仿人機器人頭部系統(tǒng)設(shè)計及其動態(tài)控制研究.pdf

1、仿人機器人是機器人研究領(lǐng)域最為前沿的課題之一，它集機械、電子、計算機、材料、傳感器、控制技術(shù)及人工智能等多門學(xué)科于一體，反映了一個國家的高科技發(fā)展水平。作為機器人技術(shù)與系統(tǒng)國家重點實驗室自主課題“機器人宇航員”的重要組成部分，本文研制了仿人機器人頭部系統(tǒng)，并對其動態(tài)控制進(jìn)行了研究。本系統(tǒng)將為“機器人宇航員”提供主動視覺。
　　本文首先根據(jù)視覺測量與控制的任務(wù)要求，提出了相關(guān)的設(shè)計原則與指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，進(jìn)行了機械系統(tǒng)設(shè)計，采用等徑

2、錐齒輪差動耦合機構(gòu)設(shè)計頸部基關(guān)節(jié)，實現(xiàn)俯仰與側(cè)擺運動。為實現(xiàn)機電一體化，設(shè)計了獨立的電位計板、驅(qū)動板和基于FPGA的控制板，采用了視覺處理-中央控制-關(guān)節(jié)控制分離的分布式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。整個頭部系統(tǒng)具有俯仰、側(cè)擺和回轉(zhuǎn)三個自由度，重約1.3kg，體積小巧、結(jié)構(gòu)緊湊，并具有仿人的外觀造型。
　　在完成系統(tǒng)本體設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了雙目視覺系統(tǒng)、運動學(xué)和動力學(xué)的建模研究。采用了小孔模型及四參數(shù)模型，根據(jù)視差原理建立了雙目視覺系統(tǒng)模型，結(jié)合

3、正運動學(xué)，實現(xiàn)了從圖像坐標(biāo)系到世界坐標(biāo)系下三維位置的轉(zhuǎn)換。在求解逆運動學(xué)中，本文提出了一種基于虛擬伸縮臂的D-H法，使得難以求解的機器人頭部逆運動學(xué)轉(zhuǎn)化為傳統(tǒng)的D-H法來求解。采用拉格朗日法，建立了機器人連桿動力學(xué)模型，并建立了頸部基關(guān)節(jié)特殊的差動耦合機構(gòu)的力矩轉(zhuǎn)化模型。
　　針對模型的不確定性，采用對其具有完全魯棒性的滑模變結(jié)構(gòu)控制(Sliding Mode Control-SMC)策略。針對滑模變結(jié)構(gòu)控制的抖振問題，本文重點研

4、究了其抑制算法，改進(jìn)了指數(shù)趨近律算法，提出了一種SMC+PID的復(fù)合控制算法和一種基于滑模變結(jié)構(gòu)的復(fù)合控制算法，并采用Matlab/Simulink進(jìn)行了仿真。仿真對比結(jié)果表明，改進(jìn)的指數(shù)趨近律算法有效抑制了抖振，且改善了趨近品質(zhì)，減小了跟蹤誤差；兩種復(fù)合控制算法具有良好的跟蹤精度，且使抖振得到明顯抑制。
　　最后，在完成了仿人機器人頭部實際系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了關(guān)節(jié)位置控制實驗和對運動目標(biāo)的主動視覺跟蹤實驗。采用了主眼對中跟蹤的目