仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā).pdf

1、仿人機(jī)器人是多門(mén)基礎(chǔ)學(xué)科、多項(xiàng)高技術(shù)的集成，代表了機(jī)器人的尖端技術(shù)。因此，仿人機(jī)器人是當(dāng)代科技的研究熱點(diǎn)之一。控制技術(shù)和控制電路集成技術(shù)是仿人機(jī)器人技術(shù)中的重要組成部分。仿人機(jī)器人的關(guān)節(jié)眾多，控制電路復(fù)雜，要使其具備一些人類并不具有的功能，其控制電路就愈加復(fù)雜，因此優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)，減小控制電路的體積和功耗，有利于控制系統(tǒng)與機(jī)器人本體的更好融合。而且，目前仿人機(jī)器人雙足行走的速度、穩(wěn)定性及自適應(yīng)能力的進(jìn)一步提高和擬人化程度的進(jìn)一步提高，也有

2、賴于更加優(yōu)化的控制方案和更加優(yōu)化的控制結(jié)構(gòu)。本論文對(duì)仿人機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究。 首先，確定了被控制對(duì)象——仿人機(jī)器人HBUT-1各組成部分的尺寸比例及其關(guān)節(jié)自由度配置；并分析了機(jī)器人各并聯(lián)關(guān)節(jié)的機(jī)構(gòu)參數(shù)，給出了仿人機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)組合。其次，介紹了機(jī)器人關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型；分析了關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)——maxonDC電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。再次，介紹了仿人機(jī)器人HBUT-1的感知系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)；并重點(diǎn)分析了數(shù)字式攝像頭、聲納、六維力

3、/力矩傳感器以及光電編碼器在機(jī)器人感知系統(tǒng)中的應(yīng)用。接著，分析了仿人機(jī)器人HBUT-1的控制電路整體結(jié)構(gòu)；整個(gè)機(jī)載控制電路采用基于單板計(jì)算機(jī)的多層遞階、分布式控制系統(tǒng)，整個(gè)系統(tǒng)分為三層：組織層、協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層；每層均采用模塊化、開(kāi)放式結(jié)構(gòu)，從而分散了控制任務(wù)，有利于提高機(jī)器人的智能化程度。然后，分析了機(jī)器人關(guān)節(jié)自由度被控制部分的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，并針對(duì)執(zhí)行層中關(guān)節(jié)控制器的硬件結(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行了重點(diǎn)論述；該關(guān)節(jié)控制器以TMS320F2811

4、型DSP為主處理器，它集運(yùn)動(dòng)伺服控制和功率驅(qū)動(dòng)于一體，實(shí)現(xiàn)多軸運(yùn)動(dòng)控制，具備網(wǎng)絡(luò)功能，體積小，功耗低，易于和機(jī)器人本體融合。其伺服控制算法采用模糊PD結(jié)合單神經(jīng)元自適應(yīng)PID的雙?？刂扑惴ǎ囼?yàn)表明該控制策略能提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性、精確性和魯棒性。最后，對(duì)仿人機(jī)器人的步態(tài)規(guī)劃方法進(jìn)行了研究，將所研究的仿人機(jī)器人簡(jiǎn)化為具有12個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的7連桿模型，建立了機(jī)器人位姿向量，并利用5次多項(xiàng)式組擬合單步周期內(nèi)機(jī)器人的期望位姿軌跡。通過(guò)分析機(jī)器