论文摘要
仿人机器人是机器人研究领域最为前沿的课题之一,它集机械、电子、计算机、材料、传感器、控制技术及人工智能等多门学科于一体,反映了一个国家的高科技发展水平。作为机器人技术与系统国家重点实验室自主课题“机器人宇航员”的重要组成部分,本文研制了仿人机器人头部系统,并对其动态控制进行了研究。本系统将为“机器人宇航员”提供主动视觉。本文首先根据视觉测量与控制的任务要求,提出了相关的设计原则与指标。在此基础上,进行了机械系统设计,采用等径锥齿轮差动耦合机构设计颈部基关节,实现俯仰与侧摆运动。为实现机电一体化,设计了独立的电位计板、驱动板和基于FPGA的控制板,采用了视觉处理-中央控制-关节控制分离的分布式控制系统结构。整个头部系统具有俯仰、侧摆和回转三个自由度,重约1.3kg,体积小巧、结构紧凑,并具有仿人的外观造型。在完成系统本体设计的基础上,进行了双目视觉系统、运动学和动力学的建模研究。采用了小孔模型及四参数模型,根据视差原理建立了双目视觉系统模型,结合正运动学,实现了从图像坐标系到世界坐标系下三维位置的转换。在求解逆运动学中,本文提出了一种基于虚拟伸缩臂的D-H法,使得难以求解的机器人头部逆运动学转化为传统的D-H法来求解。采用拉格朗日法,建立了机器人连杆动力学模型,并建立了颈部基关节特殊的差动耦合机构的力矩转化模型。针对模型的不确定性,采用对其具有完全鲁棒性的滑模变结构控制（Sliding Mode Control-SMC）策略。针对滑模变结构控制的抖振问题,本文重点研究了其抑制算法,改进了指数趋近律算法,提出了一种SMC+PID的复合控制算法和一种基于滑模变结构的复合控制算法,并采用Matlab/Simulink进行了仿真。仿真对比结果表明,改进的指数趋近律算法有效抑制了抖振,且改善了趋近品质,减小了跟踪误差;两种复合控制算法具有良好的跟踪精度,且使抖振得到明显抑制。最后,在完成了仿人机器人头部实际系统的基础上,进行了关节位置控制实验和对运动目标的主动视觉跟踪实验。采用了主眼对中跟踪的目标跟踪策略和基于位置的视觉伺服控制。实验结果进一步验证了上述抖振抑制算法的有效性,实现了系统对在一定速度范围内作无规则运动的乒乓球的跟踪。
论文目录
摘要Abstract第1章 绪论1.1 课题背景1.2 仿人机器人综述1.2.1 仿人机器人研究现状1.2.2 典型仿人机器人头部与头/眼平台介绍1.3 滑模变结构控制综述1.3.1 动态控制与不确定性机器人概述1.3.2 滑模变结构控制概述1.4 课题的意义及主要研究内容1.4.1 课题的来源及意义1.4.2 课题的主要研究内容第2章 仿人机器人头部的设计2.1 引言2.2 总体设计要求与性能指标2.3 机械系统设计2.3.1 颈部基关节机构设计与分析2.3.2 机械结构设计2.3.3 主要零部件校核2.4 电气系统设计2.4.1 电气系统总体结构2.4.2 传感器模块设计2.4.3 电机驱动电路板设计2.4.4 控制电路板设计2.5 视觉系统设计2.6 仿人外观造型设计2.7 本章小结第3章 仿人机器人头部建模3.1 引言3.2 双目视觉系统建模3.2.1 小孔模型系统坐标系3.2.2 摄像机内外参数模型3.2.3 双目视觉模型3.3 运动学建模3.3.1 正运动学建模3.3.2 基于虚拟伸缩臂的逆运动学建模3.3.3 关节运动学建模3.4 动力学建模3.4.1 机器人连杆动力学3.4.2 颈部基关节动力学3.5 本章小结第4章 仿人机器人头部动态控制研究与仿真4.1 引言4.2 控制模型的建立4.2.1 控制对象模型4.2.2 仿真模型的建立4.3 基于计算力矩法的滑模变结构控制4.3.1 计算力矩法4.3.2 滑模变结构控制4.3.3 基于计算力矩法的滑模变结构控制4.4 滑模变结构控制的抑振研究4.4.1 抖振产生原因4.4.2 边界层法4.4.3 单位矢量连续化法4.4.4 趋近律法4.5 基于滑模变结构的复合控制4.5.1 SMC+PID复合控制4.5.2 基于滑模变结构的复合鲁棒控制4.6 本章小结第5章 动态控制与目标跟踪实验5.1 引言5.2 关节位置控制实验5.2.1 轨迹规划5.2.2 实验结果与分析5.3 运动目标主动视觉跟踪实验5.3.1 实验任务与系统组成5.3.2 目标跟踪控制策略5.3.3 实验程序设计5.3.4 实验结果与分析5.4 本章小结结论参考文献致谢
相关论文文献
标签：仿人机器人头部论文; 动态控制论文; 滑模变结构控制论文; 目标跟踪论文;
