【正文】 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；Ra。 這 個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)開(kāi)環(huán)系統(tǒng)。 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。光電編碼器輸出的 8 位數(shù)據(jù)從 8051 的 P1 端口輸入。它的分辨率時(shí) 。 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。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。由于 VREF =5V，所以 1U 輸出的電壓時(shí) 0～ 5V。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。不過(guò)在寫(xiě) 0832 時(shí)，要執(zhí)行兩次寫(xiě)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。 D/A 轉(zhuǎn)換器 0832 作為單片機(jī) 8051 的一個(gè)存儲(chǔ)單元。 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。它的結(jié)構(gòu)可參考附錄 3。單片機(jī)輸出的數(shù)字控制信號(hào)通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換器 0832 之后轉(zhuǎn)換成0～ 5V的模擬信號(hào)，再通過(guò)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。 光電編碼器是一個(gè) 8位的編碼器，位置檢測(cè)精度為 。 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。 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。 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 +。 D/256，其中 D 是輸入 0832 總的數(shù)據(jù)。在圖 47所示系統(tǒng)中， 0832 接成電流開(kāi)關(guān)方式工作狀態(tài)，故轉(zhuǎn)換的結(jié)果是電流量。 C S為片選信號(hào)輸入端，當(dāng) =1 時(shí)，可選中 0832，利用寫(xiě)操作可把控制數(shù)據(jù)從單片機(jī)送入 0832 中。這個(gè)接口由 083運(yùn)算放大器 U1 和 U2組成。 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。 PWM 功率放大器由三角波發(fā)生器、比較器以及橋式開(kāi)關(guān)功率放大電路組成。 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)。 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)）。 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。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(kāi)始對(duì)低 8 位計(jì)數(shù)。無(wú)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。方式 3 和 方式 2 基本一樣，只是在方式 3 中，波特率可改變。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。串行 I/O 口有四種工作方式。 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(shuō)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(xiě)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。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(lèi)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。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。串行 I/O口占用并行 I/O口 P3的 和 兩位。 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。 P1 是一個(gè)純 I/O 口，他只用于數(shù)據(jù)的輸入輸出。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。他和 ALU 部件形成了 8051 的 CPU。 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。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。 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： 。 是生產(chǎn)過(guò)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 的性能 8051是 Intel公司 MCS51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品。 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。 本設(shè)計(jì)僅就行走控制系統(tǒng)及轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì)，因此須為其選定相應(yīng)的傳感器。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(gè)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(jì)將伺服電機(jī)歸入機(jī)械系統(tǒng)）。 在蓄電池中，由于鎘鎳堿性蓄電池具有放電率大、耐惡劣環(huán)境、貯存和循環(huán)壽命長(zhǎng)、使用和維護(hù)簡(jiǎn)單、價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn)，而成為本機(jī)器人系統(tǒng)供電電源的首選。 （ 2）第一萬(wàn)向節(jié)從動(dòng)叉的平面與第二萬(wàn)向節(jié)主動(dòng)叉的平面處于同一個(gè)平面中（本條的實(shí)現(xiàn)完全可以由傳動(dòng)軸和萬(wàn)向節(jié)叉的正確裝配來(lái)保證）。本文選擇的是雙十字萬(wàn)向節(jié)，起運(yùn)動(dòng)特性為第一萬(wàn)向節(jié)的不等速效應(yīng)有可能被第二萬(wàn)向 節(jié)的不等速效應(yīng)所抵消，從而實(shí)現(xiàn)兩軸之間的等角速傳動(dòng)。由于考慮到安裝的精度問(wèn)題，因此 本課題中的軸承 選用深溝球軸承。 （ 2） 對(duì)四足行走機(jī)器人的控制需要完成預(yù)定的運(yùn)動(dòng)以外，還要求達(dá)到規(guī)定的定 位精度，但加工、制造、安裝及使用過(guò)程中存在的各種偏差都會(huì)影響機(jī)器人各控制任務(wù)的執(zhí)行。選擇軸承時(shí)，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(yùn)轉(zhuǎn)精度和疲勞壽命等方面進(jìn)行綜合考慮。采用什么樣的軸承，提供什么樣的潤(rùn)滑，如何保持良好的工作條件，這些都對(duì)機(jī)器人的正常工作起著非常重要的作用 。如下圖 321所示錐齒輪傳動(dòng)副三維實(shí)體模型。m 重量： ≤ 200 g 外形尺寸：總長(zhǎng) mm,外徑 30 mm,軸徑 6 mm 圖 319 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖 傳動(dòng)設(shè)計(jì) 步行四足機(jī)器人根關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置為電機(jī) +齒輪減速，根關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)有一級(jí)齒輪進(jìn)行減速，而髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置中除了采用上述的減速外，還增加了一級(jí)錐齒輪傳動(dòng)，將經(jīng)減速器主軸傳出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變方向，使得傳動(dòng)的輸出軸線和腿部中心線重合，以適應(yīng)四足行走機(jī)器人腿部細(xì)長(zhǎng)的外形結(jié)構(gòu)。查參考文獻(xiàn)【 14】可得 30SZWT 型永磁直流穩(wěn)速電動(dòng)機(jī)滿(mǎn)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。 =(w) 功率： 40 W 電壓： 24 V 電流： A 轉(zhuǎn)速： 3000 r/min 轉(zhuǎn)矩： N178。179。 =15179。 的坡行走。因此，主電機(jī)容量只能按如下方法估計(jì)： 從本課題設(shè)計(jì)的機(jī)器人的外形和材料（硬質(zhì)塑料）來(lái)看，機(jī)器人的重量大概為 15 kg。這些非技術(shù)因素也是完美方案的一個(gè)不可缺少的部分。如果可能，推算一下電機(jī)在正常工作速度范圍內(nèi)所需的力矩 。 電機(jī)的負(fù)載情況。電機(jī)在不同的機(jī)器中工作狀況大不相同，因此需要選擇不同種類(lèi)的系統(tǒng)。而一旦有經(jīng)驗(yàn)的銷(xiāo)售工程師了解到您的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，他可以為您提供整套系統(tǒng)配搭的方案，保證系統(tǒng)的完美組合。絲杠導(dǎo)程的選取，齒輪的傳動(dòng)比，皮帶輪的直徑，除了考慮機(jī)械結(jié)構(gòu)的緊湊，還應(yīng)與電機(jī)與控制方案聯(lián)合考慮。 電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的配合結(jié)構(gòu)。但在多種影響因素中，主要的因素有以下幾點(diǎn)： 電機(jī)用于何種產(chǎn)品，做何種驅(qū)動(dòng)，該產(chǎn)品是維修還是開(kāi)發(fā)生產(chǎn)，預(yù)計(jì)批量。 電機(jī)的選擇 為了滿(mǎn)足四足機(jī)器人行走時(shí)的各項(xiàng)要求，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇至關(guān)重要，它與機(jī)器人運(yùn)動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)、控制硬件的配置、電源能量的消耗、系統(tǒng)控制的效果都有很大的關(guān)系。機(jī)器狗的外形如圖 317 所示： 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxx 圖 317 機(jī)器狗的外形設(shè)計(jì)圖 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在仿生機(jī)器人中的作用相當(dāng)于生物的肌肉，它通過(guò)直接或間接轉(zhuǎn)動(dòng)腿部 的各關(guān)節(jié)來(lái)改變機(jī)器人的姿態(tài)。而一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)通過(guò)外觀線型的塑造、細(xì)節(jié)的刻畫(huà)、色調(diào)品味等元素的共性化處理，在人們的心目中會(huì)建立起風(fēng)格和特色鮮明的一個(gè)形象 ]12[ 。由于彈性腱比較復(fù)雜，使用的 腱均為剛性腱。然而， 為了使機(jī)器人在不轉(zhuǎn)彎時(shí)也能調(diào)整步長(zhǎng) ，可 用 三 部伺服電機(jī) 控制， 一部控制脊柱中的腱 (h h2)， 另外兩部電機(jī)分別控制左右兩側(cè)的髖關(guān)節(jié)偏距 E。 故， 步長(zhǎng)控制函數(shù) 為： 01 EBne nL?? ? ?? ?????????????? (13) 由上述理論分析可以設(shè)計(jì)出相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)，在 PRO/E 中建立三維模型的各個(gè)零件，然后通過(guò)建立組件（ ASM 文件即 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的總裝圖）可以看到組成后的轉(zhuǎn)彎聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxix 機(jī)構(gòu)。 假設(shè)外側(cè)腿髖關(guān)節(jié)偏距的增量與內(nèi)側(cè)腿髖關(guān)節(jié)偏距的減少量相等，即 012022EeE aBE E e a B???? ???? ? ? ???????????? (9) 其中， E0— 正常行走時(shí)髖關(guān)節(jié)偏距； Δ e— 髖關(guān)節(jié)偏距增量。 又， 12()b h hs E?? ?????????????????? (7) 其中， b— 圖 3 中關(guān)節(jié) A 到關(guān)節(jié) O1的距離； h1— 小腿長(zhǎng)； h2— 大腿長(zhǎng)； E— 髖關(guān)節(jié)偏距。 ， 則： ? ?? ?121 1h r nh r n ??? ? ?? ? ? ?? ??????????????????? (2) 令 β 為轉(zhuǎn)彎角（轉(zhuǎn)彎時(shí)機(jī)體的圓周角），則 ? ?1n???? ???????????????????? (3) 那么， 脊柱彎曲控制函數(shù)為： ?12hr????? ???????????????????? (4) (2) 步長(zhǎng)控制函數(shù) 當(dāng)機(jī)體按圖 5 所示 軌跡轉(zhuǎn)彎時(shí)， 有： 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxvii 圖 314 機(jī)器人機(jī)體轉(zhuǎn)彎軌跡 1222aBRaBR ??? ????? ??? ???????????????????? (5) 其中， B— 左右兩腿足端距離（體寬）； θ — 軌跡對(duì)應(yīng)的一節(jié)脊骨的偏角。 若轉(zhuǎn)彎角不超過(guò) 45176。 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxv 由公式（ 6）只能得到膝關(guān)節(jié)凸輪的理論輪廓曲線，實(shí)際輪廓曲線是以理論輪廓曲線上各點(diǎn)為圓心、以滾輪半徑為半徑的一族圓的內(nèi)包絡(luò)線。 所以，凸輪輪廓線方程為： 即得凸輪輪廓線上的點(diǎn)的直角坐標(biāo)值 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxiv 其中： 由于式 (4)中有