底层关节控制器的设计以及步态稳定性研究

论文摘要

类人机器人是当今科技研究的热点之一,是多门基础学科、多种技术的集成。目前由于类人机器人的关节越来越多,控制电路更加复杂,所以需要优化其控制结构、减小硬件电路的体积与功耗。随着科技的发展,对类人机器人的拟人性要求越来越高,从而对机器人的控制系统以及步态的稳定性提出了更高的要求。本文针对类人机器人的控制系统以及步态稳定性进行研究工作。主要的研究内容如下:(1)确定了本课题的研究对象为类人机器人STROLL,对其各个组成部分的尺寸、各个关节相关自由度以及机构参数进行分析,确定其关节驱动模块,经过对各种驱动方式比较,最终选取数字舵机对关节进行驱动。(2)设计类人机器人的感知系统,将类人机器人STROLL的感知系统分为两部分,内部传感器模块和外部传感器模块。内部传感器模块主要是用来采集各个关节的速度和角度,为控制算法的实现提供实时信息;外部传感器模块则主要由于实现测距、壁障、巡线以及辅助自动充电模块的导航功能。(3)设计底层关节控制器模块的硬件,采用改进增量型PID控制的算法对舵机进行控制,并使用MATLAB软件对控制算法进行仿真与验证。(4)从两个方面对类人机器人的步态稳定性进行研究,一方面是依据机器人的机体结构,算出机器人在静态行走过程中关键关节的位置,速度以及加速度方程,使类人机器人在行走过程的起始点与终止点时刻,关键关节的速度与加速度都为零,从而有效的避免了刚性冲击与柔性冲击;另一方面是从关节舵机的控制方面出发,引入三次样条插值函数,确定关节从起始位置到目标位置转动过程中,舵机的位置曲线和速度曲线,并在其中插入一定个数的插值点,提高舵机在类人机器人静态行走的过程中运转的稳定性。使用MATLAB软件对研究的结果进行仿真与验证。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题来源、目的和意义
• 1.2 国内外现状和发展趋势
• 1.3 本论文研究的主要内容
• 2 类人机器人的机构与结构设计
• 2.1 引言
• 2.2 类人机器人尺寸以及关节自由度设计
• 2.2.1 类人机器人的尺寸设计
• 2.2.2 类人机器人的关节自由度设计
• 2.3 类人机器人运动学模型
• 2.4 小结
• 3 类人机器人的驱动、传感器以及控制模块的设计
• 3.1 引言
• 3.2 关节驱动模块
• 3.2.1 驱动装置的选用
• 3.2.2 舵机的控制原理以及选型
• 3.3 传感器模块
• 3.3.1 内部传感器
• 3.3.2 外部传感器
• 3.4 类人机器人的底层控制模块
• 3.5 小结
• 4 类人机器人底层控制系统硬件的设计与控制算法的实现
• 4.1 引言
• 4.2 底层控制器的硬件设计
• 4.2.1 关节控制器的硬件设计
• 4.2.2 自动充电坞模块硬件设计
• 4.3 控制算法的设计和仿真
• 4.3.1 PID 控制算法的设计
• 4.3.2 PID 控制算法数字离散化处理
• 4.5 小结
• 5 类人机器人静态行走的稳定性分析
• 5.1 引言
• 5.2 类人机器人实现静态行走的稳定性分析
• 5.3 实验结果与分析
• 5.5 小结
• 6 结论与展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间学术论文及科研情况
• 致谢