某雙足仿生機(jī)器人雙足行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計1雙足仿生機(jī)器人雙足行走機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)設(shè)計1.1控制系統(tǒng)的硬件要求各個部件擬設(shè)計模型如圖所示，分析參考了市面上可購入的現(xiàn)成型號，目標(biāo)是能保證平衡，與整體構(gòu)架匹配，經(jīng)計算確定滿足設(shè)計要求。圖4-1零部件建模模型圖4-7運(yùn)動仿真在如圖所示對雙足機(jī)器人的膝蓋關(guān)節(jié)進(jìn)行了建模仿真之后，可以明顯地看出在機(jī)器人初始啟動階段關(guān)節(jié)處有極為明顯的抖動現(xiàn)象，隨后會進(jìn)入一個較為平緩的動作流程，經(jīng)此分析可知，首先啟動階段對機(jī)器人全部的關(guān)節(jié)會有較大的負(fù)荷，如果材料選擇不合適可能造成磨損甚至嚴(yán)重的損傷，再然后就是應(yīng)該對不同的關(guān)節(jié)處的旋轉(zhuǎn)范圍進(jìn)一步地調(diào)整，雖然就仿真模擬結(jié)果來說能夠動作起來，但是實際產(chǎn)物可能會因為各種外界因素造成干擾，因此在程序設(shè)計中需要加入相應(yīng)的平緩程序以緩解關(guān)節(jié)壓力。1.2驅(qū)動舵機(jī)設(shè)計圖4-7舵機(jī)角度控制原理得一個直流偏置電壓.該直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓BA6688的3腳輸出[26]。該輸出送入電機(jī)驅(qū)動集成電路BAL6686，以驅(qū)動電機(jī)正反轉(zhuǎn).Rw1旋轉(zhuǎn)，直到電壓差為0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。本次設(shè)計選擇的是MG996R型舵機(jī)。表4-1MG996R型號舵機(jī)參數(shù)產(chǎn)品重量：55g產(chǎn)品尺寸：40*20*36.5mm額定電壓：6~7.4V靜態(tài)電流：<200mA工作速度：0.18sec/60°7.4V堵轉(zhuǎn)力矩：9kg/cm6V13kg/cm7.4V配套線長：32cm（紅棕黃耐磨硅膠線）1.3機(jī)器人機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析強(qiáng)度分析大多數(shù)說的是在常溫的條件下對測試結(jié)構(gòu)進(jìn)行受載荷情況下的響應(yīng)特性，響應(yīng)特性一般要測定的有應(yīng)力分布、變形形狀等。設(shè)計過程中主要應(yīng)用電腦軟件進(jìn)行強(qiáng)度分析，所以只要施加一定載荷觀察變形趨勢即可確定該零件是否能顧承受既定的重量[27]。機(jī)器人機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度分析，利用軟件中的應(yīng)力分析模塊對機(jī)器人機(jī)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度分析.通過分析幾個重點(diǎn)承重部位零件的靜態(tài)載荷和運(yùn)動載荷，來檢驗機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度，優(yōu)化設(shè)計。1.3.1靜態(tài)強(qiáng)度分析靜態(tài)強(qiáng)度分析主要是分析機(jī)器人機(jī)構(gòu)在站立的條件下機(jī)器人下肢零件的受力情況，得出零件的應(yīng)力分析結(jié)果.具體做法是在i環(huán)境下利用中的應(yīng)力分析模塊對關(guān)鍵零件進(jìn)行強(qiáng)度分[28]。機(jī)器人重18kg，在直立狀態(tài)下每條腿分擔(dān)的重量為9kg。足部零件的材料為鋁合金5052屈服強(qiáng)度為195MPa，主要受足部以上零件的重力和地面給予的反作用力，利軟件中的應(yīng)力分析模塊對足部進(jìn)行強(qiáng)度分析。我們可以計算出最大等效應(yīng)力為0.4246MPa，在足部與踝關(guān)節(jié)虎克鉸鏈連接處遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于材料的承受極限。1.3.2踝關(guān)節(jié)的強(qiáng)度分析在機(jī)構(gòu)直立狀態(tài)下，踝關(guān)節(jié)鉸鏈結(jié)構(gòu)主要受上面零件的重量產(chǎn)生的重力和足部給它的反作用力，材料為鋁合金5052，進(jìn)行受力情況及分析。最大等效應(yīng)力為0.9MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料強(qiáng)度極限，危險位置為鉸鏈結(jié)構(gòu)的兩端及中間的結(jié)合部。踝關(guān)節(jié)連接器負(fù)責(zé)連接虎克鉸鏈與小腿，主要受上面零件重量產(chǎn)生的重力及虎克鉸鏈的反作用力，材料也是鋁合金5052。最大等效應(yīng)力為1.494MPa，低于材料強(qiáng)度極限，危險部位為零件中部的連接處.運(yùn)動載荷強(qiáng)度分析主要在軟件環(huán)境下，對行走條件下的仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)的零件進(jìn)行運(yùn)動載荷下的強(qiáng)度分析。具體做法：在軟件環(huán)境下，通過上文中對仿人雙足機(jī)器人機(jī)構(gòu)行走的運(yùn)動模擬，在軟件中的運(yùn)動仿真模塊里將運(yùn)動模擬得出的運(yùn)動載荷輸出到應(yīng)力分析模塊中，然后在應(yīng)力分析模塊里完成零件在運(yùn)動載荷下的強(qiáng)度分析[30]。在軟件環(huán)境下，將足部的運(yùn)動載荷導(dǎo)入應(yīng)力分析模塊，足部的運(yùn)動強(qiáng)度分析結(jié)果為最大應(yīng)力約為0.72MPa，低于材料強(qiáng)度極限，危險位置為足部前部的足耳。髖關(guān)節(jié)虎克鉸鏈運(yùn)動強(qiáng)度分析最大等效應(yīng)力約為0.155MPa，低于材料強(qiáng)度極限，危險位置為鉸鏈中部。髖關(guān)節(jié)平臺運(yùn)動強(qiáng)度分析最大等效應(yīng)力約為0.34MPa，低于材料強(qiáng)度極限，危險位置為髖關(guān)節(jié)平臺前耳[31]。1.4本章小結(jié)這一章主要在軟件環(huán)境下，利用軟件中的應(yīng)力分析模塊及運(yùn)動仿真模塊，完成對雙足機(jī)器人的機(jī)構(gòu)零件進(jìn)行強(qiáng)度分析，這個過程的重點(diǎn)在于靜態(tài)的強(qiáng)度分析和在運(yùn)動載荷下的強(qiáng)度分析，分析出結(jié)果后再經(jīng)由相應(yīng)的公式驗算，需要得出仿人雙足機(jī)器人的強(qiáng)度滿足設(shè)計要求才算成功。2雙足仿生機(jī)器人雙足行走機(jī)構(gòu)控制軟件設(shè)計2.1軟件系統(tǒng)的基本要求本次設(shè)計出的機(jī)器人共有8個舵機(jī)，每個動作都需要兩個以上的舵機(jī)配合，選擇的控制模塊樹莓派4B型是無法單獨(dú)做到的，因此還需要舵機(jī)控制板與樹莓派相接。樹莓派的全稱為“RaspberryPi”，是英國某慈善組織所注冊并開發(fā)的,在這次的雙足仿生機(jī)器人設(shè)計過程中所采用的控制系統(tǒng)就是樹莓派。相較于常見的單片機(jī)來說選擇樹莓派的理由是其性能更好一點(diǎn)，而且能適配多種插件實現(xiàn)不同的功能[32]。如圖5-1所示就是樹莓派4B。圖5-1樹莓派控制板圖5-2樹莓派板載接口說明圖5-3擴(kuò)展接口定義圖圖5-416路舵機(jī)驅(qū)動板2.2軟件設(shè)計的技術(shù)路線與總體方案樹莓派雖然是一種與元件但功能性上可以說是一臺微型電腦，在使用樹莓派的過程中我們需要牢記相應(yīng)的各種快捷鍵鍵位，這能為我們的程序編寫過程提供極大地便利。樹莓派的控制程序可以應(yīng)用Python語言，這意味著想要做到基礎(chǔ)的使用我們至少得在Python語言這方面擁有入門級別的能力，要記住基礎(chǔ)的操作流程。通過大量的書籍與視頻教學(xué)，我們能快速地學(xué)會使用這一門語言，接下來就需要實際操作了，在實踐過程中印證所學(xué)知識與實際的關(guān)聯(lián)性[33]。在使用樹莓派前需要載入一個控制系統(tǒng)。在電腦上下載樹莓派官方鏡像系統(tǒng)，然后需要按照專業(yè)的流程進(jìn)行注冊連接待樹莓派模塊成功運(yùn)轉(zhuǎn)就算成功，接下來就是編寫適合自己的程序。圖5-5定義程序2