【正文】 ,4,103,104,105,102,15)。*/ /*to_pos1(2,5,105,65,15)。 to_pos4(0,1,3,4,5,106,109,108,105,94,18)。 //偏右 to_pos1(2,5,89,95,a)。 to_pos4(0,1,3,4,5,108,109,108,105,94,16)。 to_pos1(2,5,89,95,a)。*/ } void second_step20(){ to_pos1(2,5,103,60,a)。 to_pos4(0,1,3,4,2,70,70,70,68,89,12)。 //偏右 to_pos1(2,5,89,95,a)。 to_pos4(0,1,3,4,2,64,63,70,68,90,b)。 to_pos1(2,5,92,93,15)。//107 to_angle(2,89,1)。//7068 to_pos1(2,5,89,95,13)。 /* to_pos1(2,5,60,105,13)。//6870 // to_pos3(0,1,3,4,70,68,68,68,13)。}} void first_step1(){ to_pos1(2,5,60,106,a)。inumber。void setup(){ int i。int tm=10。int pos1=90,pos2=90,pos3=90 ,pos4=90,pos5=90,pos6=90,k=0。:83115[13] 蹼良貴,[M].高等教育出版社. 1996:126148[14] 余達(dá)太,[M].冶金工業(yè)出版社. 2003:7895[15] 蔡白興,機(jī)器人學(xué)[M].:168245[16] 劉鴻文,材料力學(xué)[M].:5568附錄(1) .主板電路圖(2). 程序清單include define number 6 define first 4MegaServo servo[number]。這就要求細(xì)致的焊接板子，防止一切斷路和短路情況的發(fā)生。為了讓設(shè)計(jì)出的機(jī)器人完成預(yù)定的行走，下蹲、倒地、起身、前滾翻、后滾翻等動(dòng)作，在設(shè)計(jì)和調(diào)試過程中會(huì)遇到一些問題，我們就需要針對(duì)其穩(wěn)定性，平衡性，易調(diào)性，避障性，干擾等方面進(jìn)行簡(jiǎn)要分析和改進(jìn)。具體內(nèi)容包括：(1).通過分析國(guó)內(nèi)外雙足機(jī)器人的樣機(jī)研制狀況和理論研究水平，掌握國(guó)內(nèi)外雙足機(jī)器人的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)，明確了雙足步行機(jī)器人的研究意義，確定課題的研究方向和研究?jī)?nèi)容。我國(guó)雙足機(jī)器人研究重點(diǎn)放在大型的雙足步行機(jī)器人上，為此，研制開發(fā)能夠參加國(guó)際性比賽的雙足步行機(jī)器人，提高我國(guó)雙足機(jī)器人理論研究和樣機(jī)研制水平，特別是機(jī)構(gòu)學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)等基礎(chǔ)理論的研究水平，為國(guó)爭(zhēng)光，十分有意義。ASIMO、SDR4X的研制成功標(biāo)志著雙足步行機(jī)器人已經(jīng)從研究領(lǐng)域邁進(jìn)了家用領(lǐng)域。圖20 行走程序流程圖通過程序的編寫和聯(lián)機(jī)調(diào)試并最終在場(chǎng)地上行走，機(jī)器人能夠很好的完成所設(shè)定的任務(wù)，當(dāng)加入適當(dāng)?shù)恼系K物時(shí)，機(jī)器人也能夠檢測(cè)到并最終避開障礙物完成設(shè)計(jì)任務(wù)。行走的各階段都有其標(biāo)志位，當(dāng)進(jìn)入行走子程序時(shí)，開始判斷此時(shí)要執(zhí)行的動(dòng)作是前進(jìn)、向前翻還是向后翻，判斷完后執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作并返回主程序并繼續(xù)檢測(cè)障礙物。傳感器檢測(cè)的狀態(tài)和要執(zhí)行如何避障的策略見避障子程序流程圖，如圖19所示。其主程序流程圖見圖18所示。當(dāng)系統(tǒng)開始后進(jìn)行初始化，機(jī)器人呈現(xiàn)立正狀態(tài)。程序設(shè)計(jì)采取模塊化設(shè)計(jì)思想，按照?qǐng)D18示的流程圖，每個(gè)模塊完成各自指定的功能。 進(jìn)行熔絲位設(shè)置時(shí)應(yīng)注意一些問題：(1) 在SPI 串行編程模式下SPIEN 熔絲位不可訪問；(2) CKOPT 熔絲功能由CKSEL 位設(shè)置決定；(3) BOOTSZ10 默認(rèn)為最大Boot 大小 ；(4) 當(dāng)對(duì)RSTDISBL熔絲位編程，并行編程使用其他熔絲位或執(zhí)行其他編程模式；(5) 對(duì)于默認(rèn)時(shí)鐘源，SUT10的默認(rèn)值給出最大的啟動(dòng)時(shí)間；(6) CKSEL30的默認(rèn)設(shè)置導(dǎo)致了片內(nèi)RC振蕩器運(yùn)行于1MHz CKOPT、 為系統(tǒng)時(shí)鐘配置（包括喚醒脈沖和復(fù)位延時(shí)時(shí)間選擇設(shè)定）熔絲位。創(chuàng)建、命名、保存后，對(duì)熔絲位進(jìn)行設(shè)置。(9) 采用Atmega16820PI/PU，最新的Arduino 2009支持Atmega32820PI/PU。5V～12V DC外部供電。(6) 支持6組PWM端子(Pin11,Pin10,Pin9,Pin6,Pin5,Pin3)。支援TX/RX端子。（5個(gè)模擬輸入口AI）(3) 支持USB接頭傳輸數(shù)據(jù)及供電(不需額外電源)。Arduino管腳說明：(1) Digital I/O數(shù)字式輸入/輸出端共1～13?？珊?jiǎn)單地與感測(cè)器，各式各樣的電子元件連接(EX:紅外線，超音波，熱敏電阻，光敏電阻，伺服馬達(dá)，…等)支援多樣的互動(dòng)程式(EX: Macromedia Flash、Max/Msp、VVVV、PD、C、Processing、等)，使用低價(jià)格的微處理控制器(ATMEGA 8168) NT$120~NT$150，USB介面，不需外接電源，另外有提供9VDC輸入Arduino可使用ICSP線上燒入器，將[bootloader]燒入新的IC晶片。基于創(chuàng)用CC開放原始碼的電路圖設(shè)計(jì)，基于創(chuàng)用CC開放原始碼的程式開發(fā)環(huán)境Arduino具有自己的編程語言，它是基于Processing的多媒體編程環(huán)境Wiring（另一個(gè)非常類似的物理計(jì)算平臺(tái)）的一種實(shí)現(xiàn)。Arduino能夠被用來進(jìn)行交互式對(duì)象（interactive object） 的開發(fā)，例如從一組開關(guān)或者傳感器中獲得用戶輸入，或是控制一組燈光、馬達(dá)或其他物理輸出設(shè)備。圖16 系統(tǒng)整體電路圖5 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)為了實(shí)現(xiàn)模型樣機(jī)的實(shí)驗(yàn)調(diào)試，在硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，通過對(duì)實(shí)際機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制理論研究，規(guī)劃了一套簡(jiǎn)便的調(diào)試方案以驗(yàn)證樣機(jī)設(shè)計(jì)的合理性，并進(jìn)行對(duì)預(yù)訂步態(tài)的相應(yīng)關(guān)節(jié)控制調(diào)試和可行性驗(yàn)證。但其平均運(yùn)動(dòng)速度可通過分段停頓的控制方式來改變，例如，需要讓舵機(jī)的輸出端從目前的A位置轉(zhuǎn)到B位置，可以在兩個(gè)位置之間，選取n個(gè)中間位置（C、D、E、F、G……），然后，讓舵機(jī)從A開始，經(jīng)過CDEFG……最終轉(zhuǎn)到B；通過選取中間位置的數(shù)量和每個(gè)位置的停頓時(shí)間，可以比較準(zhǔn)確地控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)速曲線。一般舵機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)的脈沖寬度之間的關(guān)系可用下圖15所示。一個(gè)微型伺服馬達(dá)是一個(gè)典型閉環(huán)反饋系統(tǒng)，其原理可由下圖14所示：圖14 舵機(jī)的工作原理示意圖 減速齒輪組由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其輸出端帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器作位置檢測(cè)，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制單元，控制單元將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，從而達(dá)到舵機(jī)精確定位的目的。一個(gè)舵機(jī)內(nèi)部包括了一個(gè)小型直流馬達(dá)、一組變速齒輪組、一個(gè)反饋可調(diào)電位器和一塊電子控制板。MG945參數(shù)如表1所示。因此在綜合了開銷，性能等一系列因素后我們選擇了MG945。圖13 紅外避障傳感器 舵機(jī)選型本設(shè)計(jì)所選舵機(jī)為輝盛公司生產(chǎn)的12公斤大扭力全金屬齒輪舵機(jī)。圖12紅外傳感器檢測(cè)過程如下圖13所示，CKr是單片機(jī)輸出的38KHz的方波（使用其硬件PWM），通過調(diào)節(jié)PWM的占空比，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)感知障礙物距離的功能。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖11所示。主芯片通過10路PWM控制雙足共10個(gè)伺服舵機(jī)完成行走和前后翻動(dòng)作，并利用紅外避障傳感器實(shí)現(xiàn)避障功能。圖10 電源電路(7) 整體電路結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。 包裝：為了 220或TO 263。 保護(hù)裝置：熱停機(jī)和電流限制。 所需外部元件：僅四個(gè)（不可調(diào)）或六個(gè)（可調(diào)）。 工作模式控制：TTL電平兼容。 工作模式：低功耗/正常模式，可以是外部的控制。178。178。178。178。178。178。LM2576的特點(diǎn)：178。端口也可以用做其他不同的特殊功能。作為輸入使用時(shí)，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電 路拉低時(shí)將輸出電流。除端口G之外其余端口為8 位雙向I/O 口，并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。圖9 USB下載接口電路(5) 各種I/O接口Arduino MEGA控制板包括數(shù)字I/O接口，ADC模擬量接口，PWM接口，通信接口。(4) USB下載模塊Arduino MEGA控制板采用USB下載方式，通過FT232RL芯片與主芯片進(jìn)行通信連接及程序的下載，實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)串口功能。ISP是Flash存儲(chǔ)器的固有特性（通常無需額外的電路），F(xiàn)lash幾乎都采用這種方式編程。(3) ISP下載模塊ISP(insystem programming，在線系統(tǒng)編程)，是指電路板上的空白器件可以編程寫入最終用戶代碼，而不需要從電路板上取下器件，已經(jīng)編程的器件也可以用ISP方式擦除或再編程。通過MXTAL1和MXTAL2與主芯片相連接。Arduino軟件可以直接進(jìn)行C/C++語言程序開發(fā)，繞開了復(fù)雜難懂的匯編，從而可以進(jìn)行更有效率的系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)工作。下圖8為ATmega1280實(shí)物圖。在更新應(yīng)用Flash存儲(chǔ)器時(shí)引導(dǎo)Flash區(qū)的程序繼續(xù)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)RWW操作。片內(nèi)ISP Flash可以通過SPI接口、通用編程器或引導(dǎo)程序多次編程。 Standby模式時(shí)振蕩器工作而其他部分睡眠，使得器件只消耗極少的電流，同時(shí)具有快速啟動(dòng)能力；擴(kuò)展Standby模式則允許振蕩器和異步定時(shí)器繼續(xù)工作。 ADC噪聲抑制模式時(shí)PU和所有的I/O模塊停止運(yùn)行，而異步定時(shí)器和AD繼續(xù)工作，以減少ADC轉(zhuǎn)換時(shí)的開關(guān)噪聲。 六種可以通過軟件選擇的省電模式。178。178。178。178。178。178。(1) 主芯片Arduino MEGA控制板采用的是Atmega1280 [9]AVR芯片（如圖7所示），圖7 Atmega1280內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖該芯片具有如下特點(diǎn)：178。但是，由于厚度不確定性和絕緣性能的未知性，整個(gè)板表面都覆蓋阻焊材料將會(huì)導(dǎo)致微帶設(shè)計(jì)中的電磁能量的較大變化。這種電鍍表面能為高頻電流提供更好的趨膚效應(yīng)此外，這種高可焊涂層所需引線較少，有助于減少環(huán)境污染。要采用模壓孔將這些接地層連接起來防止3維電磁場(chǎng)對(duì)電路板的影響。如一個(gè)20層板上的一個(gè)過孔用于連接1至3層時(shí)，引線電感可影響4到19層。高頻環(huán)境下，最好使用表面安裝組件。對(duì)布線(導(dǎo)線)幾何形狀和涂層表面進(jìn)行總體管理，對(duì)解決與微波頻率相關(guān)的趨膚效應(yīng)問題及實(shí)現(xiàn)這些規(guī)范相當(dāng)重要。 (3) 要完善有關(guān)高精度蝕刻的PCB設(shè)計(jì)規(guī)范。 (2) 要采用絕緣常數(shù)值按層次嚴(yán)格受控的高性能絕緣電路板。進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)時(shí)的技巧和方法如下： (1) 傳輸線拐角要采用45176。圖6 主控制板為了滿足對(duì)機(jī)器人主控制平臺(tái)的需求，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于Arduino開發(fā)平臺(tái)的機(jī)器人主控制板。 4 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 主控制板主板選用南陽理工學(xué)院自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室自行開發(fā)的Arduino MEGA控制板，該主板是以ATmega1280單片機(jī)微控制器為核心,包括電源模塊、USB下載模塊、ISP下載模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、外部晶振以及各種I/O接口。根據(jù)機(jī)器人自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在行走時(shí)采用“平行步態(tài)[7]”，如圖所示。從上圖可以看出在一個(gè)完整的步態(tài)周期里包括了兩個(gè)雙支撐和兩個(gè)單支撐時(shí)間段，雙支撐占20%個(gè)周期，單支撐占80%個(gè)周期。在腳面抬起高度為0的情況下，膝關(guān)節(jié)的軌跡由步幅唯一決定，而步幅和步速則可唯一確定出髖關(guān)節(jié)的軌跡，其步態(tài)周期圖如圖5所示。 步態(tài)規(guī)劃的流程圖如圖4所示。主要討論整步的軌跡計(jì)算。機(jī)器人所在的空間坐標(biāo)系如圖3 所示 。當(dāng)機(jī)器人沿著直線往前走時(shí)，由于只考慮前向運(yùn)動(dòng)，雙腳和 腰部在側(cè)方向( y軸)上的位置是不變的，因?yàn)樵O(shè)定條件為機(jī)器人在水平地面行走，且腳面抬起高度為0，所以z軸位置不變。在計(jì)算各關(guān)節(jié)軌跡之前，首先要建立機(jī)器人所在的空間坐標(biāo)系。所以本文將采用第二種方法，結(jié)合三次樣條插值和機(jī)器人的逆運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃進(jìn)行機(jī)器人步態(tài)的參數(shù)化設(shè)計(jì)。相比前一種方法，后一種可以較快地得到規(guī)劃結(jié)果。實(shí)現(xiàn)方法有兩種:a. 計(jì)算出理想的ZMP軌跡，然后推導(dǎo)出各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)函數(shù)以實(shí)現(xiàn)理想行走。根據(jù)能耗最小原則可以建立一個(gè)變分方程，并最終得到機(jī)器人的軌跡方程。(2) 基于能量原理的規(guī)劃方法這種方法來源于一個(gè)生物學(xué)假設(shè):人經(jīng)過千百萬年的進(jìn)化，其行走方式是能量消耗最低的，而且還能保持步行的穩(wěn)定性。機(jī)器人的穩(wěn)定性問題一直是困擾兩足步行機(jī)器人發(fā)展的重要問題，由于各個(gè)關(guān)節(jié)間的藕合作用，很難設(shè)計(jì)出理想的ZMP軌跡[5]。關(guān)鍵之就在于所規(guī)劃的軌跡必須滿足零力矩點(diǎn)（ZMP）穩(wěn)定條件，否則，機(jī)器人不能穩(wěn)定步行步態(tài)規(guī)劃要解決的問題主要有:1. 保證機(jī)器人本體不和環(huán)境或者自身發(fā)生干涉,從而導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)預(yù)定的軌跡。對(duì)于關(guān)節(jié)空間軌跡規(guī)劃，規(guī)劃數(shù)生成的值就是關(guān)節(jié)量，而直角坐標(biāo)空間軌跡規(guī)劃函數(shù)生成的值是機(jī)器人末端執(zhí)行器位姿，它們需要通過求解逆運(yùn)動(dòng)學(xué)方程才能轉(zhuǎn)化為關(guān)節(jié)量。實(shí)際上，所有用于節(jié)空間軌跡規(guī)劃的方法都可用于直角坐標(biāo)空間的規(guī)劃。顯然，對(duì)于指定的像直線運(yùn)動(dòng)那樣的徑，必須在直角坐標(biāo)空間內(nèi)進(jìn)行規(guī)劃，才能生成直線。直角坐標(biāo)空間的軌跡規(guī)劃比較實(shí)用和直觀，可以得到一條可控且可預(yù)知的路徑，人們很容易看到機(jī)人末端執(zhí)行器的軌跡，但計(jì)算復(fù)雜不易規(guī)劃。步態(tài)規(guī)劃[4]工作既可以在關(guān)節(jié)空間內(nèi)也可以在直角坐標(biāo)空間內(nèi)進(jìn)行，無論在哪個(gè)空都有很多不同的規(guī)劃方法。測(cè)距范圍較近，大致為30cm以內(nèi)。由于這些儀器測(cè)量光的差異，它們受環(huán)境的影響非常大，物體的顏色