【正文】 表 42 時(shí)基脈沖與舵機(jī)角度對(duì)應(yīng) 表 脈沖值（ ms） 。 舵機(jī)的控制一般需要一個(gè) 20ms 左右的時(shí)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。 工作原理：控制電路板接受來自信號(hào)線的控制信號(hào)（具體信號(hào)待會(huì)再講），控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)一系列齒輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤。采用純數(shù)字舵機(jī)構(gòu)建的自動(dòng)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(jià)比，增強(qiáng)市場競爭力。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(gè)角度傳感器，監(jiān)測舵機(jī)的實(shí)際位置，而且可以多個(gè)舵機(jī)并聯(lián)互不影響。 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。由此可見，凡是需要操作性動(dòng)作時(shí)都可以用舵機(jī)來實(shí)現(xiàn) [11]。舵機(jī)因此得名：控制舵面的伺服電機(jī)。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(dòng)機(jī)和各個(gè)控制舵面來實(shí)現(xiàn)的。如表 41所示。 常用的 AT89S52封裝 電路為 PDIP形式，其圖如圖 42所示。在空閑模式下， CPU暫停工作，而 RAM、 定時(shí)計(jì)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。 TA89S52具有如下特點(diǎn) :40個(gè)引腳， 8KB Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器， 256Bytes的隨機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (RAM)， 32個(gè)外部雙向輸入 /輸出 (I/O)口， 1個(gè) 6向量 2級(jí)中斷結(jié)構(gòu) 。 中央控制模塊是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心， 本次設(shè)計(jì) 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(dòng)作處理，障 礙檢測數(shù)據(jù)處理 等功能。從而完成機(jī)器人的前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎。 通過上圖可以看出， 12 個(gè)舵機(jī)是需要同時(shí)控制的， 那 么 ， 很顯然我們需要有 12 個(gè)控制信號(hào)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(gè) PPM 波來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。動(dòng)作的協(xié)調(diào)完美性的實(shí)現(xiàn)，要求了在任一時(shí)刻能夠做出 12個(gè)舵機(jī)的同步動(dòng)作控制。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) 。 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(jì) 控制系統(tǒng)的 設(shè)計(jì)主要任務(wù)是完成全方位步態(tài)的軟件設(shè)計(jì)，也就是對(duì) 12個(gè)舵機(jī)的調(diào)度和控制?？梢酝ㄟ^合理選擇旋轉(zhuǎn)丫角度，完成機(jī)器人的定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。 如圖 38(A)所示，機(jī)器人 4,6腿旋轉(zhuǎn) Y角度，此時(shí)， 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]。 下面以 左轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)步態(tài) 為例子來分析它的步態(tài)。 3. 5“三角步態(tài)”定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)設(shè)計(jì) “三角步態(tài)”定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)也將步態(tài)周期劃分為 4個(gè)執(zhí)行階段，其擺腿順序也有 2種 :A到 B組或 B組 到 A組。 此時(shí)， 各腿 的 支撐點(diǎn) 位置矢量為 : （ 2） 如圖 36（ B）所示， 5放下后，然后 6抬起 ； 則此時(shí)的位置矢量： （ 3） 5向后移動(dòng) 半步，做位置調(diào)整， 6向前 ,則其位置矢量： O X Y Z 1 2 3 4 5 6 O P1= ( ), ,2TSL m n h??? ? ????? P2=? ?( ), 0, 0 TLm?? P3= ( ), ( ),2TSL m n h??? ? ? ????? P4=? ?( ), , 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(dòng)半步長，做姿勢調(diào)整，此時(shí)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)。 機(jī)器人通過重復(fù)著上圖的動(dòng) 作就可以實(shí)現(xiàn)六足機(jī)器人的擺動(dòng)相和支撐相的交替過程。六足仿生機(jī)器人直線行走步態(tài)示意圖如圖 36所示。 直線 AB方程為 : (Y 1 Y 2 )(X X 1 )Y= (X 1 X 2 ) + Y 1 垂線 OM的方程為： (X1X2)Y= (Y2Y1)X 由上兩式解得直線 AB和直線 OM的交點(diǎn) M (XM ， YM)的坐標(biāo)為 : 22( Y 2 Y 1 ) ( X 1 Y 2 Y 1 X 2 )X M = [ ( X 1 X 2 ) + ( Y 1 Y 2 ) ] 22( X 1 X 2 ) ( X 1 Y 2 Y 1 X 2 )Y M = [ ( X 1 X 2 ) + ( Y 1 Y 2 ) ] 則： dl= OM = 22XM YM? 同理，可以求得 d2= ON , d3= OP 。 圖 34步行機(jī)器人任一時(shí)刻姿態(tài)圖 穩(wěn)定裕量計(jì)算 設(shè)某一時(shí)刻，機(jī)器人以“三角步態(tài)”行走時(shí)，其 B組支撐腿著地點(diǎn) ， 機(jī)器人質(zhì)心在 XOY平面的投影如圖 35所示，并設(shè)質(zhì)心投影 O1與 XOY平面坐標(biāo)原點(diǎn)重合。 機(jī)器人以 “三角步態(tài)”行走時(shí)，任意時(shí)刻至少有 1組腿著地，只要機(jī)器人質(zhì)心投影點(diǎn)O1落在支撐腿構(gòu)成陰影內(nèi)，如圖 35所示，就能保證機(jī)器人穩(wěn)定。 六足機(jī)器人的穩(wěn)定性分析 穩(wěn)定性分析 步行機(jī)器人任一時(shí)刻姿態(tài)圖如圖 34所示。 由圖 3 3(a)可得六足步行機(jī)器人髓關(guān)節(jié)電機(jī)向上旋轉(zhuǎn) ? 角度時(shí)，立 足點(diǎn) A在 Z方向提升高度 h，六足步行機(jī)器人腿部 Z方向提升高度 計(jì)算結(jié)果為： 22h = L + H si n c o s( a r c ta n )22HL?? 由表達(dá)式 (31)，可以確定靛關(guān)節(jié)電機(jī)旋轉(zhuǎn) ? 角度與立足點(diǎn) A在 Z方向提升高度 h的定量關(guān)系。腿部順序定義如圖示，定義腿間距為 n，體寬為 ,D為腿的站立點(diǎn)， Ai, Di為腿與艦關(guān)節(jié)連接點(diǎn)。 圖中 6 腿為 B 組；并用 虛線 表示 。機(jī)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(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃與分析等。該步 態(tài) 是 將機(jī)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?cái)[起、放下。并且分析和確定本設(shè)計(jì)的一些參數(shù)， 給出了相關(guān)的參數(shù)， 為后續(xù)的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。向上移動(dòng)的最大角度是 30度。整個(gè)腿有大腿和小腿組成，通過髖關(guān)節(jié)的正交電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了豎直方向的抬起和水平方向的移動(dòng)。其遠(yuǎn)動(dòng)步態(tài)主要仿生的對(duì)象是“六足綱”昆蟲 。 [7] “六足綱 ”昆蟲體的基本組成為軀千、腿部兩部分， 所以 文中涉及的 六足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)也主要由軀千、腿部兩部分組成。這種行走方式使昆蟲可以隨時(shí)隨地停息下來，因?yàn)橹匦目偸锹湓谌侵Ъ苤畠?nèi)。身體左側(cè)的前、后足及右側(cè)的中足為一組，右側(cè)的前、后足和左側(cè)的中足為另一組，分別組成兩個(gè)三角形支架。三角步態(tài) (或交替三角步態(tài)、 3+3步態(tài) )，是 Q =1/2時(shí)的波形步態(tài)，運(yùn)動(dòng)時(shí)六條腿成兩組三角形交替支撐邁步前進(jìn)。 (2 )Q 1 / 2: 機(jī)體移動(dòng)較慢時(shí)，擺動(dòng)相與支撐相有一短暫的重疊過程，即機(jī)體有六條腿同時(shí)著地的狀態(tài)。 由此可以導(dǎo)出行程 R、步距 a和有荷因數(shù) Q之間的關(guān)系式是 R=a*器人，由于要求 Q1/2，所以 tr≤ tp ，即平均速度上限取決于 tr。 回程時(shí)間 tr，指腿在懸空相的持續(xù)時(shí)間。 行 間距，指橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)體前后足對(duì)行程中點(diǎn)的間距。 腿節(jié)距 (leg pitch)，指橫向運(yùn)動(dòng)時(shí)，機(jī)體同一端上相鄰?fù)冗\(yùn)動(dòng)主平面之間的距離。 步距 ( stride length)，指一個(gè)完整的腿循環(huán)中機(jī)體重心移動(dòng)的位置。運(yùn)動(dòng)周期 T指周期步態(tài)中某一腿運(yùn)動(dòng)一個(gè)完整循環(huán)所需要的時(shí)間。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”。 8 第二章 六足仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì) “六 足綱”昆蟲 (蟑螂 ,螞蟻等等 ) 在平坦無阻的地面上快速行進(jìn)時(shí) ,多以交替的三角步態(tài)運(yùn)動(dòng) [1],即在步行時(shí)把六條足分為兩組 ,以身體一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足作為一組 ,形成一個(gè)穩(wěn)定的三角架支撐蟲體 ,因此在同一時(shí)間內(nèi)只有一組的三條足起行走作用 :前足用爪固定物體后拉動(dòng)蟲體前進(jìn) ,中足用以支撐并舉起所屬一側(cè)的身體 ,后足則推動(dòng)蟲體前進(jìn) ,同時(shí)使蟲體轉(zhuǎn)向 ,行走時(shí)蟲體向前并稍向外轉(zhuǎn) ,三條足同時(shí)行動(dòng) ,然后再與另一組的三條足交替進(jìn)行 ,兩組足如此交替地?cái)[動(dòng)和支撐 ,從而實(shí)現(xiàn)昆蟲的快速 運(yùn)動(dòng) ，我們 將這 種步態(tài)定義為“三角步態(tài)” [6]。 完成六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)。對(duì)六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件電路和軟件流程給出詳細(xì)介紹，并進(jìn)行相關(guān)測試，驗(yàn)證整體設(shè)計(jì)方案的正確性和可靠性 . 論文主要內(nèi)容有 : 以自行設(shè)計(jì)的六足仿生機(jī)器人為研究對(duì)象，分析其機(jī)械結(jié)構(gòu)，按照“六 足綱”昆蟲的運(yùn)動(dòng)原理，進(jìn)行步態(tài)分析，確定機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃。 圖 13 DRROB系列高級(jí)機(jī)器人 7 本設(shè)計(jì)的主要工作 機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)跨學(xué)科的綜合系統(tǒng)，涉及很多學(xué)科的知識(shí)。該機(jī)器人以 1個(gè)曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)作為腿部和六足，以 12個(gè)直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。其參數(shù)如表 11 表 11機(jī)器人 Fred Delyn的參數(shù) 參數(shù) 機(jī)器人名稱 國別 尺寸（ M） 長 *寬 *高 各部位比例 髖 *股節(jié) *脛節(jié) 體重 （ KG） Fred Delyn 美國 ** 1:: 11 隨著機(jī)器人技術(shù)的不斷完善，多足機(jī)器人也別運(yùn)用到各個(gè)領(lǐng)域里面，圖 12為 MIT的仿生機(jī)器人，這個(gè)名為 Gengh的機(jī)器人是 MIT于 1989年設(shè)計(jì)并制作的，主要用于火星的不規(guī)則地面 的探測。同時(shí)，在國內(nèi)，中科院沈陽自動(dòng)化研究所、清華大學(xué)、等單位也先后展開了機(jī)器人的研究，并取得了較大的成果。隨后，國內(nèi)外的眾多學(xué)者便開始研究多足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)和控制。 [4