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异构双腿机器人模糊控制系统设计与步态实现

作　者: 张俊杰
导　师: 王斐
学　校: 东北大学
专　业: 模式识别与智能系统
关键词: BRHL 步态处理 模糊自适应PID CAN总线 伺服电机
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


双足机器人是一种可模拟人类双腿行走的高级智能机器人,具有代替人类在危险环境下进行重复工作的潜力。但对于非正常行走,如残障人士的步行运动,则不能完全模拟。智能假肢研发过程中,需要残疾人装配假肢进行实验。由于残疾人身体有缺陷,不可能作大量、多样及重复性的实验,这无疑会影响智能假肢的研发进度。异构双腿机器人(Biped Robot with Heterogeneous Legs,简称BRHL)是一种新型的机器人模式,它从改进双腿行走机器人行走拟人特性,为智能假肢提供一个研究平台等角度出发,是双腿行走机器人与智能假肢研究的集成。本文在阐明异构双腿机器人的研究意义、内容及研究现状的基础上,对异构双腿机器人的系统组成进行了介绍,并深入研究了异构双腿机器人的步态数据处理、控制算法以及步态控制的硬件实现。要使双足机器人能平稳行走,对其步态进行处理与分析是及其重要的。本文对原始步态数据依次使用三次样条插值处理、微分处理和多项式拟合处理,处理后的步态数据在电机上表现出了很好的运动特性,并初步建立了各关节的步态数据函数库。研究了模糊自适应PID控制算法和传统PID控制算法,并在MATLAB环境中对两种控制算法进行步态仿真,比较分析了仿真结果,得出模糊自适应PID比传统PID具有控制效果好,鲁棒性强的特点,并在此基础上,研究了模糊自适应PID的软件实现方法,给出了程序流程图。对系统的硬件组成与设计进行了研究,通过对硬件设备的升级改造使系统具有足够的驱动力,通过CAN卡组建了CAN总线网络,实现了多电机协调控制,并把处理后的步态数据与模糊自适应PID控制算法应用于异构双腿机器人的行走控制中,取得了良好的控制效果,实现了双足异构机器人根据步态进行连续的仿人行走。

全文目录


摘要  5-6
Abstract  6-10
第1章 绪论  10-22
  1.1 引言  10-11
  1.2 课题的提出及意义  11-15
    1.2.1 异构双腿机器人的提出  11-13
    1.2.2 课题的研究意义  13-15
  1.3 国内外研究现状  15-20
    1.3.1 双足机器人国内外研究现状  15-18
    1.3.2 智能假肢国内外研究现状  18-20
  1.4 论文主要研究内容  20-22
    1.4.1 论文研究内容  20-21
    1.4.2 论文结构  21-22
第2章 异构双腿机器人实验平台介绍  22-30
  2.1 BRHL机械结构介绍  22-27
    2.1.1 人工腿结构  22-25
    2.1.2 仿生腿结构  25-27
  2.2 BRHL控制系统介绍  27-28
    2.2.1 BRHL控制系统硬件设备改造  27-28
    2.2.2 多电机控制系统架构  28
  2.3 小结  28-30
第3章 异构双腿机器人步态数据处理  30-42
  3.1 引言  30-31
  3.2 步态数据的获取  31-33
    3.2.1 线性倒立摆步态规划简介  31-32
    3.2.2 基于联合仿真平台的步态数据计算  32-33
  3.3 步态数据处理  33-41
    3.3.1 数据插值处理  33-34
    3.3.2 数据微分处理  34-36
    3.3.3 数据拟合处理  36-41
  3.4 小结  41-42
第4章 系统控制方法的研究  42-62
  4.1 引言  42
  4.2 模糊控制原理  42-47
    4.2.1 模糊控制的发展与特点  42-43
    4.2.2 模糊控制的基本原理  43-47
  4.3 PID控制原理  47-50
    4.3.1 PID控制基础知识  47-49
    4.3.2 数字PID控制方法  49-50
  4.4 模糊PID控制器设计  50-60
    4.4.1 模糊PID控制器结构  50-51
    4.4.2 论域、量化因子、比例因子的选择  51-53
    4.4.3 模糊PID隶属度函数的确立  53
    4.4.4 模糊控制规则的建立  53-56
    4.4.5 模糊查询表的建立  56-59
    4.4.6 模糊控制算法的实现  59-60
  4.5 小结  60-62
第5章 步态仿真与硬件实现  62-78
  5.1 电机动力学建模  62-67
    5.1.1 电机控制方式的分析  62
    5.1.2 直流伺服电机性能要求  62-63
    5.1.3 直流电机动态数学模型的建立  63-67
  5.2 步态仿真分析  67-72
    5.2.1 仿真模型  67-68
    5.2.2 仿真分析  68-72
  5.3 控制系统硬件实现  72-77
    5.3.1 单电机控制  72-74
    5.3.2 基于CAN总线的多电机控制  74-77
  5.4 小结  77-78
第6章 总结与展望  78-80
  6.1 工作总结  78
  6.2 问题与展望  78-80
参考文献  80-84
致谢  84

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中图分类: > 工业技术 > 自动化技术、计算机技术 > 自动化技术及设备 > 机器人技术 > 机器人
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