仿人機器人運動控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、仿人機器人是工程上少有的高階、非線性、非完整約束的多自由度系統(tǒng)。這對機器人運動學(xué)、動力學(xué)及控制理論的研究提供了一個非常理想的實驗平臺。本文在理論方面對仿人機器人的行走模型進行了分析,提出了基于角度的規(guī)劃控制方法,在實現(xiàn)層面，對于運動控制系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)提出了創(chuàng)新方案。最后在仿人機器人實體MIH-1上驗證了算法的可行性和有效性。 理論上,為了改進仿人機器人步態(tài)控制的穩(wěn)定性,本文在對被動動態(tài)行走模型和線性倒立擺模型分析的基礎(chǔ)上提出了新

2、的基于能耗優(yōu)化和關(guān)節(jié)角度變化的仿人機器人運動控制算法,推導(dǎo)了確定關(guān)節(jié)實時輸出扭矩的公式,優(yōu)化了原有算法的穩(wěn)定性和行走能耗,建立了仿人機器人在動力學(xué)環(huán)境中的穩(wěn)定行走的改進模型。區(qū)別于目前國內(nèi)外步態(tài)規(guī)劃工作絕大部分根據(jù)機器人行走的時間——位移——速度的連續(xù)性,設(shè)計出基于時間的軌跡函數(shù),再利用相關(guān)穩(wěn)定性判據(jù)加以離線或在線的控制，本文從電機的實際輸出扭矩出發(fā),以相關(guān)關(guān)節(jié)角度的變化為立足點,設(shè)計出一套合理的運動軌跡,給出了仿人機器人實體靜態(tài)行走各

3、關(guān)節(jié)角度軌跡和實際的三維位置軌跡。 實現(xiàn)層面上,本文初步搭構(gòu)了仿人機器人MIH-1硬件平臺：利用單元無刷直流電機控制器MC33035設(shè)計出一款集無刷直流電機控制、有刷直流電機控制、步進電機控制于一體的電機運動控制器,可提供傳感器功率的溫度補償參考、頻率可編程的鋸齒波振蕩器、完全可訪問的誤差放大器以及編碼器信號的檢測,實現(xiàn)了速度和位置的雙閉環(huán)控制；采用了TMS320F2812 DSP控制模塊,實現(xiàn)了對多個關(guān)節(jié)電機的并行控制；設(shè)計了

4、CAN總線通信模塊,實現(xiàn)了DSP控制模塊之間的通信；采用了USB2.0串行總線通信模塊,建立DSP控制模塊與主控計算機的通信；設(shè)計了電源模塊,實現(xiàn)了對機器人運動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的供電；設(shè)計了主控計算機上的軟件控制系統(tǒng),將控制算法應(yīng)用于機器人行走的實際控制。 結(jié)合仿人機器人MIH-1平臺，本文設(shè)計了基于角度的步態(tài)規(guī)劃方案與傳統(tǒng)的基于執(zhí)行端位置的規(guī)劃方法對比試驗，分別在無地面摩擦力作用和右地賣弄摩擦力作用的情況下驗證了基于角度步態(tài)規(guī)