双足步行机器人控制系统设计与实现

论文摘要

双足步行机器人汇集了计算机、电子、通信、自动控制、传感器等多各领域的尖端技术,代表了机电一体化的最高成就,是当代科技研究的热点之一。而控制系统是双足步行机器人的心脏,其设计的好坏决定了机器人各方面的性能。双足机器人关节众多、结构复杂,实时性要求高,特别是当今世界对机器人的步行速度、自适应能力和拟人化程度有了越来越高的要求,这就对控制系统的设计提出了更大的挑战。本文对如何优化双足机器人的控制结构进行了深入分析,提出了基于RTLinux和CANopen分布式实时机器人控制系统结构,并将其应用于自主研发的双足步行机器人,取得了良好的实验效果。首先,本文回顾和总结了双足步行机器人的研究历史和发展现状,对国内外各主要研究机构设计的双足步行机器人进行了分析和对比,并着重介绍了其控制系统的设计和相关技术。其次,本文结合自主研发的双足机器人SHR-1的机械结构,对控制系统的设计方案进行论证和分析,提出了基于CAN总线的控制系统硬件体系结构,介绍了机器人的通讯、传感和机电控制系统。同时结合双足机器人的应用需求,定制了基于CANopen的高层通讯协议,实现机器人各关节同步协调运动。再次,本文从机器人控制的实时性出发,提出了基于RTLinux的系统软件结构,介绍了RTLinux下机器人控制软件的开发过程,详细给出了RTLinux下设备驱动开发、实时应用程序开发的一般方法,并结合双足步行机器人的应用需求,设计了模块化的软件框架,同时对其实时性能进行了分析。最后,我们在双足机器人上进行了下蹲、前进步行、后退等实验,实验中机器人各关节达到了较高的伺服精度,整体运行协调、平稳,取得了良好的实验效果。文中对试验结果进行分析并给出了系统存在的不足和改进意见。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 双足步行机器人的研究历史与发展现状
• 1.1.1 国外双足步行机器人的研究历史及现状
• 1.1.2 国内双足步行机器人的研究历史及现状
• 1.2 双足步行机器人控制系统设计的一般方法
• 1.2.1 双足步行机器人对控制系统的需求
• 1.2.2 双足机器人控制系统设计的常见结构
• 1.2.3 双足机器人控制系统设计的发展现状
• 1.3 本文研究内容
• 第二章 双足步行机器人SHR-1 的总体设计
• 2.1 双足步行机器人SHR-1 的机械结构
• 2.2 机器人的驱动与感知系统
• 2.2.1 机器人的驱动系统
• 2.2.2 机器人的感知系统
• 2.3 机器人控制系统的层次结构
• 2.4 本章小结
• 第三章 控制系统设计
• 3.1 总线结构的选择
• 3.1.1 典型的现场总线
• 3.1.2 各种现场总线的性能比较
• 3.1.3 CAN 总线的特点与性能分析
• 3.2 基于CAN 总线的分布式控制系统结构
• 3.2.1 基于CAN 总线机器人控制系统的整体结构
• 3.2.2 CAN 在机器人控制系统应用时注意的问题
• 3.3 基于CANOPEN 的网络通信协议
• 3.3.1 CANopen 简介
• 3.3.2 双足机器人CAN 网络通信协议的订制
• 3.4 本章小结
• 第四章 控制系统软件设计与实现
• 4.1 实时操作系统的选择
• 4.1.1 实时性分析
• 4.1.2 实时操作系统选型
• 4.2 RTLINUX 实时操作系统
• 4.2.1 RTLinux 的实现原理
• 4.2.2 RTLinux 下实时软件开发的关键技术
• 4.3 机器人系统的整体软件结构
• 4.4 RTLINUX 下设备驱动的开发
• 4.4.1 RTLinux 下设备驱动开发的一般方法
• 4.4.2 CAN 接口卡的设备驱动程序设计
• 4.5 双足机器人实时控制程序的开发
• 4.6 人机交互程序的开发
• 4.6.1 开发工具的选择
• 4.6.2 人机界面的设计
• 4.7 本章小结
• 第五章 实验研究与结果分析
• 5.1 实验平台介绍
• 5.1.1 双足机器人硬件实验平台
• 5.1.2 双足机器人软件实验平台
• 5.2 双足机器人控制系统实时性实验
• 5.2.1 RTLinux 任务调度实时性实验
• 5.2.2 CAN 网络通讯的实时性实验
• 5.3 机器人单关节轨迹跟踪实验
• 5.4 机器人步行实验
• 5.4.1 机器人平地步行实验
• 5.4.2 机器人斜坡步行实验
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文主要研究工作及成果总结
• 6.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文目录
• 作者在攻读硕士学位期间参加的科研工作