【正文】 f actor)的大小可分為 3種情況 : (1 )Q = 1 /2 : 在三擺動腿著地的同時，另外三支撐腿立即抬起，即任意時刻同時具有支撐相和擺動相。 (3 )Q 1/ 2: 機體移動較快時，六條腿有同時為擺動相的時刻，即六條腿同時在空中，處于騰空狀態(tài)，顯然此交替過程要求機體機構(gòu)具有彈性和消振功能，否則難以實現(xiàn)?！傲憔V”昆蟲 (蟑螂 、螞蟻等 )步行時，一般不是六足同時直線前進，而是將三對足分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)交替前行。當(dāng)一組三角形支架中所有的足同時 提起時，另一組三角形支架的三只足原地不動，支撐身體，并以其中足為支點，前足脛節(jié)的肌肉收縮，拉動身體向前，后足脛節(jié)的肌肉收縮，將蟲體往前推，因此身體略作以中足為支點的轉(zhuǎn)動，同時蟲體的重心落在另一組“三角形支架”的三足上，然后再重復(fù)前一組的動作，相互輪換周而復(fù)始。這就是典型的三角步態(tài)行走法，其行走軌跡并非是直線，而是呈“之”字形的曲線前進。 該 機器人 的每 個腿有 2個舵機組成，共 12個舵機。 本設(shè)計的機器人的相關(guān)參數(shù)如下 表 ： 表 21 本設(shè)計機器人相關(guān)參數(shù) 機器人 自重 尺寸（ MM） 長寬高 負重 自由度 前進速度 310*279*135 12 驅(qū)動方式 工作電壓 步長 轉(zhuǎn)角 越障高度 直流伺服 六足仿生機器人的實物如圖 21所示： 10 圖 21 本設(shè)計的六 足仿生機器人 六足仿生機器人就結(jié)構(gòu)來說是腿部最為復(fù)雜， 它的六條腿是完全根據(jù)仿生學(xué)而設(shè)計的，腿部的比例是要有特定數(shù)值的。并且腿部向前移動的最大角度是 45度，向后移動的最大角度也是 45度。 機器人腿部的實物如圖 22所示： 圖 22機器人腿部實物 本章小結(jié) 本章主要分析了“六足綱”昆蟲的遠動步態(tài)以及原理。 11 第三章 六足仿生機器人的步態(tài)分析和設(shè)計 六足步行機器人的步態(tài)是多樣的，其中三角步態(tài) (或交替三角步態(tài)、 3+3步態(tài) )步態(tài)是六足步行機器人實現(xiàn)步行的典型步態(tài) [8]。六足步行機器人 腿部分組圖簡圖 如圖 31所示。 圖中 5 腿為 A 組；并用實線表示 。 六足步行機器人坐標(biāo)定義 六足步行機器人機械簡圖如圖 32所示，定義地面坐標(biāo)系 O? 及 XOY與機身平行， Z軸與機身垂直 :機身坐標(biāo)系 O? ，坐標(biāo)原點與機器質(zhì)心重合。 圖 32 機器人腿部坐標(biāo)示意圖 Z Y X A B C F E D O Ai Di n 2m Bi Ci Ei Fi 1 2 3 4 6 5 圖 31 腿部組圖簡圖 12 六足步行機器人腿部機械簡圖如圖 32所示，定義腿部 X軸投影長為 L，腿高度為 H，大腿與小腿夾角為 ? ,髖 關(guān)節(jié)在 Z軸旋轉(zhuǎn)角度為 ? ,髖 關(guān)節(jié)在 Y軸旋轉(zhuǎn)角度為 ? 。由圖 3 3 ( b)可得六足步行機器人 髖 關(guān)節(jié)電機向前旋轉(zhuǎn) ? 角度時，立足點 A在 Y方向前進半步長 S/2，六足步行機器人腿部 Y方向前進步 長計算 結(jié)果： sin2S L ?? 由表達式 (32)，可以確定散關(guān)節(jié)電機向前旋轉(zhuǎn) Y1角度與立足點 Ai在 Y方向前進半步長? ? L H (a) X 軸 Z 軸 O Ai A Y 軸 X 軸 O A ? (b) h S/2 L 圖 33 腿部簡圖 (31) （ 32） 13 S/2的定量關(guān)系，當(dāng) ? 較小時，可設(shè)旋轉(zhuǎn) ? 角度后腿部在 X軸上的投影長度近似為 L。站立點 B、 D、 F及質(zhì)心 O在地面坐標(biāo)系 X0Y 平面內(nèi)投影為點 B D F1和 O1。在實際控制中，要合理選擇機器人的跨步和轉(zhuǎn)角，以保證點 O1 落在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。 Z Y X A B C F E D B1 F1 D1 O1 O A1 B1 14 圖中 ， 設(shè) A、 B、 C在 XOY平面坐標(biāo)為 :A( Xl,Yl)、 B( X2,Y2)、 C( X3,Y3 )， OM、 ON,OP為原點到直線 AB,BC,CA的垂線，設(shè) d1=0M , d2=ON ,d3=OP 則 dl,d2,d3為機器人質(zhì)心投影與支撐三角形各邊的距離。 則六足機器人以三角步態(tài)行走時，其最小穩(wěn)定裕量判據(jù)為 d=min{dl， d2， d3} X Y P M N O1 圖 35 三角步態(tài)穩(wěn)定圖 B(X2,Y2) A(X1,Y1) C（ X3,Y3） d1 d2 d3 15 六足仿生機器人的直線運動步態(tài)設(shè)計 步態(tài)規(guī)劃 前面我們已經(jīng)介紹過了 “六足綱”昆蟲的 三角步態(tài) 運動原理 ，下面將三角步態(tài)運用到六足仿生機器人的六足上面就會得到了六足機器人的運動步態(tài)，這種運動的步態(tài)是六足仿生機器人在直線運動的情況下完成的，它完成了六足仿生機器人的直線運動的一個周期的循環(huán)。 圖 A、 B、 C、 D、 E、 F表示完成前進一步的過程，其中： 圖 37（ A）： 5抬起 向前 ； 圖 37（ B）：抬起的 5放下后， 6抬起 ； 圖 37（ C）： 5向后移動半步 ， 做位置調(diào)整， 6向前 ； 圖 37（ D）： 6放下， 5抬起的； 圖 37（ E）： 6向后 移動半步長 ； 圖 37（ F）： 六條腿均落地，回到最初的狀態(tài)。 步態(tài)動作分析 對直線行走步態(tài)規(guī)劃圖具體分析，其不同步態(tài)時刻的各點位置矢量如 下 : 1 2 3 5 4 6 1 1 1 1 2 2 2 2 3 3 3 3 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 （ A） 6 6 6 6 6 圖 36 六足步態(tài)示意圖 （ B） （ C） （ D） （ F） （ E） 1 2 3 16 （ 1） 如圖 36(A)所示， 5腿抬起 向前 ， 初始位置 不做分析 ， 由于前面已經(jīng)提到 當(dāng) ?較小時，可設(shè)旋轉(zhuǎn) ? 角度后腿部在 X軸上的投影長度近似為 L。此時的位置矢量： 通過以分析，可以通過合理選擇步距，保證機器人質(zhì)心 的投影點落在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，完成機器人的直線行走 。若 A組腿先擺動，機器人右轉(zhuǎn)，若 B組腿先擺動，則左轉(zhuǎn)。左轉(zhuǎn) 彎步態(tài)規(guī)劃圖如圖 37所示。 O S 1 2 3 4 5 6 X Y P1=? ?( ), , TL m n S h? ? ? P2=? ?( ) , , 0 TL m S?? P3=? ?( ) , ( ) , TL m n S h? ? ? ? P4=? ?( ) , , 0 TL m n S?? P5=? ?( ) , , TL m S h? P6=? ?( ) , ( ) , 0 TL m n S? ? ? 1 2 3 4 5 6 Y X O S P1=? ?( ) , , 0 TL m n S? ? ? P2=? ?( ) , , 0 TL m S?? P3=? ?( ) , ( ) , 0 TL m n S? ? ? ? P4=? ?( ) , , 0 TL m n S?? P5=? ?( ) , , 0 TL m S? P6=? ?( ) , ( ) , 0 TL m n S? ? ? 19 (2)如圖 37(B)所示，機器人 B組腿作支撐腿， A組抬起，此時，腿的位置矢量為 : (3)如圖 37 (C) 所示，機器人 B組腿作支撐腿， A組抬起，做姿態(tài)調(diào)整，位置矢量為 : O 1 2 3 4 5 6 ? X Y 圖 37（ A） 1 2 3 4 5 6 ? X Y O P1=? ?( ), , TL m n h?? P2=? ?( ), si n , 0 TL m L ?? ? ? P3=? ?( ), , TL m n h? ? ? P4=? ?( ), sin , 0 TL m n L ??? P5=? ?( ) , 0 , TL m h? P6=? ?( ), ( sin ), 0 TL m n L ?? ? ? 圖 37（ B） P1=? ?( ), , 0 TL m n?? P2=? ?( ), si n , TL m L h?? ? ? P3=? ?( ), , 0 TL m n? ? ? P4=? ?( ), sin , TL m n L h??? P5=? ?( ) , 0 , 0 TLm? P6=? ?( ), ( sin ), TL m n L h?? ? ? 20 (4)如圖 37 (D)所示， A和 B組腿均落地，作支撐腿，完成旋轉(zhuǎn) y角度動作，此時位置矢量為 : 通過以上分析，“三角步態(tài)斤定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)穩(wěn)定性易滿足，其最大轉(zhuǎn)角計算考 慮 到 機械結(jié)構(gòu)和行走地貌的約束。 本章 研究六足機器人三角行走步態(tài)，分析了機器人三角步態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕量的計算，規(guī)劃了典型直線行走步態(tài)和定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)，并對典型直線行走步態(tài)和定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)進行了詳細分析，給出各種步態(tài)動作時落足點的位置矢量表達式，為機器人行走奠定基礎(chǔ)。設(shè)定一個目標(biāo)功能：在行進的過程中完成避開障礙物。 要避開障礙物，首先探測到障礙物，其次能完成繞開障礙物，這就要求機器人能完成前進，后退、左右轉(zhuǎn)彎動作。 控制系統(tǒng) 的基本結(jié)構(gòu)圖可表示為圖 41 所示 。在這里我們 可以用 51 單片里的兩個定時器來產(chǎn)生多次中斷的方法獲蔽障 右轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn) 后退 _set_time()有 12個參數(shù)對應(yīng) 12 個舵機的轉(zhuǎn)動角度 舵機1 舵機2 舵機3 舵機4 舵機5 舵機6 舵機7 舵機9 舵機11 舵機8 舵機10 舵機12 圖 41 基本功能框圖 高層 動作 前進 22 得這樣的控制的信號。 在本次設(shè)計中，整個系統(tǒng)是以 模塊化的設(shè)計思想，將對所有舵機調(diào)度做成一個獨立的模塊，所有的高層動作都是通過調(diào)用底層舵機控制的模塊來完成。 微處理器 AT89S52簡介 AT89S52是一種低功耗、高性能 CMOS 8位單片機 [10]，片內(nèi)含 SKBI SP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫 1000次的 Flash只讀程序存儲器、該器件采用 Atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造、兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51指令系統(tǒng)及 80C51引腳結(jié)構(gòu) .片內(nèi)集成了通用的 8位 CPU和 ISP Flash為存儲單元，可為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、高性價比的解決方案。3個 16位可編程定時計數(shù)器， 2個全雙工串行通信口，看門狗 (WDT)電路和片內(nèi)時鐘振蕩器 .此外 ,AT89S52設(shè)計和配置了振蕩頻率可為 OHz并可通過軟件設(shè)置的省電模式。該電路具有 PDIP、 TQFP和PLCC等封 裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的設(shè)計要求。 23 圖 42 AT89S52封裝圖 AT89S52具有 32個可編程 I/O端口，其中， P0口和 P1口的前六個引腳分別接 12個舵機，來控制舵機的運轉(zhuǎn)， P3口前兩個引腳接觸位開關(guān)。 表 41 I/O引腳分配表 引腳端口 功能分配 接左邊的六個舵機 接右邊的六個舵機 接觸位開關(guān) 舵機模塊設(shè)計 （ 1）舵機的 概述 舵機最早 出現(xiàn)在航模運動中。舉個簡單的四通飛機來說，飛機上有以下幾個地方需要控制： ，來控制發(fā)動機的拉力（或推力）； （安裝在飛機機翼后緣），用來控制飛機的橫滾運動； 24 ，用來控制飛機的俯仰角； ，用來控制飛機的偏航角； 遙控器有四個通道，分別對應(yīng)四個舵機，而舵機又通過連桿等傳動元件帶動舵面的轉(zhuǎn)動，從而改變飛機的運動狀態(tài)。 不僅在航模飛機中，在其他的 模型運動中都可以看到它的應(yīng)用：船模上用來控制尾舵，車模中用來轉(zhuǎn)向等等。 傳統(tǒng)舵機的控制方式以 20ms 為一個周期，用一個 177。 的模擬控制接口，只是控制芯片不再是普通的模擬芯片而已；不能完全發(fā)揮現(xiàn)代數(shù)字化控制的優(yōu)勢，這在傳統(tǒng)的遙控競賽等領(lǐng)域，為了保持產(chǎn)品 的兼容性，不得不保留模擬接口，而在一些新興的領(lǐng)域完全可以采用新型的全數(shù)字接口的純數(shù)字舵機。在未來的自動化控制領(lǐng)域有著不可估量的優(yōu)勢。 （ 2）舵機的 結(jié)構(gòu)和控制 一般來講，舵機主要由以下幾個部分組成， 舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位計 5k、直流 電機、控制電路板等。舵機的輸出軸和位置反饋電位計是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動的同時，帶動位置反饋電位計，電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板，進行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機的轉(zhuǎn)動方向和速度，從而達到目標(biāo)停止。以 180度角度伺服為例，那么對應(yīng)的控制關(guān)系 如表 4