【正文】 在實(shí)際控制時(shí)，可以把式（510）改寫成下式： )1()()。1?F按式（510）進(jìn)行程序編程，就可以求出現(xiàn)行控制量 C(n)的值。由于角度位置反饋量是直接檢測(cè)出來的，無(wú)需公式計(jì)算來求出，故令 )()(sF???則式（56）可寫成： ………（57）)/1()(() 021 SKsRKsC??????為了進(jìn)行離散化,取雙線性變換: 其中:T 為采樣周期。所以， 實(shí)質(zhì)上)(sH?也是一個(gè)比例環(huán)節(jié)： ??KsH?)(其中，K θ 是角度位置反饋環(huán)節(jié)的比例系數(shù)。由于光電編碼器直接把輸出的數(shù)據(jù)送入單片機(jī)。由于光電編碼器的輸入是轉(zhuǎn)速，輸出是角)(5sG度。 是常 數(shù)， ） ；mCaeπ2/PN?S 是拉氏變換算子。所以， SSsG01012 /)/(() ?????? ?K其中： 和 是時(shí)間常數(shù)， 01是比例系數(shù)， 。角度偏差信號(hào) 由比例環(huán)節(jié) 放大之后，再送去下一個(gè)環(huán)節(jié)。角度反饋的結(jié)果和給定值 Rθ進(jìn)行相減，產(chǎn)生角度偏差信號(hào) 。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xliii圖 53 轉(zhuǎn)彎伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖在控制框圖中， 是給定角度值 ， 是角度偏差的比例放大系數(shù)， 是?R1K3KPWM 功率放大器的比例放大系數(shù) ， 是速度環(huán)放大及串聯(lián)校正環(huán)節(jié)，)(2sG?是伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)， 是速度角度變換的傳遞的函數(shù)， 是角)(4sG5 )(sH?度反饋傳遞函數(shù)。故送 C 到 0832，實(shí)際上是把控制量 C 寫入 7000 H 中。在求取控制量之后，應(yīng)馬上送給 0832，產(chǎn)生控制信號(hào)控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，達(dá)到給定的行走速度。確定給定值 Rv ，就是由主計(jì)算機(jī)確定機(jī)器人行走速度之后再發(fā)送給 8051。轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)的單片機(jī)程序框圖如圖 52 所示：程序開始執(zhí)行時(shí)，首先對(duì)單片機(jī)的 I/O 口進(jìn)行初始化。 是常 數(shù)， ） ；mCaePN?S 是拉氏變換算子。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)。圖 51 行走伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖在控制框圖中， 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VRC； K 3 是 PWM 功率放大器的比例放大系數(shù)；G 4(s)是伺服電機(jī)的傳遞函數(shù)。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。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)。②. 光電編碼器接口光電編碼器可以產(chǎn)生 8 位數(shù)據(jù)。1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)2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。 的放大系數(shù)為 1，同時(shí)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(shí)， ；當(dāng) U1 輸出為 5V12時(shí)， 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 和 U2 組成。聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xl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。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。伺服電機(jī)用 PWM功率放大器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。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。 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)。實(shí)際上， 的輸出電壓 V 為：2 2U = V2UV1其中， 是運(yùn)算放大器 的輸出電壓。由于 VREF =5V，所以 輸出的電壓時(shí) 0～ 5V。電流從 I1 輸出由 U1 運(yùn)算放大器處理之后輸出的電壓為 –VREF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。D/A 轉(zhuǎn)換器 0832 作為單片機(jī) 8051 的一個(gè)存儲(chǔ)單元。()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xxxix單片機(jī)和 PWM 功率放大器的接口也就是控制量輸出接口。它的結(jié)構(gòu)可參考附錄 2。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。它由單片機(jī) 805伺服電機(jī)及其接口電路組成。]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)。以下將進(jìn)行行走控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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。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。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)。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。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。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。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。串行 I/O 接口可以以全雙工方式工作。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)。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。并行 I/O 接口有 P0、PP2 和 P3 共四個(gè)，他們都是 8 位并行端口。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)。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 TMPTMP2 等。 8051 的結(jié)構(gòu)8051 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 45 所示。8051 的主要特點(diǎn) 如下：]16[? 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xxxvi? 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。他的性能比早期的MCS48 要好得多。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。對(duì)應(yīng)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的內(nèi)容，行走機(jī)構(gòu)開環(huán)控制，不使用傳感聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxxv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。 傳感器傳感器俗稱“電五官” ，是機(jī)器人的感官系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)因?yàn)闆]有涉及智能開發(fā)，相應(yīng)的眾多傳感器也不能確定。4. 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)所指的控制系統(tǒng)是行走控制系統(tǒng)。轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)副三維實(shí)體模型如下圖 323 所示：聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxxiv圖 323 萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)副三維實(shí)體模型圖 供電電源為了滿足伺服電機(jī)的供電要求，以及機(jī)器人移動(dòng)的便捷性，可選擇蓄電池作為機(jī)器人的供電電源。根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析得知，為了達(dá)到這一目的，必須滿足一下兩個(gè)條件 ：]15[（1）第一萬(wàn)向節(jié)兩軸間的夾角與第二萬(wàn)向節(jié)兩軸間的夾角相等。如下圖 322 所示深溝球軸承的三維實(shí)模型圖：322 深溝球軸承三維模型圖 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的傳動(dòng)設(shè)計(jì)本課題提出的一種新型的轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種與之相配合的萬(wàn)象傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，能夠很好的使轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)運(yùn)作。綜上所述，對(duì)于四足機(jī)器人而言，將以摩擦力矩和旋轉(zhuǎn)精度作為主要的衡量標(biāo)準(zhǔn)來選取軸承。在為本課題的四足行走機(jī)器人選擇軸承時(shí)，還要重視下面兩個(gè)因素：（1）由于微小型系統(tǒng)自身的能量非常有限，如果能夠通過選取合適的軸承聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxxiii來減小摩擦力矩、降低系統(tǒng)的能耗，這對(duì)節(jié)省機(jī)器人總系統(tǒng)彌足珍貴的能量是十分有利的，同時(shí)也提高了機(jī)器人的工作效率。不同結(jié)構(gòu)的軸承具有不同的工作特性，不同的使用場(chǎng)合和安裝部位對(duì)軸承的結(jié)構(gòu)和性能也有不同的要求。圖 321 錐齒輪傳動(dòng)副三維實(shí)體模型 軸承的選擇四足行走機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是靠運(yùn)動(dòng)副（關(guān)節(jié)）的正常工作來實(shí)現(xiàn)的，因此運(yùn)動(dòng)副的摩擦性能對(duì)機(jī)器人的工作性能影響很大。如下圖 320 所示為一級(jí)直齒齒輪傳動(dòng)副的三維實(shí)體模型：聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxxii圖 320 一級(jí)直齒齒輪傳動(dòng)副的三維實(shí)體模型需要指出四足步行機(jī)器人傳動(dòng)系統(tǒng)選用錐齒輪 傳動(dòng)副主要出于以下考慮,一方面用于相互垂直的軸線間的運(yùn)動(dòng)傳遞，以改變電機(jī)輸出運(yùn)動(dòng)的方向；另一方面錐齒輪的傳動(dòng)具有運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、誤差小、噪聲小等特點(diǎn)，但同時(shí)考慮到設(shè)計(jì)及其加工制造的因素，故采用直齒錐齒輪進(jìn)行傳動(dòng)。180 r/min轉(zhuǎn)矩：7 mNm外形尺寸：總長(zhǎng) 96 mm,外徑 55 mm,軸徑 6 mm聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文xxxi圖 318 行走機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖轉(zhuǎn)彎伺服系統(tǒng)可使用功率更小的電機(jī)。=15tg230 186。 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的系統(tǒng)。而一旦有經(jīng)驗(yàn)的銷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)品是維修還是開發(fā)生產(chǎn)，預(yù)計(jì)批量。 電機(jī)的選擇為了滿足四足機(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xxix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，它通過直接或間接轉(zhuǎn)動(dòng)腿部的各關(guān)節(jié)來改變機(jī)器人的姿態(tài)。而一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)通過外觀線型的塑造、細(xì)節(jié)的刻畫、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 。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： 01EBenL?????……………………………………(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?rùn)C(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 0122eaB?????………………………………(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， ………………………………………………(7)12()bhsE??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： …………………………………………………(2)??12hrn??????令 β 為轉(zhuǎn)彎角（轉(zhuǎn)彎時(shí)機(jī)體的圓周角） ，則 …………………………………………………… (3)??1n????那么，脊柱彎曲控制函數(shù)為：