【正文】 單片機(jī)再把控制量 C(n)送到 D/A 轉(zhuǎn)換器 0832 中去，把 C(n)值轉(zhuǎn)換成模擬量，再去控制PWM 功率放大器，驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動進(jìn)行角度控制。 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。故它是一個積分器，所以 的形式為：)(5sGS/1?是角度反饋傳遞函數(shù)。? 01/???是伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)，具有如下形式：)(4sG)1/()(4?SKsGj?其中： 是靜態(tài)放大系數(shù)， （Φ 是電機(jī)每極總磁通，單位為韋GKeC??伯； 是常數(shù)， (P 是磁極對數(shù)，N 是電機(jī)繞組總數(shù)，a 是并聯(lián)支eCa60/e?路對數(shù))） ； 是機(jī)電時間常數(shù)， （J 是電機(jī)及負(fù)載的轉(zhuǎn)動慣量；j? 22mCj eJR/π?聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xlivRa 是電樞電阻。給定值 是給定的角度，是機(jī)體轉(zhuǎn)彎的方向?e?R角的函數(shù)。 轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 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。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xlii 控制程序如上所述，單片機(jī) 8051 從主計算機(jī)接收給定速度值 RV，作為控制量 C，再把控制量 C 送到 D/A 轉(zhuǎn)換器 0832 中去，把 C 值轉(zhuǎn)換成模擬量，再去控制 PWM 功率放大器，驅(qū)動伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動進(jìn)行角度控制。這個系統(tǒng)是一個開環(huán)系統(tǒng)。光電編碼器輸出的 8 位數(shù)據(jù)從 8051 的 P1 端口輸入。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。由于 VREF =5V，所以 輸出的電壓時 0～ 5V。不過在寫 0832 時，要執(zhí)行兩次寫操作，因為它內(nèi)部的兩個寄存器是不能同時接收外部數(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。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。單片機(jī)輸出的數(shù)字控制信號通過 D/A 轉(zhuǎn)換器 0832 之后轉(zhuǎn)換成 0～5V 的模擬信號，再通過運算放大器 U2 ～+ 模擬信號去控制 PWM 功率放大器。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。 的放大系數(shù)為 1，同時在它的負(fù)輸入端加上了1U2U 的參考電壓；所以，當(dāng) 輸出為 0V 時， ；當(dāng) 輸出為 5V121U時， 輸出為 +。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。這個接口由083運算放大器 U1 和 U2 組成。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。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。 行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)在機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計中，確定了本課題所設(shè)計的機(jī)器人控制系統(tǒng)為二級計算機(jī)系統(tǒng)，由主計算機(jī)完成智能控制功能，從計算機(jī)產(chǎn)生行走控制信號（行走控制子系統(tǒng)） 。在方式 1 中，定時器以 16 位方式進(jìn)行定時或計數(shù)；在方式 2 中，定時器的高 8 位用于存放初值，定時器的低 8 位用于定時計數(shù)，在計數(shù)產(chǎn)生溢出時，自動把高 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，又開始對低 8 位計數(shù)。方式 3 和方式 2基本一樣，只是在方式 3 中，波特率可改變。串行 I/O 口有四種工作方式。方式 2 時，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)位后多了一個編程位；傳送波特率選定在振蕩頻率的 1/32 獲 1/64 處。串行 I/O 口占用并行 I/O 口 P3 的 和 兩位。P1是一個純 I/O 口，他只用于數(shù)據(jù)的輸入輸出。他和 ALU 部件形成了 8051 的 CPU。它主要包括有 ALU 部件、定時和控制部件、并行 I/O 接口、串行 I/O 接口、定時器部件、程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器等七個部分。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)。轉(zhuǎn)彎伺服系統(tǒng)使用的絕對型編碼器選用 ROC408,其外形尺寸如圖 41：圖 41 其技術(shù)參數(shù)如下：? 脈沖數(shù)：2 8 =256P/R? 絕對測量步距角（近似）：? 分辨率（近似）：177。所有的控制系統(tǒng)都包含硬件部分和軟件部分，四足行走機(jī)器人行走控制系統(tǒng)硬件部分包括控制器，傳感器及各個相應(yīng)的接口電路（也可把伺服電機(jī)包括在控制系統(tǒng)硬件中，本設(shè)計將伺服電機(jī)歸入機(jī)械系統(tǒng)） 。（2）第一萬向節(jié)從動叉的平面與第二萬向節(jié)主動叉的平面處于同一個平面中（本條的實現(xiàn)完全可以由傳動軸和萬向節(jié)叉的正確裝配來保證） 。由于考慮到安裝的精度問題，因此本課題中的軸承選用深溝球軸承。選擇軸承時，通常都是從軸承的有效空間、承載能力、速度特性、調(diào)心性質(zhì)、運轉(zhuǎn)精度和疲勞壽命等方面進(jìn)行綜合考慮。如下圖 321 所示錐齒輪傳動副三維實體模型。查參考文獻(xiàn)【14】可得 30SZWT 型永磁直流穩(wěn)速電動機(jī)滿足要求，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。則機(jī)器人的功耗為：P= mgvtg230 186。由于行走機(jī)構(gòu)在支撐相中足端水平運動，行走過程機(jī)器人機(jī)體水平勻速直線運動，因此理論上在水平地面上行走不消耗能量，因此，依據(jù)運動消耗功率來確定電機(jī)容量不太可行。這包括電機(jī)的負(fù)載類型，是恒定負(fù)載還是變化負(fù)載，電機(jī)力矩轉(zhuǎn)化為直線推力，或是旋轉(zhuǎn)帶動大慣量負(fù)載，電機(jī)負(fù)載隨轉(zhuǎn)速變化嗎。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxx電機(jī)的工作狀況。一套好的運動控制方案除了選擇合適的電機(jī)，還需要合理設(shè)計傳動機(jī)構(gòu)。首先必須考慮電機(jī)能夠提供負(fù)載所需的瞬時轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，此外，其他方面的諸多因素也需要加以考慮。]12[本課題選擇以狗的外形作為設(shè)計的藍(lán)本，力求使設(shè)計的產(chǎn)品能夠吸引人們的眼球，獲得人們的關(guān)注。 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；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；筋的一端的移動必然引起另一端的移動 若不考慮鋼絲的彈性，則稱為“剛性腱” ；若考慮鋼絲的彈性，稱為“彈性腱” 。由公式(9)可得： 0EBea???…………………………………(10)因為,； ??/1n????…………………………………(11) …………………………………(12)/aL其中，L—脊柱的長度；n—脊柱的節(jié)數(shù)。則內(nèi)側(cè)與外側(cè)步長之比為: 12SRaB????………………………………………………(6)其中， S1為外側(cè)腳步長；S2為內(nèi)側(cè)腳步長。圖 311通過上面的理論分析，在 PRO/E 中建立模型并畫出髖關(guān)節(jié)凸輪的三維實體模型及其相關(guān)聯(lián)的零件圖，組裝成 ASM 文件圖 ，如圖 312 所示：]1[圖 312 齒輪齒條與凸輪配合的三維實體總裝圖 轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)的設(shè)計如本章第一節(jié)總體設(shè)計所述，可利用脊柱機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)機(jī)體的轉(zhuǎn)彎，脊柱機(jī)構(gòu)由脊骨、關(guān)節(jié)和腱構(gòu)成 ，如下圖：]7[聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxv圖 313 轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡圖 控制函數(shù)(1) 脊柱彎曲控制函數(shù) ]6[假設(shè)脊柱有 n 節(jié)脊骨，由于受力情況相似，可認(rèn)為對于每節(jié)脊骨均有 θ i =θ ，則腱的伸縮量為： …………………………………………………(1)????12ta/2nhr??????其中，h1—內(nèi)側(cè)腱的伸縮量； h2—外側(cè)腱的伸縮量； r —腱到脊柱軸線的距離。由微分幾何得知，以 為參數(shù)的曲線族的包絡(luò)線方程為：圖 39 主凸輪的輪廓圖 其中：f (X, Y, )=0 是曲線 族的方程，X、Y 是包絡(luò)線上的點的直角坐標(biāo)值。由公式（4）只能得到髖關(guān)節(jié)凸輪的理論輪廓曲線，實際輪廓曲線是以理論輪廓曲線上各點為圓心、以滾輪半徑為半徑的一族圓的內(nèi)包絡(luò)線。其中，步長 S 是正常行走時的尺寸，轉(zhuǎn)彎或遇到非常狀態(tài)時，步長應(yīng)是可變的。純機(jī)械控制即利用一些機(jī)構(gòu)來實現(xiàn)控制，其特點是簡單、功率較大、柔性差。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)對應(yīng)的控制算法，產(chǎn)生控制信號。本設(shè)1?23 1?23計中利用 PRO/E 中的草繪，測得 15 個點的 、 及 的值，如下表所示：1?23序號 （ 186。運動學(xué)逆解問題本來極為cXY13復(fù)雜，但經(jīng)過上述化簡后，在如圖 33(b)所示極坐標(biāo)系（ r, φ ）中利用解析幾何及平面幾何的知識，可得： 39。求 、 及 的函數(shù)關(guān)系，是機(jī)器人運動學(xué)求逆解問題 。對圖 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) 。下面對應(yīng)的各參數(shù)：21O2OE——髖關(guān)節(jié)偏距； ——小腿長；1h——大腿長；2hS——步長；——髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角；1?——步距角 ①；2 ②自由度的計算：低副 （轉(zhuǎn)動副和移動副）提供兩個約束，高副 提供一個約束，自lp hp由度計算公式為 ；其中活動構(gòu)件的數(shù)目為 n=4， (轉(zhuǎn)動副 3 個，)2(31nF??? 4?l移動副一個), ，故 F=3。6. 按要求 1～5 設(shè)計的機(jī)器人的四條腿的協(xié)調(diào)動作順序應(yīng)遵循對角線原則，先后動作的兩條腿的相位相差 π/2。2. 為了不至于使機(jī)器人在運動的過程中，因機(jī)體上下顛簸而消耗不必要的能量，應(yīng)保證要求 1 中的直線段有一定的直線度。在每一時刻，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。當(dāng)機(jī)體的運動由腿機(jī)構(gòu)之外的其他獨立的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成時，腿機(jī)構(gòu)可以是兩自由度的平面機(jī)構(gòu)。 腿機(jī)構(gòu)的基本要求從運動角度出發(fā)，在行走過程中，一般要求處于支撐狀態(tài)的足端（貼在地面的足端）相對于機(jī)身走直線軌跡，這樣才不至于因機(jī)身重心上下波動而消耗不必要的能量，同時有利于各支撐足驅(qū)動時的協(xié)調(diào)運動和機(jī)身姿態(tài)的控制。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xiii 行走機(jī)構(gòu)的研究 概述在行走機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計中，最重要的是行走機(jī)構(gòu)（腿）的設(shè)計。 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計對于行走機(jī)器人來說，總體機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為三大部分：行走機(jī)構(gòu)、轉(zhuǎn)彎機(jī)構(gòu)、動力傳輸機(jī)構(gòu)（伺服驅(qū)動系統(tǒng)） 。為了克服開鏈機(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。開鏈結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人的運動分析和靜力分析復(fù)雜化，兩相鄰連桿坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系、手臂末端操作器的位姿與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系、末端操作器上的受力和各關(guān)節(jié)力矩（或力）之間的關(guān)系等，均不是一般機(jī)構(gòu)分析方法能解決得了的，而要建立一套針對空間開鏈機(jī)構(gòu)的特殊的運動學(xué)、靜力學(xué)分析方法。 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計的內(nèi)容及特點所謂“機(jī)械” ，經(jīng)典的定義就是“按確定的位置相互聯(lián)結(jié)，并按一定的規(guī)律相對運動的機(jī)構(gòu)或零件的組合體。本課題中使用了直流伺服電機(jī)作為動力裝置，12V 蓄電池為系統(tǒng)提供能量；也使用了齒輪副作為二級、三級減速；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)彎功能通過一種脊柱機(jī)構(gòu)完成。計算機(jī)系統(tǒng)可由二級或三級組成，由主計算機(jī)完成智能控制功能，從計算機(jī)產(chǎn)生行走控制信號。廣義的移動環(huán)境包括氣體環(huán)境、液體環(huán)境、固體環(huán)境和混合環(huán)境。首先，采用虛擬樣機(jī)技術(shù)（vitual prototype） ，利用三維造型軟件]5[（PRO/E）建立機(jī)器人機(jī)械部分的三維實體模型；然后利用動力學(xué)分析軟件（ADAMS）建立機(jī)械系統(tǒng)的運動學(xué)和動力學(xué)模型，進(jìn)行動力學(xué)仿真；與此同時，進(jìn)行四足機(jī)器人的控制、驅(qū)動和傳感器子系統(tǒng)設(shè)計。計算機(jī)通過軌跡規(guī)劃，得到空間軌跡在各采樣時刻的數(shù)據(jù)，通過逆運動學(xué)計算把空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)楦麝P(guān)節(jié)的指令值。②當(dāng)腿處于懸空狀態(tài)時，足端抬離地面，向前邁步為下一個支撐相作準(zhǔn)備，這種狀態(tài)稱為懸空相。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文vii本課題所設(shè)計的機(jī)器人的腿機(jī)構(gòu)技術(shù)性能如下：腿機(jī)構(gòu)的自由度：3 個機(jī)構(gòu)所含的運動副：轉(zhuǎn)動副、移動副在支撐相 ①中，足端相對于機(jī)身運動狀況：理論上絕對水平勻速直線運動支撐相相位角：3π/2懸空相 ①相位角：π/2機(jī)構(gòu)的外形：具有哺乳動物腿的外形本課題所設(shè)計的機(jī)器人技術(shù)性能如下：外形尺寸：895 *808*322? 電源：12V 鎘鎳堿性蓄電池? 運動形式：可前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)? 步距：150mm（正常前進(jìn)時）? 步行速度：可變? 智能水平：無(待開發(fā))? 負(fù)載：無 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述 機(jī)器人基本上是由機(jī)械本體結(jié)構(gòu)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、計算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)、通信接口等部分組成。目前國際上對四足行走機(jī)器人的研究相當(dāng)熱門，技術(shù)也已相當(dāng)成熟，主要集中在電子寵物機(jī)器人領(lǐng)域，如前所述的日本及美國的機(jī)器狗，均標(biāo)志著兩國在機(jī)器人和機(jī)器動物研制領(lǐng)域已處于世界領(lǐng)先地位。因此，必須進(jìn)行行走步態(tài)、重心轉(zhuǎn)移、移動導(dǎo)向、穩(wěn)定步行等仿生問題的研究。機(jī)器人