畢業(yè)論文-六足機(jī)器人的設(shè)計(jì)

1、畢業(yè)論文-六足機(jī)器人的設(shè)計(jì)錄插表清單III插圖清單IV第一章緒論11.1機(jī)器人的發(fā)展歷史11.2機(jī)器人的定義和基本組成2 1.2. 1機(jī)器人的定義21.2.2機(jī)器人的基本組成：2 1.3移動(dòng)機(jī)器人概述31.4移動(dòng)機(jī)器人分類41.5多足機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀5 1.6本設(shè)計(jì)的主要工作71.7本章小結(jié)7第二章六足仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)82. 1 “六足綱”昆蟲的運(yùn)動(dòng)原理8 2. 1. 1步態(tài)的參數(shù)描述82.1.2三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)原理9 2. 2六足仿生機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)分析10 2.3本章小 結(jié)11第三章六足仿生機(jī)器人的步態(tài)分析和設(shè)計(jì)11 3.1六足步行機(jī)器人坐標(biāo)定義123. 2六足機(jī)器人的穩(wěn)定性分析143

2、. 3. 1穩(wěn)定性分析143. 3. 2穩(wěn)定裕量計(jì)算143. 4六足仿生機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)步態(tài)設(shè)計(jì)16 3.4. 1步態(tài)規(guī)劃163. 4.2步態(tài)動(dòng)作分析163. 5 三角步態(tài)”定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)設(shè)計(jì)19 3. 6本章小結(jié)21第四章六足仿生機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)22 4. 1功能分解224. 2控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)234. 2. 1微處理器AT89S52簡(jiǎn)介234. 2. 2舵機(jī)模塊設(shè)計(jì)244. 2. 3避障模塊設(shè)計(jì)254.3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)274. 3. 1單個(gè)舵機(jī)控制方法284. 3. 2多舵機(jī)控制324. 3. 3六足仿生機(jī)器人全方位步態(tài)程序設(shè)計(jì)37 4.4軟件的抗干擾及可靠性設(shè) 計(jì)40 4.5本章小

3、結(jié)41第五章軟硬件聯(lián)調(diào)425. 1 Keil C51開發(fā)系統(tǒng)基本知識(shí)425.2 Proteus仿真軟件基本知識(shí)425. 2. 1 Proteus 介紹 425. 2. 2 Proteus 的仿真 435. 2. 3 Proteus PCB 43 5. 3 調(diào)試結(jié)果 435. 2相關(guān)數(shù)值測(cè)試445. 3本章小結(jié)45笫六章結(jié)束語(yǔ)466. 1論文總結(jié)466.2論文寫作的感想466. 3本章小結(jié)46參考文獻(xiàn)47致謝辭48插表清單表IT機(jī)器人Fred De 1 cornyn的參(,9,9,9,9,999,9,9 99,9,9,9,9,9,“6表2-1本設(shè)計(jì)機(jī)器人相關(guān)參,9,9,9,999,9,9,999

4、,9,9 ,9 ”9 表 4TI/O引腳分配9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9 ,9,9 23表4-2時(shí)基脈沖與舵機(jī)角度對(duì)應(yīng),”,”9,9,9,9,”9,9,9,9,”9” .24表4-2探測(cè)障礙物的傳感器與單片機(jī)引腳對(duì)應(yīng)關(guān)系表23表4-3舵機(jī)與六足機(jī)器人足對(duì)應(yīng)關(guān)系9,9,9,9,9,9,9,9,9,9 ,9,9,936表4-4舵機(jī)與單片機(jī)端口的對(duì)應(yīng)關(guān)系,9,9,9,9,9,9 ，,9,936表5-1關(guān)系數(shù)值,999,9,9,9,9,9,999,9,9,9,9,9,999,9,9,9 ,9 ,9,9,944圖4-10 8路信號(hào)舵機(jī)控制脈沖插圖清單1 lFred

5、Deleomyn /、丿上彳萬(wàn)1二期1諾計(jì)丿匕 ”l-2Gengh機(jī)器人9、999、9999999,9、99 99 9、9999999,9、99- 99 99 99 9,9、-、999圖1-3 DRROB系列高級(jí)機(jī)器9,9,9,9,9,9,9,9,9 ,9,9 , ,9 , ,9,9,9,9,9,9,9圖2-1本設(shè)計(jì)的六足仿生機(jī)器圖2-2機(jī)器人腿部實(shí)件勿,”,”9,9,”9,9,”9,9,9圖3-1腿部組圖簡(jiǎn)圖11圖3-3腿部簡(jiǎn)圖.12圖3-4步行機(jī)器人任一時(shí)刻姿態(tài)9,9,9,9,999,9,9,9,9,999,9,9,9圖3-5三角步態(tài)穩(wěn)定圖14圖3_6六足步態(tài)示意圖.15圖3-7 （A B

6、、C、D）定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)示意圖16圖4-1基本功能框圖214-2 PDIP H裝圖23圖4-3微動(dòng)開關(guān)示意-99,9,9,9,9,9,9,9,9,9,925圖4-4微動(dòng)開關(guān)安裝位置,9,9 ,9,9,925圖4-5硬件設(shè)計(jì)仿真佟|,999,9,9,9,9,9,999,9,9,9,9,9,999,9,9,9,9,9,9，小26圖4-6系統(tǒng)軟件的總體流9,9,999,9,9,999,9,9,999,9,9,99 ,999,9,9,99 ”,9”27圖4-7舵盤的位置線性變化,9,9,928圖4-8舵機(jī)的控制脈沖,9,9,9,9,9,99,9,9,9,9,9,9,9,9,928圖4-9控制脈沖程序流程

7、29佟|,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9 5,9,9,9 99,9,933圖4-11 12個(gè)舵機(jī)控制流程,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,圖4-12舵機(jī)位置示意佟| ,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9 ,9,”9361.1機(jī)器人的發(fā)展歷史圖4-13直行程序流程,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9,9 W,9,937圖4-14轉(zhuǎn)彎程序流程，”9,9,938圖4-13避障程序流程9,9,9,93944圖5-1硬件仿真結(jié)果佟I,”,9”,9 ”,9,9 ”,”9 ”,9,9”,”,第

8、一章緒論機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,兒乎滲透到人們生活的各個(gè)領(lǐng)域。機(jī)器人技術(shù)在八 十年代后期已經(jīng)形成比較完整的體系。它將機(jī)構(gòu)學(xué)、電子技術(shù)、控制理論、計(jì)算機(jī) 技術(shù)、傳感器技術(shù)和人工智能等相關(guān)學(xué)科融合為一體，不斷吸收其他學(xué)科諸如材 料、能源科學(xué)的最新成果，形成了一門獨(dú)立的高科技學(xué)科?機(jī)器人學(xué)。機(jī)器人學(xué)是一種高度綜合和交義的新興學(xué)科，涉及的領(lǐng)域很多，諸如機(jī)械、電氣、 工藝、力學(xué)、傳動(dòng)、控制、通信、決策、生物、倫理等諸多方面，是當(dāng)代研究十分 活躍、應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。機(jī)器人應(yīng)用情況,是一個(gè)國(guó)家工業(yè)自動(dòng)化水平的重要 標(biāo)志1。早在三千多年前的西周時(shí)代，我國(guó)就出現(xiàn)了能歌善舞的木偶,稱為“倡者”，這 可能是世界上

9、最早的“機(jī)器人”。在近代，隨著第一次、第二次工業(yè)革命,各種機(jī)械裝置的發(fā)明與應(yīng)用，世界各地 出現(xiàn)了許多機(jī)器人”玩具和工藝品。這些裝置大多由時(shí)鐘機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，用凸輪和杠 桿傳遞運(yùn)動(dòng)。1920年,捷克作家K.凱比克在一科幻劇本中首次提出了 ROBOT(漢語(yǔ)前譯為“勞 伯”)這個(gè)名詞。現(xiàn)在已被人們作為機(jī)器人的專用名詞2。1950年美國(guó)作家阿西莫夫提出了機(jī)器人學(xué)(Robotics)這一概念，并提出了所謂 的“機(jī)器人三原則”，即：1. 機(jī)器人不可傷人；2. 機(jī)器人必須服從人給與,但不和(1)矛盾的指令；3. 在與(1)、(2)原則不相矛盾的前提下，機(jī)器人可維護(hù)自身不受傷害。本世紀(jì)50、60年代，隨著機(jī)構(gòu)理論和

10、伺服理論的發(fā)展，機(jī)器人進(jìn)入了使用化階 段。1954年美國(guó)的/.。1發(fā)表了 “通用機(jī)器人”專利；1960年美國(guó)AMF公司生產(chǎn)了 柱坐標(biāo)型Versatran機(jī)器人，可作點(diǎn)位和軌跡控制，這是世界上第一種用于工業(yè)生產(chǎn) 上的機(jī)器人。70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人得到了迅速發(fā)展O 1974年Cincinnati Milacron公司開發(fā)成功多 關(guān)節(jié)機(jī)器人；1979年,Unimat ion公司乂推出了 PUMA機(jī)器人,它是一種多關(guān)節(jié)、全電 動(dòng)驅(qū)動(dòng)、多CPU二級(jí)控制；采用VAL專用語(yǔ)言;可配視覺、觸覺、力覺傳感器，在當(dāng) 時(shí)是一種技術(shù)先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人?，F(xiàn)在的工業(yè)機(jī)器

11、人結(jié)構(gòu)大體上是以此為基礎(chǔ)的。 這一時(shí)期的機(jī)器人屬于“示教再現(xiàn)”(Teach-in / Playback)型機(jī)器人。只具有記 憶、存儲(chǔ)能力，按相應(yīng)程序重復(fù)作業(yè)，但對(duì)周圍環(huán)境基本沒有感知與反饋控制能力。 這種機(jī)器人被稱作第一代機(jī)器人。進(jìn)入80年代,隨著傳感技術(shù)，包括視覺傳感器、非視覺傳感器（力覺、觸覺、接 近覺等）以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了笫二代機(jī)器人?有感覺的機(jī)器人。它能夠 獲得作業(yè)環(huán)境和作業(yè)對(duì)象的部分有關(guān)信息，進(jìn)行一定的實(shí)時(shí)處理，引導(dǎo)機(jī)器人進(jìn)行作 業(yè)。第二代機(jī)器人已進(jìn)入了使用化，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。笫三代機(jī)器人是目前正在研究的“智能機(jī)器人”。它不僅具有比第二代機(jī)器人 更加完善的環(huán)境感

12、知能力，而且還具有邏輯思維、判斷和決策能力，可根據(jù)作業(yè)要求 與環(huán)境信息自主地進(jìn)行工作。1.2機(jī)器人的定義和基本組成1.2. 1機(jī)器人的定義山于研究的側(cè)重點(diǎn)不同，對(duì)于機(jī)器人的定義，國(guó)際上LI前尚未有明確的統(tǒng)一標(biāo) 準(zhǔn)。通常情況下，可將機(jī)器人理解為:機(jī)器人是一種在計(jì)算機(jī)控制下的可編程的自動(dòng) 機(jī)器，根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)需要,它具有至少一項(xiàng)或多項(xiàng)擬人功能，另外還可能程 度不同地具有某些環(huán)境感知能力（如視覺、力覺、觸覺、接近覺等），以及語(yǔ)言功能 乃至邏輯思維、判斷決策功能等，從而使它能在要求的環(huán)境中代替人進(jìn)行作業(yè)。1.2.2機(jī)器人的基本組成：1. 機(jī)械本體機(jī)器人的機(jī)械本體機(jī)構(gòu)基本上分為兩大類:一類是操作本

13、體機(jī)構(gòu),它類似人的手 臂和手腕,配上各種手爪與末端操作器后可進(jìn)行各種抓取動(dòng)作和操作作業(yè)，工業(yè)機(jī)器 人主要采用這種結(jié)構(gòu)。另一類為移動(dòng)型本體結(jié)構(gòu)，主要U的是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)功能,主要有 輪式、履帶式、足腿式結(jié)構(gòu)以及蛇行、蠕動(dòng)、變形運(yùn)動(dòng)等機(jī)構(gòu)。壁面爬行、水下推 動(dòng)等機(jī)構(gòu)也可歸于這一類。2. 驅(qū)動(dòng)伺服單元機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)作是依黑關(guān)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)，而大多數(shù)機(jī)器人是 基于閉環(huán)控制原理進(jìn)行的。伺服控制器的作用是使驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)并帶動(dòng)負(fù)載超 減少偏差的方向動(dòng)作。已被廣泛應(yīng)用的驅(qū)動(dòng)方式有，液壓伺服驅(qū)動(dòng)、電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng), 近年來(lái)氣動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)也有一定進(jìn)展。3. 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)的指令值III主計(jì)算

14、機(jī)訃算后，在各采樣周期給出。主計(jì)算機(jī)根 據(jù)示教點(diǎn)參考坐標(biāo)的空間位置、方位及速度，通過(guò)運(yùn)動(dòng)學(xué)逆運(yùn)算把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)節(jié) 的指令值。通常的機(jī)器人采用主計(jì)算機(jī)與關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)伺服計(jì)算機(jī)兩級(jí)訃算機(jī)控制，有時(shí)為了 實(shí)現(xiàn)智能控制，還需對(duì)包括視覺等各種傳感器信號(hào)進(jìn)行采集、處理并進(jìn)行模式識(shí) 別、問(wèn)題求解、任務(wù)規(guī)劃、判斷決策等，這時(shí)空間的示教點(diǎn)將山另一臺(tái)計(jì)算機(jī)上級(jí) 計(jì)算機(jī)根據(jù)傳感信號(hào)產(chǎn)生，形成三級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。4. 傳感系統(tǒng)為了是機(jī)器人正常工作，必須與周圍環(huán)境保持密切聯(lián)系，除了關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置傳感器（稱作內(nèi)部傳感器）外，還要配備視覺、力覺、觸覺、接近 覺等多種類型的傳感器（稱作外部傳感器）以及傳感信號(hào)的采集處理系統(tǒng)5

15、. 輸入/輸出系統(tǒng)接口為了與周邊系統(tǒng)及相應(yīng)操作進(jìn)行聯(lián)系與應(yīng)答，還應(yīng)有各種通訊接口和人機(jī)通信 裝置。工業(yè)機(jī)器人提供一內(nèi)部PLC,它可以與外部設(shè)備相聯(lián)，完成與外部設(shè)備間的邏 輯與時(shí)實(shí)控制。一般還有一個(gè)以上的串行通訊接口，以完成磁盤數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程控 制及離線編程、雙機(jī)器人協(xié)調(diào)等工作。一些新型機(jī)器人還包括語(yǔ)音合成和識(shí)別技術(shù) 以及多媒體系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。1. 3移動(dòng)機(jī)器人概述移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)的一個(gè)重要分支，其研究始于60年代末期，斯坦福研究 院的Nils Xilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制岀了取名為 Shakey的自主式移動(dòng)機(jī)器人。LI的是研究應(yīng)用人工智

16、能技術(shù)，在復(fù)雜環(huán)境下機(jī)器人 系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。與此同時(shí)，最早的操作式步行機(jī)器人也研制成功，從 而開始了機(jī)器人步行機(jī)構(gòu)方面的研究，以解決機(jī)器人在不平整地域的運(yùn)動(dòng)問(wèn)題，設(shè)計(jì) 并研制出了多足機(jī)器人。70年代末，隨著計(jì)算機(jī)的應(yīng)用和傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動(dòng) 機(jī)器人研究乂出現(xiàn)了新的高潮。特別是在80年中期，設(shè)il和制造機(jī)器人的浪潮席卷 全世界。一批世界著名的公司開始研制移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)，這些移動(dòng)機(jī)器人主要作為 大學(xué)實(shí)驗(yàn)室及研究機(jī)構(gòu)的移動(dòng)機(jī)器人實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，從而促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人學(xué)多種研究 方向的出現(xiàn),90年代以來(lái)，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù),高適應(yīng) 性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃

17、技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動(dòng)機(jī)器人更高層 次的研究.自主移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)是一門綜合性很強(qiáng)的高科技學(xué)科，涉及到機(jī)械、訃算 機(jī)、自動(dòng)控制、人工智能、力學(xué)等廣泛科學(xué)領(lǐng)域中的許多前沿技術(shù).自主移動(dòng)機(jī)器人研究已被列入世界各國(guó)的高技術(shù) 發(fā)展計(jì)劃。如美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局的戰(zhàn)略汁算與生存能力”工程，日本能產(chǎn) 省的“極限環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人”發(fā)展計(jì)劃、歐洲共同體的“尤里卡”計(jì)劃，以及 我國(guó)的“863”高科技計(jì)劃中，都把有害環(huán)境如核工廠和戰(zhàn)場(chǎng)使用的移動(dòng)機(jī)器人作為 重要的研究?jī)?nèi)容。而以自主移動(dòng)機(jī)器人為對(duì)象或應(yīng)用領(lǐng)域的，基于自適應(yīng)、學(xué)習(xí)、 進(jìn)化機(jī)理，具有高級(jí)生命行為的自主系統(tǒng)的研究與研發(fā)，已成為21世紀(jì)初信息科學(xué) 與生命科學(xué)

18、富于挑戰(zhàn)性的交義研究領(lǐng)域之一。31.4移動(dòng)機(jī)器人分類移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人的一個(gè)重要分支，早期的移動(dòng)機(jī)器人無(wú)論是控制方法或智 能水平都較低，只能做出一些簡(jiǎn)單的推理、判斷和決策。近年來(lái)，隨著機(jī)器人技術(shù)及 相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人領(lǐng)域的研究取得了長(zhǎng)足的進(jìn) 步，其智能水平也大大提高，逐步由以前的遙控式向半自主式和自主式過(guò)渡，工作條 件也由室內(nèi)向室外、簡(jiǎn)單向復(fù)雜過(guò)渡。其中自主式移動(dòng)機(jī)器人由于其高度的自主性, 正在越來(lái)越多的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，特別是在軍事偵察、寧宙開發(fā)、掃雷排險(xiǎn)、 防核化污染等惡劣的環(huán)境中有著廣泛的應(yīng)用前景。另外，隨著生產(chǎn)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā) 展，移動(dòng)機(jī)器人在柔性自動(dòng)化

19、制造生產(chǎn)線上和無(wú)人化工廠中也得到了廣泛的應(yīng)用。 當(dāng)前，山于生產(chǎn)自動(dòng)化程度的提高，對(duì)機(jī)器人提出了各種各樣的需求，要求能夠?qū)崿F(xiàn) 各種功能，其中移動(dòng)機(jī)器人成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱門方向。對(duì)于移動(dòng)機(jī)器人來(lái)說(shuō), 它有多種不同的分類方法，按不同的分類方法可將移動(dòng)機(jī)器人分為不同的種類：一按自主水平來(lái)分：1、遙控式移動(dòng)機(jī)器人移動(dòng)機(jī)器人的執(zhí)行動(dòng)作和運(yùn)行軌跡完全山人通過(guò)遙控來(lái)控制，機(jī)器人不進(jìn)行任何判斷和決策，只是執(zhí)行人發(fā)出的命令。不具備任何自主性。2、半自主式移動(dòng)機(jī)器人智能水平介于遙控和自主式移動(dòng)機(jī)器人之間，具備一定的感知、判斷和決策功能，但對(duì)一些復(fù)雜任務(wù)仍需在人工干預(yù)下才能順利完成。3、自主式移動(dòng)機(jī)器人按人預(yù)先設(shè)

20、置的任務(wù)命令,根據(jù)己知的環(huán)境信息進(jìn)行路徑規(guī)劃，同時(shí)在行進(jìn)過(guò)程 中不斷獲取周圍的局部環(huán)境信息，自主地做出判斷和決策，隨時(shí)調(diào)整移動(dòng)機(jī)器人的運(yùn) 行路徑并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作和操作。整個(gè)過(guò)程不需人為參與，由機(jī)器人自主進(jìn)行。二按移動(dòng)方式來(lái)分：1、輪式移動(dòng)機(jī)器人:輪式機(jī)器人動(dòng)作穩(wěn)定，操縱簡(jiǎn)單，其移動(dòng)速度和方向容易控 制.在無(wú)人工廠中用來(lái)搬運(yùn)零部件或做其它基本任務(wù)用的很多，適合于平地行走。按 輪數(shù)的多少乂可分為二輪、三輪、四輪式三種。2. 履帶式移動(dòng)機(jī)器人:履帶式移動(dòng)機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)支撐面積大,接地比壓小， 適合松軟或泥濘場(chǎng)地作業(yè)，下陷度小，滾動(dòng)阻力小，對(duì)路況具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，同時(shí)具 有較強(qiáng)的爬坡能力和負(fù)載能力。

21、3、多足移動(dòng)機(jī)器人:足式移動(dòng)對(duì)崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力,足式移動(dòng)方式 的立足點(diǎn)是離散的，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)支撐點(diǎn)，即使在表面極度不規(guī) 則的情況下，通過(guò)嚴(yán)格選擇足的支撐點(diǎn)，也能夠行走自如。足式移動(dòng)方式具有主動(dòng)隔 振能力，允許機(jī)身運(yùn)動(dòng)軌跡和足運(yùn)動(dòng)軌跡解禍,保持機(jī)身運(yùn)動(dòng)具有高穩(wěn)定性.因此，足 式步行機(jī)器人的研究已成為機(jī)器人學(xué)中一個(gè)引人注U的研究領(lǐng)域。4、特種移動(dòng)機(jī)器人:根據(jù)具體的應(yīng)用U的,還有其他種類的移動(dòng)機(jī)器人，如墻 壁清洗機(jī)器人、爬纜索機(jī)器人以及管內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人等,這些機(jī)器人是根據(jù)某種特殊 的設(shè)計(jì)的機(jī)器人。三按控制體系結(jié)構(gòu)來(lái)分：1、功能式水平式結(jié)構(gòu)機(jī)器人；2、行為式垂直式結(jié)構(gòu)機(jī)器人；

22、3、混合式機(jī)器人。四按功能和用途來(lái)分：1、醫(yī)療機(jī)器人，2、軍用機(jī)器人，3、助殘機(jī)器人，4、清潔機(jī)器人等。五按作業(yè)空間來(lái)分：1、陸地移動(dòng)機(jī)器人，2、水下機(jī)器人，3、無(wú)人飛機(jī)和空間機(jī)器人等。1.5多足機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀早在上世紀(jì)80年代，美國(guó)的著名機(jī)器人學(xué)家McGhee開始著手研發(fā)四足仿生機(jī) 器人以來(lái)，多足仿生機(jī)器人一直成為大量學(xué)者的研究對(duì)象。研發(fā)人員開始紛紛研究 多足機(jī)器人的模型和樣機(jī),并一步步攻關(guān)一個(gè)個(gè)難題。4多足機(jī)器人六足仿生機(jī)器人的一個(gè)最大的優(yōu)點(diǎn)是對(duì)行走路面的要求很低，它可以跨越障礙物、走過(guò)沙地、沼澤等特殊路面，因此可以用于工程探險(xiǎn)勘 測(cè)、反恐防爆、軍事偵察等人類無(wú)法完成的或危險(xiǎn)的工作，并且

23、機(jī)器人的足所具有 的大量自山度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，對(duì)阿凸不平的地形的適應(yīng)能力更強(qiáng)。 于是以McGhee等人為代表的對(duì)多足機(jī)器人的遠(yuǎn)動(dòng)步態(tài)進(jìn)行了研究并提出了方案。 隨后，國(guó)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。最后在Lee設(shè) 計(jì)了具有獨(dú)特獨(dú)特結(jié)構(gòu)的SERO六足仿生機(jī)器人，它把整個(gè)機(jī)器人的步態(tài)進(jìn)行了規(guī)劃, 實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。同時(shí)，在國(guó)內(nèi)，中科院沈陽(yáng)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。圖1-lFred Delcomyn六足仿生機(jī)器人圖1-1是模仿美國(guó)的一種叫Perip laneta Americana的嫌螂而設(shè)計(jì)的仿生機(jī)

24、器人，機(jī)器人的整個(gè)身體比例約是該嫌螂的12到17陪左右。其參數(shù)如表1-1表1-1機(jī)器人Fred Delcomyn的參數(shù)參數(shù)機(jī)器人名稱國(guó)別尺寸(M)長(zhǎng)*寬*高各部位比例骯*股節(jié)*脛節(jié)體重(KG)Fred Delcomyn 美國(guó) 0. 58*0. 14*0. 23 1 ： 1. 1 ： 1. 5 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1-2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(cè)。圖l-2Gengh機(jī)器人同樣，在國(guó)內(nèi)也漸漸出現(xiàn)了一批設(shè)計(jì)和生產(chǎn)仿生機(jī)器人公司和個(gè)人，圖1-3是德 普施科技有限公司的DR

25、ROB系列高級(jí)機(jī)器人產(chǎn)品5。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。利用德普施科 技有限公司的六足機(jī)器人包搭接出的六足機(jī)器人如圖1-3所示。圖1-3 DRROB系列高級(jí)機(jī)器人1. 6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)。本文對(duì)現(xiàn)有的機(jī) 器人分析機(jī)械結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行該機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)的研究,分析其步態(tài)穩(wěn)定性, 給出不同步態(tài)下的機(jī)器人落足點(diǎn)的位置矢量表達(dá)式,按照計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的特點(diǎn)，根 據(jù)六足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性、準(zhǔn)確性的控制要求，確定六足 仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)不同步態(tài)的控制策略。對(duì)六足

26、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(cè)試，驗(yàn)證整體設(shè)訃方案的正確 性和可靠性.論文主要內(nèi)容有：1、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。2、分析適合機(jī)器人行走的運(yùn)動(dòng)步態(tài)形式，規(guī)劃典型直線行走步態(tài)和定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步 態(tài),確定步態(tài)規(guī)劃中每種狀態(tài)的機(jī)器人足端位置矢量，進(jìn)行機(jī)器人穩(wěn)定性分析,3、根據(jù)六足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的協(xié)調(diào)性、準(zhǔn)確性的控制要求， 設(shè)訃六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng),確定對(duì)機(jī)器人腿部十二個(gè)舵機(jī)的控制方案，使機(jī)器人 根據(jù)U的地的方位,實(shí)現(xiàn)不同步態(tài)的控制策略。4、完成六足仿生機(jī)器人

27、控制系統(tǒng)的硬件設(shè)訃和軟件設(shè)計(jì)。1. 7本章小結(jié)本章主要是對(duì)機(jī)器人有一各概況，著重介紹了機(jī)器人的發(fā)展及國(guó)內(nèi)外的一些機(jī) 器人的發(fā)展成果，并交代了本次設(shè)訃的設(shè)訃背景,為后續(xù)的設(shè)計(jì)指明了方向。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”昆蟲蟬螂，螞蟻等等 在平坦無(wú)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

28、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。2.1 “六足綱”昆蟲的運(yùn)動(dòng)原理2. 1. 1步態(tài)的參數(shù)描述“六足綱”昆蟲體的腿可以看作兩狀態(tài)器件:腿的懸空相和腿的支撐相。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 ”。腿的支撐相support phase指腿支撐在地并推動(dòng)機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)的階段,支撐相的狀態(tài) 記為“0”。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。周 期步態(tài)指各腿的運(yùn)動(dòng)周期相同，且任一腿的運(yùn)動(dòng)周期不隨時(shí)間而變化“六足綱”昆 蟲在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，可以以

29、不同的周期進(jìn)行運(yùn)動(dòng)有荷因數(shù)dutyf actor指腿i支撐 在地面上的時(shí)間占整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期的比例：以下有荷因數(shù)用Q表示,Q腿i的支撐相 時(shí)間/腿i的周期;Qi腿i的支撐時(shí)間/腿i的周期若QiO, il, 2, ”, 2k2k為總足數(shù)， 則步態(tài)稱為規(guī)則步態(tài)regular腿i的相對(duì)相位，指笫i足的觸地時(shí)刻相對(duì)于第一足 的延時(shí)在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期中的比例步距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。腿行程leg stroke,指支撐相時(shí)足端相對(duì)于機(jī)體移動(dòng)的距離。腿節(jié)距l(xiāng)eg 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。行程節(jié)距stroke pitch,指縱向

30、運(yùn)動(dòng)時(shí)，體同一端上相鄰?fù)刃谐讨悬c(diǎn)的間距。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。推程時(shí)間tp,指腿在支撐相的持續(xù)時(shí)間?；爻虝r(shí)間tr,指腿在懸空相的持續(xù)時(shí)間。平均速度，指機(jī)體的平均運(yùn)動(dòng)速度。山此可以導(dǎo)岀行程R、步距a和有荷因數(shù)Q之間的關(guān)系式是Ra*Q.靜態(tài)穩(wěn)定六 足步行機(jī)器人，由于要求Q1/2,所以tr?tp ,即平均速度上限取決于tc行走系統(tǒng) 釆用波形步態(tài)時(shí)，機(jī)體每一側(cè)各腿的邁步動(dòng)作形成一種山后向前的波形式.自然界六 足昆蟲在所有速度范圍內(nèi)都采用波形步態(tài).2. 1. 2三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)原理1、“六足綱”昆蟲的三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)原理機(jī)體運(yùn)動(dòng)根據(jù)有荷因數(shù)dutyf actor的大小可分為3種情況

31、：1 Q 1 /2 :在三擺動(dòng)腿著地的同時(shí)，另外三支撐腿立即抬起，即任意時(shí)刻同時(shí) 具有支撐相和擺動(dòng)相。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(guò)程，即機(jī)體有 六條腿同時(shí)著地的狀態(tài)。3 Q 1/ 2:機(jī)體移動(dòng)較快時(shí)，六條腿有同時(shí)為擺動(dòng)相的時(shí)刻，即六條腿同時(shí)在空 中，處于騰空狀態(tài)，顯然此交替過(guò)程要求機(jī)體機(jī)構(gòu)具有彈性和消振功能，否則難以實(shí) 現(xiàn)。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)?！傲憔V”昆蟲嶂螂、螞蟻等步行時(shí)，一般不是 六足同時(shí)直線前進(jìn)，而是將三對(duì)足分成兩組，以三角形支架結(jié)構(gòu)交替前行。身體左側(cè) 的前、后

32、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。當(dāng)一組三角形支架中所有的足同時(shí)提起時(shí)，另一組三角形支架的 三只足原地不動(dòng)，支撐身體,并以其中足為支點(diǎn)，前足脛節(jié)的肌肉收縮，拉動(dòng)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(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)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(dòng)作，相互輪換周 而復(fù)始。這種行走方式使昆蟲可以隨時(shí)隨地停息下來(lái),因?yàn)橹匦目偸锹湓谌侵Ъ?之內(nèi)。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(jìn)。72. 2六足仿生機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)分析“六足綱”昆蟲體的基本組成為軀

33、千、腿部?jī)刹糠郑晕闹猩婕暗牧銠C(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)也主要由軀千、腿部?jī)刹糠纸M成。該機(jī)器人的每個(gè)腿有2個(gè) 舵機(jī)組成，共12個(gè)舵機(jī)。其遠(yuǎn)動(dòng)步態(tài)主要仿生的對(duì)象是“六足綱”昆蟲。本設(shè)計(jì)的 機(jī)器人的相關(guān)參數(shù)如下表：表2-1本設(shè)計(jì)機(jī)器人相關(guān)參數(shù)機(jī)器人自重 尺寸(MM)長(zhǎng)寬高負(fù)重自由度 前進(jìn)速度1. 3KG 310*279*135 0. 5KG 12 3. 75CM/S驅(qū)動(dòng)方式工作電壓步長(zhǎng)轉(zhuǎn)角越障高度直流伺服4. 8V 10. 3CM/步10. 5度/步2CM六足仿生機(jī)器人的實(shí)物如圖2-1所示：圖2-1本設(shè)計(jì)的六足仿生機(jī)器人六足仿生機(jī)器人就結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)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)訃的，腿部的比

34、例是要有特定數(shù)值的。整個(gè)腿有大腿和小腿組成，通過(guò)髓關(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)。并且腿部向前移動(dòng)的最 大角度是45度，向后移動(dòng)的最大角度也是45度。向上移動(dòng)的最大角度是30度。機(jī)器人腿部的實(shí)物如圖2-2所示：圖2-2機(jī)器人腿部實(shí)物2.3本章小結(jié)本章主要分析了 “六足綱”昆蟲的遠(yuǎn)動(dòng)步態(tài)以及原理。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)。第三章六足仿生機(jī)器人的步態(tài)分析和設(shè)計(jì)六足步行機(jī)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(jī)器人實(shí)現(xiàn)步行的典型步態(tài)8。該步態(tài)是將機(jī)器人的6條腿分為2 組，腿1、3、5為A

35、組,分別為Al, A2, A3,腿2、4、6為B組,分別為Bl, B2, B3, 步行過(guò)程2組腿交替地?cái)[起、放下。六足步行機(jī)器人腿部分組圖簡(jiǎn)圖如圖3-1所 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。圖中1、3、5腿為A組;并用實(shí)線表示。圖中2、4、6腿為B組;并用虛線表示。3. 1六足步行機(jī)器人坐標(biāo)定義六足步行機(jī)器人機(jī)械簡(jiǎn)圖如圖3-2所示，定義地面坐標(biāo)系及XOY與機(jī)身平行,Z 軸與機(jī)身垂直:機(jī)身坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點(diǎn)與機(jī)器質(zhì)心重合。腿部順序定義如圖示，定義 腿間距為n,體寬為2m. A, D為腿的站立點(diǎn),Ai, Di為腿與艦關(guān)節(jié)連接點(diǎn)。圖3-2機(jī)器人腿

36、部坐標(biāo)示意圖六足步行機(jī)器人腿部機(jī)械簡(jiǎn)圖如圖3-2所示，定義腿部X軸投影長(zhǎng)為L(zhǎng),腿高度 為H,大腿與小腿夾角為，骯關(guān)節(jié)在Z軸旋轉(zhuǎn)角度為，骯關(guān)節(jié)在Y軸旋轉(zhuǎn)角度為。由圖3 -3a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：山表達(dá)式3-1,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。由圖3 -3 b可得六足步行機(jī)器人髓關(guān)節(jié)電機(jī)向前旋轉(zhuǎn)角度時(shí)，立足點(diǎn)A 在Y方向前進(jìn)半步長(zhǎng)S/2,六足步行機(jī)器人腿部Y方向前進(jìn)步長(zhǎng)計(jì)算結(jié)果：山表達(dá)式3-2,可以確定散關(guān)節(jié)電機(jī)向前旋轉(zhuǎn)Y1角度與立足點(diǎn)Ai在Y方向前進(jìn) 半步長(zhǎng)S/2

37、的定量關(guān)系，當(dāng)較小時(shí)，可設(shè)旋轉(zhuǎn)角度后腿部在X軸上的投影長(zhǎng)度近似為 Lo3. 2六足機(jī)器人的穩(wěn)定性分析3. 3. 1穩(wěn)定性分析步行機(jī)器人任一時(shí)刻姿態(tài)圖如圖3-4所示。站立點(diǎn)B、D、F及質(zhì)心0在地面坐 標(biāo)系X0Y平面內(nèi)投影為點(diǎn)Bl、DI、F1和01。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)01落在支撐腿構(gòu)成陰影內(nèi)，如圖3-5所示，就能保證機(jī)器人穩(wěn)定。在實(shí)際控 制中，要合理選擇機(jī)器人的跨步和轉(zhuǎn)角，以保證點(diǎn)01落在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。圖3-4步行機(jī)器人任一時(shí)刻姿態(tài)圖3. 3. 2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X0Y平面

38、的投影如圖3-5所示,并設(shè)質(zhì)心投影01與X0Y平面坐標(biāo)原點(diǎn)重合。圖中，設(shè) A、B、C 在 X0Y 平面坐標(biāo)為:A XI, Yl、B X2,Y2、C X3, Y3 , 0M、ON, OP 為原點(diǎn)到直線AB, BC, CA的垂線，設(shè)則dl, d2, d3為機(jī)器人質(zhì)心投影與支撐三角形各邊的距離。直線AB方程為：垂線0M的方程為：III上兩式解得直線AB和直線0M的交點(diǎn)M XM , YM的坐標(biāo)為：貝IJ：dl同理，可以求得d2 , d3 o則六足機(jī)器人以三角步態(tài)行走時(shí)，其最小穩(wěn)定裕量判據(jù)為dmindl, d2, d33.4六足仿生機(jī)器人的直線運(yùn)動(dòng)步態(tài)設(shè)訃3. 4. 1步態(tài)規(guī)劃前面我們已經(jīng)介紹過(guò)了 “六

39、足綱”昆蟲的三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)原理，下面將三角步態(tài) 運(yùn)用到六足仿生機(jī)器人的六足上面就會(huì)得到了六足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)步態(tài)，這種運(yùn)動(dòng)的 步態(tài)是六足仿生機(jī)器人在直線運(yùn)動(dòng)的情況下完成的，它完成了六足仿生機(jī)器人的直 線運(yùn)動(dòng)的一個(gè)周期的循環(huán)。六足仿生機(jī)器人直線行走步態(tài)示意圖如圖3-6所示。圖A、B、C、D、E、F表示完成前進(jìn)一步的過(guò)程,其中：圖3-7(A): 1、3、5抬起向前;圖3-7(B):抬起的1、3、5放下后,2、4、6抬起；圖3-7(0:1、3、5向后移動(dòng)半步，做位置調(diào)整，2、4、6向前；圖 3-7(D):2、4、6 放下,1、3、5 抬起的;圖3-7(E):2、4、6向后移動(dòng)半步長(zhǎng)；圖3-7(F):六條腿

40、均落地，回到最初的狀態(tài)。機(jī)器人通過(guò)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(guò)程。3. 4. 2步態(tài)動(dòng)作分析對(duì)直線行走步態(tài)規(guī)劃圖具體分析，其不同步態(tài)時(shí)刻的各點(diǎn)位置矢量如下：(1) 如圖3-6A所示,1、3、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(shí)，可設(shè)旋轉(zhuǎn)角度后腿部在X軸上的投影長(zhǎng)度近似為L(zhǎng)o此時(shí),各腿的支撐點(diǎn) 位置矢量為：(2) 如圖3-6(B)所示,1、3、5放下后，然后2、4、6抬起;則此時(shí)的位置矢量：(3) 1、3、5向后移動(dòng)半步，做位置調(diào)整，2、4、6向前，則其位置矢量：(4) 2、4、6放下后，1、3、5抬起;則位置矢量：(5) 2、4、6向后移

41、動(dòng)半步長(zhǎng)，做姿勢(shì)調(diào)整，此時(shí)的位置矢量：(6) 六條腿均落地，回到最初的狀態(tài)。此時(shí)的位置矢量：通過(guò)以分析，可以通過(guò)合理選擇步距，保證機(jī)器人質(zhì)心的投影點(diǎn)落在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi), 完成機(jī)器人的直線行走。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。若A組腿先擺動(dòng)，機(jī)器人右轉(zhuǎn)，若B組腿先擺動(dòng)，則 左轉(zhuǎn)。下面以左轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)步態(tài)為例子來(lái)分析它的步態(tài)。左轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃圖如圖3-7所 示。如圖3-8A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(zhǎng)度近似為L(zhǎng)9。2如圖3-7B所示,機(jī)器人B

42、組腿作支撐腿,A組抬起，此時(shí)，腿的位置矢量為：3如圖3-7 C所示,機(jī)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：4如圖3-7 D所示,A和B組腿均落地，作支撐腿，完成旋轉(zhuǎn)y角度動(dòng)作,此時(shí)位 置矢量為:通過(guò)以上分析，“三角步態(tài)斤定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)穩(wěn)定性易滿足,其最大轉(zhuǎn)角計(jì)算考慮 到機(jī)械結(jié)構(gòu)和行走地貌的約束。可以通過(guò)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。3. 6本章小結(jié)本章研究六足機(jī)器人三角行走步態(tài),分析了機(jī)器人三角步態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕量 的訃算，規(guī)劃了典型直線行走步態(tài)和定點(diǎn)轉(zhuǎn)彎步態(tài)，并對(duì)典型直線行走步態(tài)和定點(diǎn)轉(zhuǎn) 彎步態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析，給出各種步態(tài)動(dòng)作時(shí)落足點(diǎn)的位置矢量表達(dá)式，為機(jī)器

43、人行 走奠定基礎(chǔ)。第四章六足仿生機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)訃控制系統(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)訃，也就是對(duì)12個(gè)舵機(jī)的 調(diào)度和控制。設(shè)定一個(gè)口標(biāo)功能:在行進(jìn)的過(guò)程中完成避開障礙物。在完成的避開 障礙物的過(guò)程中來(lái)體現(xiàn)全方位的六足步態(tài)。4. 1功能分解要避開障礙物，首先探測(cè)到障礙物，其次能完成繞開障礙物，這就要求機(jī)器人能 完成前進(jìn),后退、左右轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。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?？刂葡到y(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖可表示為圖 4-1所示。通過(guò)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(lái)共同作用，也就意味著要求單片機(jī)產(chǎn)生12路的

44、PPM波,利用這12個(gè)PPM 波來(lái)控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。在這里我們可以用51單片里的兩個(gè)定時(shí)器來(lái)產(chǎn)生多次 中斷的方法獲得這樣的控制的信號(hào)。從而完成機(jī)器人的前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎。在本次設(shè)訃中，整個(gè)系統(tǒng)是以模塊化的設(shè)計(jì)思想，將對(duì)所有舵機(jī)調(diào)度做成一個(gè)獨(dú) 立的模塊，所有的高層動(dòng)作都是通過(guò)調(diào)用底層舵機(jī)控制的模塊來(lái)完成。4. 2控制系統(tǒng)的硬件設(shè)汁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(cè)數(shù)據(jù)處理等功能。4. 2. 1微處理器AT89S52簡(jiǎn)介AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī)10,片內(nèi)含SKBI SPIn- system

45、 programmable的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器、該器件采 用Atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造、兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51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(chǔ)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(jià)比的解決方案。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);3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,2個(gè)全雙工串行通信口，看門狗WDT電路和片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器.此外,AT89S52設(shè)計(jì)和配

46、置了振蕩頻率可為0Hz并可通過(guò)軟件 設(shè)置的省電模式。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。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)訃要求。常用的AT89S52封裝電路為PDIP形式，其圖如圖4-2所示。圖4-2 AT89S52封裝圖AT89S52具有32個(gè)可編程I/O端口，其中,P0 口和P1 口的前六個(gè)引腳分別接12 個(gè)舵機(jī)，來(lái)控制舵機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),P3 口前兩個(gè)引腳接觸位開關(guān)。如表4-1所示。表4-1 I/O引腳分配表引腳端口功能分配P0

47、. 0-P0. 5接左邊的六個(gè)舵機(jī)Pl. 0-P1. 5接右邊的六個(gè)舵機(jī)P3. 0-P3. 1接觸位開關(guān)4. 2. 2舵機(jī)模塊設(shè)計(jì)（1）舵機(jī)的概述舵機(jī)最早出現(xiàn)在航模運(yùn)動(dòng)中。在航空模型中，E行機(jī)的飛行姿態(tài)是通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā) 動(dòng)機(jī)和各個(gè)控制舵面來(lái)實(shí)現(xiàn)的。舉個(gè)簡(jiǎn)單的四通飛機(jī)來(lái)說(shuō)，飛機(jī)上有以下兒個(gè)地方 需要控制：1. 發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣量，來(lái)控制發(fā)動(dòng)機(jī)的拉力（或推力）；2. 副翼舵面（安裝在飛機(jī)機(jī)翼后緣），用來(lái)控制機(jī)的橫滾運(yùn)動(dòng)；3. 水平尾舵面，用來(lái)控制E機(jī)的俯仰角；4. 垂直尾舵面，用來(lái)控制E機(jī)的偏航角；遙控器有四個(gè)通道，分別對(duì)應(yīng)四個(gè)舵機(jī)，而舵機(jī)乂通過(guò)連桿等傳動(dòng)元件帶動(dòng)舵面 的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而改變飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。舵機(jī)因

48、此得名：控制舵面的伺服電機(jī)。不僅在航模飛機(jī)中，在其他的模型運(yùn)動(dòng)中都可以看到它的應(yīng)用：船模上用來(lái)控制 尾舵，車模中用來(lái)轉(zhuǎn)向等等。山此可見，凡是需要操作性動(dòng)作時(shí)都可以用舵機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn) 11。傳統(tǒng)舵機(jī)的控制方式以20ms為一個(gè)周期,用一個(gè)1. 5ms?0. 5ms的脈沖來(lái)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 1. 5ms?0. oms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(shì)，這在傳統(tǒng)的遙控競(jìng)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，

49、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(jī)。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(cè)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。在未來(lái)的自動(dòng)化控制領(lǐng)域有著不可估量的優(yōu)勢(shì)。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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。(2)舵機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制一般來(lái)講，舵機(jī)主要由以下兒個(gè)部分組成，舵盤、減速齒輪組、位置反饋電位 計(jì)5k、直流電機(jī)、控制電路板等。工作原理:控制電路板接受來(lái)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

50、輪組，減速后傳動(dòng)至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸 和位置反饋電位計(jì)是相連的，舵盤轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，帶動(dòng)位置反饋電位計(jì)，電位計(jì)將輸出 一個(gè)電壓信號(hào)到控制電路板，進(jìn)行反饋，然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn) 動(dòng)方向和速度，從而達(dá)到LI標(biāo)停止。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0. 5ms遼.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。以180度角度伺服為例,那么對(duì)應(yīng)的控 制關(guān)系如表4-2所示。表4-2時(shí)基脈沖與舵機(jī)角度對(duì)應(yīng)表脈沖值(ms) 0.5 1.0 1.5 2.0 2. 5對(duì)應(yīng)角度(度)0 45 90 135 1804. 2. 3避障模塊設(shè)計(jì)多足機(jī)器人為了能在未知或時(shí)變環(huán)境下自主地工作.應(yīng)具有感受作業(yè)環(huán)境和規(guī) 劃自身動(dòng)作的能力。為此,必須提高機(jī)器人對(duì)當(dāng)前感知環(huán)境的快速理解識(shí)別及實(shí)時(shí) 避障的能力。實(shí)時(shí)避障是實(shí)現(xiàn)智能化機(jī)器人自主工作能力的關(guān)鍵技術(shù)也是國(guó)內(nèi)外 智能機(jī)器人近期發(fā)展的一個(gè)熱點(diǎn).其顯著特征是具有傳感器信息反饋.可以實(shí)現(xiàn)很好 的智能行為12。機(jī)器人避障的關(guān)鍵問(wèn)題之一是在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中如何利用傳感器對(duì)環(huán)境的感知。所 以避開障礙物的功能實(shí)現(xiàn)，傳感器的選擇將是首要解決的問(wèn)題。避障傳感器一般有 接觸式、和非接觸式的。接觸式傳感器一般用微動(dòng)開關(guān)，當(dāng)機(jī)器人接觸到物體時(shí)間可以從產(chǎn)生電位的變 化中檢測(cè)到。微動(dòng)開關(guān)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)單刀雙擲開關(guān)圖3-12所