基于RT-Linux的机器人实时控制系统设计与研究

论文摘要

仿人机器人是具有多自由度、多耦合的复杂动态系统。计算机、控制及通讯技术的迅猛发展使得现代仿人机器人系统更加精巧和复杂,为了满足复杂系统的任务处理速度以及处理精度的要求,实时控制系统应用而生。RT-Linux是遵循GPL（General Public License通用公共许可证）的开放源代码实时操作系统,它在自由、免费的前提下能够提供与商业实时操作系统相当的硬实时性能,因此本课题选用其作为机器人的实时操作系统平台。本文首先深入剖析了RT-Linux实时操作系统时钟控制、线程调度、中断机制、内存管理、通讯机制、系统支持以及硬件访问等机理,并研究了基于RT-Linux环境的实时内核程序编写架构,为本文中机器人实时控制系统的设计与研究提供了理论基础。论文针对机器人控制系统使用的部分关键设备在实时操作系统RT-Linux下进行了调试:包括机器人运动控制卡、六维力/力矩传感器、仿人机器人头部、仿人多指灵巧手用32路舵机控制器。对机器人运动控制卡基于PCI总线的设备驱动程序在RT-Linux实时操作系统下进行了实时化移植;实现了舵机控制器与主控计算机的实时RS232串口通信。本文在实时内核空间编写基于实时串口通信的仿人多指灵巧手控制程序;对机器人关节控制算法进行了研究,给出了改进的数字PID控制算法并利用该算法实现了多轴关节的实时PID伺服控制。在用户空间开发了基于X-Window下Gnome客户端的图形用户界面程序。最后利用编写的实时控制程序在机器人系统上进行了实时性能验证,对单手9自由度的仿人多指灵巧手双手及仿人机器人双足部分进行了实时运动控制,取得了令人满意的结果。本文的研究为进一步扩充机器人实时控制系统的功能奠定了技术基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 课题来源及研究的目的和意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 仿人机器人的研究现状
• 1.3.2 仿人机器人操作系统及控制系统的研究现状
• 1.3.3 基于RT-Linux的实时控制系统在仿人机器人上的应用
• 1.4 分析与总结
• 1.5 本课题研究的主要内容
• 第2章 RT-Linux实时操作系统源代码剖析与研究
• 2.1 RT-Linux设计思想
• 2.2 RT-Linux的实时内核实现原理
• 2.2.1 定时精度
• 2.2.2 线程调度
• 2.2.3 中断模拟
• 2.2.4 内存管理
• 2.2.5 RT-Linux实时进程与Linux进程的通信机制
• 2.2.6 RT-Linux进程状态转换
• 2.3 RT-Linux应用程序接口函数
• 2.4 RT-Linux对SMP的支持
• 2.5 RT-Linux的互斥及中断机制
• 2.6 RT-Linux实时性能测试
• 2.7 本章小结
• 第3章 仿人机器人计算机控制系统硬件构筑
• 3.1 仿人机器人“GoRoBoT-III”系统简介
• 3.2 仿人机器人“GoRoBoT-III”控制系统硬件构筑
• 3.3 机器人运动控制卡
• 3.3.1 运动控制卡简介
• 3.3.2 运动控制卡转接板设计
• 3.4 六维力/力矩传感器
• 3.4.1 六维力/力矩传感器简介
• 3.4.2 JR3 六维力/力矩传感器在实时环境下的调试
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于RT-Linux的实时控制系统程序设计
• 4.1 仿人机器人“GoRoBoT-III”控制方式简介
• 4.2 运动控制卡RT-Linux环境下驱动程序设计
• 4.2.1 Linux设备驱动程序简介
• 4.2.2 PCI总线及PCI设备驱动程序
• 4.2.3 多功能运动控制卡设备驱动程序移植
• 4.2.4 实时驱动调试
• 4.3 基于RT-Linux的仿人多指灵巧手控制程序设计
• 4.3.1 仿人多指灵巧手的驱动与控制
• 4.3.2 实时内核空间程序设计
• 4.3.3 用户空间程序设计
• 4.4 下肢多轴关节控制程序设计
• 4.4.1 PID控制原理及数字PID控制算法
• 4.4.2 改进的数字PID控制算法
• 4.4.3 控制算法在仿人机器人关节位置伺服上的实现
• 4.4.4 控制程序主要模块功能实现
• 4.4.5 代码编译
• 4.5 本章小结
• 第5章 系统实时性能验证实验
• 5.1 仿人多指灵巧手实验系统构筑
• 5.2 仿人多指灵巧手运动控制实验
• 5.2.1 关节运动控制实验
• 5.2.2 抓取实验
• 5.3 悬挂状态下仿人机器人双足部分运动控制实验
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢