小型仿人机器人控制系统设计与研究

论文摘要

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。

论文目录

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