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小型仿人机器人控制系统设计与研究

作　者: 王中华
导　师: 赵建东
学　校: 北京交通大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 仿人机器人控制系统虚拟样机联合仿真
分类号: TP242
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 157次
引　用: 1次
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内容摘要

小型仿人机器人因其独特的优势：经济性、类人外表、仿人步行及其它动作实现、以及人性化的交互功等能,而更能激发人类兴趣和创造灵感,更适合促进机器人技术应用的普及,并不断提高相关学科的研究和发展。本论文主要设计了一款小型仿人机器人样机,并在此基础上重点研究其控制系统,实现了该样机的基本功能：步行,俯卧撑,踢球等。具体研究工作如下：1.搭建了小型仿人机器人样机。定义了样机基本功能,确定了样机19个主动自由度的配置方案,基于SolidWorks建立了样机的总体尺寸模型,并基于ADMAS建立了样机的运动学模型,离线实现了样机步态规划。2.基于人工智能递阶控制技术,搭建了具有智能层、组织层、执行层的样机控制系统。智能层采用基于ARM11+LINUX的嵌入式控制系统,负责完成舵机控制命令发送、摄像头视频捕获、音频发音控制、A/D采集转换的任务；组织层采用32路舵机控制板,负载接收智能层命令、并实时控制舵机转动；执行层主要包括舵机驱动和AD采集驱动、摄像头驱动、音频驱动、电源转换等外围电路以及舵机、电位计、摄像头、小音箱等设备。3.基于样机智能控制硬件系统,开发了样机控制主程序和功能子程序。包括编写了关节角度A/D采集反馈、PID单关节控制、USB转串口通信指令发送、摄像头视频识别以及语音输出等功能程序。4.基于样机及其智能控制系统,结合较好的步态以及全身动作规划,并通过大量实验调试,最终成功实现了具有视频采集功能的仿人机器人样机开环稳定步行,俯卧撑,以及踢球等动作功能。5.基于Adams和Matlab软件间的接口,搭建了基于虚拟样机技术的联合控制仿真系统。开发了单关节位置闭环反馈控制数学模型和样机运动控制模型；进行了样机离线步态行走仿真实验,并最终实现了虚拟样机稳定行走功能。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-11
1 绪论  11-25
  1.1 课题的研究背景及意义  11-12
  1.2 仿人机器人国内外研究现状  12-23
    1.2.1 国外仿人机器人及其控制系统研究现状  12-17
    1.2.2 国内仿人机器人及其控制系统研究现状  17-23
  1.3 论文的主要工作和组织结构  23-25
2 小型仿人机器人样机系统设计  25-33
  2.1 小型仿人机器人样机及功能目标  25
  2.2 小型仿人机器人结构设计  25-29
    2.2.1 关节自由度选取  25-27
    2.2.2 整体结构与尺寸设计  27-28
    2.2.3 整体样机材料选择  28-29
  2.3 仿人机器人运动学模型  29-30
  2.4 仿人机器人步态规划  30-31
  2.5 本章小结  31-33
3 小型仿人机器人控制系统硬件设计与实现  33-49
  3.1 仿人机器人控制方案设计  33-34
  3.2 智能层硬件方案设计  34-37
    3.2.1 智能层硬件功能需求分析  34-35
    3.2.2 智能层硬件选型  35-37
  3.3 组织层方案设计  37-39
    3.3.1 组织层硬件功能需求分析  37
    3.3.2 组织层硬件选型  37-39
  3.4 执行层设计  39-46
    3.4.1 A/D转换电路  39-40
    3.4.2 舵机选型  40-43
    3.4.3 多媒体方案  43-44
    3.4.4 电源转换电路  44-46
  3.5 控制系统硬件整体结构  46-48
  3.6 本章小结  48-49
4 小型仿人机器人控制系统的软件设计与实现  49-71
  4.1 软件系统方案  49-50
  4.2 控制系统软件整体设计  50-52
    4.2.1 控制系统软件功能框图  50-51
    4.2.2 控制系统主程序设计  51-52
  4.3 控制系统功能模块子程序设计  52-66
    4.3.1 舵机控制板控制命令程序  52
    4.3.2 USB转串口通信程序设计  52-55
    4.3.3 A/D程序设计  55-57
    4.3.4 多媒体程序设计  57-62
    4.3.5 PID控制程序设计  62-64
    4.3.6 开发板舵机命令调试程序设计  64-65
    4.3.7 字符串命令提取程序设计  65-66
  4.4 机器人开环控制行走实验  66-67
  4.5 机器人俯卧撑及踢球实验  67-69
  4.6 本章小结  69-71
5 控制系统虚拟样机联合仿真  71-85
  5.1 机器人单自由度关节数学模型建立  71-72
  5.2 机器人虚拟样机运动学学仿真  72-76
    5.2.1 ADAMS仿真模型建立  72-73
    5.2.2 ADAMS仿真模型添加驱动  73-74
    5.2.3 ADAMS仿真模型添加测量  74
    5.2.4 ADAMS模型仿真结果  74-76
  5.3 虚拟样机联合控制仿真  76-83
    5.3.1 单关节模糊PID联合仿真  78-82
    5.3.2 下肢关节联合仿真  82-83
  5.4 虚拟样机联合仿真步行图  83-84
  5.5 本章小结  84-85
6 结论与展望  85-87
  6.1 全文总结  85-86
  6.2 研究展望  86-87
参考文献  87-91
附录A  91-95
作者简历  95-99
学位论文数据集  99

小型仿人机器人控制系统设计与研究

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