畢業(yè)設(shè)計(jì)論文--機(jī)器爬蟲運(yùn)動(dòng)步態(tài)策略研究

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　目前對(duì)于移動(dòng)式機(jī)器人多采用輪式移動(dòng)機(jī)構(gòu)，但是在適應(yīng)復(fù)雜地形時(shí)輪式機(jī)器人無(wú)法滿足路況的要求，由此設(shè)計(jì)一種靈活的、行走平穩(wěn)和對(duì)路況適應(yīng)性強(qiáng)的機(jī)器人成為解決此類問(wèn)題的關(guān)鍵。六足仿生機(jī)器人便是這種機(jī)器人的典型代表，而六足仿生機(jī)器人的步態(tài)研究對(duì)其的行走方式更是具有重要意義。</p><p>　　硬件控制芯片采用

2、Parallax公司生產(chǎn)的Basic Stamp微控制器，利用PBASIC語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序，并完成機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序的設(shè)計(jì)。在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的正常通信后，利用計(jì)算機(jī)傳輸給Basic Stamp控制器，寫入程序。</p><p>　　論文針對(duì)一個(gè)已經(jīng)完成的六足仿生機(jī)器人本體，采用Basic Stamp微控制技術(shù)，研究了六足仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)的控制規(guī)律，并對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃，在其上實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)。論文主要研究了六足機(jī)器人的三角步態(tài)

3、、四足步態(tài)走法并且提出波動(dòng)步態(tài)。通過(guò)斑馬線步態(tài)圖可以很清楚的發(fā)現(xiàn)其三者之間的聯(lián)系和不同，從而總結(jié)出每種步態(tài)的特點(diǎn)并且比較每種步態(tài)的優(yōu)缺點(diǎn)，為后面的實(shí)驗(yàn)過(guò)程提供了理論依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)中分別在六足機(jī)器人本體上實(shí)現(xiàn)了基于三角步態(tài)的直線行走、基于四足步態(tài)的直線行走、基于三角步態(tài)的右側(cè)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)和在兩種步態(tài)下的負(fù)重實(shí)驗(yàn)。另外，三角步態(tài)中的轉(zhuǎn)彎狀態(tài)分析和實(shí)現(xiàn)較直行狀態(tài)更為復(fù)雜。因?yàn)闄C(jī)器人有六條腿，數(shù)目比較多，所以轉(zhuǎn)彎的時(shí)候每條腿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何分配是一個(gè)難

4、點(diǎn)。通過(guò)對(duì)三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)進(jìn)行仔細(xì)分析并且對(duì)六足機(jī)器人本體的研究，實(shí)現(xiàn)了其轉(zhuǎn)彎步態(tài)。 </p><p>　　從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，六足仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制具有穩(wěn)定性和協(xié)調(diào)性。四足步態(tài)較三角步態(tài)負(fù)重能力更強(qiáng)，但是速度更慢。三角步態(tài)具有快速性和靈活性，所以適用于平坦的地面。由于四足步態(tài)具有負(fù)重能力強(qiáng)支撐足較多的特點(diǎn)所以適用于對(duì)路面平坦程度要求不高的情況下，而這恰恰是輪式機(jī)器人很難達(dá)到的。</p><

5、p>　　關(guān)鍵詞：六足機(jī)器人，仿生，步態(tài)，Basic Stamp，伺服電機(jī)</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　Currently, the mobile robots mostly exist in the form of multi-wheel, but to adapt to the complex terrain co

6、nditions, they are often out of expectance. For the reason of this fault, designing a new kind of robot with the characteristic of flexible, stable and adaptable, so that the problem can clearly discovered and easily res

7、olved. As a typical representative of such robots, hexapod bio-robot regularly do a good job. So it can be of great significance to research the gait of this product.</p><p>　　The chip of hardware control sy

8、stem is applied by Parallax Inc. Basic Stamp microcontroller, PBASIC language is used for designing process and perfecting the robot motion. After performing the normal communication of data, the computer transmits them

9、to Basic Stamp controller, and then imports the procedure.</p><p>　　Under the premise of Basic Stamp microcontroller, the thesis research on the law of hexapod robot gait controlling which is based on an acc

10、omplished one. And then mapping out its movement, on which try to implement the controlling system. The focus of this paper is to relate tripod gait,four-leg gait of hexapod robots and put forward fluctuations gait. Thro

11、ugh the crossing gait diagram, the links and different among the three units can be clearly bring to light, accordingly, and summarize the ch</p><p>　　As is shown in the experimental results, the control sys

12、tem of the hexapod bio-robot takes the feature of stable and coordinate. The four-leg gait does better than tripod gait in the respect of weight-bearing but performs weaker in the respect of velocity. The tripod gait app

13、lies to smooth interface because of its quickness and flexibleness. On the contrary, four-leg gait can satisfy rough ground for the salient characteristic of weight-bearing, which beyond the multi-wheel robots.</p>

14、<p>　　Key words: hexapod robot, bionic, gait, Basic Stamp, servo motor</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><

15、;p>　　第一章 緒 論1</p><p>　　1.1機(jī)器人的發(fā)展背景及意義1</p><p>　　1.2六足仿生機(jī)器人1</p><p>　　1.2.1 具有代表性的六足仿生機(jī)器人1</p><p>　　1.2.2 仿生六足機(jī)器人的特點(diǎn)3</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容4</

16、p><p>　　第二章 六足機(jī)器人硬件系統(tǒng)5</p><p>　　2.1 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)5</p><p>　　2.2控制器與執(zhí)行器6</p><p>　　2.2.1 控制器6</p><p>　　2.2.2 伺服電機(jī)7</p><p>　　第三章 六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)控制研究9</

17、p><p>　　3.1三角步態(tài)走法9</p><p>　　3.1.1 步態(tài)的基本概念9</p><p>　　3.1.2 三角步態(tài)原理10</p><p>　　3.1.3 占空系數(shù)分析11</p><p>　　3.1.4 行走穩(wěn)定性分析12</p><p>　　3.2四足步態(tài)、波動(dòng)步態(tài)與三角

18、步態(tài)的比較14</p><p>　　3.2.1 各種步態(tài)14</p><p>　　3.2.2 各腿的相位關(guān)系15</p><p>　　3.2.3 比較分析17</p><p>　　第四章 六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)18</p><p>　　4.1六足機(jī)器人初始值設(shè)定18</p><p&g

19、t;　　4.2三角步態(tài)整體程序設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.2.1 六足機(jī)器人直線正向運(yùn)動(dòng)程序21</p><p>　　4.2.2 六足機(jī)器人右側(cè)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)程序24</p><p>　　4.3四足步態(tài)正向直行程序設(shè)計(jì)26</p><p>　　4.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果29</p><p>　　4.4.1 實(shí)驗(yàn)條件29

20、</p><p>　　4.4.2 基于三角步態(tài)的直線行走實(shí)驗(yàn)30</p><p>　　4.4.3 基于三角步態(tài)的右側(cè)轉(zhuǎn)彎實(shí)驗(yàn)31</p><p>　　第五章 結(jié)論與展望34</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)35</b></p><p><b>　　附 錄136</

21、b></p><p><b>　　附 錄237</b></p><p><b>　　聲 明41</b></p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　1.1機(jī)器人的發(fā)展背景及意義</p><p>　　隨著社會(huì)的

22、發(fā)展和科技的進(jìn)步，越來(lái)越多的機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)入現(xiàn)代化生產(chǎn)和日常生活中，大幅度提高了社會(huì)生產(chǎn)力，并使我們的生活更加舒適與便捷。機(jī)器人作為20世紀(jì)出現(xiàn)的一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的代表，無(wú)疑使人們認(rèn)識(shí)到科技的力量，在大量工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用下，企業(yè)生產(chǎn)效率得到了明顯的提升。特別是近年來(lái)智能機(jī)器人的出現(xiàn)，給航天、深?？碧降饶壳叭祟悷o(wú)法到達(dá)的地域的科學(xué)研究工作提供了全新的研究途徑。機(jī)器人的發(fā)展也往往代表了一個(gè)國(guó)家的科技實(shí)力和工業(yè)化的進(jìn)程。生產(chǎn)的需要和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展

23、，也使人們開始認(rèn)識(shí)到生物系統(tǒng)成為開辟新技術(shù)的途徑之一，自覺地把生物界作為各種技術(shù)思想、設(shè)計(jì)原理和創(chuàng)造發(fā)明的源泉。人們用化學(xué)、物理學(xué)、數(shù)學(xué)以及技術(shù)模型對(duì)生物系統(tǒng)開展著深入的研究，促進(jìn)了生物學(xué)的極大發(fā)展，對(duì)生物體內(nèi)功能機(jī)理的研究也取得了迅速的進(jìn)展。此時(shí)模擬生物不再是引人入勝的幻想，而成了可以實(shí)現(xiàn)的事實(shí)。在生物學(xué)和工程技術(shù)的結(jié)合下，人們開始將從生物界獲得的知識(shí)用來(lái)改善舊的或創(chuàng)造新的工程技術(shù)設(shè)備。生物學(xué)開始跨入各行各業(yè)技術(shù)革新和技術(shù)革命的行列，

24、而且首先在自動(dòng)控制、航空、航海等軍事部門取得了成功。于是生物學(xué)和工程技術(shù)學(xué)科結(jié)合在一起，互相滲透孕育出一門新生</p><p>　　1.2六足仿生機(jī)器人</p><p>　　1.2.1 具有代表性的六足仿生機(jī)器人</p><p>　?。?）早期的六足機(jī)器人 隨著美國(guó)宇航總署對(duì)外太空探測(cè)計(jì)劃的不斷深入，迫切需要一種可以在未知復(fù)雜星球表面執(zhí)行勘探任務(wù)的機(jī)器人。由于六足機(jī)

25、器人的所具有的這方面優(yōu)點(diǎn)，使其早在上世紀(jì)八十年代就已被列入資助研究計(jì)劃。其研究成果包括八十年代末的Genghis[5]和九十年代初的Attila和Hannibal。Genghis（如圖1.1左）是由irobot公司研制于80年代，每條腿裝有兩個(gè)電機(jī)，使得它可以自由行動(dòng)，但是因?yàn)槊客戎挥袃蓚€(gè)自由度，行動(dòng)有些笨拙。采用遞歸控制結(jié)構(gòu)，可以使Genghis在復(fù)雜路面上行走，包括橫越陡峭的地勢(shì)，爬過(guò)高大的障礙，避免掉下懸崖。</p>

26、<p>　　圖1.1 Genghis和Attila</p><p>　　Attila（如圖1.1右）和Hannibal[5]是由麻省理工學(xué)院的移動(dòng)式遙控機(jī)械裝置實(shí)驗(yàn)室于九十年代早期研制成功。他們是該實(shí)驗(yàn)室最早用于自主行星探測(cè)的機(jī)器人。他們外形相同，只在顏色上有差異，都是Genghis的“后代”。它們?cè)谠O(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)模塊化子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，各個(gè)部分（如頭部、腿部和身體）被當(dāng)作獨(dú)立的模塊來(lái)處理。它的設(shè)計(jì)重量和尺寸

27、受系統(tǒng)復(fù)雜程度的制約，為了保證其在太空運(yùn)行的可靠性，采用了冗余設(shè)計(jì)：從機(jī)械角度看，六條腿行走時(shí)，一旦有某條腿失效，余下的腿仍然可以行走；從傳感器的角度看，這種冗余可以讓來(lái)自不同位置的傳感器將信號(hào)傳給主控制器，以更有效地分析地形。當(dāng)有傳感器失效時(shí)，剩下傳感器仍可以讓機(jī)器正常運(yùn)行。</p><p>　　（2）九十年代中期的六足機(jī)器人 對(duì)于跨海登陸作戰(zhàn)的部隊(duì)來(lái)說(shuō)，淺灘地雷是無(wú)疑是最危險(xiǎn)也最頭疼的登陸障礙，出于這點(diǎn)考慮，

28、美國(guó)麻省理工大學(xué)和其下的is-robot公司得到國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局的資助，研制了兩代淺灘探雷機(jī)器人Ariel。</p><p>　　Ariel（如圖1.2左）由美國(guó)is-robots公司于1995年研制。身體配備多種傳感器，對(duì)周圍環(huán)境和自身狀況的感知非常靈敏。并配備一套自適應(yīng)軟件，可對(duì)一些變化做出積極的反應(yīng)。它是可以完全翻轉(zhuǎn)的，如果海浪將它打翻，他還可以“底朝上”的繼續(xù)行走。</p><p&

29、gt;　　Robot II（如圖1.2右）是由Case Western Reserve大學(xué),機(jī)械及航天工程學(xué)院的仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室研制。它的控制器在場(chǎng)外的計(jì)算機(jī)中。步態(tài)控制器基于節(jié)肢動(dòng)物腿部協(xié)調(diào)工作的機(jī)理。通過(guò)改變一個(gè)簡(jiǎn)單的速度參數(shù)，步態(tài)可以從一個(gè)緩慢的波動(dòng)步態(tài)轉(zhuǎn)換到快速的三足步態(tài)。通過(guò)將仿昆蟲反射與步態(tài)控制器結(jié)合，它可以在復(fù)雜的路面上行走。</p><p>　　圖1.2 Ariel和Robot II</p

30、><p>　?。?）近年完成的典型六足機(jī)器人Scorpion[5]（如圖1.3）是由美國(guó)波士頓東北大學(xué)海洋科學(xué)中心自主水下機(jī)器人研究小組和德國(guó)Fraunhofer自主智能系統(tǒng)研究所（AIS）共同完成于2001年。這項(xiàng)工程的目標(biāo)是運(yùn)用集成來(lái)自行為學(xué)實(shí)驗(yàn)和無(wú)脊椎動(dòng)物的神經(jīng)生物學(xué)數(shù)據(jù)的低級(jí)行為指令，通過(guò)高級(jí)的控制模式來(lái)組成行為序列，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的行為。機(jī)器人的設(shè)計(jì)是根據(jù)來(lái)自多足節(jié)支動(dòng)物的解剖學(xué)數(shù)據(jù)。其采用機(jī)器人的行走控制基于兩

31、個(gè)仿生控制元：中央模式生成元和基本運(yùn)動(dòng)的高級(jí)行為元。</p><p>　　圖1.3 Scorpion和Tarry</p><p>　　Tarry（如圖1.4）由德國(guó)杜伊斯堡大學(xué)機(jī)械工程部機(jī)械學(xué)院研制，項(xiàng)目始于1998年。它是在前一代六足機(jī)器人TUM的基礎(chǔ)上研制的。仍然采用Holk Cruse教授的Walknet控制結(jié)構(gòu)，完善了更多的智能策略如加入腿部反射等，這使其行動(dòng)很靈活。</p

32、><p>　　1.2.2 仿生六足機(jī)器人的特點(diǎn)</p><p>　　仿生機(jī)器人就是模仿自然界中生物的外部形狀或某些機(jī)能的機(jī)器人系統(tǒng)。從本質(zhì)上來(lái)講，所謂仿生機(jī)器人就是指利用各種機(jī)、電、液、光等各種無(wú)機(jī)元器件和有機(jī)功能體相配合所組建起來(lái)的在運(yùn)動(dòng)機(jī)理和行為方式、感知模式和信息處理、控制協(xié)調(diào)和計(jì)算推理、能量代謝和材料結(jié)構(gòu)等多方面具有高級(jí)生命形態(tài)特征從而可以在未知的非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下精確地、靈活地、可靠地、

33、高效地完成各種復(fù)雜任務(wù)的機(jī)器人系統(tǒng)。六足機(jī)器人具有以下幾個(gè)特點(diǎn)[9]：</p><p>　?。?）控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。這是因?yàn)槔ハx體型和行走步態(tài)比較簡(jiǎn)單，在機(jī)器人的設(shè)計(jì)過(guò)程中可以對(duì)其控制系統(tǒng)和行走裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化。</p><p>　　（2）行走平穩(wěn)。昆蟲行走時(shí)為多足支撐，可以始終保持穩(wěn)定的地面支撐，所以系統(tǒng)比較容易實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)行走。其三角步態(tài)行走法是基于三角型穩(wěn)定性原理的一種步態(tài)，可確保昆蟲穩(wěn)定地行走

34、。</p><p>　?。?）作為行走機(jī)構(gòu)的腿部的數(shù)目屬于冗余設(shè)計(jì)。即使有的腿損壞無(wú)法工作，</p><p>　　其他腿仍可以完成一定的行走。具有的大量的自由度可以使機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)更加靈活，對(duì)凹凸不平的地面的適應(yīng)能力更強(qiáng)。</p><p>　　1.3課題研究的主要內(nèi)容</p><p>　　本論文主要做了以下的工作</p><

35、p>　?。?）對(duì)機(jī)器人的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析</p><p>　　（2）認(rèn)識(shí)機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件。包括主控電路的認(rèn)識(shí)，舵機(jī)控制器的認(rèn)識(shí)。</p><p>　?。?）研究了仿生學(xué)的基本知識(shí)和應(yīng)用于昆蟲行走的三角步態(tài)，通過(guò)對(duì)其步態(tài)分析，占空系數(shù)分析、穩(wěn)定性分析、轉(zhuǎn)彎步態(tài)和轉(zhuǎn)彎半徑分析設(shè)計(jì)出六足機(jī)器人三角步態(tài)行走以及轉(zhuǎn)彎的程序。提出四足步態(tài)和波動(dòng)步態(tài)，并編寫四足步態(tài)程序和三足步態(tài)比較。<

36、/p><p>　?。?）將所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)軟硬件在機(jī)器人本體上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)其三角步態(tài)、四足步態(tài)進(jìn)行驗(yàn)證。</p><p>　　第二章 六足機(jī)器人硬件系統(tǒng)</p><p>　　2.1 機(jī)器人的結(jié)構(gòu)</p><p>　　六腳步行機(jī)器人的構(gòu)造相對(duì)于雙足機(jī)器人和雙輪小車復(fù)雜一些，但通過(guò)對(duì)零配件的分類以及機(jī)械原理的分析，可以幫助你簡(jiǎn)化安裝。</p&g

37、t;<p>　　首先，六腳步行機(jī)器人的是由三大部分構(gòu)成，機(jī)器人主體、六只帶動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的腿、機(jī)器人的伺服控制器芯片與Basic Stamp控制芯片。如圖2.1[1]</p><p>　　圖2.1 六腳步行機(jī)器人</p><p>　　機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)是靠12個(gè)伺服電機(jī)作為動(dòng)力，每只腿分配2個(gè)電機(jī)（2*6）,分別控制機(jī)器人的兩個(gè)自由度，即水平方向和豎直方向（縱向），腿部是由伺服控制

38、器控制完成運(yùn)動(dòng)過(guò)程，水平推動(dòng)機(jī)器人的前進(jìn)或后退，豎直方向則是利用機(jī)器人的關(guān)節(jié)拉高或降低。機(jī)器人的主體部分，是由兩塊鋁制板材和兩塊側(cè)板構(gòu)成，安裝比較簡(jiǎn)單，但它具有一定的物理意義：固定機(jī)器人的六只腳，換言之不使六只腳有任何非移動(dòng)范疇的松動(dòng)，并使6只腳在機(jī)器人平放地面時(shí)保持同一水平面，每只腳必須與地面完全接觸。因?yàn)椴环€(wěn)固的安裝會(huì)使每只腿的移動(dòng)距離存在誤差，從而使機(jī)器人行走時(shí)出現(xiàn)摔落情況，十分危險(xiǎn)。另外兩個(gè)控制器也安裝其上（如圖2.1），因此要

39、求比較高的穩(wěn)定性。</p><p>　　2.2控制器與執(zhí)行器</p><p><b>　　2.2.1 控制器</b></p><p>　　控制器[1]（如圖2.2）安裝在機(jī)器人頂部，兩控制器用導(dǎo)線相連接，保證完成數(shù)據(jù)的正確傳輸。Basic Stamp控制器的主要功能是完成計(jì)算機(jī)與機(jī)器人的數(shù)據(jù)傳輸（Basic Stamp指令的傳輸），計(jì)算機(jī)用15

40、針COM口數(shù)據(jù)線與控制器相連，傳輸各種Basic Stamp程序，在控制器收到數(shù)據(jù)后再次傳輸給伺服電機(jī)控制器。伺服控制器與機(jī)器人的六只腳通過(guò)電路相連，對(duì)它們進(jìn)行直接控制，而后伺服電機(jī)帶動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。具體執(zhí)行過(guò)程見圖2.3，另外，Basic Stamp控制器與伺服電機(jī)控制器各用6*1.5V供電[2]。</p><p>　　圖2.2 Basic Stamp 控制器</p><p>　　A：通

41、過(guò)15針COM口數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)保持連接 圖A為接口部分</p><p>　　B：9V控制器供電部分，可用9V電池或者6*1.5V電池，也可通過(guò)變壓器連接電源。</p><p>　　C：連接伺服電動(dòng)機(jī)接口，正常機(jī)器人連接時(shí)與伺服控制器連接端</p><p>　　D：開關(guān)，在測(cè)試電機(jī)時(shí)，撥開關(guān)至2端</p><p>　　另外在圖A與D之間存在一個(gè)

42、可編程芯片，它是Basic Stamp控制器的核心部分，插入在面板上。芯片的型號(hào)決定編程的語(yǔ)言種類，不同的型號(hào)在編輯程序過(guò)程中，會(huì)存在大小不同的差異[4]。比如，圖中為Basic Stamp BS2型號(hào)。它用來(lái)對(duì)六腳步行機(jī)器人進(jìn)行編程，同時(shí)也適用于很多其他控制對(duì)象。在此次</p><p>　　設(shè)計(jì)過(guò)程中，所有的編程指令都依據(jù)BS2控制芯片。</p><p>　　圖2.3 機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)流

43、程圖</p><p>　　2.2.2 伺服電機(jī)</p><p>　　伺服電機(jī)[2]被廣泛運(yùn)用于無(wú)電線遙控的汽車、輪船和飛機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向及油門系統(tǒng)的控制。這些伺服電機(jī)被設(shè)計(jì)用來(lái)控制某一物體的特定位置，例如無(wú)線遙控飛機(jī)的方向舵。他們的控制范圍一般從90度到270度，特別適應(yīng)于要求價(jià)格低廉、精度較高、力矩較大的位置控制場(chǎng)合[3]。通過(guò)利用一種信號(hào)來(lái)控制這些伺服電機(jī)的位置，稱這種信號(hào)為脈沖序列。伺

44、服電機(jī)內(nèi)安裝有一個(gè)機(jī)械限位器，防止電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)超出其設(shè)定的運(yùn)動(dòng)范圍。伺服電機(jī)內(nèi)還裝有一個(gè)位置反饋裝置，這樣一來(lái)伺服電機(jī)內(nèi)的控制電路才能知道在響應(yīng)脈沖序列時(shí)轉(zhuǎn)到哪。本次使用六腳步行機(jī)器人的電機(jī)能轉(zhuǎn)過(guò)最大角度約270度。</p><p>　　從Basic Stamp控制器中發(fā)送出的一組控制伺服電機(jī)的控制信號(hào)被稱為“脈沖序列” ，控制器能通過(guò)編程產(chǎn)生這樣的信號(hào)波型，而且還能用它任意的一個(gè)I/O口進(jìn)行信號(hào)輸出[2]。<

45、/p><p>　　下面舉例說(shuō)明：控制器向P15(Basic Stamp控制器向伺服控制器發(fā)送信號(hào)的輸出口之一)發(fā)送一個(gè)1500微秒的脈沖信號(hào)。在1500微秒高電平輸出后，繼續(xù)發(fā)送一個(gè)20毫秒的低電平給該引角，產(chǎn)生一組脈沖序列。這個(gè)脈沖序列由1500微秒的高電平和25毫秒的低電平組成。伺服電機(jī)控制的主要由1500微秒的高電平來(lái)控制，我們通常稱這一段時(shí)間為脈寬。脈沖信號(hào)由低電平到高電平這一變化過(guò)程稱上升沿。由高電平到低電

46、平的變化我們稱為下降沿。所使用的伺服電機(jī)，伺服脈沖之間的理想時(shí)間間隔為10-40毫秒（例為25毫秒），如果高于或者低于這個(gè)范圍，將影響伺服電機(jī)的正常運(yùn)行。</p><p>　　由于六腳步行機(jī)器人的構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，又加入了伺服電機(jī)控制（具體作用前面以做介紹），因此脈沖信號(hào)要再通過(guò)伺服電機(jī)控制器的2次傳遞才能到達(dá)機(jī)器人腳部，但電機(jī)的工作原理完全相同。</p><p>　　伺服電機(jī)控制器和控制器用

47、一根信號(hào)傳輸線相連，接到控制器的P15串口，在伺服電機(jī)控制器上有16個(gè)通道用于和伺服電機(jī)相連接。本文所提到的六足機(jī)器人由于只有12個(gè)伺服電機(jī)，所以只用其中的12個(gè)通道用于和伺服電機(jī)的連接。ch0、ch2、ch4、ch6、ch8、ch10六個(gè)通道用于連接水平方向的電機(jī)，ch1、ch3、ch5、ch7、ch9、ch11六個(gè)通道用于連接垂直方向的電機(jī)。</p><p>　　圖2.4 水平電機(jī)正轉(zhuǎn)腿的狀態(tài)</p&

48、gt;<p>　　因?yàn)樵陂_始拿到機(jī)器人的時(shí)候并不知道各個(gè)電機(jī)是什么樣的安裝狀態(tài)，所以需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行測(cè)試。首先對(duì)六個(gè)水平電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)同時(shí)給六個(gè)水平電機(jī)加一個(gè)使其正轉(zhuǎn)的脈沖時(shí)可以測(cè)試出六個(gè)水平電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)每條腿處于什么樣的位置。如圖2.4所示，機(jī)器人右側(cè)三條腿全部向前邁進(jìn)，左側(cè)三條腿反之。然后對(duì)垂直電機(jī)進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)同時(shí)給六個(gè)垂直電機(jī)加一個(gè)使其正轉(zhuǎn)的脈沖時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)兩側(cè)的中間的腿和另外四條腿方向不一致，所以可以知道這兩個(gè)電機(jī)安

49、裝的時(shí)候和其他幾個(gè)時(shí)相反的。對(duì)12個(gè)電機(jī)測(cè)試完成之后，在后面的程序中要注意各個(gè)電機(jī)的正轉(zhuǎn)以及反轉(zhuǎn)造成的每條腿的狀態(tài)。</p><p>　　第三章 六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)步態(tài)控制研究</p><p><b>　　3.1三角步態(tài)走法</b></p><p>　　任何動(dòng)物的行走有具有一定的方式，動(dòng)物種類的不同導(dǎo)致行走方式的差異，并且同一動(dòng)物在不同的狀況下具

50、有不同的步態(tài)。三角步態(tài)走法就是六足昆蟲常見的一種步態(tài)[9]。</p><p>　　3.1.1 步態(tài)的基本概念</p><p>　　步態(tài)是行走系統(tǒng)的邁步方式，即行走系統(tǒng)抬腿和放腿的順序。人和動(dòng)物的行走時(shí)都具有一定的步態(tài)[10]。例如獵豹在奔跑時(shí)兩個(gè)前腿為一對(duì)，兩個(gè)后腿為一組，后腿發(fā)力前腿收縮，從而飛速前進(jìn)。四足動(dòng)物在行走時(shí)，四條腿形成對(duì)角的兩對(duì)，先是左前腿與右后腿同時(shí)著地，然后才是右前腿與左

51、后腿。人在行走時(shí)也是同理，左臂和右腿為一組，右臂和左腿為一組交替擺動(dòng)，實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)行走。不同的物種在不同的行動(dòng)狀態(tài)下具有不同的步態(tài)。</p><p>　　由于開發(fā)步行機(jī)器人的需要，美國(guó)著名機(jī)器人學(xué)家R.B.McGhee在總結(jié)前人對(duì)動(dòng)物步態(tài)研究成果的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)地給出了一系列描述和分析步態(tài)的嚴(yán)格的數(shù)學(xué)定義。之后各國(guó)學(xué)者在四足、六足、八足等多足步行機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定的規(guī)則周期步態(tài)的研究中取得了很多成果，這些成果包括各種步態(tài)特點(diǎn)

52、及分類，如三角步態(tài)、波動(dòng)步態(tài)、自由步態(tài)、跟隨步態(tài)、步態(tài)參數(shù)及其相互關(guān)系等，但是這些研究很多都局限在步態(tài)分析的圈子里，其中很多研究成果并不考慮具體的實(shí)現(xiàn)[11]。</p><p>　　步態(tài)是生物學(xué)所用的術(shù)語(yǔ)，在研究基于仿生學(xué)原理的多足步行機(jī)器人時(shí)需要借鑒相關(guān)概念和參數(shù)，具體表述如下[8]：</p><p>　?。?）步態(tài)（gait）。腿部擺動(dòng)順序及其時(shí)間相序等的步行模式。</p>

53、<p>　　（2）支撐相（support phase）。腿部著地的狀態(tài)叫做支撐相或站立相。</p><p>　　（3）擺動(dòng)相（swing phase）。腿部處于空中的狀態(tài)叫做擺動(dòng)相。</p><p>　?。?）支撐多邊形（support polygon）。支撐腿著地點(diǎn)用凸形輪廓線所構(gòu)成的凸多邊形在水平面的投影。六足機(jī)器人的支撐多邊形為三角形。</p><p

54、>　　（5）步長(zhǎng)（stride length）。指單位周期機(jī)器人重心移動(dòng)距離。</p><p>　?。?）占空系數(shù)（duty factor）。指腿著地時(shí)間與步行周期時(shí)間之比。所有腿的占空系數(shù)都相等的步態(tài)稱為規(guī)則步態(tài)，幾乎所有的動(dòng)物都采用規(guī)則步態(tài)，步行機(jī)器人一般也以此為基準(zhǔn)。</p><p>　　3.1.2 三角步態(tài)原理</p><p>　　昆蟲屬于節(jié)肢動(dòng)物門中

55、的昆蟲綱，特征為體軀三段（頭、胸、腹），兩對(duì)翅膀六只足和一對(duì)觸角，一生形態(tài)多變化。它是自然界中最龐大的物種，全世界已知的150萬(wàn)種動(dòng)物中，昆蟲就有100萬(wàn)種以上，即占2/3昆蟲在十幾億年的發(fā)展過(guò)程中，為了適應(yīng)環(huán)境機(jī)體發(fā)生了近乎完滿的進(jìn)化過(guò)程[7]。人們研究發(fā)現(xiàn)，生物的這種為了適應(yīng)環(huán)境所形成的進(jìn)化方案，可以為工程技術(shù)提供十分重要的參考信息，將極大地提高人類的適應(yīng)性和改造能力，產(chǎn)生巨大的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益，因此研究昆蟲的特性就具有一定的現(xiàn)實(shí)意義

56、。昆蟲有幾種步態(tài)，如螳螂、蟋蟀在跳躍時(shí)是一種跳躍步態(tài)，兩個(gè)強(qiáng)有力的后退蹬地從而實(shí)現(xiàn)跳躍[6]。在慢行時(shí)又是一種步態(tài)，在行走時(shí)遵循三角步態(tài)走法。其規(guī)則是每次落腳和提腳前進(jìn)時(shí)相應(yīng)的一組足都是正三角型，這可以確保行走的穩(wěn)定。很多不具備跳躍能力的昆蟲，如蜜蜂、甲殼蟲等和有跳躍能力但是在地面上慢行的昆蟲行走時(shí)，多以交替的三角步態(tài)運(yùn)動(dòng)，即在步行時(shí)將六只足分為兩組，以身體一側(cè)的前足、后足與另一側(cè)的中足作為一組，其他三只足作為另一組。當(dāng)一組足同時(shí)提起時(shí)

57、，另一組足支撐身體，并以中足為支點(diǎn)，前足脛節(jié)肌肉收縮，拉動(dòng)身體向前，后腿脛節(jié)肌肉收縮，推動(dòng)身體向前，</p><p>　　圖3.1 六足昆蟲行走軌跡圖</p><p>　　當(dāng)用機(jī)器人模仿昆蟲的步態(tài)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)步驟可以描述為六種狀態(tài)。如圖3.2所示[9]，黑點(diǎn)表示為支撐足，白點(diǎn)表示為擺動(dòng)足。</p><p>　　狀態(tài)1：當(dāng)機(jī)器人開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，足1、3、5從后方準(zhǔn)備向前擺

58、動(dòng)，足2、4、6處于支撐狀態(tài)，支撐機(jī)器人本體確保機(jī)器人的重心位置處于三足所構(gòu)成的三角形內(nèi)，使機(jī)器人處于穩(wěn)定狀態(tài)不至于摔倒。如圖3.2（a）。</p><p>　　狀態(tài)2：擺動(dòng)足1、3、5擺動(dòng)到前方，2、4、6足繼續(xù)支撐機(jī)本體。如圖3.2（b）。</p><p>　　狀態(tài)3：支撐足2、4、6一面支撐機(jī)器人本體，一面在伺服電機(jī)作用下驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體，使機(jī)器人機(jī)體向前運(yùn)動(dòng)半個(gè)步長(zhǎng)。如圖3.2（c）

59、。</p><p>　　狀態(tài)4：在機(jī)器人機(jī)體移動(dòng)到位時(shí)，原先的擺動(dòng)足1、3、5立即放下，呈支撐態(tài)，使機(jī)器人的重心位置處于1、3、5三只足所構(gòu)成的三角形穩(wěn)定區(qū)內(nèi)，原來(lái)的支撐足2、4、6變成擺動(dòng)足，準(zhǔn)備向前跨步。如圖3.2（d）。</p><p>　　狀態(tài)5：擺動(dòng)足2、4、6向前跨步，支撐足1、3、5支撐機(jī)器人本體。如圖3.2（e）。</p><p>　　狀態(tài)6：支撐足

60、1、3、5一面支撐機(jī)器人本體，一面驅(qū)動(dòng)機(jī)器人本體，使機(jī)器人機(jī)體又向前運(yùn)動(dòng)了半個(gè)步長(zhǎng)。如圖3.2（f）。</p><p>　　如此不斷從步態(tài)（a）、（b）、（c）、（d）、（e）、（f）、（a）循環(huán)往復(fù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人向前快速運(yùn)動(dòng)。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苤畠?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)。</p><p>

61、　　圖3.2 三角步態(tài)示意圖</p><p>　　3.1.3 占空系數(shù)分析</p><p>　　占空系數(shù)是指支撐腿支撐在地面的時(shí)間占這個(gè)行走周期的比例[7]。即：</p><p><b>　　β = </b></p><p>　　β值不同時(shí)，機(jī)器人的狀態(tài)不同，其表述如下：</p><p>　?。?/p>

62、1）β<0.5，這種情況下，機(jī)器人兩組足同時(shí)行走的瞬間，會(huì)存在同時(shí)擺動(dòng)的情況，這樣機(jī)器人出現(xiàn)騰空的狀態(tài)，這要求機(jī)器人要具有良好的彈性和吸振性。</p><p>　?。?）β=0.5，兩組足步行時(shí)，每組的支撐時(shí)間與擺動(dòng)時(shí)間相等，保證在任意時(shí)刻都有三條腿支撐地面，三條腿擺起。這是規(guī)則步態(tài)。</p><p>　?。?）β>0.5，在兩組足交替擺起和著地的過(guò)程中，有六條腿瞬間同時(shí)著地，

63、這會(huì)使機(jī)器人行走更穩(wěn)定，但是行走速度會(huì)相對(duì)降低。由于行走機(jī)構(gòu)在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)不可消除的摩擦力，并且為了保證機(jī)器人的穩(wěn)定行走，本設(shè)計(jì)中的機(jī)器人占空系數(shù)大于0.5[11]。</p><p>　　3.1.4 行走穩(wěn)定性分析</p><p>　　在機(jī)器人行走過(guò)程中，假設(shè)1、3、5足為一組，其支撐點(diǎn)為一等邊三角形，以其重心為原點(diǎn)做直角坐標(biāo)系，原點(diǎn)為O，三點(diǎn)的坐標(biāo)為1（x1，y1），3（x3，y3），5

64、（x5，y5）。如圖3.3所示。當(dāng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)一個(gè)步長(zhǎng)后，2、4、6足向前擺動(dòng)，1、3、5足向前移動(dòng)半個(gè)步長(zhǎng)，三點(diǎn)的坐標(biāo)變化為1′（x1′，y1′），3′（x3′，y3′），5′（x5′，y5′），其重心O′仍在原三角形內(nèi)，可知其運(yùn)動(dòng)是穩(wěn)定的步態(tài)[10]。</p><p>　　圖3.3 三角形步態(tài)的坐標(biāo)分析</p><p>　　3.1.5 轉(zhuǎn)彎狀態(tài)分析</p><p&g

65、t;　　轉(zhuǎn)向運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析，相比于直線運(yùn)動(dòng)存在一些差別，對(duì)于一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的物體，它都需要有一個(gè)軸作為旋轉(zhuǎn)的中心，那么對(duì)與六腳步行機(jī)器人來(lái)說(shuō)也一樣。設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)軸心是必要的條件，在這里的軸心是由一只腳負(fù)責(zé)帶動(dòng)其他腳進(jìn)行順時(shí)針或逆時(shí)針的轉(zhuǎn)動(dòng)（左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)）。下面以右轉(zhuǎn)為例，分析下六腳步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)原理。向右側(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)，選用機(jī)器人左側(cè)的后端腳為軸心，形成一個(gè)以這只腳為中心，機(jī)器人前端整體旋轉(zhuǎn)的情況。當(dāng)然也可以選擇左側(cè)的前端腳為軸心，但實(shí)際情況變成了

66、以它為中心，機(jī)器人的后端整體轉(zhuǎn)動(dòng)[8]。</p><p>　　那么在確定軸心的前提下，其他的五只腳應(yīng)當(dāng)怎樣協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)呢？六腳步行機(jī)器人的中端兩只腳在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中具有提供轉(zhuǎn)向動(dòng)力的功能。換言之，在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中除中端腳與軸心腳的其他三只腳不是提供動(dòng)力的，所謂的“動(dòng)力”便是在水平方向的位移。保持六腳步行機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)至少要保證有三只腳在地面支撐，那么其他三只腳在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中就是起到這種作用，維持機(jī)器人的穩(wěn)定性。</p&

67、gt;<p>　　在向右轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中，如果選用后端左側(cè)腳作為軸心，它依靠縱向伺服電機(jī)提起從而向前水平位移（它與中端兩只腳配合提供轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力）。向前水平位移則提供向左轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)力。如圖3.4所示。軸心腳向前位移的同時(shí)，中端的兩只腳也隨之提起并位移，值得注意的是，中端兩只腳的水平運(yùn)動(dòng)方式存在差異，即方向相反。原因很簡(jiǎn)單，一只與軸心腳在同側(cè)，一只與軸心腳在異側(cè)，達(dá)到協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的目的必然存在運(yùn)動(dòng)方式的差別。這三只腳同時(shí)提起，同時(shí)落地，而

68、要滿足三角支撐穩(wěn)定性的任務(wù)，就需要其他三只腳的縱伺服電機(jī)了。在軸心和中端腳提起的時(shí)候，控制這3只腳落地，達(dá)到穩(wěn)定移動(dòng)。</p><p>　　如圖所示，六腳步行機(jī)器人在右轉(zhuǎn)過(guò)程中腳步的移動(dòng)情況，箭頭標(biāo)明了方向，對(duì)于向左轉(zhuǎn)彎的過(guò)程，也與此原理十分類似。</p><p>　　圖3.4 右轉(zhuǎn)彎示意圖</p><p>　　完成對(duì)六腳步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制過(guò)程的分析，是在設(shè)計(jì)程序

69、前所必須的。從某種意義上說(shuō)，它是機(jī)器人程序設(shè)計(jì)的重要理論依據(jù)，只有分析出符合機(jī)器人客觀運(yùn)動(dòng)規(guī)律的過(guò)程，以此為依據(jù)，才能設(shè)計(jì)出控制六腳步行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)合理程的正確的程序。</p><p>　　3.2四足步態(tài)、波動(dòng)步態(tài)與三角步態(tài)的比較</p><p>　　在行進(jìn)過(guò)程中，節(jié)肢動(dòng)物的腿部運(yùn)動(dòng)是有規(guī)律的周期性變化，這一變化，是由兩個(gè)相交替變化實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)是擺動(dòng)相（swing phase），此狀態(tài)包括腿

70、的抬起、前擺和下落并與地面接觸；另一個(gè)是支撐相（stance phase），是指腿部支撐地面，承受載荷，并向后擺動(dòng)的過(guò)程[7]。</p><p>　　3.2.1 各種步態(tài) </p><p>　　節(jié)肢動(dòng)物步態(tài)的描述通常是以狀如斑馬線的步態(tài)圖表示，以竹節(jié)蟲的步態(tài)圖為例，最常見的三種步態(tài)分別是三足步態(tài)（tripod gait）如圖3.5、四足步態(tài)（Tetrapod gait）如圖3.6和波動(dòng)步態(tài)

71、（wave gait）如圖3.7,這三種步態(tài)的差別在于某一時(shí)刻，支撐腿的數(shù)目分別為3，4和5。三足步態(tài)是昆蟲穩(wěn)定行走時(shí)，速度最快的一種步態(tài)。其β值略大于0.5。最大特點(diǎn)是，每一步有三條腿（R2、L1、L3）支撐地面，形成穩(wěn)定的三角形支撐結(jié)構(gòu)，同時(shí)另外三條腿（R1、R3、L2）快速向前方邁進(jìn)、落地并形成新的三角形支撐，如此交替。由于這種步態(tài)的腿部狀態(tài)只有2種：支撐和前擺，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較簡(jiǎn)單，即使采用機(jī)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)，所以在許多控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單的仿

72、生機(jī)器人中廣泛采用。這是一種效率很高的行走方式，理論上β值可以達(dá)到0.5，但是為了使支撐腿與前擺腿的狀態(tài)交換時(shí)保持穩(wěn)定，需要加入一段共同支撐的時(shí)間，即狀態(tài)的過(guò)渡時(shí)間[10]。</p><p>　　圖3.5 三足步態(tài)</p><p>　　四足步態(tài)（如圖3.6）則是相對(duì)緩慢的一種步態(tài)，每一時(shí)刻都有4條腿在地面支撐，而每側(cè)各有一條腿向前擺動(dòng)，這種步態(tài)由于支撐時(shí)間較長(zhǎng)，可以承受比較大的載荷。其β

73、值約為0.67，穩(wěn)定系數(shù)為4[9]。</p><p>　　圖3.6 四足步態(tài)</p><p>　　波動(dòng)步態(tài)（如圖3.7）是最為緩慢的一種步態(tài)，每一時(shí)刻都有5條以上的腿支撐地面，整個(gè)身體緩慢平穩(wěn)的向前移動(dòng)，前擺腿的順序?yàn)長(zhǎng)1-L2-L3-R1-R2-R3-L1，依次循環(huán)。其β值大于0.83，穩(wěn)定系數(shù)大于5[9]。</p><p>　　圖3.7 波動(dòng)步態(tài)</p

74、><p>　　節(jié)肢動(dòng)物的步態(tài)變化主要與其運(yùn)動(dòng)的速度和載荷有關(guān)，載荷越大，要求單位時(shí)間內(nèi)支撐腿的數(shù)目越多，β越大，后撐時(shí)間越長(zhǎng)，移動(dòng)速度也就越慢。</p><p>　　3.2.2 各腿的相位關(guān)系</p><p>　　每側(cè)的腿按照由前向后的順序，依次抬起落下，后面的腿依次重復(fù)前面腿的動(dòng)作，動(dòng)作像波浪一樣傳播，如圖3.8所示。</p><p>　　圖3

75、.8 腿部動(dòng)作的傳播</p><p>　　為了研究動(dòng)作在腿之間傳播的相位關(guān)系，定義節(jié)拍的概念：一條腿的某</p><p>　　種動(dòng)作傳播到與它相鄰的下一條腿的時(shí)間為一拍。可見同側(cè)相鄰的腿之間的</p><p>　　相位差是一拍。為了研究?jī)蓚?cè)腿的“步態(tài)波”之間的相位差，將節(jié)肢動(dòng)物三種典型步態(tài)的各腿運(yùn)動(dòng)的同步關(guān)系畫成示意圖，如圖3.9所示[11]。</p>

76、<p>　　圖3.9（a）三足步態(tài)</p><p>　　圖3.9（b）四足步態(tài)</p><p>　　圖3.9（c）波動(dòng)步態(tài)</p><p>　　由圖3.9可以看出，對(duì)于三足步態(tài)，右側(cè)腿的動(dòng)作比左側(cè)落后1拍，對(duì)于四足步態(tài)，右側(cè)腿的動(dòng)作比左側(cè)落后2拍，對(duì)于波動(dòng)（五足）步態(tài)，右側(cè)腿的動(dòng)作比左側(cè)落后3拍。由此可以歸納出規(guī)律：對(duì)于N足步態(tài)，右側(cè)腿比左側(cè)腿的動(dòng)作落

77、后N-2拍[11]。</p><p>　　3.2.3 比較分析</p><p>　　上文講到三足步態(tài)，四足以及波動(dòng)步態(tài)的原理和行走方法，并且對(duì)各種步態(tài)的特點(diǎn)進(jìn)行了比較完整的闡述。下面對(duì)這幾種步態(tài)進(jìn)行比較分析。</p><p>　?。?）三種步態(tài)最少需要三條腿做支撐，也就是說(shuō)支撐相不能小于3。三足步態(tài)同時(shí)有三個(gè)支撐相三個(gè)擺動(dòng)相，只有兩種組合，交替比較迅速，所以行走比較

78、快速。</p><p>　　（2）四足步態(tài)行走每次有四個(gè)支撐相，兩個(gè)擺動(dòng)相三種組合，所以支撐時(shí)間長(zhǎng)，動(dòng)作較緩慢。但是由于每次有四條腿支撐在地面所以載荷比較大。</p><p>　?。?）波動(dòng)步態(tài)行走時(shí)每次有五個(gè)支撐相，一個(gè)擺動(dòng)相，所以存在六種組合，由于每次有五條腿同時(shí)支撐在地面所以支撐時(shí)間最長(zhǎng)，動(dòng)作最緩慢。但是其載荷能力也最強(qiáng)。</p><p>　?。?）由于四足步

79、態(tài)是同時(shí)有四條腿支撐在地面上，所以其四個(gè)點(diǎn)可以構(gòu)成一個(gè)四邊形。四邊形的穩(wěn)定性比三角形穩(wěn)定性差，所以四足步態(tài)容易發(fā)生偏離設(shè)定軌跡的現(xiàn)象。</p><p>　　綜上所述，三足步態(tài)適用于平穩(wěn)的一般的情況下，三足步態(tài)也是最常規(guī)的步態(tài)，當(dāng)遇到需要載荷時(shí)可以考慮用到四組步態(tài)或是波動(dòng)步態(tài)。遇到不平整的地面時(shí)，由于三組步態(tài)的支撐相較少所以可能會(huì)出現(xiàn)較大的沖擊或是不能按照正常步態(tài)行走，這時(shí)候就需要考慮多足步態(tài)的使用。由于四足步態(tài)和

80、波動(dòng)步態(tài)的支撐相比較多而需要擺動(dòng)的腿少所以遇到崎嶇的路時(shí)不會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，但是在達(dá)到穩(wěn)定的同時(shí)速度會(huì)變慢。六足機(jī)器人能力與其速度成反比，但是在平坦的地面上三角步態(tài)最穩(wěn)定。所以在設(shè)計(jì)步態(tài)時(shí)需考慮現(xiàn)實(shí)的環(huán)境和速度的關(guān)系，以求在其保證穩(wěn)定的情況下盡可能的達(dá)到最大速度。</p><p>　　第四章 六足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制程序設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1六足機(jī)器人初始值設(shè)定</p>

81、<p>　　在編輯主程序前，對(duì)數(shù)據(jù)通信要明確，由于利用的是COM串口數(shù)據(jù)通信，便于數(shù)據(jù)的同步傳輸，使用波特率（baud）作為傳輸信號(hào)。Basic Stamp控制器與伺服電機(jī)控制直接通過(guò)的數(shù)據(jù)線連接的接口位置（PIN 15）也要明確標(biāo)明。在程序前段也要設(shè)置出來(lái)，下面對(duì)幾個(gè)所需要的初始值進(jìn)行設(shè)定[1，2]：</p><p>　　Psc CON 15</p><p>　　baud CO

82、N 396</p><p>　　ramp CON 1</p><p>　　“Psc”代表伺服電機(jī)控制器。六腳步行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)速率由兩個(gè)變量來(lái)控制，其一是腳部擺動(dòng)的幅度，可以根據(jù)程序中變量進(jìn)行直接修改來(lái)改變運(yùn)動(dòng)速率，而第二點(diǎn)是容易被忽視的，便是伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速率，可以形象地描述兩者之間的關(guān)系，如同一個(gè)人在走路，加大腳步邁出的幅度和增加跨步的頻率，都可以使人的步行速度增加[1，2]。這里的伺

83、服電機(jī)轉(zhuǎn)速，便是跨步的頻率。當(dāng)然伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速率肯定是有極限的。所以控制好伺服電機(jī)的速率是十分重要的，在編輯程序前，一定要進(jìn)行設(shè)置，僅僅編輯出運(yùn)動(dòng)形態(tài)，而沒(méi)有具體運(yùn)動(dòng)的速率，機(jī)器人是不可能完成任務(wù)的。所以速率可以設(shè)置為ramp CON 1,在這里CON代表常量。</p><p>　　基于PABSIC編程指令，要在主程序編輯前對(duì)它進(jìn)行初始值的設(shè)定。根據(jù)六腳步行機(jī)器人的特點(diǎn)，六只腳12個(gè)伺服電機(jī)在控制過(guò)程中比較復(fù)雜

84、，且在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，同一時(shí)刻承擔(dān)的任務(wù)不同，所以要對(duì)它們加以區(qū)分，便于編程與控制。12個(gè)伺服電機(jī)可以以10進(jìn)制數(shù)代表如“0”到“11”一次代表12個(gè)電機(jī)（水平與縱向電機(jī)均在其內(nèi)）。其設(shè)置如下[1，2]：</p><p><b>　　ch0 = 0</b></p><p><b>　　ch1 = 1</b></p><p>&

85、lt;b>　　ch2 = 2</b></p><p><b>　　ch3 = 3</b></p><p><b>　　ch4 = 4</b></p><p><b>　　ch5 = 5</b></p><p><b>　　ch6 = 6</b&

86、gt;</p><p><b>　　ch7 = 7</b></p><p><b>　　ch8 = 8</b></p><p><b>　　ch9 = 9</b></p><p><b>　　ch10 = 10</b></p><p&g

87、t;<b>　　ch11 = 11</b></p><p>　　“ch0”到“ch11”代表連接伺服電機(jī)的通道。</p><p>　　另外由于垂直方向和水平方向上電機(jī)的正反轉(zhuǎn)不是一致的，并且電機(jī)的正反轉(zhuǎn)使每條腿的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同，所以需要設(shè)置幾個(gè)變量用以調(diào)節(jié)每條腿的抬起、下落，前進(jìn)、后退。其設(shè)置如下：</p><p>　　ho1 VAR Word&

88、lt;/p><p>　　ho2 VAR Word</p><p>　　ho3 VAR Word</p><p>　　ho4 VAR Word</p><p>　　ho5 VAR Word</p><p>　　在下面的具體的子程序里可以看到這幾個(gè)變量的作用。</p><p>　　4.2三角步態(tài)整體程序

89、設(shè)計(jì)</p><p>　　六足機(jī)器人三角步態(tài)程序整體設(shè)計(jì)思路是采用主程序通過(guò)循環(huán)調(diào)用子程序來(lái)達(dá)到其行走以及轉(zhuǎn)彎的目的。其主程序非常簡(jiǎn)單，用了一些循環(huán)和跳轉(zhuǎn)子程序的指令，程序如下[1，2]：</p><p>　　GOSUB initialization</p><p>　　FOR n = 0 TO 10</p><p>　　GOSUB move

90、straight</p><p><b>　　n = n+1</b></p><p><b>　　NEXT</b></p><p>　　FOR n = 0 TO 6</p><p>　　GOSUB turnright</p><p><b>　　n = n+1<

91、;/b></p><p><b>　　NEXT</b></p><p>　　4.2.1 六足機(jī)器人初始化程序</p><p>　　六足機(jī)器人最初的時(shí)候需要對(duì)其進(jìn)行初始化，目的是使每條腿都處于一致的靜止的狀態(tài)為其后行走和轉(zhuǎn)彎程序的設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備，并且這個(gè)過(guò)程屬于伺服電機(jī)調(diào)零的過(guò)程。由于電機(jī)在出廠時(shí)，沒(méi)有進(jìn)行電氣調(diào)整，這將使它接受到信號(hào)時(shí)產(chǎn)生誤

92、差，調(diào)零的原因就在這里，也可以說(shuō)伺服電機(jī)的調(diào)整是在其使用前不可缺少的一步。所以六組機(jī)器人的初始化是必不可少的。</p><p>　　圖4.1顯示的信號(hào)是發(fā)送到與P15連接的伺服電機(jī)校準(zhǔn)信號(hào)，又稱零點(diǎn)標(biāo)定信號(hào)。伺服電機(jī)調(diào)好之后，這個(gè)信號(hào)就可以指示電機(jī)保持靜止。這個(gè)指令是由間隔20ms,脈沖帶寬1.5ms的一組系列脈沖組成。從圖中很容易可以看出兩個(gè)脈沖之的PAUSE時(shí)間為20ms,即PAUSE 20[3，4]。<

93、;/p><p>　　圖4.1 1.5ms脈沖寬度的時(shí)間矢量圖</p><p>　　PAUSE命令：令Basic Stamp控制器在執(zhí)行下一個(gè)命令前有一段等待時(shí)間，即延時(shí)。PAUSE的參數(shù)的單位是千分之一秒，如果想延時(shí)2秒，即PAUSE 2000。</p><p>　　下面來(lái)計(jì)算下帶寬為1.5ms時(shí)PULSOUT命令參數(shù)值。</p><p>　　

94、PULSOUT命令：在Basic Stamp中用來(lái)發(fā)送2微秒為單位的高電平脈沖信號(hào)。PULSOUT Duration相比于PAUSE中的Duration把高電平分為更高的精度（后者為千分之一）。舉例說(shuō)明： PULSOUT 15 60000即在PIN 15接口（電機(jī)連接處）發(fā)出一個(gè)60000*2微秒的脈沖信號(hào)。（0.12秒）</p><p>　　無(wú)論P(yáng)ULSOUT命令的參數(shù)值是多少，都要乘以2微秒，這樣就可以計(jì)算出

95、脈沖持續(xù)的時(shí)間。計(jì)算方式：1.5ms=0.0015s ，0.0015s/0.000002s=750.</p><p>　　下面對(duì)六條腿中的一條腿的初始化加以說(shuō)明，</p><p>　　SEROUT Psc , Baud+$8000,["!SC", ch0, ramp, ho1.LOWBYTE, ho1.HIGHBYTE, CR]</p><p>

96、　　其中SEROUT指令為：在輸出引腳寫入串行程序?？刂菩酒圆ㄌ芈氏蛞_P15發(fā)送中括號(hào)里面的內(nèi)容。ch0為一水平伺服電機(jī)，ho1此時(shí)設(shè)其值為750，也就是說(shuō)這個(gè)信號(hào)使這個(gè)水平方向的電機(jī)保持靜止并且處于標(biāo)定的零點(diǎn)[3，4]。</p><p>　　4.2.1 六足機(jī)器人直線正向運(yùn)動(dòng)程序</p><p>　　完成了在執(zhí)行程序前對(duì)六足機(jī)器人的初始化，下面先對(duì)六腳步行機(jī)器人直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行程序的編輯

97、。</p><p>　　首先明確在六足機(jī)器人直線行走的狀態(tài)下各個(gè)伺服電機(jī)是如何工作的。伺服電機(jī)控制器與電機(jī)的地址分配及初始化狀態(tài)如圖4.2所示</p><p><b>　　DA</b></p><p><b>　　EB</b></p><p><b>　　FC</b>&l

98、t;/p><p>　　圖4.2 伺服電機(jī)地址分配及初始化狀態(tài)</p><p>　　如圖，把編輯前把12個(gè)伺服電機(jī)按照16進(jìn)制次序編號(hào)，便于編程序。0、2、4、6、8、10分別為水平伺服電機(jī)，而1、3、5、7、9、11則為縱向伺服電機(jī)。另外根據(jù)它們所在位置，可以直觀地看出各個(gè)伺服電機(jī)在主體哪個(gè)部位，在何種任務(wù)中執(zhí)行什么樣的運(yùn)動(dòng)。對(duì)每只腳也進(jìn)行了編號(hào)，便于說(shuō)明分別為A到E。</p>

99、<p>　　下面分析基于三角步態(tài)下各個(gè)電機(jī)的工作狀態(tài)。第一步，同時(shí)抬起A、C、E三只腳,這時(shí)候需要縱向電機(jī)1、5、9向上轉(zhuǎn)，B、D、F三只腳作為支撐相支撐在地面，所以不需要?jiǎng)幼?。第二步，在D、B、F支撐的同時(shí)，它們水平方向的伺服電機(jī)要使這三只腳有一個(gè)推力，很容易想象在三只腳著地的情況下，提供一個(gè)向后的力是機(jī)器人的整體向前伸出，也可以說(shuō)在提起的A、C、E邁步之前提供一個(gè)輔助的動(dòng)力。所以水平方向的電機(jī)2、6、10應(yīng)向后轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)機(jī)

100、器人本體。這時(shí)候A、C、E應(yīng)向前邁出，0、4、8三個(gè)水平電機(jī)應(yīng)向前轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)A、C、E向前正向邁出。此時(shí)完成正向直線行走的半個(gè)步長(zhǎng)，如圖4.3所示</p><p><b>　　A</b></p><p><b>　　D</b></p><p><b>　　E</b></p><p&

101、gt;<b>　　B</b></p><p><b>　　C</b></p><p><b>　　F</b></p><p>　　圖4.3 直線行走半步長(zhǎng)狀態(tài)</p><p><b>　　程序如下：</b></p><p><

102、;b>　　ho1 = 750</b></p><p>　　ho2 = ho1-300</p><p>　　ho3 = ho1+300</p><p>　　SEROUT Psc , Baud+$8000,["!SC", ch1, ramp, ho2.LOWBYTE, ho2.HIGHBYTE, CR]</p><

103、;p>　　SEROUT Psc , Baud+$8000,["!SC", ch3, ramp, ho1.LOWBYTE, ho1.HIGHBYTE, CR]</p><p>　　SEROUT Psc , Baud+$8000,["!SC", ch5, ramp, ho2.LOWBYTE, ho2.HIGHBYTE, CR]</p><p>　　

104、SEROUT Psc , Baud+$8000,["!SC", ch7, ramp, ho1.LOWBYTE, ho1.HIGHBYTE, CR]</p><p>　　SEROUT Psc , Baud+$8000,["!SC", ch9, ramp, ho3.LOWBYTE, ho3.HIGHBYTE, CR]</p><p>　　SEROUT P

105、sc , Baud+$8000,["!SC", ch11, ramp, ho1.LOWBYTE, ho1.HIGHBYTE, CR]</p><p><b>　　PAUSE 200</b></p><p>　　ho4 = ho1+100</p><p>　　ho5 = ho1-100</p><p>

106、　　SEROUT Psc , Baud+$8000,["!SC", ch0, ramp, ho4.LOWBYTE, ho4.HIGHBYTE, CR]</p><p>　　SEROUT Psc , Baud+$8000,["!SC", ch4, ramp, ho4.LOWBYTE, ho4.HIGHBYTE, CR]</p><p>　　SEROUT

107、 Psc , Baud+$8000,["!SC", ch8, ramp, ho5.LOWBYTE, ho5.HIGHBYTE, CR]</p><p>　　SEROUT Psc , Baud+$8000,["!SC", ch2, ramp, ho5.LOWBYTE, ho5.HIGHBYTE, CR]</p><p>　　SEROUT Psc , B

108、aud+$8000,["!SC", ch6, ramp, ho4.LOWBYTE, ho4.HIGHBYTE, CR]</p><p>　　SEROUT Psc ,Baud+$8000,["!SC", ch10, ramp, ho4.LOWBYTE, ho4.HIGHBYTE, CR]</p><p><b>　　PAUSE 200<

109、/b></p><p>　　這段程序基本上和初始化的程序沒(méi)有太大區(qū)別，只是在伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)上更改一些參數(shù)。這時(shí)候在前面設(shè)定初始值的時(shí)候所設(shè)的幾個(gè)變量起到了作用，從上面一段程序可以看出幾個(gè)變量的賦值；ho2=ho1-300，ho3=ho1+300?？梢钥闯龅谝恍《纬绦蚴强v向電機(jī)運(yùn)動(dòng)的程序，為什么同樣是向上抬起有的是ho2，有的是ho3呢？本文在第二章中提到過(guò)當(dāng)同時(shí)給六個(gè)垂直電機(jī)加一個(gè)使其正轉(zhuǎn)的脈沖時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)

110、兩側(cè)的中間的腿和另外四條腿方向不一致，所以可以知道這兩個(gè)電機(jī)安裝的時(shí)候和其他幾個(gè)是相反的，所以若要是腿E向上抬起需使電機(jī)9反轉(zhuǎn)。至于ho4 = ho1+100；ho5= ho1-100在水平方向可以起到相同的作用。</p><p>　　下面的過(guò)程和這個(gè)過(guò)程是相反的。由于這是一個(gè)交替的過(guò)程，所以A、C、E向前邁出之后需要變成支撐腳，從而是縱向電機(jī)1、5、9向下落回地面，也就是說(shuō)回到原來(lái)初始狀態(tài)。這時(shí)候B、D、F三只