人形机器人机构与控制系统设计及步态规划研究

论文摘要

本文对人形机器人的机械结构和控制系统进行了设计,并在步态规划方面进行了研究。对人形机器人机械机构进行设计。首先对自由度进行配置；然后用三维绘图软件solidworks2007对人形机器人零部件进行设计和装配,得到其模型；最后选择合适的材料进行加工、装配得到人形机器人的实体。对人形机器人的控制电路板进行设计。用电路绘图软件protell 99 se进行原理图的设计和绘制；根据原理图对元器件选择合适的封装并进行PCB板的设计；对人形机器人的控制电路板进行元器件焊接,并测试控制电路板是否能正常工作。对人形机器人控制方法进行研究。人形机器人的各个关节自由度均由舵机来控制,因此需要产生多路控制舵机用的PWM波形。针对这种情况,本文采用TI公司的高性能DSP处理器TMS320LF2407A产生了24路PWM波形。根据控制舵机的PWM信号周期的特点,利用分时的方法分组输出24路PWM波形。这种方法产生的多路PWM波形不仅实现简单,而且稳定可靠具有很高的精度。对人形机器人动作编程实现和步态规划进行研究。人形机器人的舞蹈动作数据需要很大的存储空间,对此本文改进了人形机器人的动作数据存储方式,忽略了那些不转动舵机的数据,使有限存的储资源实现了丰富的舞蹈动作。在人形机器人行走步态规划方面,首先简化了人形机器人的模型并在该模型上建立坐标系；然后基于ZMP点对人形机器人行走步态进行了规划；最后利用matlab软件得出了各个关节运动角度和时间的曲线轨迹。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 人形机器人的发展现状及趋势
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 我国的研究现状
• 1.2.3 人形机器人的发展趋势
• 1.3 主要完成的工作
• 第二章 人形机器人的机械机构设计
• 2.1 人形机器人的自由度分配
• 2.1.1 头部自由度分配
• 2.1.2 上肢自由度的分配
• 2.1.3 下肢自由度的分配
• 2.2 机械零部件设计
• 2.2.1 足部的设计
• 2.2.2 腿部机构的设计
• 2.2.3 胯部机构的设计
• 2.2.4 上身躯干的设计
• 2.2.5 手臂的设计
• 2.2.6 头部的设计
• 2.3 本章小结
• 第三章 人形机器人控制电路设计
• 3.1 主控制芯片的介绍
• 3.2 芯片供电电路设计
• 3.3 舵机供电电路
• 3.4 DSP外围电路设计
• 3.4.1 时钟电路的设计
• 3.4.2 复位电路的设计
• 3.4.3 JTAG仿真接口设计
• 3.4.4 FLASH供电电路
• 3.5 PWM信号输出电路设计
• 3.6 控制系统PCB板的设计
• 3.7 本章小结
• 第四章 24路PWM信号的生成
• 4.1 CCS的工程文件
• 4.2 控制舵机的PWM信号简介
• 4.3 TMS320LF2407A产生PWM信号的方法
• 4.3.1 利用通用定时器产生PWM信号
• 4.3.2 利用比较单元产生PWM信号
• 4.3.3 利用数字I/O口输出PWM信号
• 4.4 24路PWM信号产生的方法
• 4.4.1 8路PWM信号的产生方法
• 4.4.2 24路PWM信号的产生
• 4.4.3 通用数字I/O端口的分组
• 4.5 24路PWM信号的实现
• 4.5.1 舵机输出角度与PWM高电平计数值的关系
• 4.5.2 定时器timer1设置
• 4.5.3 比较单元的设置
• 4.5.4 通用数字I/O的设置
• 4.5.5 中断寄存器的设置
• 4.5.6 相关数据的定义
• 4.5.7 24路PWM信号发生的软件实现
• 4.6 用C语言实现中断
• 4.7 中断服务程序的编写
• 4.8 PWM信号的输出
• 4.9 本章小结
• 第五章 人形机器人动作编程实现与步态规划研究
• 5.1 人形机器人动作实现的方法概述
• 5.2 人形机器人动作的编程
• 5.2.1 舵机转速数据的存储
• 5.2.2 结构体数据结构的数组
• 5.2.3 动作数据的存储
• 5.2.4 动作数据的读取
• 5.2.5 舵机的速度控制
• 5.3 人形机器人动作设计
• 5.4 步态规划
• 5.4.1 人形机器人的零力矩点
• 5.4.2 人形机器人模型的建立
• 5.4.3 运动方程的建立
• 5.4.4 侧向运动的求解
• 5.4.5 前向运动的求解
• 5.4.6 曲线轨迹的在线调整
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 课题研究的主要成果和创新点
• 6.2 未来和展望
• 参考文献
• 研究生阶段发表的论文
• 致谢