仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究.pdf

1、仿人機(jī)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(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)及控制理論的研究提供了一個(gè)非常理想的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。本文在理論方面對(duì)仿人機(jī)器人的行走模型進(jìn)行了分析,提出了基于角度的規(guī)劃控制方法,在實(shí)現(xiàn)層面，對(duì)于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)提出了創(chuàng)新方案。最后在仿人機(jī)器人實(shí)體MIH-1上驗(yàn)證了算法的可行性和有效性。 理論上,為了改進(jìn)仿人機(jī)器人步態(tài)控制的穩(wěn)定性,本文在對(duì)被動(dòng)動(dòng)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(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制算法,推導(dǎo)了確定關(guān)節(jié)實(shí)時(shí)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(jī)器人在動(dòng)力學(xué)環(huán)境中的穩(wěn)定行走的改進(jìn)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(jī)器人行走的時(shí)間——位移——速度的連續(xù)性,設(shè)計(jì)出基于時(shí)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(jī)的實(shí)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(diǎn),設(shè)計(jì)出一套合理的運(yùn)動(dòng)軌跡,給出了仿人機(jī)器人實(shí)體靜態(tài)行走各

3、關(guān)節(jié)角度軌跡和實(shí)際的三維位置軌跡。 實(shí)現(xiàn)層面上,本文初步搭構(gòu)了仿人機(jī)器人MIH-1硬件平臺(tái)：利用單元無刷直流電機(jī)控制器MC33035設(shè)計(jì)出一款集無刷直流電機(jī)控制、有刷直流電機(jī)控制、步進(jìn)電機(jī)控制于一體的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制器,可提供傳感器功率的溫度補(bǔ)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(hào)的檢測(cè),實(shí)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(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的并行控制；設(shè)計(jì)了

4、CAN總線通信模塊,實(shí)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(jì)算機(jī)的通信；設(shè)計(jì)了電源模塊,實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的供電；設(shè)計(jì)了主控計(jì)算機(jī)上的軟件控制系統(tǒng),將控制算法應(yīng)用于機(jī)器人行走的實(shí)際控制。 結(jié)合仿人機(jī)器人MIH-1平臺(tái)，本文設(shè)計(jì)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(duì)比試驗(yàn)，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(yàn)證了基于角度步態(tài)規(guī)