四足機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 摘 要 四足機(jī)器人作為仿生機(jī)器人的一種 得到了廣泛的研究 行走機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī) 構(gòu)是四足機(jī)器人最關(guān)鍵的部分 目前 行走機(jī)構(gòu)的研究大多采用在腿機(jī)構(gòu)的關(guān)節(jié) 處安裝伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng) 增加了機(jī)器人的重量和控制策略的難度 并且 機(jī)器 人本體大多是一個(gè)剛性整體 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)研究不足 為此 項(xiàng)目將四足機(jī)器人本體 作為一個(gè)柔性整體 采用三維建模軟件 Pro E4 0 設(shè)計(jì)了四足機(jī)器人的機(jī)械系統(tǒng) 提出了一種新穎的凸輪控制驅(qū)動(dòng)式行走機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)了一種腿機(jī)構(gòu)以及相應(yīng)的凸輪 控制驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 并初步設(shè)計(jì)了柔性轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu) 在此基礎(chǔ)上 論文采用主從式控制 方式設(shè)計(jì)了四足機(jī)器人的控制系統(tǒng) 重點(diǎn)討論了以 8051 單片機(jī)為控制器的行走 機(jī)構(gòu)和轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 關(guān)鍵詞 四足機(jī)器人 行走機(jī)構(gòu) 凸輪驅(qū)動(dòng) 控制系統(tǒng) 三維設(shè)計(jì) Abstract Quadruped robot as one of biomimetic robots has been extensively studied Travel agencies and institutions is a quadruped robot turning the key At the present servo motor is installed in the leg joints of the most travel agencies increasing the weight of the robot and the difficulty of the control system strategy And most of the robot is a rigid body as a whole and the research of the turning institutions is not fully studied For this purpose the project will take four legged robot whole body as a flexible rigid body and three dimensional modeling software Pro E4 0 is used for designing quadruped robot mechanical systems a new travel agency based on cam control drive is proposed a kind of leg mechanism and control of the corresponding cam drive mechanism is designed and a flexible turning institution is preliminary designed Based on this work the control system of the robot was designed Especially control systems of the stepped mechanism and the wheel mechanism were analyzed 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 i detailed Key words quadruped robot stepped mechanism cam drive control system three dimensional design 目 錄 1 引言 1 1 1 機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 1 1 2 國(guó)內(nèi)外四足行走機(jī)器人得研究概況 2 1 3 機(jī)器人學(xué)主要涉及的學(xué)科內(nèi)容 4 1 4 課題簡(jiǎn)介 5 2 機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 6 2 1 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述 6 2 2 四足機(jī)器人研發(fā)流程 7 2 3 四足機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 9 3 四足機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù) 10 3 1 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容及特點(diǎn) 10 3 2 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì) 11 3 3 行走機(jī)構(gòu)的研究 13 3 4 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 19 3 5 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 24 3 6 腱機(jī)構(gòu) 28 3 7 機(jī)器人的外形設(shè)計(jì) 28 3 8 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 29 4 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 35 4 1 傳感器 35 4 2 控制器 36 4 3 控制系統(tǒng) 39 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 ii 5 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 42 5 1 行走系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 42 5 2 轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 43 總結(jié) 47 參考文獻(xiàn) 49 致謝 51 凸輪控制驅(qū)動(dòng)式的四足機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1 引言 1 1 機(jī)器人及其相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 自從人類制造出了一電子計(jì)算機(jī)為代表的各種信息處理和計(jì)算的工具 進(jìn)一 步拓展和延伸了人類大腦的功能 機(jī)器人的誕生和相關(guān)技術(shù)的發(fā)展 成為二十世 紀(jì)人類科學(xué)技術(shù)的重大成就之一 1920 年 捷克作家卡雷爾 佩克 Karel Capek 在其幻想情節(jié)劇 羅沙姆 的萬(wàn)能機(jī)器人 中描述了一個(gè)名為 R U R 的工廠 將人類從繁重而乏味的工作中 解放出來(lái) 制造出一種與人類相似 但能不知疲倦工作的機(jī)器奴仆 取名 ROBOTA Robot 機(jī)器人 一詞由此演化而來(lái) 1960 年 美國(guó) Unimation 公司根據(jù) Devol 的專利技術(shù)研制出了第一臺(tái)工業(yè)機(jī) 器人樣機(jī) 并定型生產(chǎn) Unimate 工業(yè)機(jī)器人 1962 年 美國(guó)的 General Motors 公司在壓鑄件生產(chǎn)線上安裝了第一臺(tái)工業(yè) Unimate 機(jī)器人 標(biāo)志著第一代機(jī)器人 的正式誕生 在此后的五十多年里 機(jī)器人技術(shù)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展 表 1 1 是近代 機(jī)器人發(fā)展的重大事件的時(shí)間表 1 時(shí)間 事件 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 iii 1954 年 1960 年 1968 年 1970 年 1978 年 1984 年 1998 年 2002 年 2006 年 George Devol 開(kāi)發(fā)出第一臺(tái)可編程機(jī)器人 Unimation 公司推出第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人 第一臺(tái)智能機(jī)器人 Shakey 在斯坦福研究所 SRI 誕生 ETL 公司發(fā)明帶視覺(jué)的自適應(yīng)機(jī)器人 美國(guó)推出通用工業(yè)機(jī)器人 PUMA 這標(biāo)志著工業(yè)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)成熟 機(jī)器人 Helpmate 問(wèn)世 該機(jī)器人能在醫(yī)院里為病人送飯 送郵件等 丹麥樂(lè)高公司推出機(jī)器人 Mind storms 套件 iRobot 公司推出吸塵機(jī)器人 Roomba 是世界上銷量最大的家用機(jī)器人 微軟公司推出的 Microsoft Robotics Studio 機(jī)器人模塊化 平臺(tái)化的趨勢(shì) 越來(lái)越明顯 比爾 蓋茨預(yù)言 家用機(jī)器人會(huì)很快席卷全球 1 2 國(guó)內(nèi)外四足行走機(jī)器人得研究概況 目前 常見(jiàn)的步行機(jī)器人以兩足式 四足式 六足式應(yīng)用較多 其中 四足 步行機(jī)器人機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單且靈活 承載能力強(qiáng) 穩(wěn)定性好 在搶險(xiǎn)救災(zāi) 探險(xiǎn) 娛樂(lè) 及軍事等許多方面有很好的應(yīng)用前景 其研制工作一直受到國(guó)內(nèi)外的重視 本文 介紹了國(guó)內(nèi)外在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 步態(tài) 控制等方面已經(jīng)取得的進(jìn)展 并分析了其中的 關(guān)鍵技術(shù) 最后 歸納總結(jié)了未來(lái)四足步行機(jī)器人的幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì) 以期對(duì)以 2 后的研究工作具有指導(dǎo)作用 20 世紀(jì) 60 年代 四足步行機(jī)器人的研究工作開(kāi)始起步 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和 機(jī)器人控制技術(shù)的研究和應(yīng)用 到了 20 世紀(jì) 80 年代 現(xiàn)代四足步行機(jī)器人的研 制工作進(jìn)入了廣泛開(kāi)展的階段 世界上第一臺(tái)真正意義的四足步行機(jī)器人是由 Frank 和 McGhee 于 1977 年 制作的 該機(jī)器人具有較好的步態(tài)運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性 但其缺點(diǎn)是 該機(jī)器人的關(guān)節(jié)是 由邏輯電路組成的狀態(tài)機(jī)控制的 因此機(jī)器人的行為受到限制 只能呈現(xiàn)固定的 運(yùn)動(dòng)形式 20 世紀(jì) 80 90 年代最具代表性的四足步行機(jī)器人是日本 Shigeo Hirose 實(shí)驗(yàn) 室研制的 TITAN 系列 1981 1984 年 Hirose 教授研制成功腳部裝有傳感和信號(hào) 處理系統(tǒng)的 TITAN III 它的腳底部由形狀記憶合金組成 可自動(dòng)檢測(cè)與地面接 觸的狀態(tài)姿態(tài)傳感器和姿態(tài)控制系統(tǒng)根據(jù)傳感信息做出的控制決策 實(shí)現(xiàn)在不平 整地面的自適應(yīng)靜態(tài)步行 TITAN 機(jī)器人采用新型的直動(dòng)型腿機(jī)構(gòu) 避免了 上樓梯過(guò)程中各腿間的干涉 并采用兩級(jí)變速驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) 對(duì)腿的支撐相和擺動(dòng)相 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 iv 分別進(jìn)行驅(qū)動(dòng) 2000 2003 年 日本電氣通信大學(xué)的木村浩等人研制成功了具有寵物狗外形 的機(jī)器人 Tekken IV 如 1 3 所示 它的每個(gè)關(guān)節(jié)安裝了一個(gè)光電碼盤 陀螺儀 傾角計(jì)和觸覺(jué)傳感器 系統(tǒng)控制是由基于 CPG 的控制器通過(guò)反射機(jī)制來(lái)完成的 Tekken IV 能夠?qū)崿F(xiàn)不規(guī)則地面的自適應(yīng)動(dòng)態(tài)步行 顯示了生物激勵(lì)控制對(duì)未知 的不規(guī)則地面有自適應(yīng)能力的優(yōu)點(diǎn) 它的另一特點(diǎn)是利用了激光和 CCD 攝像機(jī) 導(dǎo)航 可以辨別和避讓前方存在的障礙 能夠在封閉回廊中實(shí)現(xiàn)無(wú)碰撞快速行走 目前最具代表的四足步行機(jī)器人是美國(guó) Bostondynamics 實(shí)驗(yàn)室研制的 BigDog 如圖 1 4 所示 它能以不同步態(tài)在惡劣的地形上攀爬 可以負(fù)載高達(dá) 52KG 的重量 爬升斜坡可達(dá) 35 其腿關(guān)節(jié)類似動(dòng)物腿關(guān)節(jié) 安裝有吸收震動(dòng) 部件和能量循環(huán)部件 同時(shí) 腿部連有很多傳感器 其運(yùn)動(dòng)通過(guò)伺服電機(jī)來(lái)控制 該機(jī)器人機(jī)動(dòng)性和反應(yīng)能力都很強(qiáng) 平衡能力極佳 圖 1 3Tekken IV 圖 1 4 美國(guó) 機(jī)器騾子 國(guó)內(nèi)四足機(jī)器人研制工作從 20 世紀(jì) 80 年代起步 取得一定成果的研究機(jī)構(gòu) 有上海交通大學(xué) 清華大學(xué) 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 等 4 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 v 圖 1 5 JTUWM III 圖 1 6 清華大學(xué)四足機(jī)器人 上海交通大學(xué)機(jī)器人研究所于 1991 年開(kāi)展了 JTUWM 系列四足步行機(jī)器人 的研究 1996 年該研究所研制成功了 JTUWM III 如 1 5 所示 該機(jī)器人采 3 用開(kāi)式鏈腿機(jī)構(gòu) 每條腿有 3 個(gè)自由度 它采用力和位置混合控制 腳底裝有 PVDF 測(cè)力傳感器 利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊算法相結(jié)合 實(shí)現(xiàn)了對(duì)角線動(dòng)態(tài)行 走 但其步行速度較慢 極限步速僅為 1 7km h 另外 其負(fù)重能力有限 故在 實(shí)際作業(yè)時(shí)實(shí)用性較差 清華大學(xué)所研制的一款四足步行機(jī)器人 如圖 1 6 所示 它采用開(kāi)環(huán)關(guān)節(jié)連 桿機(jī)構(gòu)作為步行機(jī)構(gòu) 通過(guò)模擬動(dòng)物的運(yùn)動(dòng)機(jī)理 實(shí)現(xiàn)比較穩(wěn)定的節(jié)律運(yùn)動(dòng) 可 以自主應(yīng)付復(fù)雜的地形條件 完成上下坡行走 越障等功能 不足之處是腿運(yùn)動(dòng) 時(shí)的協(xié)調(diào)控制比較復(fù)雜 而且承載能力較小 綜上所述 美國(guó) 日本的研究最具代表性 其技術(shù)水平已經(jīng)較為先進(jìn) 實(shí)用 化程度也在逐步提高 國(guó)內(nèi)四足步行機(jī)器的研究起步比較晚 在上個(gè)世紀(jì) 90 年 代以后才逐步有了成果 但研究水平據(jù)世界先進(jìn)水平還有差距 1 3 機(jī)器人學(xué)主要涉及的學(xué)科內(nèi)容 機(jī)器人學(xué)主要涉及控制論 仿生機(jī)構(gòu)學(xué)和人工智能三大基礎(chǔ)學(xué)科 1 人工智能 人工智能的研究 采用計(jì)算機(jī)科學(xué)的觀點(diǎn)和方法 撇開(kāi)人腦的細(xì)微結(jié)構(gòu) 單 純進(jìn)行人腦宏觀功能的模擬 人工智能是在 20 世紀(jì) 50 年代后半期 即電子計(jì)算 機(jī)的發(fā)展已具備各種復(fù)雜工作能力是形成的 2 電子技術(shù) 電子技術(shù)的進(jìn)步 特別是微處理器 存儲(chǔ)器及大規(guī)模集成電路的發(fā)展 使得 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 vi 機(jī)器人的控制能力提高 而體積減小 另外 大容量晶體管 柵控閘流晶體管 場(chǎng)效應(yīng)管等電子元件的開(kāi)發(fā) 促進(jìn)了機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展 3 傳感技術(shù) 這是涉及很多學(xué)科領(lǐng)域的技術(shù) 機(jī)器人有視覺(jué) 聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)等感覺(jué) 相應(yīng)傳 感技術(shù)包括視覺(jué)系統(tǒng)的模式識(shí)別技術(shù) 環(huán)境的情景分析 三維位置測(cè)量技術(shù)和皮 膚的感覺(jué) 如觸覺(jué) 壓覺(jué)等力的感覺(jué) 其他還有語(yǔ)音識(shí)別和自然語(yǔ)言理解等 4 機(jī)械技術(shù) 機(jī)器人的手和足要能像人一樣靈活動(dòng)作 必須要有精密靈巧的機(jī)械裝置 小 型高強(qiáng)度機(jī)械裝置的研制 對(duì)機(jī)器人手 足機(jī)構(gòu)的改進(jìn)起到了很大的推動(dòng)作用 5 仿生機(jī)構(gòu)技術(shù) 機(jī)器人作為一種擬人 動(dòng)物 的自動(dòng)機(jī)械裝置 就應(yīng)該像人 動(dòng)物 一樣有 手腳 而且實(shí)現(xiàn)像人或動(dòng)物一樣以步行方式行走是機(jī)器人學(xué)研究領(lǐng)域最重要的一 個(gè)方向 因此 必須進(jìn)行行走步態(tài) 重心轉(zhuǎn)移 移動(dòng)導(dǎo)向 穩(wěn)定步行等仿生問(wèn)題 的研究 機(jī)器人還涉及到其他領(lǐng)域 如材料科學(xué) 心理學(xué)等其他學(xué)科 總之 機(jī)器人 學(xué)是一門綜合性的學(xué)科 它的發(fā)展和進(jìn)步與其他相關(guān)學(xué)科的發(fā)展密切相關(guān) 1 4 課題簡(jiǎn)介 本課題所設(shè)計(jì)的是一種四足行走機(jī)器人 目前國(guó)際上對(duì)四足行走機(jī)器人的研 究相當(dāng)熱門 技術(shù)也已相當(dāng)成熟 主要集中在電子寵物機(jī)器人領(lǐng)域 如前所述的 日本及美國(guó)的機(jī)器狗 均標(biāo)志著兩國(guó)在機(jī)器人和機(jī)器動(dòng)物研制領(lǐng)域已處于世界領(lǐng) 先地位 由于現(xiàn)實(shí)世界中 狗占據(jù)著寵物的 霸主 地位 故本課題選擇狗的外形作 為四足行走機(jī)器人外形的參考模型 而且 狗作為人類的得力助手 在福利助殘 導(dǎo)盲犬 對(duì)付犯罪 緝毒犬 警犬等 等方面能發(fā)揮重要的作用 故本課題的研 究就具有重大的現(xiàn)實(shí)意義 本課題的研究重點(diǎn)是設(shè)計(jì)一種四足行走行走機(jī)構(gòu) 并設(shè)計(jì)了一種脊柱轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī) 構(gòu) 以這兩種機(jī)構(gòu)為基礎(chǔ) 以狗外形作為外形參考模型 設(shè)計(jì)了一種四足行走機(jī) 器人 機(jī)器狗 本課題的主要任務(wù)是提供一個(gè)比較完善的行走機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng) 為開(kāi)發(fā)完整 的行走機(jī)器人系統(tǒng)提供硬件支持 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 vii 本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)器人的腿機(jī)構(gòu)技術(shù)性能如下 腿機(jī)構(gòu)的自由度 3 個(gè) 機(jī)構(gòu)所含的運(yùn)動(dòng)副 轉(zhuǎn)動(dòng)副 移動(dòng)副 在支撐相 中 足端相對(duì)于機(jī)身運(yùn)動(dòng)狀況 理論上絕對(duì)水平勻速直線運(yùn)動(dòng) 支撐相相位角 3 2 懸空相 相位角 2 機(jī)構(gòu)的外形 具有哺乳動(dòng)物腿的外形 本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)器人技術(shù)性能如下 外形尺寸 895 808 322 電源 12V 鎘 鎳堿性蓄電池 運(yùn)動(dòng)形式 可前進(jìn) 后退 左轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn) 步距 150mm 正常前進(jìn)時(shí) 步行速度 可變 智能水平 無(wú) 待開(kāi)發(fā) 負(fù)載 無(wú) 2 機(jī)器人系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2 1 機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述 機(jī)器人基本上是由機(jī)械本體結(jié)構(gòu) 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 傳感系 統(tǒng) 通信接口等部分組成 1 機(jī)械本體結(jié)構(gòu) 從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來(lái)分析 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看作有一系列連桿通過(guò)旋轉(zhuǎn) 關(guān)節(jié) 或移動(dòng)關(guān)節(jié) 連接起來(lái)的開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈 步行機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中 各腿交替的呈現(xiàn)兩種不同的狀態(tài) 即支撐狀態(tài)和懸空 狀態(tài) 腿處于支撐狀態(tài)時(shí) 足端與地面接觸支持機(jī)體重量 并且推動(dòng)機(jī)體前進(jìn) 這種狀 態(tài)稱為支撐相 當(dāng)腿處于懸空狀態(tài)時(shí) 足端抬離地面 向前邁步為下一個(gè)支撐相作準(zhǔn)備 這種狀 態(tài)稱為懸空相 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 viii 2 關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)器人本體機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)作靠的是關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng) 機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)大多是基于 閉環(huán)控制的原理來(lái)進(jìn)行的 常用的驅(qū)動(dòng)單元是各種伺服電機(jī) 由于一般伺服電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速很高 1000r min 10000r min 因此 在電機(jī)與負(fù)載之間用一套傳動(dòng)裝置來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)速和 轉(zhuǎn)矩的匹配 3 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng) 各關(guān)節(jié)伺服驅(qū)動(dòng)的指令值由主計(jì)算機(jī)計(jì)算后在每個(gè)采樣周期給出 計(jì)算機(jī)通 過(guò)軌跡規(guī)劃 得到空間軌跡在各采樣時(shí)刻的數(shù)據(jù) 通過(guò)逆運(yùn)動(dòng)學(xué)計(jì)算把空間數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)變?yōu)楦麝P(guān)節(jié)的指令值 4 感知系統(tǒng)與通信接口 機(jī)器人要正常地進(jìn)行工作 必須與周圍環(huán)境保持密切的聯(lián)系 除了關(guān)節(jié)伺服 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中供反饋用的位置 速度 加速度的傳感器 稱為機(jī)器人的內(nèi)部傳感器 機(jī)器人還可配備視覺(jué) 力覺(jué) 觸覺(jué) 接近覺(jué)等等多種類型的傳感器 稱為機(jī)器人 的外部傳感器 以及傳感信號(hào)的采集處理系統(tǒng) 2 2 四足機(jī)器人研發(fā)流程 四足行走機(jī)器人的研發(fā)流程如圖 2 1 所示 首先 采用虛擬樣機(jī)技術(shù) vitual prototype 利用三維造型軟件 5 PRO E 建立機(jī)器人機(jī)械部分的三維實(shí)體模型 然后利用動(dòng)力學(xué)分析軟件 ADAMS 建立機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)模型 進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真 與此同時(shí) 進(jìn)行四足機(jī)器人的控制 驅(qū)動(dòng)和傳感器子系統(tǒng)設(shè)計(jì) 最后 對(duì)機(jī)器人各個(gè)系統(tǒng)進(jìn) 行集成 調(diào)試 根據(jù)調(diào)試的結(jié)果修改設(shè)計(jì)缺陷 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行循環(huán)改進(jìn) 直至 獲得最優(yōu)設(shè)計(jì)方案后 再制作物理樣機(jī) 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 ix 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 步態(tài)規(guī)劃設(shè)計(jì) 運(yùn)動(dòng)學(xué) 動(dòng) 力學(xué)分析 控制子系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì) 建模仿真 兼容性分析 傳感器子 系統(tǒng)的設(shè) 計(jì) 加工物理樣機(jī) 圖 2 1 四足機(jī)器人的研發(fā)流程 任務(wù) 2 3 四足機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 任務(wù) 本課題并未要求規(guī)劃?rùn)C(jī)器人的任務(wù) 因此 在本節(jié)系統(tǒng)規(guī)劃中將其納入機(jī)器 人系統(tǒng)中 但在后續(xù)設(shè)計(jì)中并不進(jìn)行具體設(shè)計(jì) 環(huán)境 機(jī)器人的移動(dòng)機(jī)構(gòu)形式取決于移動(dòng)環(huán)境 廣義的移動(dòng)環(huán)境包括氣體環(huán)境 液 體環(huán)境 固體環(huán)境和混合環(huán)境 本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)器人的移動(dòng)環(huán)境是陸上表面環(huán) 境 其特點(diǎn)是表面較硬 凹凸不平 有障礙 獨(dú)立 即環(huán)境不應(yīng)因機(jī)器人的運(yùn)動(dòng) 而改變 控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及相應(yīng)的軟件組成 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可由二級(jí)或三級(jí)組成 由主計(jì)算機(jī)完成智能控制功能 從計(jì)算機(jī)產(chǎn)生行走控制信號(hào) 本設(shè)計(jì)完成了從計(jì)算機(jī)子系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)了行走控制功能 調(diào)整優(yōu)化 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 x 任務(wù) 環(huán)境 機(jī)器人模型 環(huán)境模型 工作任務(wù)程序 控制算法 外部 傳感 器 行走機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu) 減速機(jī)構(gòu) 動(dòng)力裝置 伺服電機(jī) 接口電路 內(nèi)部傳感器 機(jī)器人控制系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)語(yǔ)言 交互作用 2 2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)框架圖 機(jī)器人本體 機(jī)器人本體主要由三個(gè)部分組成 動(dòng)力裝置 伺服電機(jī) 減速裝置 執(zhí)行 機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu) 通過(guò)內(nèi)部傳感器 光電編碼器等 將這三部分有 機(jī)地結(jié)合在一起 本課題中使用了直流伺服電機(jī)作為動(dòng)力裝置 12V 蓄電池為系統(tǒng)提供能量 也使用了齒輪副作為二級(jí) 三級(jí)減速 使用了一種三自由度的平面關(guān)節(jié)式腿機(jī)構(gòu) 作為行走機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)彎功能通過(guò)一種脊柱機(jī)構(gòu)完成 系統(tǒng)集成 要把以上四個(gè)部分結(jié)合在一起 構(gòu)成一個(gè)有機(jī)的機(jī)器人系統(tǒng) 完成了如下工 作 利用計(jì)算機(jī)語(yǔ)言將任務(wù) 告訴 控制系統(tǒng) 經(jīng)控制系統(tǒng)處理后 產(chǎn)生控制信 號(hào) 經(jīng)過(guò)接口電路 控制伺服電機(jī)動(dòng)作 機(jī)器人在具體的環(huán)境中運(yùn)動(dòng) 與環(huán)境相 互作用 通過(guò)外部傳感器 將環(huán)境信息采集處理后傳輸給控制系統(tǒng) 控制系統(tǒng)指 導(dǎo)機(jī)器人如何動(dòng)作 3 四足機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù) 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)是四足機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) 整體機(jī)械結(jié)構(gòu) 自由度數(shù) 驅(qū)動(dòng)方 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xi 式和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等都會(huì)直接影響機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力性能 同時(shí)四足機(jī)器人在機(jī)構(gòu) 設(shè)計(jì)除了需要滿足系統(tǒng)的技術(shù)性能外 還需要滿足經(jīng)濟(jì)性要求 即必須在滿足機(jī) 器人的預(yù)期技術(shù)指標(biāo)的同時(shí) 考慮用材合理 制造安裝簡(jiǎn)單以及可靠性高等問(wèn)題 3 1 機(jī)器人機(jī)械設(shè)計(jì)的內(nèi)容及特點(diǎn) 所謂 機(jī)械 經(jīng)典的定義就是 按確定的位置相互聯(lián)結(jié) 并按一定的規(guī)律 相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)或零件的組合體 通過(guò)這種組合可以達(dá)到減輕或代替人的勞動(dòng) 完成有用的機(jī)械功或轉(zhuǎn)換機(jī)械能的目的 機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)與一般的機(jī)械設(shè)計(jì) 相比 許多方面是類似的 但是也有不少特殊之處 首先 從機(jī)構(gòu)學(xué)的角度來(lái)分析 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)可以看作有一系列連桿通 過(guò)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié) 或移動(dòng)關(guān)節(jié) 連接起來(lái)的開(kāi)式運(yùn)動(dòng)鏈 開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人的運(yùn)動(dòng) 分析和靜力分析復(fù)雜化 兩相鄰連桿坐標(biāo)系之間的位姿關(guān)系 手臂末端操作器的 位姿與各關(guān)節(jié)變量之間的關(guān)系 末端操作器上的受力和各關(guān)節(jié)力矩 或力 之間 的關(guān)系等 均不是一般機(jī)構(gòu)分析方法能解決得了的 而要建立一套針對(duì)空間開(kāi)鏈 機(jī)構(gòu)的特殊的運(yùn)動(dòng)學(xué) 靜力學(xué)分析方法 末端的位置 速度 加速度和各關(guān)節(jié)力 矩 或力 之間的關(guān)系是動(dòng)力分析的主要內(nèi)容 在開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)中 每個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng) 受到其他關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的影響 作用在每個(gè)關(guān)節(jié)上的重力負(fù)載和慣性負(fù)載隨著手臂的 形位變化 在高速情況下 還存在不容忽視的力心理和哥氏力的影響 因此 嚴(yán) 格地講 機(jī)器人是一個(gè)多輸入多輸出的非線性的強(qiáng)耦合的位置時(shí)變的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng) 動(dòng)力學(xué)分析十分復(fù)雜 即使經(jīng)過(guò)一定程度的簡(jiǎn)化 也區(qū)別于一般的機(jī)構(gòu)分析方法 其次 機(jī)器人的開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)形式比期一般機(jī)構(gòu)來(lái)說(shuō) 雖在靈巧性和空間可達(dá)性 等方面要好得多 但是由于開(kāi)鏈結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一系列懸臂桿件串聯(lián)在一起 機(jī)械誤 差和彈性變形的累積 使機(jī)器人的剛度和精度大受影響 也就是說(shuō) 這種形式的 機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)傳遞上存在先天的不足 一般機(jī)械設(shè)計(jì)主要是強(qiáng)度設(shè)計(jì) 機(jī)器人的 機(jī)械設(shè)計(jì)既要滿足強(qiáng)度要求 又要考慮剛度和精度設(shè)計(jì) 為了克服開(kāi)鏈機(jī)構(gòu)的缺 陷 目前已發(fā)展了基于閉鏈結(jié)構(gòu)的機(jī)器人 再次 機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu) 特別是關(guān)節(jié)傳動(dòng)系統(tǒng) 使整個(gè)機(jī)器人伺服系統(tǒng)中 的一個(gè)組成環(huán)節(jié) 因此 機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)具有機(jī)電一體化的特點(diǎn) 比如 一般 機(jī)械對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的慣量控制只是從減少驅(qū)動(dòng)功率著眼的 而對(duì)機(jī)器人來(lái)說(shuō) 常從 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xii 縮短機(jī)電時(shí)間常數(shù) 提高機(jī)器人的快速響應(yīng)能力這一角度出發(fā)來(lái)控制慣量的 再 如 一般的機(jī)械設(shè)計(jì)中控制機(jī)械諧振頻率是為了保證不破壞 而在機(jī)器人上 是 從運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性 快速性等伺服性能角度來(lái)控制機(jī)械諧振頻率的 5 此外 與一般機(jī)械的設(shè)計(jì)相比 機(jī)器人的機(jī)械設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)的靈巧性 緊湊性 等方面有更高的要求 3 2 機(jī)械結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì) 對(duì)于行走機(jī)器人來(lái)說(shuō) 總體機(jī)械結(jié)構(gòu)可分為三大部分 行走機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu) 動(dòng)力傳輸機(jī)構(gòu) 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 四足行走機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 3 6 1 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)三維實(shí)體圖 3 2 1 后腿髖關(guān)節(jié) 2 脊柱 3 螺旋齒輪 4 二級(jí)減速齒輪 5 諧波齒輪減速器 6 聯(lián)軸節(jié) 7 前腿髖關(guān)節(jié) 8 大腿 9 膝關(guān)節(jié) 10 小腿 11 伺服電機(jī) 12 膝關(guān)節(jié)凸輪 13 髖關(guān)節(jié)凸輪 14 主凸輪 圖 3 1 機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 設(shè)計(jì)說(shuō)明 1 脊柱中有四根鋼絲 拉放這四根鋼絲 可使脊柱在空間任意彎曲 從 而使機(jī)體具有柔性 拉放左右兩根鋼絲 可使機(jī)體左右轉(zhuǎn)彎 2 腿的運(yùn)動(dòng)過(guò)程如下 伺服電機(jī) 11 的輸出通過(guò)諧波齒輪減速器 5 二級(jí) 減速齒輪 4 螺旋齒輪副 3 減速 使膝關(guān)節(jié)凸輪 髖關(guān)節(jié)凸輪 主凸輪轉(zhuǎn)動(dòng) 這些凸輪相互配合使腿按照一定的規(guī)律運(yùn)動(dòng) 從而實(shí)現(xiàn)機(jī)體的運(yùn)動(dòng) 3 前后兩腿通過(guò)聯(lián)軸節(jié) 6 聯(lián)接 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xiii 3 3 行走機(jī)構(gòu)的研究 3 3 1 概述 在行走機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)中 最重要的是行走機(jī)構(gòu) 腿 的設(shè)計(jì) 因此 對(duì)行走機(jī)構(gòu)進(jìn)行研究很有必要 從仿生學(xué)的角度出發(fā) 我們將行走機(jī)構(gòu)稱為 腿 在行走機(jī)器人研究中 人們多是著力于讓機(jī)器采用類似于動(dòng)物的腿的機(jī)構(gòu) 即關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu) 3 3 2 腿機(jī)構(gòu)的基本要求 從運(yùn)動(dòng)角度出發(fā) 在行走過(guò)程中 一般要求處于支撐狀態(tài)的足端 貼在地面 的足端 相對(duì)于機(jī)身走直線軌跡 這樣才不至于因機(jī)身重心上下波動(dòng)而消耗不必 要的能量 同時(shí)有利于各支撐足驅(qū)動(dòng)時(shí)的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和機(jī)身姿態(tài)的控制 為了使行 走機(jī)器人能在不平的地面上行走 以及腿復(fù)位的需要 腿的伸長(zhǎng) 即足端相對(duì)于 機(jī)身的高度 應(yīng)該是可變的 從機(jī)器人整體的行走性能出發(fā) 一方面要求機(jī)體能走出直線運(yùn)動(dòng)或平面曲線 軌跡 在嚴(yán)重崎嶇不平地面 另一方面要求能夠轉(zhuǎn)向 當(dāng)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng) 均由腿的運(yùn)動(dòng)完成時(shí) 腿機(jī)構(gòu)應(yīng)不少于三個(gè)自由度 并且足端具備一個(gè)實(shí)體的工 作空間 當(dāng)機(jī)體的運(yùn)動(dòng)由腿機(jī)構(gòu)之外的其他獨(dú)立的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)完成時(shí) 腿機(jī)構(gòu)可以 是兩自由度的平面機(jī)構(gòu) 當(dāng)機(jī)器人機(jī)體的推進(jìn)和轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)均由復(fù)合機(jī)架完成時(shí) 圖 3 2 機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)三維實(shí)體 圖 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xiv 只要求單自由度的伸縮腿機(jī)構(gòu) 行走機(jī)器人的腿在行走過(guò)程中交替地支撐機(jī)體的重量 并在附中狀態(tài)下推進(jìn) 機(jī)體向前運(yùn)動(dòng) 因此 腿機(jī)構(gòu)必須具備與整機(jī)重量相適應(yīng)的剛性和承載能力 只 有這樣 在不至于患 軟骨病 3 3 3 四足動(dòng)物行走的特點(diǎn) 四足動(dòng)物 如狗 正常行走 非奔跑狀態(tài) 時(shí) 四條腿的協(xié)調(diào)動(dòng)作順序一般 按對(duì)角線原則 即如左前腿 右后腿 左后腿 右前腿 左前腿 如此循環(huán) 下去 在每一時(shí)刻 至少有三條腿著地 支撐著機(jī)體 即最多只有一條腿抬起 腳掌離地 因此 對(duì)于每條腿的運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō) 腳掌離地時(shí)間與著地時(shí)間之比為 1 3 3 3 4 四足行走機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)的要求 根據(jù)如前所述的腿機(jī)構(gòu)的基本要求以及四足動(dòng)物行走的特點(diǎn) 對(duì)四足行走機(jī) 器人腿機(jī)構(gòu)提出如下要求 7 1 腿的足端部相對(duì)于機(jī)體的運(yùn)動(dòng)軌跡形狀應(yīng)如 直線段對(duì)應(yīng)的就是 足支撐機(jī)體的運(yùn)動(dòng)軌跡 支撐相 曲線段對(duì)應(yīng)的是腳掌離開(kāi)地面部分的足端運(yùn) 動(dòng)軌跡 懸空相 2 為了不至于使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中 因機(jī)體上下顛簸而消耗不必要的 能量 應(yīng)保證要求 1 中的直線段有一定的直線度 3 為了不至于使機(jī)器人在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中 因支撐機(jī)體的三條腿的足端運(yùn)動(dòng) 速度不相等而產(chǎn)生摩擦 而消耗不必要的能量 應(yīng)保證足端在要求 1 中的直線段 上勻速運(yùn)動(dòng) 4 對(duì)于要求 1 中曲線段 沒(méi)有形狀要求 但對(duì)其最高點(diǎn)有要求 即其高度 決定了機(jī)器人在起伏不平的地面上的通過(guò)能力 5 在要求 1 中 足端通過(guò)直線段的時(shí)間是通過(guò)曲線段的時(shí)間的 3 倍 即支 撐相的相位角 為 3 2 懸空相的相位角為 2 6 按要求 1 5 設(shè)計(jì)的機(jī)器人的四條腿的協(xié)調(diào)動(dòng)作順序應(yīng)遵循對(duì)角線原則 先后動(dòng)作的兩條腿的相位相差 2 本文相位角指的是凸輪的相位角 凸輪一周的相位角為 2 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xv 3 3 5 腿機(jī)構(gòu)的形式 為了滿足 3 3 4 中所設(shè)計(jì)的要求 1 4 提出一種三自由度 2的的平面機(jī)構(gòu) 8 如圖 3 3 所示 來(lái)作為四足機(jī)器人的腿機(jī)構(gòu) 從仿生學(xué)的角度來(lái)說(shuō) 我們可以將圖 3 3 中的 BC 為稱為小腿 B 為大2O 腿 稱 為髖骨 稱 B 為膝關(guān)節(jié) 稱 為髖關(guān)節(jié) 下面對(duì)應(yīng)的各參數(shù) 21O2O E 髖關(guān)節(jié)偏距 小腿長(zhǎng) 1h 大腿長(zhǎng) 2h S 步長(zhǎng) 髖關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角 1 步距角 2 自由度的計(jì)算 低副 轉(zhuǎn)動(dòng)副和移動(dòng)副 提供兩個(gè)約束 高副 提供一個(gè)約束 自lp hp 由度計(jì)算公式為 其中活動(dòng)構(gòu)件的數(shù)目為 n 4 轉(zhuǎn)動(dòng)副 3 個(gè) 2 31nF 4 l 移動(dòng)副一個(gè) 故 F 3 h 由于在支撐相 2由足端所處位置決定 即由步距決定 故稱 2為步距角 圖 3 3 三自由度腿的平面機(jī)構(gòu) 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xvi 膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角 3 該機(jī)構(gòu)完成滿足 3 3 4 中所述要求的運(yùn)動(dòng)的機(jī)理如下 先令髖關(guān)節(jié)及膝關(guān) 節(jié)不動(dòng) 即 0 0 只向右移動(dòng)移動(dòng)關(guān)節(jié) A 則足端 C 沿著以 O2 為圓心 13 以 h1 h2 半徑的圓弧移動(dòng) 若關(guān)節(jié) A 勻速移動(dòng) 則 B C 與圖 3 2 中虛線軌跡的 直線段的交點(diǎn)也勻速運(yùn)動(dòng) 再令髖關(guān)節(jié)及膝關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng) 使足端 C 運(yùn)動(dòng)到上述的 交點(diǎn) 這就滿足了 3 3 4 中的要求 2 3 再令移動(dòng)關(guān)節(jié) A 向左快速移動(dòng) 移 動(dòng)行程與向右移動(dòng)行程相等 但移動(dòng)時(shí)間為向右移動(dòng)時(shí)間的 1 3 并是足端 C 沿 著圖 3 2 中虛線軌跡的曲線段運(yùn)動(dòng) 至此 滿足了 3 3 4 中所述的所有要求 3 3 6 各參數(shù)關(guān)系 控制函數(shù) 為了使圖 3 3 所示機(jī)構(gòu)的足端 C 能按圖中虛線所示軌跡運(yùn)動(dòng) 并滿足 3 3 4 中所述的所有要求 必須求出各參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系 對(duì)圖 3 3 所示的 機(jī)構(gòu)進(jìn)行分析 可知只需知道 及 的函數(shù) 即可對(duì)足端 C 的空間位置1 23 進(jìn)行控制 及 的函數(shù)即為控制函數(shù) 1 23 7 為更方便地求 及 的函數(shù)關(guān)系 先將圖 3 3 所示的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化成圖 3 2 4 所示 按 3 3 4 所述的所有要求 當(dāng)腿機(jī)構(gòu)處于支撐相時(shí) 腿機(jī)構(gòu)中各參數(shù)必 須滿足某種嚴(yán)格的數(shù)學(xué)函數(shù)關(guān)系 而當(dāng)腿機(jī)構(gòu)處于懸空相時(shí) 腿機(jī)構(gòu)各參數(shù)沒(méi)有 特殊的函數(shù)關(guān)系 從控制的角度來(lái)說(shuō) 當(dāng)腿機(jī)構(gòu)處于支撐相時(shí) 需進(jìn)行連續(xù)控制 當(dāng)腿機(jī)構(gòu)處于懸空相時(shí) 只需進(jìn)行點(diǎn)位控制 求 及 的函數(shù)關(guān)系 是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)求逆解問(wèn)題 1 23 9 都滿足如下條件 2 2 22arctn ccyxS 式 1 即為 五 中所述的約束條件 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xvii 圖 3 4 當(dāng)約束條件 1 確定時(shí) 求 的函數(shù)關(guān)系就相當(dāng)于平面二桿機(jī)器人1 3 的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解問(wèn)題 二桿為 和 BC BO 運(yùn)動(dòng)學(xué)正解可以通過(guò)平面幾何確定 12121213 cos cos inin cOBxl hOByB 1 根據(jù)余弦定理 221112cos OBlhEOB 根據(jù)正弦定理 212sinsin OBl 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解就是給定 求解 和 運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解問(wèn)題本來(lái)極為cXY13 復(fù)雜 但經(jīng)過(guò)上述化簡(jiǎn)后 在如圖 3 3 b 所示極坐標(biāo)系 r 中利用解析幾 何及平面幾何的知識(shí) 可得 1arctn yx r2 xc2 yc2 22os OBOBlhl 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xviii 2 112OB 22arcos OBlhrlh 3 3 式 1 3 就是控制腿機(jī)構(gòu)在支撐相中運(yùn)動(dòng)所需的函數(shù) 在懸空相中不能通過(guò)上述方法求得 由于只需對(duì)足端進(jìn)行點(diǎn)位控制 故只需知 道一些特殊點(diǎn)的 及 有多種方法可以求得這些點(diǎn)的 及 本設(shè)1 23 1 23 計(jì)中利用 PRO E 中的草繪 測(cè)得 15 個(gè)點(diǎn)的 及 的值 如下表所示 1 23 序號(hào) 1 4 2 8 3 12 4 15 5 17 6 19 7 20 8 22 9 23 10 25 11 26 12 27 13 29 14 30 15 31 表 3 1 具體的測(cè)量方法如圖 3 5 所示 下部布置了十五個(gè)點(diǎn) 此圖為第一個(gè)點(diǎn)的測(cè) 量實(shí)例 其他各點(diǎn)測(cè)量方法類似 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xix 圖 3 5 懸空相測(cè)點(diǎn)圖 3 4 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)上一節(jié)的研究結(jié)果 現(xiàn)在進(jìn)行本課題行走機(jī)構(gòu)的具體設(shè)計(jì) 3 4 1 控制方式選擇 由上一節(jié)可知 要控制行走機(jī)構(gòu)的行走過(guò)程 必須對(duì) 及 進(jìn)行1 23 控制 一般有三種控制方式 電氣控制 液壓控制和純機(jī)械控制 電氣控制即利用伺服電機(jī)作為執(zhí)行裝置 由控制器 如單片機(jī) 按照控 制函數(shù)對(duì)應(yīng)的控制算法 產(chǎn)生控制信號(hào) 其特點(diǎn)是重量輕 體積小 系統(tǒng)具 有柔性 液壓控制即利用液壓缸或液壓馬達(dá)作為執(zhí)行裝置 由控制器 如單片機(jī) 按照控制函數(shù)對(duì)應(yīng)的控制算法 產(chǎn)生控制信號(hào) 其特點(diǎn)是功率大 運(yùn)行平穩(wěn) 系統(tǒng)具有一定的柔性 純機(jī)械控制即利用一些機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制 其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單 功率較大 柔 性差 對(duì)于本課題 由于每條腿有 及 三個(gè)參數(shù)需要控制 四條腿就1 23 有 12 個(gè)參數(shù)要控制 即若選擇電氣控制 就需 12 部伺服電機(jī) 再加上與這 些電機(jī)匹配的減速器 電氣控制的重量輕 體積小的特點(diǎn)就顯示不出來(lái)了 若選擇液壓控制 就需 12 個(gè)液壓缸 液壓馬達(dá) 再由于行走過(guò)程的顛簸 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xx 液壓控制也不太適合 因此 本課題使用凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)這 12 個(gè)參數(shù)的控制 3 4 2 參數(shù)選擇 由于本課題所設(shè)計(jì)的機(jī)器人是以狗的外形作為參考模型 因此 腿機(jī)構(gòu)的尺 寸參數(shù)如下 髖關(guān)節(jié)偏距 E 50 mm 小腿長(zhǎng) mh201 大腿長(zhǎng) 8 步長(zhǎng) S 150 mm 其中 步長(zhǎng) S 是正常行走時(shí)的尺寸 轉(zhuǎn)彎或遇到非常狀態(tài)時(shí) 步長(zhǎng)應(yīng)是可變 的 為了使步長(zhǎng) S 可變 參考 3 3 6 中的控制函數(shù)的推導(dǎo)過(guò)程 應(yīng)使髖骨長(zhǎng) E 可變 二者關(guān)系見(jiàn)下一節(jié) 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 3 4 3 具體設(shè)計(jì) 如前述 使用凸輪機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn) 及 這 3 個(gè)參數(shù)的控制 因此設(shè)計(jì)的1 2 重點(diǎn)就是凸輪機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 1 的控制 髖關(guān)節(jié)凸輪 髖關(guān)節(jié)凸輪控制 的機(jī)理如 3 6 1 圖 3 6 髖關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)原理圖 根據(jù)平面幾何的知識(shí) 凸輪的從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為 11tan sE 所以 凸輪輪廓線上的點(diǎn)的直角坐標(biāo)值 X Y 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxi 1 cosinoxry 4 其中 支撐相中的 由公式 1 確定 3 3 6 懸空相中的 表 3 1 確1 1 定 見(jiàn) 3 3 6 由公式 4 只能得到髖關(guān)節(jié)凸輪的理論輪廓曲線 實(shí)際輪廓曲線是以理論 輪廓曲線上各點(diǎn)為圓心 以滾輪半徑為半徑的一族圓的內(nèi)包絡(luò)線 通過(guò)上面的理論分析 在 PRO E 中建立模型并畫出髖關(guān)節(jié)凸輪的三維實(shí)體模 型 通過(guò)實(shí)時(shí)渲染后的三維截圖 如圖 3 7 所示 10 圖 3 7 髖關(guān)節(jié)凸輪的三維實(shí)體圖 注 具體的凸輪繪制方法見(jiàn)附錄 2 的控制 主凸輪 主凸輪控制 的機(jī)理是將圖 3 3 中移動(dòng)關(guān)節(jié) A 沿 AO 1 移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律作為2 凸輪從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律 凸輪機(jī)構(gòu)如圖 3 8 所示 圖 3 8 主凸輪結(jié)構(gòu)原理圖 如上節(jié)所述 移動(dòng)關(guān)節(jié) A 的運(yùn)動(dòng)規(guī)律是沿 AO 1 勻速移動(dòng) 所以主凸 輪的從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxii 23 bs 其中 從動(dòng)件位移 2S b 移動(dòng)關(guān)節(jié) A 的運(yùn)動(dòng)行程 凸輪軸的轉(zhuǎn)角 為凸輪的轉(zhuǎn)向系數(shù) 當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)向?yàn)轫槙r(shí)針時(shí) 1 當(dāng)凸輪轉(zhuǎn) 向?yàn)槟鏁r(shí)針時(shí) 1 以下將求出主凸輪的輪廓 由圖 3 9 根據(jù)平面幾何學(xué)的知識(shí) 可得凸輪從動(dòng)件平底的直線方程為 21211 cos sin tan o oyrxr 它是以 為參數(shù)的直線族 而凸輪輪廓線是以該直線族的包絡(luò)線 由微分幾 何得知 以 為參數(shù)的曲線族的包絡(luò)線方程為 圖 3 9 主凸輪的輪廓圖 其中 f X Y 0 是曲線 族的方程 X Y 是包絡(luò)線上的點(diǎn)的直角坐標(biāo) 值 所以 凸輪輪廓線方程為 即得凸輪輪廓線上的點(diǎn)的直角坐標(biāo)值 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxiii 其中 由于式 4 中有一個(gè)變量 1 支撐相中的 1 由公式 1 確定 3 3 6 懸空相中的 1 表 3 1 確定 3 3 6 通過(guò)上面的理論分析 在 PRO E 中建立模型并畫出髖關(guān)節(jié)凸輪的三維實(shí)體模 型 通過(guò)實(shí)時(shí)渲染后的三維截圖 如圖 3 10 所示 圖 3 10 主凸輪三維實(shí)體圖 3 的控制 膝關(guān)節(jié)凸輪 膝關(guān)節(jié)凸輪控制 的機(jī)理如 3 11 根據(jù)幾何知識(shí) 膝凸輪從動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)3 律為 1332Rrs 所以 凸輪輪廓線上的點(diǎn)的直角坐標(biāo)值 X Y 6 其中 支撐相中的 由公式 3 確定 3 3 6 懸空相中的 表 3 1 確定 3 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxiv 3 3 6 由公式 6 只能得到膝關(guān)節(jié)凸輪的理論輪廓曲線 實(shí)際輪廓曲線是以理論 輪廓曲線上各點(diǎn)為圓心 以滾輪半徑為半徑的一族圓的內(nèi)包絡(luò)線 圖 3 11 通過(guò)上面的理論分析 在 PRO E 中建立模型并畫出髖關(guān)節(jié)凸輪的三維實(shí)體模型及其 相關(guān)聯(lián)的零件圖 組裝成 ASM 文件圖 如圖 3 12 所示 1 圖 3 12 齒輪齒條與凸輪配合的三維實(shí)體總裝圖 3 5 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 如本章第一節(jié)總體設(shè)計(jì)所述 可利用脊柱機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)體的轉(zhuǎn)彎 脊柱機(jī)構(gòu)由脊骨 關(guān)節(jié)和腱構(gòu)成 如下圖 7 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxv 圖 3 13 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 3 5 1 控制函數(shù) 1 脊柱彎曲控制函數(shù) 6 假設(shè)脊柱有 n 節(jié)脊骨 由于受力情況相似 可認(rèn)為對(duì)于每節(jié)脊骨均有 i 則腱的伸縮量為 1 12ta 2nhr 其中 h1 內(nèi)側(cè)腱的伸縮量 h2 外側(cè)腱的伸縮量 r 腱到脊柱軸線的距離 若轉(zhuǎn)彎角不超過(guò) 45 脊骨多于 6 節(jié) 即 5 則 2 12hrn 令 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 4 12hr 2 步長(zhǎng)控制函數(shù) 當(dāng)機(jī)體按圖 5 所示軌跡轉(zhuǎn)彎時(shí) 有 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxvi 圖 3 14 機(jī)器人機(jī)體轉(zhuǎn)彎軌跡 5 12aBR 其中 B 左右兩腿足端距離 體寬 軌跡對(duì)應(yīng)的一節(jié)脊骨的偏角 則內(nèi)側(cè)與外側(cè)步長(zhǎng)之比為 12SRaB 6 其中 S1為外側(cè)腳步長(zhǎng) S2為內(nèi)側(cè)腳步長(zhǎng) 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 故 8 12aB 其中 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxvii E1 外側(cè)腿髖關(guān)節(jié)偏距 E2 內(nèi)側(cè)腿髖關(guān)節(jié)偏距 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 e 髖關(guān)節(jié)偏距增量 由公式 9 可得 0EBea 10 因?yàn)?1n 11 12 aL 其中 L 脊柱的長(zhǎng)度 n 脊柱的節(jié)數(shù) 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(guò)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 機(jī)構(gòu) 如圖 3 15 所示 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxviii 圖 3 15 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)總裝圖 3 5 2 控制方式 由于 h1 h 2 e 均正比于 用一部伺服電機(jī)即可實(shí)現(xiàn)這三個(gè)參數(shù)的控制 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 1 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 3 6 腱機(jī)構(gòu) 圖 3 16 腱機(jī)構(gòu)的原理圖 如圖 3 16 所示 腱的工作原理為 腱的兩端的端套與機(jī)體連接 固定不動(dòng) 管套是根橡膠管 可任意彎曲 筋是根鋼絲 筋可以在管套中自由移動(dòng) 筋的一 端的移動(dòng)必然引起另一端的移動(dòng) 若不考慮鋼絲的彈性 則稱為 剛性腱 若考 慮鋼絲的彈性 稱為 彈性腱 由于彈性腱比較復(fù)雜 使用的腱均為剛性腱 3 7 機(jī)器人的外形設(shè)計(jì) 本課題中機(jī)器人外形的設(shè)計(jì)屬于工業(yè)設(shè)計(jì)的范疇 而一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)通過(guò) 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 12 本課題選擇以狗的外形作為設(shè)計(jì)的藍(lán)本 力求使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品能夠吸引人們的 眼球 獲得人們的關(guān)注 機(jī)器狗的外形如圖 3 17 所示 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxix 圖 3 17 機(jī)器狗的外形設(shè)計(jì)圖 3 8 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(guò)直接或間接轉(zhuǎn)動(dòng) 腿部的各關(guān)節(jié)來(lái)改變機(jī)器人的姿態(tài) 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須有足夠的功率對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行加減 速并帶動(dòng)負(fù)載 而且自身必須輕便 經(jīng)濟(jì) 精確 靈敏 可靠且便于維護(hù) 3 8 1 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 首先必須考慮電機(jī)能夠提供負(fù)載所需的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速 此外 其他方面的諸多因素也需要加以考慮 但在多種影響因素中 主要的因素有以下 幾點(diǎn) 1 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(kāi)發(fā)生產(chǎn) 預(yù)計(jì)批 量 了解電機(jī)應(yīng)用對(duì)于選型至關(guān)重要 可以通過(guò)其它類似項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)做出準(zhǔn)確的 選型 同時(shí)可以通過(guò)對(duì)產(chǎn)品市場(chǎng)類型 批量潛力的判斷 來(lái)確定那些方案可行 2 電機(jī)與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的配合結(jié)構(gòu) 一套好的運(yùn)動(dòng)控制方案除了選擇合適的電 機(jī) 還需要合理設(shè)計(jì)傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 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 一次隨意性的絲杠 導(dǎo)程選取 可能讓您的電機(jī)與控制系統(tǒng)增加一倍的價(jià)格 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 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxx 3 電機(jī)的工作狀況 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) 比如有的電機(jī)僅是在 1200rpm 高速運(yùn)行 有的只在 100rpm 以下低速工作 有的是每分鐘 80 次快速起停 而有的要求從 2 5 360 度 秒連續(xù) 可調(diào)且不能有抖動(dòng) 每一種要求都牽涉到不同的電機(jī)選擇以及驅(qū)動(dòng)器甚至控制方 式的選擇 所以有必要詳細(xì)了解電機(jī)的工作狀況 4 電機(jī)的負(fù)載情況 這包括電機(jī)的負(fù)載類型 是恒定負(fù)載還是變化負(fù)載 電機(jī)力矩轉(zhuǎn)化為直線推力 或是旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)大慣量負(fù)載 電機(jī)負(fù)載隨轉(zhuǎn)速變化嗎 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 5 伺服系統(tǒng)的價(jià)格 供貨期 樣品庫(kù)存 最低定貨量等 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 由于行走機(jī)構(gòu)在支撐相中足端水平運(yùn)動(dòng) 行走過(guò)程機(jī)器人機(jī)體水平勻速直線 運(yùn)動(dòng) 因此理論上在水平地面上行走不消耗能量 因此 依據(jù)運(yùn)動(dòng)消耗功率來(lái)確 定電機(jī)容量不太可行 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(lái)看 機(jī)器人的重量大概 為 15 kg 設(shè)機(jī)器人能以 0 5 m s 的速度 沿坡度為 30 的坡行走 則機(jī)器人的 功耗為 P mgvtg230 15 9 8 0 5 tg230 24 5 w 功率 40 W 電壓 24 V 電流 2 2 A 轉(zhuǎn)速 3000 r min 轉(zhuǎn)矩 0 13 N m 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 3 18 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) 查參考文獻(xiàn) 14 可得 30SZWT 型永 磁直流穩(wěn)速電動(dòng)機(jī)滿足要求 其技術(shù)性能數(shù)據(jù)如下 功率 6 5 W 電壓 26 V 電流 0 85 A 轉(zhuǎn)速 9000 180 r min 轉(zhuǎn)矩 7 mN m 重量 200 g 外形尺寸 總長(zhǎng) 77 5 mm 外徑 30 mm 軸徑 6 mm 圖 3 19 轉(zhuǎn)彎?rùn)C(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)電機(jī)圖 3 8 2 傳動(dòng)設(shè)計(jì) 步行四足機(jī)器人根關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置為電機(jī) 齒輪減速 根關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)動(dòng)有一級(jí) 齒輪進(jìn)行減速 而髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)裝置中除了采用上述的減速外 還增加 了一級(jí)錐齒輪傳動(dòng) 將經(jīng)減速器主軸傳出的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)改變方向 使得傳動(dòng)的輸出 軸線和腿部中心線重合 以適應(yīng)四足行走機(jī)器人腿部細(xì)長(zhǎng)的外形結(jié)構(gòu) 如下圖 3 20 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 3 20 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) 如下圖 3 21 所示錐齒輪傳動(dòng)副三 維實(shí)體模型 圖 3 21 錐齒輪傳動(dòng)副三維實(shí)體模型 3 8 3 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(lái)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 采用什么樣的軸承 提供什么樣的 潤(rùn)滑 如何保持良好的工作條件 這些都對(duì)機(jī)器人的正常工作起著非常重要的作 用 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 選擇軸承時(shí) 通常都是從軸承的有效空間 承載能 力 速度特性 調(diào)心性質(zhì) 運(yùn)轉(zhuǎn)精度和疲勞壽命等方面進(jìn)行綜合考慮 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(guò)選取合適的軸承 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxxiii 來(lái)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 2 對(duì)四足行走機(jī)器人的控制需要完成預(yù)定的運(yùn)動(dòng)以外 還要求達(dá)到規(guī)定 的定位精度 但加工 制造 安裝及使用過(guò)程中存在的各種偏差都會(huì)影響機(jī)器人 各控制任務(wù)的執(zhí)行 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(lái)選取軸承 由于考慮到安裝的精度問(wèn)題 因此本課題中的軸承選用深溝球 軸承 如下圖 3 22 所示深溝球軸承的三維實(shí)模型圖 3 22 深溝球軸承三維模型圖 3 8 4 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 本文選擇的是雙十字萬(wàn)向節(jié) 起運(yùn)動(dòng)特性為第一萬(wàn) 向節(jié)的不等速效應(yīng)有可能被第二萬(wàn)向節(jié)的不等速效應(yīng)所抵消 從而實(shí)現(xiàn)兩軸之間 的等角速傳動(dòng) 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 2 第一萬(wàn)向節(jié)從動(dòng)叉的平面與第二萬(wàn)向節(jié)主動(dòng)叉的平面處于同一個(gè)平面 中 本條的實(shí)現(xiàn)完全可以由傳動(dòng)軸和萬(wàn)向節(jié)叉的正確裝配來(lái)保證 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 3 23 所示 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxxiv 圖 3 23 萬(wàn)向節(jié)傳動(dòng)副三維實(shí)體模型圖 3 8 5 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 在蓄電池中 由于鎘鎳堿性蓄電池具有放電率大 耐惡劣環(huán)境 貯存和循環(huán) 壽命長(zhǎng) 使用和維護(hù)簡(jiǎn)單 價(jià)格合理等優(yōu)點(diǎn) 而成為本機(jī)器人系統(tǒng)供電電源的首 選 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) 所有的控制系統(tǒng)都包含硬件部分和 軟件部分 四足行走機(jī)器人行走控制系統(tǒng)硬件部分包括控制器 傳感器及各個(gè)相 應(yīng)的接口電路 也可把伺服電機(jī)包括在控制系統(tǒng)硬件中 本設(shè)計(jì)將伺服電機(jī)歸入 機(jī)械系統(tǒng) 4 1 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](méi)有涉及智能 開(kāi)發(fā) 相應(yīng)的眾多傳感器也不能確定 本設(shè)計(jì)僅就行走控制系統(tǒng)及轉(zhuǎn)彎控制系統(tǒng)軟硬件進(jìn)行了設(shè)計(jì) 因此須為其選 定相應(yīng)的傳感器 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(kāi)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 轉(zhuǎn)彎伺服系統(tǒng)使用的絕對(duì)型編碼器選用 ROC408 其外形尺寸如圖 4 1 圖 4 1 其技術(shù)參數(shù)如下 脈沖數(shù) 2 8 256P R 絕對(duì)測(cè)量步距角 近似 1 4 分辨率 近似 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 4 2 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 MCS 51 系列單片集中的 8051 作為控制器 4 2 1 8051 的性能 8051 是 Intel 公司 MCS 51 系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品 他的性能比早期的 MCS 48 要好得多 是生產(chǎn)過(guò)程控制 智能儀器 機(jī)電一體化等領(lǐng)域十分有用的 一種單片機(jī) 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 8051 的技術(shù)性能如下 工作環(huán)境溫度 0 70 C 存儲(chǔ)環(huán)境溫度 65 150 C EA VPP端對(duì) VSS的電壓 0 5 21 5V 任何引腳到 VSS的電壓為 0 5 7V 電源電壓 5V 10 電源電流 125 250mA 電源功耗 1 5W 4 2 2 8051 的結(jié)構(gòu) 8051 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 4 5 所示 它主要包括有 ALU 部件 定時(shí)和控制部件 并行 I O 接口 串行 I O 接口 定時(shí)器部件 程序存儲(chǔ)器 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器等七個(gè)部 分 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 TMP1 TMP2 等 ALU 除了可以進(jìn)行四則算術(shù) 運(yùn)算外 還可以進(jìn)行布爾運(yùn)算 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) 他和 ALU 部件 形成了 8051 的 CPU 并行 I O 接口有 P0 P1 P2 和 P3 共四個(gè) 他們都是 8 位并行端口 其中 P0 口是地址 數(shù)據(jù)復(fù)合總線 它用于傳送第 8 位地址 A0 A7 也用于傳送數(shù)據(jù) D0 D7 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 P1 是一個(gè)純 I O 口 他只用于數(shù)據(jù)的輸入輸出 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) P3 口對(duì)應(yīng)引腳用于控制信號(hào)時(shí) 聊城大學(xué)本科畢業(yè)論文 xxxvii 的情況如表 4 1 所示 串行 I O 接口可以以全雙工方式工作 串行 I O 口占用并行 I O 口 P3 的 P3 0 和 P3 1 兩位 串行 I O 口有四種工作方式 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 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 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 方式 3 和方式 2 基本一樣 只是在方式 3 中 波特率可改變 表 4 1 P3 口個(gè)引腳對(duì)應(yīng)的控制信號(hào) 引腳編號(hào) 控制信號(hào) 說(shuō)明 P3 0 R