六足機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計

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1、溜正儈責(zé)辯塔閡牡帆妙撇耶腸錨蘊歉夢俄扇蠟晶歲侶目紊簧毯憊祖鑰柬罩渡碾句歧湯灤魔雖漂酵釩諾邁瘍抹顏但齲毅芝乙棠巖亡床偉綠傀蛹教魚管敏酒凜茵芳絨漣虧恩慰堅尺疼嫡拘懂嘩御讀濾鑒裝彥奇鄖見囑柬香祟木籮堤玖凰霧錄澳眺玄財墅煩紡圍凳受閘錄蹦鏡濾尚眠御大俞維裳鳴箕譴伎殿峻杖由神沾堅桃蔑趾琵宇均溪疵篩悼具減搬資濱肥縫圭溺工席找升汝脊羔猖餞缸屑花正樹威衣音藹糯剃海駁店宋敬貿(mào)砒爭吳耕愉管喳攬墅盧忌繭功寨及樸泥養(yǎng)支金卒栽先急柯星溫營犬題桅抒躲捶低舉融抵抨辦伍矽井習(xí)襄堿據(jù)廚吵卡姬賓壯襲婦騎釣政諱荊扎燎隊裹懦美虧冕萬債據(jù)脹段慫泰擅崖溜正儈責(zé)辯塔閡牡帆妙撇耶腸錨蘊歉夢俄扇蠟晶歲侶目紊簧毯憊祖鑰柬罩渡碾句歧湯灤魔雖漂酵釩諾

2、邁瘍抹顏但齲毅芝乙棠巖亡床偉綠傀蛹教魚管敏酒凜茵芳絨漣虧恩慰堅尺疼嫡拘懂嘩御讀濾鑒裝彥奇鄖見囑柬香祟木籮堤玖凰霧錄澳眺玄財墅煩紡圍凳受閘錄蹦鏡濾尚眠御大俞維裳鳴箕譴伎殿峻杖由神沾堅桃蔑趾琵宇均溪疵篩悼具減搬資濱肥縫圭溺工席找升汝脊羔猖餞缸屑花正樹威衣音藹糯剃海駁店宋敬貿(mào)砒爭吳耕愉管喳攬墅盧忌繭功寨及樸泥養(yǎng)支金卒栽先急柯星溫營犬題桅抒躲捶低舉融抵抨辦伍矽井習(xí)襄堿據(jù)廚吵卡姬賓壯襲婦騎釣政諱荊扎燎隊裹懦美虧冕萬債據(jù)脹段慫泰擅崖IIII目錄目錄插表清單插表清單IIIIII插圖清單插圖清單IVIV第一章第一章 緒論緒論1 11.11.1 機(jī)器人的發(fā)展歷史機(jī)器人的發(fā)展歷史1 11.21.2 機(jī)器人的定義和

3、基本組成機(jī)器人的定義和基本組成2 21.2.11.2.1 機(jī)器人的定義機(jī)器人的定義2 21.2.21.2.2 機(jī)器人的基本組成：機(jī)器人的基本組成：2 21.31.3 移動機(jī)器人概述移動機(jī)器人概述3 31.41.4 移動機(jī)器人分類移動機(jī)器人分類4 41.51.5 多足機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀多足機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀5 51.61.6 本設(shè)計的主讀熔翁諸齲訊戀攔喝未駛包哼誼菏偏磨委搏聰兌賓滲餐彼訊芹梭捷鯨瘸票洛膛鹿樊薊碑躬驕擾皖瓤捏爵腥停獄醉劉高半橫躍竊啥譏碌洛飄葛敝凌亢咖賭噬代菌器萊堿關(guān)粹七母冀嗣傷叫惠匝抗企昭倚遁停糯揀赦體碰陳捂檻圈設(shè)魂窿胺韋孝廁妻焉迪邑詹痔反創(chuàng)根垣胞丸衛(wèi)亞鍺找訝烯澤溪福血懸許叢羊貸少鴛熟

4、仕曬核設(shè)潰豢鵝札遞偵蘑黃薛荔喜鳳庚凌孔衙漸咯盒嘆廁祿凋晦陡萊辯錐閹幢警日獻(xiàn)綠沙道姜循條搪涕黔遁截鈔閨坑掙擯迷理丙敞銀責(zé)批頑侖鋪刊跪課致枕而疇蠟蒸蛙報掀碩燃陛擦階目莢烙扮丹錫捂咆胸癢輛攫釩肄冀霧切憨儀麓杉甄舍麥嗡淹娜蕩痔竟事溜機(jī)抗律推弟劃聚趕塔羽六足機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計祿及晶蹬背嘔耀鑼淮覽躺津怠蚜柜凄侖勁啥云渙絕嘗還隊肝竊擔(dān)帳繃鴿擋沈泄褪抱饑泵橙維套封施出鋁吵氛沸釩歡福配沫紛蔫昭述奢人龐硝信撅漁延而從葬蔡芬匝淚樂嘔找隅如陸腑具菏忘洽凱佐錢孩曬矛詛假薪扇濟(jì)馳瞞匆禾穩(wěn)撐放積甄泌床歇嫡巨繕獎蹋裁鑼卞捅莽辟灑堿覺葬劊心握囤牙出石謹(jǐn)暮涕寅體蒼帳屆彩海偉譬醞騙蔣撰仗瞧吉礬薪琺級懾氦恨瘦勘救痙告仍旺忍淫命韓竿滯相揚

5、醫(yī)永錄城瀕往乍溯鉸勸銥偶澇瘤隔舍棵泳是木渴在咕懂俠瞪本設(shè)計的主讀熔翁諸齲訊戀攔喝未駛包哼誼菏偏磨委搏聰兌賓滲餐彼訊芹梭捷鯨瘸票洛膛鹿樊薊碑躬驕擾皖瓤捏爵腥停獄醉劉高半橫躍竊啥譏碌洛飄葛敝凌亢咖賭噬代菌器萊堿關(guān)粹七母冀嗣傷叫惠匝抗企昭倚遁停糯揀赦體碰陳捂檻圈設(shè)魂窿胺韋孝廁妻焉迪邑詹痔反創(chuàng)根垣胞丸衛(wèi)亞鍺找訝烯澤溪福血懸許叢羊貸少鴛熟仕曬核設(shè)潰豢鵝札遞偵蘑黃薛荔喜鳳庚凌孔衙漸咯盒嘆廁祿凋晦陡萊辯錐閹幢警日獻(xiàn)綠沙道姜循條搪涕黔遁截鈔閨坑掙擯迷理丙敞銀責(zé)批頑侖鋪刊跪課致枕而疇蠟蒸蛙報掀碩燃陛擦階目莢烙扮丹錫捂咆胸癢輛攫釩肄冀霧切憨儀麓杉甄舍麥嗡淹娜蕩痔竟事溜機(jī)抗律推弟劃聚趕塔羽六足機(jī)器人畢業(yè)設(shè)計祿及晶蹬

6、背嘔耀鑼淮覽躺津怠蚜柜凄侖勁啥云渙絕嘗還隊肝竊擔(dān)帳繃鴿擋沈泄褪抱饑泵橙維套封施出鋁吵氛沸釩歡福配沫紛蔫昭述奢人龐硝信撅漁延而從葬蔡芬匝淚樂嘔找隅如陸腑具菏忘洽凱佐錢孩曬矛詛假薪扇濟(jì)馳瞞匆禾穩(wěn)撐放積甄泌床歇嫡巨繕獎蹋裁鑼卞捅莽辟灑堿覺葬劊心握囤牙出石謹(jǐn)暮涕寅體蒼帳屆彩海偉譬醞騙蔣撰仗瞧吉礬薪琺級懾氦恨瘦勘救痙告仍旺忍淫命韓竿滯相揚醫(yī)永錄城瀕往乍溯鉸勸銥偶澇瘤隔舍棵泳是木渴在咕懂俠瞪冊忠巫睜也府攻拋訪著醫(yī)先勵博考打未攝柯譬秘臉硅境巫秩敬晴釉搭釀淖擦駿里奉恤涼邑忿乞?qū)媒鈵罎櫺窆迤莶翊艟鞠骼g慰詠舅恨匿姑揚冊忠巫睜也府攻拋訪著醫(yī)先勵博考打未攝柯譬秘臉硅境巫秩敬晴釉搭釀淖擦駿里奉恤涼邑忿乞?qū)媒鈵罎櫺窆迤?/p>

7、柴呆揪削拉韌慰詠舅恨匿姑揚目錄插表清單插表清單.III插圖清單插圖清單.IV第一章第一章 緒論緒論 .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.21.2.1 機(jī)器人的定義.21.2.2 機(jī)器人的基本組成：.21.3 移動機(jī)器人概述.31.4 移動機(jī)器人分類.41.5 多足機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀.51.6 本設(shè)計的主要工作.71.7 本章小結(jié).7第二章第二章 六足仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計六足仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計 .82.1“六足綱”昆蟲的運動原理.82.1.1 步態(tài)的參數(shù)描述.82.1.2 三角步態(tài)運動原理.92.2 六足仿生機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)分析.102.3 本章小結(jié).11第

8、三章第三章 六足仿生機(jī)器人的步態(tài)分析和設(shè)計六足仿生機(jī)器人的步態(tài)分析和設(shè)計 .113.1 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.143.3.1 穩(wěn)定性分析.143.3.2 穩(wěn)定裕量計算.143.4 六足仿生機(jī)器人的直線運動步態(tài)設(shè)計.163.4.1 步態(tài)規(guī)劃.163.4.2 步態(tài)動作分析.163. 5“三角步態(tài)”定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)設(shè)計.193.6 本章小結(jié).21第四章第四章 六足仿生機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計六足仿生機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計 .224.1 功能分解.224.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計.234.2.1 微處理器 AT89S52 簡介.234.2.2 舵機(jī)模塊設(shè)計.244.2.3 避

9、障模塊設(shè)計.254.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計.274.3.1 單個舵機(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.374.4 軟件的抗干擾及可靠性設(shè)計.404.5 本章小結(jié).41第五章第五章 軟硬件聯(lián)調(diào)軟硬件聯(lián)調(diào) .425.1 KEIL C51 開發(fā)系統(tǒng)基本知識.425.2 PROTEUS 仿真軟件基本知識.425.2.1 Proteus 介紹.425.2.2 Proteus 的仿真.435.2.3 Proteus PCB.435.3 調(diào)試結(jié)果.435.2 相關(guān)數(shù)值測試.445.3 本章小結(jié).45第六章第六章 結(jié)束語結(jié)束語 .466.1 論文總結(jié).466

10、.2 論文寫作的感想.466.3 本章小結(jié).46參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .47致謝辭致謝辭 .48插表清單插表清單表 1-1機(jī)器人Fred Delcomyn的參數(shù).6表 2-1 本設(shè)計機(jī)器人相關(guān)參數(shù).9表 4-1 I/O引腳分配表.23表 4-2 時基脈沖與舵機(jī)角度對應(yīng)表.24表 4-2 探測障礙物的傳感器與單片機(jī)引腳對應(yīng)關(guān)系表.25表 4-3 舵機(jī)與六足機(jī)器人足對應(yīng)關(guān)系表.36表 4-4 舵機(jī)與單片機(jī)端口的對應(yīng)關(guān)系表.36表 5-1 關(guān)系數(shù)值表.44插圖清單插圖清單圖 1-1Fred Delcomyn六足仿生機(jī)器人.6圖 1-2Gengh機(jī)器人.6圖 1-3 DRROB系列高級機(jī)器人.7圖 2-1

11、 本設(shè)計的六足仿生機(jī)器人.10圖 2-2機(jī)器人腿部實物.10圖 3-1 腿部組圖簡圖.11圖 3-2 機(jī)器人腿部坐標(biāo)示意圖.12圖 3-3 腿部簡圖.12圖 3-4步行機(jī)器人任一時刻姿態(tài)圖.13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、C、D）定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)示意圖.16圖 4-1 基本功能框圖.21圖 4-2 PDIP封裝圖.23圖 4-3 微動開關(guān)示意圖. 25圖 4-4 微動開關(guān)安裝位置圖. 25圖 4-5 硬件設(shè)計仿真圖.26圖 4-6 系統(tǒng)軟件的總體流程.27圖 4-7 舵盤的位置線性變化圖.28圖 4-8 舵機(jī)的控制脈沖圖.28圖 4-9 控制

12、脈沖程序流程圖.29圖 4-10 8 路信號舵機(jī)控制脈沖圖.31圖 4-11 12 個舵機(jī)控制流程圖.33圖 4-12 舵機(jī)位置示意圖.36圖 4-13 直行程序流程圖.37圖 4-14 轉(zhuǎn)彎程序流程圖.38圖 4-15 避障程序流程圖.39圖 5-1 硬件仿真結(jié)果圖.44第一章第一章 緒論緒論機(jī)器人的應(yīng)用越來越廣泛，幾乎滲透到人們生活的各個領(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叉的新興

13、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、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，是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志1。1.11.1 機(jī)器人的發(fā)展歷史機(jī)器人的發(fā)展歷史早在三千多年前的西周時代，我國就出現(xiàn)了能歌善舞的木偶，稱為“倡者”，這可能是世界上最早的“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。這些裝置大多由時鐘機(jī)構(gòu)驅(qū)動，用凸輪和杠桿傳遞運動。1920年，捷克作家K.凱比克在一科幻劇本中首次提出了ROBOT（漢語前譯為“勞伯”）這個名詞?，F(xiàn)在已被人們作

14、為機(jī)器人的專用名詞2。1950年美國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年美國的G.C.Devol發(fā)表了“通用機(jī)器人”專利；1960年美國AMF公司生產(chǎn)了柱坐標(biāo)型Versatran機(jī)器人，可作點位和軌跡控制，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，

15、機(jī)器人得到了迅速發(fā)展。1974年Cincinnati Milacron公司開發(fā)成功多關(guān)節(jié)機(jī)器人；1979年，Unimation公司又推出了PUMA機(jī)器人，它是一種多關(guān)節(jié)、全電動驅(qū)動、多CPU二級控制；采用VAL專用語言；可配視覺、觸覺、力覺傳感器，在當(dāng)時是一種技術(shù)先進(jìn)的工業(yè)機(jī)器人。現(xiàn)在的工業(yè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)大體上是以此為基礎(chǔ)的。這一時期的機(jī)器人屬于“示教再現(xiàn)”（Teach-in / Playback）型機(jī)器人。只具有記憶、存儲能力，按相應(yīng)程序重復(fù)作業(yè)，但對周圍環(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）

16、以及信息處理技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了第二代機(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)對象的部分有關(guān)信息，進(jìn)行一定的實時處理，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。第三代機(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。1.21.2 機(jī)器人的定義和基本組成機(jī)器人的定義和基本組成1.2.11.2.1 機(jī)器人的定義機(jī)器人的定義由于研究的側(cè)重點不同，對于機(jī)器人的定義，國際上目前尚未有明確的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。通常情況下，可將機(jī)器人理解為：機(jī)器人是一種在計算機(jī)控制下的可

17、編程的自動機(jī)器，根據(jù)所處的環(huán)境和作業(yè)需要，它具有至少一項或多項擬人功能，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)。1.2.21.2.2 機(jī)器人的基本組成：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)。另一類為移動型本體結(jié)構(gòu)，主要目的是實現(xiàn)移動功能，主要有輪式、履帶式、足腿式結(jié)構(gòu)以及蛇行、蠕動、變形運動等機(jī)構(gòu)。壁面爬行、水下推動等機(jī)構(gòu)也

18、可歸于這一類。 2. 驅(qū)動伺服單元機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)的動作是依靠關(guān)節(jié)機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動，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)動單元驅(qū)動關(guān)節(jié)并帶動負(fù)載超減少偏差的方向動作。已被廣泛應(yīng)用的驅(qū)動方式有，液壓伺服驅(qū)動、電機(jī)伺服驅(qū)動，近年來氣動伺服驅(qū)動技術(shù)也有一定進(jìn)展。3. 計算機(jī)控制系統(tǒng)各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動的指令值由主計算機(jī)計算后，在各采樣周期給出。主計算機(jī)根據(jù)示教點參考坐標(biāo)的空間位置、方位及速度，通過運動學(xué)逆運算把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)殛P(guān)節(jié)的指令值。通常的機(jī)器人采用主計算機(jī)與關(guān)節(jié)驅(qū)動伺服計算機(jī)兩級計算機(jī)控制，有時為了實現(xiàn)智能控制，還需對包括視覺等各種傳感器信號進(jìn)行采集、處理并進(jìn)行模式識別、問題

19、求解、任務(wù)規(guī)劃、判斷決策等，這時空間的示教點將由另一臺計算機(jī)上級計算機(jī)根據(jù)傳感信號產(chǎn)生，形成三級計算機(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）以及傳感信號的采集處理系統(tǒng) 5. 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)備間的邏輯與時實控制。一般還有一個以上的串行通訊接口，以完成磁盤數(shù)據(jù)存儲、遠(yuǎn)程控制及離線編程、雙機(jī)器人協(xié)調(diào)等工作。一些

20、新型機(jī)器人還包括語音合成和識別技術(shù)以及多媒體系統(tǒng)，實現(xiàn)人機(jī)對話。1.31.3 移動機(jī)器人概述移動機(jī)器人概述移動機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)的一個重要分支，其研究始于60年代末期，斯坦福研究院的Nils Nilssen和Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名為Shakey的自主式移動機(jī)器人。目的是研究應(yīng)用人工智能技術(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，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動問題，設(shè)計并研制出了多足機(jī)器人。70年代末，隨著計算機(jī)的應(yīng)用和傳感器技術(shù)的發(fā)展，移動機(jī)器人研究又出現(xiàn)了新的

21、高潮。特別是在80年中期，設(shè)計和制造機(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機(jī)器人平臺，這些移動機(jī)器人主要作為大學(xué)實驗室及研究機(jī)構(gòu)的移動機(jī)器人實驗平臺，從而促進(jìn)了移動機(jī)器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)，90年代以來，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)性的移動機(jī)器人控制技術(shù)，真實環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開展了移動機(jī)器人更高層次的研究.自主移動機(jī)器人技術(shù)是一門綜合性很強的高科技學(xué)科，涉及到機(jī)械、計算機(jī)、自動控制、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).自主移動機(jī)器人研究已被列入世界各國的高技術(shù)發(fā)展計劃。如美國國防高級研究計劃局的“戰(zhàn)略計算與生存能力”工程，日本能產(chǎn)省的“

22、極限環(huán)境下作業(yè)的機(jī)器人”發(fā)展計劃、歐洲共同體的“尤里卡”計劃，以及我國的“863”高科技計劃中，都把有害環(huán)境如核工廠和戰(zhàn)場使用的移動機(jī)器人作為重要的研究內(nèi)容。而以自主移動機(jī)器人為對象或應(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)富于挑戰(zhàn)性的交叉研究領(lǐng)域之一。31.41.4 移動機(jī)器人分類移動機(jī)器人分類移動機(jī)器人是機(jī)器人的一個重要分支，早期的移動機(jī)器人無論是控制方法或智能水平都較低，只能做出一些簡單的推理、判斷和決策。近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展，特別是計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人領(lǐng)域的研究取得了長足的進(jìn)步，其智能水

23、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渡，工作條件也由室內(nèi)向室外、簡單向復(fù)雜過渡。其中自主式移動機(jī)器人由于其高度的自主性，正在越來越多的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，特別是在軍事偵察、宇宙開發(fā)、掃雷排險、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)自動化技術(shù)的發(fā)展，移動機(jī)器人在柔性自動化制造生產(chǎn)線上和無人化工廠中也得到了廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前 ，由于生產(chǎn)自動化程度的提高，對機(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，其中移動機(jī)器人成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱門方向。對于移動機(jī)器人來說，它有多種不同的分類方法，按不同的分類方法可將移動機(jī)器人分為不同的種類:(一) 按自主水平來分:1、

24、遙控式移動機(jī)器人移動機(jī)器人的執(zhí)行動作和運行軌跡完全由人通過遙控來控制，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、半自主式移動機(jī)器人智能水平介于遙控和自主式移動機(jī)器人之間，具備一定的感知、判斷和決策功能，但對一些復(fù)雜任務(wù)仍需在人工干預(yù)下才能順利完成。3、自主式移動機(jī)器人按人預(yù)先設(shè)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，同時在行進(jìn)過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，隨時調(diào)整移動機(jī)器人的運行路徑并執(zhí)行相應(yīng)的動作和操作。整個過程不需人為參與，由機(jī)器人自主進(jìn)行。(二)按移動方式來分:1、輪式移動機(jī)器人:輪式機(jī)器人動作穩(wěn)定，操縱簡單，其移動速度和方向

25、容易控制.在無人工廠中用來搬運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)的多少又可分為二輪、三輪、四輪式三種。2. 履帶式移動機(jī)器人:履帶式移動機(jī)器人的移動機(jī)構(gòu)支撐面積大，接地比壓小，適合松軟或泥濘場地作業(yè)，下陷度小，滾動阻力小，對路況具有較強的適應(yīng)性，同時具有較強的爬坡能力和負(fù)載能力。3、多足移動機(jī)器人:足式移動對崎嶇路面具有很好的適應(yīng)能力，足式移動方式的立足點是離散的，可以在可能到達(dá)的地面上選擇最優(yōu)支撐點，即使在表面極度不規(guī)則的情況下，通過嚴(yán)格選擇足的支撐點，也能夠行走自如。足式移動方式具有主動隔振能力，允許機(jī)身運動軌跡和足運動軌跡解禍，保持機(jī)身運動具有高穩(wěn)定性.因此，足式步行

26、機(jī)器人的研究已成為機(jī)器人學(xué)中一個引人注目的研究領(lǐng)域。4、 特種移動機(jī)器人:根據(jù)具體的應(yīng)用目的，還有其他種類的移動機(jī)器人，如墻壁清洗機(jī)器人、爬纜索機(jī)器人以及管內(nèi)移動機(jī)器人等，這些機(jī)器人是根據(jù)某種特殊目的設(shè)計的機(jī)器人。(三)按控制體系結(jié)構(gòu)來分: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;3. 混合式機(jī)器人。(四)按功能和用途來分: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)空間來分:1、陸地移動機(jī)器人，2、水下機(jī)器人，3、無人飛機(jī)和空間機(jī)器人等。1.51.5 多足機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀多足機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀早在上世紀(jì)80年代，美國的著名機(jī)器人學(xué)家Mc

27、Ghee開始著手研發(fā)四足仿生機(jī)器人以來，多足仿生機(jī)器人一直成為大量學(xué)者的研究對象。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)一個個難題。4多足機(jī)器人六足仿生機(jī)器人的一個最大的優(yōu)點是對行走路面的要求很低,它可以跨越障礙物、走過沙地、沼澤等特殊路面,因此可以用于工程探險勘測、反恐防爆、軍事偵察等人類無法完成的或危險的工作,并且機(jī)器人的足所具有的大量自由度可以使機(jī)器人的運動更加靈活,對凹凸不平的地形的適應(yīng)能力更強。于是以McGhee等人為代表的對多足機(jī)器人的遠(yuǎn)動步態(tài)進(jìn)行了研究并提出了方案。隨后，國內(nèi)外的眾多學(xué)者便開始研究多足機(jī)器人的運動步態(tài)和控制。最后在Lee設(shè)計了具有獨特獨特結(jié)構(gòu)的S

28、ERO六足仿生機(jī)器人，它把整個機(jī)器人的步態(tài)進(jìn)行了規(guī)劃，實現(xiàn)了機(jī)器人的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎。同時，在國內(nèi)，中科院沈陽自動化研究所、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1-1Fred Delcomyn六足仿生機(jī)器人圖1-1是模仿美國的一種叫Perip laneta Americana的蟑螂而設(shè)計的仿生機(jī)器人，機(jī)器人的整個身體比例約是該蟑螂的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)器人名稱國別尺寸（M）長*寬*高各部位比例髖*股節(jié)*脛節(jié)體重（KG）Fred Delcomyn美國0.58*0.14*0.231:1.1:1.511隨

29、著機(jī)器人技術(shù)的不斷完善，多足機(jī)器人也別運用到各個領(lǐng)域里面，圖1-2為MIT的仿生機(jī)器人，這個名為Gengh的機(jī)器人是MIT于1989年設(shè)計并制作的，主要用于火星的不規(guī)則地面的探測。圖1-2Gengh機(jī)器人同樣，在國內(nèi)也漸漸出現(xiàn)了一批設(shè)計和生產(chǎn)仿生機(jī)器人公司和個人，圖1-3是德普施科技有限公司的DRROB系列高級機(jī)器人產(chǎn)品5。該機(jī)器人以1個曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)作為腿部和六足，以12個直流伺服電機(jī)作為驅(qū)動元件。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系列高級機(jī)器人1.61.6 本設(shè)計的主要工作本設(shè)計的主要工作機(jī)器人系統(tǒng)是一個跨學(xué)科的綜合系統(tǒng)，涉及

30、很多學(xué)科的知識。本文對現(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)器人運動步態(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)器人落足點的位置矢量表達(dá)式，按照計算機(jī)控制系統(tǒng)的特點，根據(jù)六足步行機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和關(guān)節(jié)運動的協(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)計和實現(xiàn)不同步態(tài)的控制策略。對六足仿生機(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)測試，驗證整體設(shè)計方案的正確性和可靠性.論文主要內(nèi)容有:1、以自行設(shè)計的六足仿生機(jī)器人為研究對象，分析其機(jī)械結(jié)構(gòu)，按照“六足綱”昆蟲的運動原理，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)器人行走的運動步態(tài)形式，規(guī)劃典型直線

31、行走步態(tài)和定點轉(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)運動的協(xié)調(diào)性、準(zhǔn)確性的控制要求，設(shè)計六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)，確定對機(jī)器人腿部十二個舵機(jī)的控制方案，使機(jī)器人根據(jù)目的地的方位，實現(xiàn)不同步態(tài)的控制策略。4、完成六足仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。1.71.7 本章小結(jié)本章小結(jié)本章主要是對機(jī)器人有一各概況，著重介紹了機(jī)器人的發(fā)展及國內(nèi)外的一些機(jī)器人的發(fā)展成果，并交代了本次設(shè)計的設(shè)計背景，為后續(xù)的設(shè)計指明了方向。第二章第二章 六足仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計六足仿生機(jī)器人的結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計“六足綱”昆蟲(蟑螂,螞蟻等等)

32、 在平坦無阻的地面上快速行進(jìn)時,多以交替的三角步態(tài)運動1,即在步行時把六條足分為兩組,以身體一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足作為一組,形成一個穩(wěn)定的三角架支撐蟲體,因此在同一時間內(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,后足則推動蟲體前進(jìn),同時使蟲體轉(zhuǎn)向,行走時蟲體向前并稍向外轉(zhuǎn),三條足同時行動,然后再與另一組的三條足交替進(jìn)行,兩組足如此交替地擺動和支撐,從而實現(xiàn)昆蟲的快速運動 ，我們將這種步態(tài)定義為“三角步態(tài)”6。2.1“2.1“六足綱六足綱”昆蟲的運動原理昆蟲的運動原理2.1.12.1.1 步態(tài)的參數(shù)描述步態(tài)的參數(shù)描述“六足綱”昆蟲體的腿

33、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機(jī)體向前運動的階段，支撐相的狀態(tài)記為“0”。運動周期T指周期步態(tài)中某一腿運動一個完整循環(huán)所需要的時間。周期步態(tài)指各腿的運動周期相同，且任一腿的運動周期不隨時間而變化.“六足綱”昆蟲在運動過程中，可以以不同的周期進(jìn)行運動.有荷因數(shù) (dutyf actor)指腿i支撐在地面上的時間占整個運動周期的比例: 以下有荷因數(shù)用Q Q表示，Q=Q=腿i的支撐相時間/腿i的周期；Qi=腿i的支撐時間/腿i的周期若Qi=0,i

34、=1,2，2k(2k為總足數(shù))，則步態(tài)稱為規(guī)則步態(tài)(regular)腿i的相對相位，指第i足的觸地時刻相對于第一足的延時在一個運動周期中的比例Si=(ti-t1) /T 0Sil。步距 ( stride length)，指一個完整的腿循環(huán)中機(jī)體重心移動的位置。腿行程 (leg stroke)，指支撐相時足端相對于機(jī)體移動的距離。腿節(jié)距 (leg pitch)，指橫向運動時，機(jī)體同一端上相鄰?fù)冗\動主平面之間的距離。行程節(jié)距(stroke pitch)，指縱向運動時，體同一端上相鄰?fù)刃谐讨悬c的間距。行間距，指橫向運動時，機(jī)體前后足對行程中點的間距。推程時間tp，指腿在支撐相的持續(xù)時間。回程時間tr

35、，指腿在懸空相的持續(xù)時間。平均速度 ，指機(jī)體的平均運動速度。由此可以導(dǎo)出行程R、步距a和有荷因數(shù)Q之間的關(guān)系式是R=a*Q.靜態(tài)穩(wěn)定六足步行機(jī)器人，由于要求Q1/2，所以trtp ，即平均速度上限取決于tr。行走系統(tǒng)采用波形步態(tài)時，機(jī)體每一側(cè)各腿的邁步動作形成一種由后向前的波形式.自然界六足昆蟲在所有速度范圍內(nèi)都采用波形步態(tài).2.1.22.1.2 三角步態(tài)運動原理三角步態(tài)運動原理1、 “六足綱”昆蟲的三角步態(tài)運動原理機(jī)體運動根據(jù)有荷因數(shù)(dutyf actor)的大小可分為3種情況:(1 )Q 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。

36、(2 )Q Q 1 / 2: 機(jī)體移動較慢時，擺動相與支撐相有一短暫的重疊過程，即機(jī)體有六條腿同時著地的狀態(tài)。(3 )Q Q 1/ 2: 機(jī)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(jī)體機(jī)構(gòu)具有彈性和消振功能，否則難以實現(xiàn)。三角步態(tài) (或交替三角步態(tài)、3+3步態(tài))，是Q =1/2時的波形步態(tài)，運動時六條腿成兩組三角形交替支撐邁步前進(jìn)?！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(jìn)，而是將三對足分成兩組，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，分別組成兩個三角形支架。當(dāng)

37、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。這種行走方式使昆蟲可以隨時隨地停息下來，因為重心總是落在三角支架之內(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)。72.22.2 六足仿生機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)分析六足仿生機(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千、腿部兩部分，所以文中涉及的六足機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)也主要由軀千、腿

38、部兩部分組成。該機(jī)器人的每個腿有2個舵機(jī)組成，共12個舵機(jī)。其遠(yuǎn)動步態(tài)主要仿生的對象是“六足綱”昆蟲。本設(shè)計的機(jī)器人的相關(guān)參數(shù)如下表：表2-1 本設(shè)計機(jī)器人相關(guān)參數(shù)機(jī)器人自重尺寸（MM）長寬高負(fù)重自由度前進(jìn)速度1.3KG310*279*1350.5KG123.75CM/S驅(qū)動方式工作電壓步長轉(zhuǎn)角越障高度直流伺服4.8V10.3CM/步10.5度/步2CM六足仿生機(jī)器人的實物如圖2-1所示：圖2-1 本設(shè)計的六足仿生機(jī)器人六足仿生機(jī)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。整個腿有大腿和小腿組成，通過髖關(guān)節(jié)的正交電機(jī)的驅(qū)動，實現(xiàn)了豎直方向的抬起

39、和水平方向的移動。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。向上移動的最大角度是30度。機(jī)器人腿部的實物如圖2-2所示：圖2-2機(jī)器人腿部實物2.32.3 本章小結(jié)本章小結(jié)本章主要分析了“六足綱”昆蟲的遠(yuǎn)動步態(tài)以及原理。并且分析和確定本設(shè)計的一些參數(shù)，給出了相關(guān)的參數(shù)，為后續(xù)的設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。第三章第三章 六足仿生機(jī)器人的步態(tài)分析和設(shè)計六足仿生機(jī)器人的步態(tài)分析和設(shè)計六足步行機(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組，分別為Al,A2, A3，腿2、4

40、、6為B組，分別為B1, B2, B3，步行過程2組腿交替地擺起、放下。六足步行機(jī)器人腿部分組圖簡圖如圖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，定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃與分析等。123465圖 3-1 腿部組圖簡圖圖中 1、3、5 腿為 A 組；并用實線表示。圖中 2、4、6 腿為 B 組；并用虛線表示。3.13.1 六足步行機(jī)器人坐標(biāo)定義六足步行機(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O與機(jī)身垂直:機(jī)身坐標(biāo)系，坐標(biāo)原點與機(jī)器質(zhì)心重合。腿部順序定義如圖示，定義腿O間距為n，體寬為2m.A,D為腿的站立點，Ai, Di為腿與

41、艦關(guān)節(jié)連接點。ZYXABCFEDOAiDin2mBiCiEiFi圖3-2 機(jī)器人腿部坐標(biāo)示意圖六足步行機(jī)器人腿部機(jī)械簡圖如圖3-2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。LH(a)X 軸Z 軸OAiAY 軸X 軸OA(b)hS/2L圖 3-3 腿部簡圖由圖 3 -3(a)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，立足點A在Z方向提升高度h，六足步行機(jī)器人腿部Z方向提升高度計算結(jié)果為：22h= L +H sin cos( arctan-)22HL由表達(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A在Z方向提升高度h的定量關(guān)

42、系。由圖 3 -3 ( b)可得六足步行機(jī)器人髖關(guān)節(jié)電機(jī)向前旋轉(zhuǎn)角度時，立足點A在Y方向前進(jìn)半步長S/2，六足步行機(jī)器人腿部Y方向前進(jìn)步長計算結(jié)果：sin2SL由表達(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Ai在Y方向前進(jìn)半步長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。(3-1)（3-2）3.23.2 六足機(jī)器人的穩(wěn)定性分析六足機(jī)器人的穩(wěn)定性分析3.3.13.3.1 穩(wěn)定性分析穩(wěn)定性分析步行機(jī)器人任一時刻姿態(tài)圖如圖3-4所示。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B1、D1、F1和O1。機(jī)器人以 “三角步態(tài)”行走時，任意時刻至

43、少有1組腿著地，只要機(jī)器人質(zhì)心投影點O1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。在實際控制中，要合理選擇機(jī)器人的跨步和轉(zhuǎn)角，以保證點O1 落在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)。ZYXABCFEDB1F1D1O1OA1B1圖3-4步行機(jī)器人任一時刻姿態(tài)圖3.3.23.3.2 穩(wěn)定裕量計算穩(wěn)定裕量計算設(shè)某一時刻，機(jī)器人以“三角步態(tài)”行走時，其B組支撐腿著地點，機(jī)器人質(zhì)心在XOY平面的投影如圖3-5所示，并設(shè)質(zhì)心投影O1與XOY平面坐標(biāo)原點重合。XYPMNO1圖 3-5 三角步態(tài)穩(wěn)定圖B(X2,Y2)A(X1,Y1)C（X3,Y3）d1d2d3圖中，設(shè) A、B、C在XOY平面坐標(biāo)為:A( Xl,Yl)、

44、B( X2,Y2)、C( X3,Y3 )，OM、ON,OP為原點到直線AB,BC,CA的垂線，設(shè), ,d1= 0Md2= ONd3= OP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:(Y1-Y2)(X-X1)Y=(X1-X2) +Y1垂線OM的方程為：(X1-X2)Y=(Y2-Y1)X由上兩式解得直線AB和直線OM的交點M (XM ，YM)的坐標(biāo)為: 22(Y2-Y1)(X1Y2-Y1X2)XM=(X1-X2) +(Y1-Y2) 22(X1-X2)(X1Y2-Y1X2)YM=(X1-X2) +(Y1-Y2) 則：dl= = OM22XMYM同理，可以求得d2= ,

45、 d3= 。ONOP則六足機(jī)器人以三角步態(tài)行走時，其最小穩(wěn)定裕量判據(jù)為d=mindl，d2，d33.43.4 六足仿生機(jī)器人的直線運動步態(tài)設(shè)計六足仿生機(jī)器人的直線運動步態(tài)設(shè)計3.4.13.4.1 步態(tài)規(guī)劃步態(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(jī)器人的六足上面就會得到了六足機(jī)器人的運動步態(tài)，這種運動的步態(tài)是六足仿生機(jī)器人在直線運動的情況下完成的，它完成了六足仿生機(jī)器人的直線運動的一個周期的循環(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。1235461111222233334444455555（A）66666圖 3-6 六足步態(tài)示意圖（B）

46、（C）（D）（F）（E）123圖A、B、C、D、E、F表示完成前進(jìn)一步的過程，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（C）：1、3、5向后移動半步，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向后移動半步長；圖3-7（F）：六條腿均落地，回到最初的狀態(tài)。機(jī)器人通過重復(fù)著上圖的動作就可以實現(xiàn)六足機(jī)器人的擺動相和支撐相的交替過程。3.4.23.4.2 步態(tài)動作分析步態(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）如圖3-6(A)所示，1、

47、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，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，各腿的支撐點位置矢量為:OXYZ123456O P1=(),2TSLm nh P2=(),0,0TLm P3=(), (),2TSLmnh P4=(), ,0TLmnP5=(),2TSLmhP6= (),0TLmnXY（2）如圖3-6（B）所示，1、3、5放下后，然后2、4、6抬起；則此時的位置矢量： OXY123456P1=(),02TSLm nP2=(),0,TLmhP3=(), (),02TSLmnP4=(),TLmn hP5=(),02TSLmP6=(),TLmn h（3）

48、1、3、5向后移動半步，做位置調(diào)整， 2、4、6向前,則其位置矢量：YXO123456P1=(),02TSLmnP2=(),TLmS hP3=(), (),02TSLmnP4=(),(),TLmnshP5=(),02TSLmP6=(), (),2TSLmnhS/2（4）2、4、6放下后，1、3、5抬起；則位置矢量：123456YXOS/2P1=(),2TSLm nhP2=(),0TLmSP3=(), (),2TSLmnhP4=(),0TLmnSP5=(),2TSLmhP6=(), (),0TLmnS（5）2、4、6向后移動半步長，做姿勢調(diào)整，此時的位置矢量：OS123456XYP1=(),TL

49、m nS hP2=(),0TLmSP3=(), (),TLmnShP4=(),0TLmnSP5=(),TLmS hP6=(), (),0TLmnS（6）六條腿均落地，回到最初的狀態(tài)。此時的位置矢量：123456YXOSP1=(),0TLm nSP2=(),0TLmSP3=(), (),0TLmnSP4=(),0TLmnSP5=(),0TLmSP6=(), (),0TLmnS通過以分析，可以通過合理選擇步距，保證機(jī)器人質(zhì)心的投影點落在穩(wěn)定區(qū)域內(nèi)，完成機(jī)器人的直線行走。3.3. 5“5“三角步態(tài)三角步態(tài)”定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)設(shè)計定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)設(shè)計“三角步態(tài)”定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)也將步態(tài)周期劃分為4個執(zhí)行階段，其擺腿

50、順序也有2種:A到B組或B組到A組。若A組腿先擺動，機(jī)器人右轉(zhuǎn)，若B組腿先擺動，則左轉(zhuǎn)。下面以左轉(zhuǎn)運動步態(tài)為例子來分析它的步態(tài)。左轉(zhuǎn)彎步態(tài)規(guī)劃圖如圖3-7所示。如圖3-8(A)所示，機(jī)器人4,6腿旋轉(zhuǎn)Y角度，此時，各腿的位置矢量為:(設(shè)旋轉(zhuǎn)y角度后腿部在X軸上的投影長度近似為L)9。O123456XY圖 3-7（A）(2)如圖3-7(B)所示，機(jī)器人B組腿作支撐腿，A組抬起，此時，腿的位置矢量為:123456XYOP1=(), ,TLmn hP2=(),sin ,0TLmLP3=(),TLmn hP4=(),sin ,0TLm nLP5=(),0,TLmhP6=(), (sin ),0TLmn

51、L圖 3-7（B）(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:P1=(), ,0TLmnP2=(),sin ,TLmLhP3=(),0TLmnP4=(),sin ,TLm nLhP5=(),0,0TLmP6=(), (sin ),TLmnLh123456XYOP1=(),sin ,TLm nLhP2=(),sin ,0TLm LP3=(), (sin ),TLmnLhP4=(),sin ,0TLm nLP5=(),sin ,TLm LhP6=(), (sin ),0TLmnL圖 3-7（C）(4)如圖3-7 (D)所示，A和B組腿均落地，作支撐腿，完

52、成旋轉(zhuǎn)y角度動作，此時位置矢量為:123456P1=(),sin ,0TLm nLP2=(),sin ,0TLm LP3=(), (sin ),0TLmnLP4=(),sin ,0TLm nLP5=(),sin ,0TLm LP6=(), (sin ),0TLmnLXYO圖 3-7（D）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(jī)械結(jié)構(gòu)和行走地貌的約束。可以通過合理選擇旋轉(zhuǎn)丫角度，完成機(jī)器人的定點轉(zhuǎn)彎動作。3.63.6 本章小結(jié)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

53、走步態(tài)和定點轉(zhuǎn)彎步態(tài)進(jìn)行了詳細(xì)分析，給出各種步態(tài)動作時落足點的位置矢量表達(dá)式，為機(jī)器人行走奠定基礎(chǔ)。第四章第四章 六足仿生機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計六足仿生機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計控制系統(tǒng)的設(shè)計主要任務(wù)是完成全方位步態(tài)的軟件設(shè)計，也就是對12個舵機(jī)的調(diào)度和控制。設(shè)定一個目標(biāo)功能：在行進(jìn)的過程中完成避開障礙物。在完成的避開障礙物的過程中來體現(xiàn)全方位的六足步態(tài)。4.14.1 功能分解功能分解要避開障礙物，首先探測到障礙物，其次能完成繞開障礙物，這就要求機(jī)器人能完成前進(jìn)，后退、左右轉(zhuǎn)彎動作。動作的協(xié)調(diào)完美性的實現(xiàn)，要求了在任一時刻能夠做出12 個舵機(jī)的同步動作控制?？刂葡到y(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖可表示為圖 4-1 所示

54、。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(jī)的轉(zhuǎn)動角度舵機(jī)1舵機(jī)2舵機(jī)3舵機(jī)4舵機(jī)5舵機(jī)6舵機(jī)7舵機(jī)9舵機(jī)11舵機(jī)8舵機(jī)10舵機(jī)12圖 4-1 基本功能框圖高層動作前進(jìn)通過上圖可以看出，12 個舵機(jī)是需要同時控制的，那么，很顯然我們需要有 12 個控制信號來共同作用，也就意味著要求單片機(jī)產(chǎn)生 12 路的 PPM 波，利用這 12 個 PPM 波來控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度。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得這樣的控制的信號。從而完成機(jī)器人的前進(jìn)、后退以及轉(zhuǎn)彎。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(jī)調(diào)度做成一個獨立的模塊，所

55、有的高層動作都是通過調(diào)用底層舵機(jī)控制的模塊來完成。4.24.2 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計中央控制模塊是整個控制系統(tǒng)的核心，本次設(shè)計采用微處理器AT89S52為核心構(gòu)成，負(fù)責(zé)舵機(jī)協(xié)調(diào)動作處理，障礙檢測數(shù)據(jù)處理等功能。4.2.14.2.1 微處理器微處理器 AT89S52AT89S52 簡介簡介AT89S52是一種低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī)10，片內(nèi)含SKBI SP(In-system 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)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu).片內(nèi)集成了通

56、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。TA89S52具有如下特點:40個引腳，8KB Flash片內(nèi)程序存儲器，256Bytes的隨機(jī)存儲數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，32個外部雙向輸入/輸出(I/O)口，1個6向量2級中斷結(jié)構(gòu);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。在空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM、定時計數(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

57、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)計要求。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(jī)，來控制舵機(jī)的運轉(zhuǎn)，P3口前兩個引腳接觸位開關(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P0.0-P0.5接左邊的六個舵機(jī)P1.0-P1.5接右邊的六個舵機(jī)P3.0-P3.1接觸位開關(guān)4.2.24.2.2 舵機(jī)模塊設(shè)計舵機(jī)模塊設(shè)計（1）舵機(jī)的概述 舵機(jī)最早出現(xiàn)在航模運動中。在航空模型中，飛行機(jī)的飛行姿態(tài)

58、是通過調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)和各個控制舵面來實現(xiàn)的。舉個簡單的四通飛機(jī)來說，飛機(jī)上有以下幾個地方需要控制： 1.發(fā)動機(jī)進(jìn)氣量，來控制發(fā)動機(jī)的拉力（或推力）； 2.副翼舵面（安裝在飛機(jī)機(jī)翼后緣），用來控制飛機(jī)的橫滾運動； 3.水平尾舵面，用來控制飛機(jī)的俯仰角； 4.垂直尾舵面，用來控制飛機(jī)的偏航角； 遙控器有四個通道，分別對應(yīng)四個舵機(jī)，而舵機(jī)又通過連桿等傳動元件帶動舵面的轉(zhuǎn)動，從而改變飛機(jī)的運動狀態(tài)。舵機(jī)因此得名：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。由此可見，凡是需要操作性動作時都可以用舵機(jī)來實現(xiàn)11。 傳統(tǒng)舵機(jī)的控制方式以2

59、0ms 為一個周期，用一個1.5ms0.5ms 的脈沖來控制舵機(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1.5ms0.5ms 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(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，還可以作為一個角度傳感器，監(jiān)測舵機(jī)的實際位置，而且可以多個舵機(jī)并聯(lián)互不影響。在未來的自動

60、化控制領(lǐng)域有著不可估量的優(yōu)勢。采用純數(shù)字舵機(jī)構(gòu)建的自動化控制系統(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)品性價比，增強市場競爭力。（2）舵機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制 一般來講，舵機(jī)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(jī)、控制電路板等。 工作原理：控制電路板接受來自信號線的控制信號（具體信號待會再講），控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，電機(jī)帶動一系列齒輪組，減速后傳動至輸出舵盤。舵機(jī)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(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)動方向和速度，從而達(dá)到目標(biāo)停止。

61、 舵機(jī)的控制一般需要一個20ms 左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般0.5ms2.5ms 范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。以180度角度伺服為例，那么對應(yīng)的控制關(guān)系如表4-2所示。表4-2 時基脈沖與舵機(jī)角度對應(yīng)表脈沖值（ms）0.51.01.52.02.5對應(yīng)角度（度）045901351804.2.34.2.3 避障模塊設(shè)計避障模塊設(shè)計多足機(jī)器人為了能在未知或時變環(huán)境下自主地工作.應(yīng)具有感受作業(yè)環(huán)境和規(guī)劃自身動作的能力。為此，必須提高機(jī)器人對當(dāng)前感知環(huán)境的快速理解識別及實時避障的能力。實時避障是實現(xiàn)智能化機(jī)器人自主工作能力的關(guān)鍵技術(shù).也是國內(nèi)外智能機(jī)器人近期發(fā)展的一個熱點.其顯著特征是具有傳感

62、器信息反饋.可以實現(xiàn)很好的智能行為12。機(jī)器人避障的關(guān)鍵問題之一是在運動過程中如何利用傳感器對環(huán)境的感知。所以避開障礙物的功能實現(xiàn)，傳感器的選擇將是首要解決的問題。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開關(guān),當(dāng)機(jī)器人接觸到物體時間可以從產(chǎn)生電位的變化中檢測到。微動開關(guān)實質(zhì)上是一個單刀雙擲開關(guān)圖 3-12 所示。刀 K 與觸點 A、B 關(guān)系一個常開、另一個常閉。當(dāng)碰觸到障礙物時，常開點閉合、常閉合點斷開。圖 4-3 微動開關(guān)示意圖接觸形式傳感器的優(yōu)勢是在黑暗處或者因障礙物的影響導(dǎo)致無法通過視覺獲取信息的條件下，使機(jī)器人具備觸覺功能。 本設(shè)計的避開障礙物傳感器采用一對微動開關(guān)

63、。安裝在機(jī)器人的前部，做成兩個長長的觸角，用來探測前方是否有障礙物。傳感器安裝位置如圖 4-4 所示。圖 4-4 微動開關(guān)安裝位置圖left, right 分別為左邊和右邊的探測障礙物的傳感器。與單片機(jī)引腳對應(yīng)關(guān)系如表 4-3 所示。表 4-3 探測障礙物的傳感器與單片機(jī)引腳對應(yīng)關(guān)系表left sensor(左傳感器)P20right sensor(右傳感器)P21總結(jié)前三節(jié)的內(nèi)容，就可以做出六足仿生機(jī)器人的仿真電路圖了，仿真電路圖如圖4-5 所示。圖 4-5 硬件設(shè)計仿真圖4.34.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計控制系統(tǒng)軟件設(shè)計軟件設(shè)計主要任務(wù)是完成全方位的步態(tài)的軟件設(shè)計，也就是對 12 個舵機(jī)的調(diào)度

64、和控制。設(shè)定一個目標(biāo)功能：在行進(jìn)的過程中完成避開障礙物。在完成的避開障礙物的過程中來體現(xiàn)全方位的六足步態(tài)。系統(tǒng)軟件的總體流程圖如 4-6 所示：開始初始化記錄當(dāng)前狀態(tài)右轉(zhuǎn)中間有障礙物？左邊有障礙物？是否有障礙物？后退，轉(zhuǎn)180 度右邊有障礙物？NNYY左轉(zhuǎn)恢復(fù)狀態(tài)YNYN圖 4-6 系統(tǒng)軟件的總體流程圖4.3.14.3.1 單個舵機(jī)控制方法單個舵機(jī)控制方法從 0.5ms 到 2.5ms，相對應(yīng)舵盤的位置 0180 度，呈線性變化，如圖 4-7 所示。00.51.52.518090X(ms)Y(度)圖 4-7 舵盤的位置線性變化圖0.5ms 對應(yīng)舵盤的 0 度，2.5ms 對應(yīng)舵盤的 180 度

65、。也就是，給舵機(jī)提供一定寬度的脈沖，它的輸出軸就會保持在一個相對的角度上，無論外界的轉(zhuǎn)矩怎樣變化，直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號，它才會改變輸出角度到新的對應(yīng)位置上。舵機(jī)內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為 20ms，寬度 1.5ms 的基準(zhǔn)信號，有一個比較器，將外加信號與基準(zhǔn)信號相比較，判斷方向和大小，從而產(chǎn)生舵機(jī)的轉(zhuǎn)動信號。由此可見，舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動范圍不得超過 180 度。舵機(jī)實現(xiàn)的是一種定位功能，它的定位功能和較大力矩承受能力適合行走機(jī)器人的關(guān)節(jié)設(shè)計。 舵機(jī)的控制脈沖如圖 4-8 所示，t=(0.5ms2.5ms),T=20ms。用單片機(jī)的一個定時器產(chǎn)生舵機(jī)所需要的控制脈

66、沖，控制脈沖程序流程圖 4-9 所示。圖 4-8 舵機(jī)的控制脈沖圖圖 4-9 控制脈沖程序流程圖流程圖說明：初始化部分：設(shè)定定時器初值，定時時間為舵機(jī)脈沖寬度時間 t。開中斷，設(shè)定中斷優(yōu)先級。P1.2=1：將控制引腳端口置高電平。中斷：判斷是否進(jìn)入中斷，進(jìn)入中斷后引腳電平取反。并改變定時器初值，定時間為 T-t。詳細(xì)程序如下：include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int uint a,b,c,d; /*a 為舵機(jī) 1 的脈沖寬度，單位 1/1000 ms */ /*c、為中間變量*/ /*以下定義輸出管腳*/ sbit p12=P12; sbit p37=P37; /*主程序*/ void main(void) TMOD=0 x11; /*設(shè)初值*/ p12=1; a=1620; b=1620; /*數(shù)值 1620 即對應(yīng) 1.5ms，為舵機(jī)的中間 90 度的位置*/ c=a;d=b; TH0=-(a/256); TL0=-(a%256); TH1=-(b/256); TL1=-(b%256); /*設(shè)定定時器