外骨骼机器人辅助腿驱动系统控制研究

论文摘要

智能人工腿是机器人学和生物医学工程学领域一个备受关注的研究课题,它最优秀的特点是能模仿人体健康腿的运动方式且步行速度可自然、随意地跟随佩戴者步行速度的变化而变化。本文将对增强人体下肢能力的外骨骼机器人辅助腿的驱动系统进行研究。针对外骨骼机器腿的特点和直流伺服电机以及DSP的国内外发展现状和前景,本论文做了以下几个方面的工作：首先,在设计了外骨骼机器腿的机械结构的基础上,对驱动部分各个零部件进行了加工和装配,并在设计了基于CAN总线的机器人现场总线控制系统和数字伺服控制系统的基础上,对控制方案进行了更深一步的研究和探索。设计了基于TMS320F2812的关节驱动控制系统,介绍了事件管理器等模块在电机控制中的应用,并对电机驱动系统进行了设计和研究。其次,本文在对CAN总线通信系统和DSP控制系统的研究基础上提出了模糊控制的思想,并进行了模糊系统的建模。在控制器的设计中,由于PID控制仍是目前应用最广泛的一种控制方式,因此本文首先讨论了常规PID控制算法及参数整定,然后,专门研究了模糊控制,它可以克服系统参数变化、非线性等不利因素,鲁棒性强。本文针对模糊控制设计了模糊控制器,并用Matlab的simulink模块进行了仿真和结果分析,最终得出模糊PID控制在系统参数改变的情况下仍有满意的控制效果。最后,对外骨骼机器人辅助腿驱动系统的软件进行了设计,对可视化操作界面进行了说明,设计了主程序、中断服务程序和电机的PWM输出控制；同时也介绍了模糊自适应PID控制算法在DSP上的数字化实现。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究背景
• 1.2 外骨骼机器人国内外研究状况
• 1.2.1 外骨骼机器人研究现状
• 1.2.2 外骨骼机器人特点和发展趋势
• 1.3 课题研究目的及意义
• 1.4 课题研究主要内容
• 第2章 整体结构设计及运动学分析
• 2.1 机械结构设计
• 2.1.1 机器人辅助腿整体结构设计
• 2.1.2 驱动关节设计及装配
• 2.2 机器人辅助腿运动学分析
• 2.2.1 运动学设计概述
• 2.2.2 运动学模型的建立与分析
• 2.2.3 运动数据的采集思路
• 第3章 控制系统设计及模糊体系建模
• 3.1 控制系统主体设计
• 3.1.1 总线控制方法的比较及通信方式的确定
• 3.1.2 控制系统实现方法的比较及控制方法的确定
• 3.2 基于CAN总线和DSP的运动控制
• 3.2.1 CAN总线控制方式研究
• 3.2.2 基于CAN总线的驱动单元设计
• 3.2.3 DSP数字控制系统设计
• 3.2.4 TMS320F2812数字信号处理器
• 3.3 电机驱动模块设计
• 3.3.1 PWM电机驱动研究
• 3.3.2 电机控制系统设计
• 3.4 模糊控制体系建模
• 3.4.1 模糊控制的数学基础
• 3.4.2 模糊控制方法研究
• 3.4.3 模糊控制器设计
• 第4章 模糊控制系统设计与仿真分析
• 4.1 PID控制系统方案
• 4.1.1 常规PID系统设计
• 4.1.2 数字PID控制系统
• 4.1.3 PID控制器参数的整定
• 4.2 模糊PID控制
• 4.2.1 模糊PID开关切换控制
• 4.2.2 模糊自适应PID控制
• 4.3 设计仿真及分析
• 4.3.1 常规PID控制仿真分析
• 4.3.2 模糊控制仿真分析
• 4.3.3 模糊自适应PID控制仿真分析
• 第5章 驱动系统软件开发及软硬件调试
• 5.1 主程序开发设计
• 5.2 初始化子程序开发设计
• 5.3 中断服务程序设计及分析
• 5.3.1 中断的结构
• 5.3.2 控制程序中断的实现
• 5.4 控制系统电机PWM输出
• 5.5 模糊自适应PID控制程序分析
• 5.6 系统软硬件调试及试验装置
• 5.6.1 硬件调试
• 5.6.2 软件调试
• 5.6.3 试验装置
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 模糊模块控制程序
• 附录B 电机驱动控制程序