中，1UV是運(yùn)算放大器 1U 的輸出電壓。 2U 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)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)以不同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走速度的控制。 轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng) 在對(duì)四足行走機(jī)器人轉(zhuǎn)彎進(jìn)行控制時(shí)，需要由單片機(jī) 8051 構(gòu)成一個(gè)角度伺服控制系統(tǒng)。 1. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理 轉(zhuǎn)彎控制伺服系統(tǒng)中有三部電機(jī)，每部電機(jī)伺服系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)均與圖 48所示相同只需改變 8051 的端口，如果 8051 的端口資源不足，可用 8255 芯片進(jìn)行擴(kuò)展。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。 光電編碼器是一個(gè) 8位的編碼器，位置檢測(cè)精度為 。伺服電機(jī)用 PWM 功率放大器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。單片機(jī)輸出的數(shù)字控制信號(hào)通過 D/A 轉(zhuǎn)換器 0832 之后轉(zhuǎn)換成0～ 5V的模擬信號(hào)，再通過運(yùn)算放大器 U2 變換之后變成 ～ + 模擬信號(hào)去控制 PWM 功率放大器。 PWM 功率放大器由三角波發(fā)生器、比較器以及橋式開關(guān)功率放大電路組成。它的結(jié)構(gòu)可參考附錄 3。 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xli 圖 48 轉(zhuǎn)彎伺服控制系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理 圖 2. 接口電路 在圖 48中，可以看出系統(tǒng)有兩個(gè)接口電路，即控制 PWM 功率放大器的接口電路和光電編碼器接口電路則兩個(gè)接口。 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。這個(gè)接口由 083運(yùn)算放大器 1U 和 U2 組成。 D/A 轉(zhuǎn)換器 0832 作為單片機(jī) 8051 的一個(gè)存儲(chǔ)單元。 C S為片選信號(hào)輸入端，當(dāng) =1 時(shí)，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。不過在寫 0832 時(shí)，要執(zhí)行兩次寫操作，因?yàn)樗鼉?nèi)部的兩個(gè)寄存器是不 能同時(shí)接收外部數(shù)據(jù)的，而必須先由輸入寄存器接收，在由輸入寄存器傳送給 DAC 寄存器。在圖 47所示系統(tǒng)中， 0832 接成電流開關(guān)方式工作狀態(tài)，故轉(zhuǎn)換的結(jié)果是電流量。電流從 1I 輸出由 1U 運(yùn)算放大器處理之后輸出的電壓為 – VREF178。 D/256，其中 D 是輸入 0832 總的數(shù)據(jù)。由于 VREF =5V，所以 1U 輸出的電壓時(shí) 0～ 5V。 2U 的放大系數(shù)為 1，同時(shí) 在它的負(fù)輸入端加上了 的參考電壓；所以，當(dāng) 1U 輸出為 0V 時(shí)， 2U 輸出為 ；當(dāng) U1 輸出為 5V 時(shí)， 2U 輸出為 +。實(shí)際上， 2U 的輸出電壓 V U 2 為： 2UV =1UV V 其中，1UV是運(yùn)算放大器 1U 的輸出電壓。 2U 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)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，伺服電機(jī)以不同的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)控制機(jī)器人轉(zhuǎn)彎時(shí)轉(zhuǎn)彎急促程度。 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xlii 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。 ② . 光電編碼器接口 光電編碼器可以產(chǎn)生 8 位數(shù)據(jù)。它的分辨率時(shí) 。當(dāng)光電編碼器隨伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)處于不同位置時(shí)，它送出的數(shù)據(jù)不 同，每一個(gè)數(shù)據(jù)和一個(gè)角度對(duì)應(yīng)。光電編碼器輸出的 8 位數(shù)據(jù)從 8051 的 P1 端口輸入。要取光電編碼器數(shù)據(jù)時(shí)，單片機(jī)只需讀取 I/O 口 P1 的內(nèi)容。 5. 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 行走系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 行走伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 行走伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 51所示。 圖 51 行走伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 在控制框圖中， VR 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 C； K3 是 PWM 功率放大器的比例放大系數(shù)； G4(s)是伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)。 這 個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)開環(huán)系統(tǒng)。由主計(jì)算機(jī)給定 RV ，產(chǎn)生的速度控制信號(hào)之后，再送去下一個(gè)環(huán)節(jié)。 G4(s)是伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)，具有如下形式： )1/()(4 ?? SKsG jG ? 其中： GK 是靜態(tài)放大系數(shù)， eG CK ?? /1 （Φ是電機(jī)每極總磁通，單位為韋伯； eC 是常數(shù)， a60/PNCe ? (P 是磁極對(duì)數(shù)， N 是電機(jī)繞組總數(shù)， a 是并聯(lián)支路對(duì)數(shù) )）； j? 是機(jī)電時(shí)間常數(shù)， 22 ?? mCj eJR a/60Cπ? （ J 是電機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；