双足竞步机器人设计及其步态规划研究

论文摘要

本文对双足竞步机器人机械结构、控制系统进行设计并对其步态规划进行研究,成果成功应用于全国机器人大赛双足竞步机器人项目竞赛中。首先,对双足竞步机器人的自由度进行配置;根据自由度的配置把机器人的机械结构分为脚部、膝部、胯部、躯干部四个模块,对其进行模块化设计与制造;利用UG NX软件进行实体建模,生成各个模块的钣金展开图;对各个模块进行加工和装配,得到双足竞步机器人实体。其次,在分析舵机控制原理的基础上,提出了PWM信号生成方法合理性评价四原则,实现了对各种生成PWM信号的方法全面而又具体的评价;首次提出了利用分时成组原理进行PWM信号生成的方法,生成的PWM信号不仅具有较好的输出同步性、周期可适应性和良好的占空比可调性,而且具有较强的信号输出能力。然后,根据分时成组原理,利用C8051F040单片机作为主控芯片,在Protel DXP软件中进行了控制系统电路原理图和PCB板图的绘制;利用Keil uVision2软件实现了控制程序的编写。最后,利用Denavit—Hartenberg规则对双足竞步机器人进行运动学建模;在运动学模型的基础上利用齐次变换矩阵进行了运动学方程的建立;根据步态规划的相关参数,利用Matlab软件求解并仿真出各关节自由度的轨迹曲线;采用离线规划——在线调整方式对双足竞步机器人的关节运动轨迹进行修正,得到平滑而稳定的步态轨迹。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 国内外双足机器人研究现状及发展趋势
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.3 发展趋势
• 1.4 双足竞步机器人比赛介绍
• 1.4.1 竞赛项目介绍
• 1.4.2 机器人规格要求
• 1.4.3 竞赛内容
• 1.4.4 计分标准
• 1.5 论文主要完成的工作
• 第二章 双足竞步机器人机械结构设计
• 2.1 机械结构的设计要求
• 2.2 机械部分的材料选择
• 2.3 机械结构的自由度配置
• 2.3.1 人体腿部自由度的介绍
• 2.3.2 双足竞步机器人自由度的配置
• 2.4 机械结构的设计
• 2.4.1 脚部机械结构的设计
• 2.4.2 膝部机械结构的设计
• 2.4.3 胯部机械结构的设计
• 2.4.4 躯干部机械结构的设计
• 2.4.5 装配
• 2.5 本章小结
• 第三章 双足竞步机器人控制系统设计
• 3.1 双足竞步机器人驱动的选择
• 3.1.1 驱动方案的比较与选择
• 3.1.2 舵机及其控制介绍
• 3.2 驱动控制方案的设计
• 3.2.1 主控芯片介绍
• 3.2.2 利用PCA模块进行驱动的控制
• 3.2.3 利用分时成组法进行驱动的控制
• 3.3 控制方案的选择
• 3.3.1 PWM信号生成方法合理性评价四原则
• 3.3.2 利用PWM信号生成方法合理性评价四原则对分时成组法进行评价
• 3.3.3 控制方案的选择
• 3.4 控制板的设计
• 3.4.1 原理图绘制基本方法
• 3.4.2 电源模块的设计
• 3.4.3 单片机外围电路的设计
• 3.4.4 舵机驱动模块的设计
• 3.4.5 JTAG接口电路设计
• 3.4.6 总控制电路的设计
• 3.5 单片机与电子罗盘的通讯
• 3.5.1 电子罗盘介绍
• 3.5.2 串口通讯简介
• 3.5.3 上下位机通讯的程序设计
• 3.6 本章小结
• 第四章 双足竞步机器人步态规划
• 4.1 步态规划介绍
• 4.2 双足竞步机器人的运动学建模
• 4.3 双足竞步机器人的运动学方程的建立
• 4.3.1 齐次变换
• 4.3.2 运动学方程的建立
• 4.4 步态规划参数的设定
• 4.5 基于运动学方程的步态轨迹规划
• 4.5.1 侧向平面内步态轨迹的规划
• 4.5.2 前向平面内步态轨迹的规划
• 4.5.3 轨迹曲线的在线调试
• 4.6 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 5.1 课题研究的主要成果
• 5.2 未来展望
• 致谢
• 参考文献
• 研究生阶段工作总结
• 一、发表的学术论文
• 二、所获奖励与荣誉
• 三、参加的国内比赛