仿人機器人控制系統(tǒng)的研究與開發(fā).pdf

1、仿人機器人是多門基礎學科、多項高技術(shù)的集成，代表了機器人的尖端技術(shù)。因此，仿人機器人是當代科技的研究熱點之一。控制技術(shù)和控制電路集成技術(shù)是仿人機器人技術(shù)中的重要組成部分。仿人機器人的關節(jié)眾多，控制電路復雜，要使其具備一些人類并不具有的功能，其控制電路就愈加復雜，因此優(yōu)化控制結(jié)構(gòu)，減小控制電路的體積和功耗，有利于控制系統(tǒng)與機器人本體的更好融合。而且，目前仿人機器人雙足行走的速度、穩(wěn)定性及自適應能力的進一步提高和擬人化程度的進一步提高，也有

2、賴于更加優(yōu)化的控制方案和更加優(yōu)化的控制結(jié)構(gòu)。本論文對仿人機器人的控制系統(tǒng)進行了深入研究。 首先，確定了被控制對象——仿人機器人HBUT-1各組成部分的尺寸比例及其關節(jié)自由度配置；并分析了機器人各并聯(lián)關節(jié)的機構(gòu)參數(shù)，給出了仿人機器人整體結(jié)構(gòu)組合。其次，介紹了機器人關節(jié)驅(qū)動電機的選型；分析了關節(jié)驅(qū)動電機——maxonDC電動機的動態(tài)數(shù)學模型。再次，介紹了仿人機器人HBUT-1的感知系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)；并重點分析了數(shù)字式攝像頭、聲納、六維力

3、/力矩傳感器以及光電編碼器在機器人感知系統(tǒng)中的應用。接著，分析了仿人機器人HBUT-1的控制電路整體結(jié)構(gòu)；整個機載控制電路采用基于單板計算機的多層遞階、分布式控制系統(tǒng)，整個系統(tǒng)分為三層：組織層、協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層；每層均采用模塊化、開放式結(jié)構(gòu)，從而分散了控制任務，有利于提高機器人的智能化程度。然后，分析了機器人關節(jié)自由度被控制部分的動態(tài)數(shù)學模型，并針對執(zhí)行層中關節(jié)控制器的硬件結(jié)構(gòu)和控制策略進行了重點論述；該關節(jié)控制器以TMS320F2811

4、型DSP為主處理器，它集運動伺服控制和功率驅(qū)動于一體，實現(xiàn)多軸運動控制，具備網(wǎng)絡功能，體積小，功耗低，易于和機器人本體融合。其伺服控制算法采用模糊PD結(jié)合單神經(jīng)元自適應PID的雙模控制算法，試驗表明該控制策略能提高系統(tǒng)響應的快速性、精確性和魯棒性。最后，對仿人機器人的步態(tài)規(guī)劃方法進行了研究，將所研究的仿人機器人簡化為具有12個轉(zhuǎn)動自由度的7連桿模型，建立了機器人位姿向量，并利用5次多項式組擬合單步周期內(nèi)機器人的期望位姿軌跡。通過分析機器