仿生六足机器人的嵌入式平台设计

论文摘要

仿生多足机器人相比轮式,履带式移动机器人,有着更好的环境适应能力,尤其是在非结构环境中表现特别突出。而一个仿生机器人要获得良好的性能,它的系统控制平台的好坏起着相当大的作用。该平台主要负责控制机器人关节的运动,并且通过协调关节之间的运动来实现整个机器人的运动。本文主要是以仿生六足机器人为研究对象,围绕着仿生机器人的嵌入式平台设计展开研究,涉及到仿生六足机器人的总体方案设计和控制系统设计。本论文主要包括以下方面：借鉴国内外多足机器人研究成果以及仿生机器人项目经验,本文制定了仿生六足机器人控制系统方案,并提出了该控制系统的硬件和软件方案。在此基础上,根据仿生多足机器人的机构特点,采用积木式机器人模块,搭建仿生六足机器人。该机器人由舵机,传感器,嵌入式平台等模块组成,通过总线将各个模块连接,并最终连接到嵌入式平台。嵌入式平台在原有的软硬件基础上,通过串口通信来控制总线上舵机等模块。系统的整体设计采用模块化设计,目的是系统随控制精度的降低而提高控制智能程度。机器人的嵌入式平台设计主要包含硬件,软件两部分。嵌入式平台的硬件主要包括ARM7芯片的最小系统,串口通信电路,无线模块等。该平台与舵机等模块通过串行接口相连接,所有模块都采用半双工通信模式电路。在硬件平台设计中,使用芯片片内flash作为数据存储器,用来存储机器人运动中的数据。根据仿生六足机器人性能的总体要求,采用了具有三层抽象特点的软件体系结构,即应用层,自定义层,硬件相关层。整体构架为系统控制提供了很好的模块化支持,也增强了系统的可移植性。本文主要完成自定义层,包括串行总线通信模块,PC通信模块,内部存储模块,无线模块等等。其中,串行总线通信模块根据通信协议来配置和协调机器人的各个关节。在完成上述工作的基础上,进行了仿生六足机器人的样机的测试,包括单个关节通信数据以及控制,多关节协调。此外对仿生六足机器人的步态进行测试和验证。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景和意义
• 1.2 国内外多足仿生机器人的研究现状
• 1.3 本课题主要内容
• 2 仿生六足机器人系统架构
• 2.1 机器人分层控制结构
• 2.2 机器人控制系统方案
• 2.3 机器人嵌入式平台硬件方案
• 2.4 机器人嵌入式软件软件方案
• 3 仿生六足机器人搭建
• 3.1 机器人的物理结构搭建
• 3.2 机器人的硬件基础
• 3.2.1 舵机模块
• 3.2.2 集成传感器模块
• 3.2.3 系统总线设计
• 3.3 机器人的软件基础
• 3.4 机器人嵌入式平台设计
• 4 机器人嵌入式平台硬件设计
• 4.1 机器人关节控制结构
• 4.2 芯片及外围电路
• 4.2.1 平台核心芯片
• 4.2.2 ARM7最小系统
• 4.2.3 串口通信电路
• 4.2.4 JTAG接口
• 4.2.5 系统预留接口
• 4.3 无线模块设计
• 4.4 电路设计总结
• 5 机器人嵌入式平台软件设计
• 5.1 嵌入式平台软件概述
• 5.1.1 嵌入式软件控制结构
• 5.1.2 机器人关节控制程序结构
• 5.1.3 软件开发环境
• 5.2 模块初始化
• 5.2.1 系统频率初始化
• 5.2.2 串行通信初始化
• 5.2.3 无线模块初始化
• 5.3 串口总线通信子模块
• 5.4 内部存储子模块
• 5.4.1 嵌入式flash编程基本原理
• 5.4.2 嵌入式flash读写
• 5.4.3 机器人数据的写入flash
• 5.5 其他模块程序设计
• 5.5.1 PC通信模块
• 5.5.2 无线模通信收发
• 6 系统关节控制实验与机器人步态
• 6.1 机器人关节通信实验
• 6.2 关节控制实验
• 6.3 机器人步态规划
• 6.3.1 步态规划理论
• 6.3.2 步伐规划实验
• 7 总结
• 7.1 全文总结
• 7.2 本文创新点
• 7.3 下一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间完成的论文和科研成果