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底层关节控制器的设计以及步态稳定性研究

作　者: 罗旭东
导　师: 王进戈
学　校: 西华大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 类人机器人机器人传感器模块关节控制器改进增量型PID控制三次样条插值法
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 24次
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内容摘要

类人机器人是当今科技研究的热点之一,是多门基础学科、多种技术的集成。目前由于类人机器人的关节越来越多,控制电路更加复杂,所以需要优化其控制结构、减小硬件电路的体积与功耗。随着科技的发展,对类人机器人的拟人性要求越来越高,从而对机器人的控制系统以及步态的稳定性提出了更高的要求。本文针对类人机器人的控制系统以及步态稳定性进行研究工作。主要的研究内容如下:(1)确定了本课题的研究对象为类人机器人STROLL,对其各个组成部分的尺寸、各个关节相关自由度以及机构参数进行分析,确定其关节驱动模块,经过对各种驱动方式比较,最终选取数字舵机对关节进行驱动。(2)设计类人机器人的感知系统,将类人机器人STROLL的感知系统分为两部分,内部传感器模块和外部传感器模块。内部传感器模块主要是用来采集各个关节的速度和角度,为控制算法的实现提供实时信息;外部传感器模块则主要由于实现测距、壁障、巡线以及辅助自动充电模块的导航功能。(3)设计底层关节控制器模块的硬件,采用改进增量型PID控制的算法对舵机进行控制,并使用MATLAB软件对控制算法进行仿真与验证。(4)从两个方面对类人机器人的步态稳定性进行研究,一方面是依据机器人的机体结构,算出机器人在静态行走过程中关键关节的位置,速度以及加速度方程,使类人机器人在行走过程的起始点与终止点时刻,关键关节的速度与加速度都为零,从而有效的避免了刚性冲击与柔性冲击;另一方面是从关节舵机的控制方面出发,引入三次样条插值函数,确定关节从起始位置到目标位置转动过程中,舵机的位置曲线和速度曲线,并在其中插入一定个数的插值点,提高舵机在类人机器人静态行走的过程中运转的稳定性。使用MATLAB软件对研究的结果进行仿真与验证。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
1 绪论  8-14
  1.1 课题来源、目的和意义  8-9
  1.2 国内外现状和发展趋势  9-13
  1.3 本论文研究的主要内容  13-14
2 类人机器人的机构与结构设计  14-18
  2.1 引言  14
  2.2 类人机器人尺寸以及关节自由度设计  14-16
    2.2.1 类人机器人的尺寸设计  14-15
    2.2.2 类人机器人的关节自由度设计  15-16
  2.3 类人机器人运动学模型  16-17
  2.4 小结  17-18
3 类人机器人的驱动、传感器以及控制模块的设计  18-35
  3.1 引言  18
  3.2 关节驱动模块  18-23
    3.2.1 驱动装置的选用  19-20
    3.2.2 舵机的控制原理以及选型  20-23
  3.3 传感器模块  23-32
    3.3.1 内部传感器  24-26
    3.3.2 外部传感器  26-32
  3.4 类人机器人的底层控制模块  32-34
  3.5 小结  34-35
4 类人机器人底层控制系统硬件的设计与控制算法的实现  35-56
  4.1 引言  35-36
  4.2 底层控制器的硬件设计  36-44
    4.2.1 关节控制器的硬件设计  36-43
    4.2.2 自动充电坞模块硬件设计  43-44
  4.3 控制算法的设计和仿真  44-54
    4.3.1 PID 控制算法的设计  47-49
    4.3.2 PID 控制算法数字离散化处理  49-54
  4.5 小结  54-56
5 类人机器人静态行走的稳定性分析  56-73
  5.1 引言  56
  5.2 类人机器人实现静态行走的稳定性分析  56-66
  5.3 实验结果与分析  66-72
  5.5 小结  72-73
6 结论与展望  73-74
参考文献  74-76
攻读硕士学位期间学术论文及科研情况  76-77
致谢  77-78

底层关节控制器的设计以及步态稳定性研究

内容摘要

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