四足仿生機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制器研究與設(shè)計(jì).doc

資料收集于網(wǎng)絡(luò) 如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站 刪除 謝謝 四足仿生機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制器研究與設(shè)計(jì) 摘 要仿生機(jī)器人是依據(jù)仿生學(xué)原理，模仿生物結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)特性等設(shè)計(jì)性能優(yōu)越的機(jī)電系統(tǒng)，已逐漸在反恐防爆、太空探索、搶險(xiǎn)救災(zāi)等復(fù)雜任務(wù)環(huán)境中突顯出良好的應(yīng)用前景。目前國(guó)內(nèi)外有關(guān)機(jī)器人控制系統(tǒng)存在問題在于設(shè)計(jì)中通常用AVR系列微控制器 ， DSP系列控制器等對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行控制。由于四足機(jī)器人需要在地面穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)，而且對(duì)周圍環(huán)境有很強(qiáng)的適應(yīng)性，不僅需要實(shí)時(shí)采集其運(yùn)動(dòng)過程中的姿態(tài)并且對(duì)其做出相應(yīng)的調(diào)整，且需要實(shí)時(shí)感知足端受到的地面沖擊力然后對(duì)其控制，而STM32完全滿足四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的要求。因此，設(shè)計(jì)了以其為核心的四足機(jī)器人控制系統(tǒng)，并具體地闡述了它的整體設(shè)計(jì)方案、軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)，最后通過仿真結(jié)果證明該設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)精確、實(shí)時(shí)控制四足仿生機(jī)器人。 關(guān)鍵詞仿生機(jī)器人；運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；控制器；STM32； 中圖分類號(hào)：TM771 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）12-0251-02 Design and Research of Joint Motion Controller for Four - legged Bionic Robot MA Peng-bo （School of Information Engineering， Henan Institute of Technology， Xinxiang 453000，China） AbstractBionic robot is based on the principle of bionics， imitation of biological structure， sports characteristics and other design performance of the mechanical and electrical system， has gradually in the anti-terrorism explosion， space exploration， disaster relief and other complex mission environment highlights a good application prospects. At present， the problem at home and abroad is that the design of the AVR series of microcontrollers， DSP series controller is difficult to control the small robot system. Because the quadruped robot needs to be stable on the ground and has a strong adaptability to the surrounding environment， it has a higher demand for the volume and weight of the control system， and needs to acquire the attitude of the four steps in real time and make it The corresponding adjustment， and the need for real-time perception of foot impact by the ground and then its control. And STM32 fully meet the quadruped robot motion control system requirements. Therefore， the four-foot robot control system with its core is designed， and its overall design scheme， software design and hardware design are expounded. Finally， the simulation results show that the design can realize the accurate and real-time control of the four-legged bionic robot aims. Key wordsBionic robot； Motion control system；Controller； STM32； 前言 ?S著機(jī)器人技術(shù)的迅猛發(fā)展，在很大程度上刺激了人們對(duì)機(jī)器人產(chǎn)品的強(qiáng)烈需求。在這種情況下，設(shè)計(jì)制造實(shí)用性強(qiáng)，勞動(dòng)效率高，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力的機(jī)器人成為主要設(shè)計(jì)方向。當(dāng)前，人們所設(shè)計(jì)的仿生足類機(jī)器人能夠靈活運(yùn)動(dòng)，能夠快速地適應(yīng)各種復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境，發(fā)展前景非常廣闊。仿生四足機(jī)器人是一種典型的足式機(jī)器人，具有輪式或履帶式機(jī)器人不可比擬的優(yōu)勢(shì)：該類機(jī)器人具有對(duì)復(fù)雜地面的良好適應(yīng)能力；能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)身運(yùn)動(dòng)軌跡與足端運(yùn)動(dòng)軌跡的有效解耦從而保證機(jī)身運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定；在合理的步態(tài)規(guī)劃下能夠保證功率的最小損耗1-3。此外，為保證機(jī)器人具有足夠的自動(dòng)化程度，要求機(jī)載控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)地處理各種復(fù)雜環(huán)境反饋信息，并能準(zhǔn)確地發(fā)出控制指令，為了保證機(jī)器人達(dá)到良好的運(yùn)動(dòng)特性，本文分別提出結(jié)構(gòu)類似的分層式的控制體系結(jié)構(gòu)，對(duì)控制任務(wù)進(jìn)行分擔(dān)，提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性。此外，雙足機(jī)器人步入四足機(jī)器人的承載能力強(qiáng)，后者的穩(wěn)定性更好。而且四足機(jī)器人比六足機(jī)器人相比，前者的機(jī)構(gòu)更加簡(jiǎn)單、能夠有效地適應(yīng)作業(yè)環(huán)境，具有良好的靈活性4。所以，本文以四足類機(jī)器人作為自己的研究對(duì)象，設(shè)計(jì)和規(guī)劃四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制器。 三、運(yùn)動(dòng)控制器的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 在設(shè)計(jì)關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制器的相關(guān)軟件時(shí)，應(yīng)該做好運(yùn)動(dòng)控制、CAN通信與數(shù)據(jù)采集。在系統(tǒng)上電復(fù)位后，能夠?qū)嵤┚唧w的初始化程序，它涵蓋LM629與CAN通信等零部件的初始化，在此基礎(chǔ)上等著接收協(xié)調(diào)層的相關(guān)數(shù)據(jù)12。為了更好地接收數(shù)據(jù)，增強(qiáng)系統(tǒng)自身的響應(yīng)能力而運(yùn)用了中斷模式，先要通過數(shù)據(jù)處理模塊，將這些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)M629所需要的格式。ARM處理器能夠把運(yùn)動(dòng)軌跡參數(shù)（比如速度、加速度與位置值）和PID數(shù)據(jù)裝載到本系統(tǒng)中的LM629，然后啟動(dòng)運(yùn)動(dòng)控制器的電機(jī)，電機(jī)就能夠按照預(yù)設(shè)速度，運(yùn)轉(zhuǎn)到預(yù)定位置。待電機(jī)啟動(dòng)后，ARM處理器就能夠搜集和整理來自機(jī)器人各條腿的力傳感器信息，向協(xié)調(diào)層發(fā)送這些信息，然后等待結(jié)束程序或者下次運(yùn)動(dòng)。由于采用了運(yùn)動(dòng)控制芯片LM629，PID算法、光電編碼器的信息處理和PWM波的產(chǎn)生都由硬件完成，大大減少軟件設(shè)計(jì)的工作量。整個(gè)軟件采用C語言編程，縮短了開發(fā)周期，增強(qiáng)了程序的可讀性和移植性。 四、仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果 該實(shí)驗(yàn)仿真是在Matlab中利用SimMeehanies工具箱進(jìn)行步態(tài)規(guī)劃仿真分析，并?玫降墓亟誚嵌仁?據(jù)通過程序燒錄到控制板中進(jìn)行舵機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制，使機(jī)器人按規(guī)劃的步態(tài)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：機(jī)器人在行走過程中機(jī)身的橫滾角、俯仰角、偏航角（RPY角）變化較小，運(yùn)動(dòng)較為平穩(wěn)，所設(shè)計(jì)的ARM嵌入式控制系統(tǒng)能較為精確地控制四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的四足行走。該設(shè)計(jì)方案的控制系統(tǒng)具有運(yùn)算處理速度快、外設(shè)可擴(kuò)展性和存儲(chǔ)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，滿足仿生四足機(jī)器人智能算法、低功耗運(yùn)動(dòng)要求。 結(jié)語 四足仿生機(jī)器人具有多關(guān)節(jié)、強(qiáng)耦合、非線性等特點(diǎn)，其運(yùn)動(dòng)控制難度較大。本文設(shè)計(jì)的四足仿生機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)性能可靠，實(shí)現(xiàn)了對(duì)四足仿生機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，產(chǎn)生了仿生運(yùn)動(dòng)步態(tài)，基本達(dá)到項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。從相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，所設(shè)計(jì)的四足機(jī)器人的關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制器具有良好的性能。還能夠在其它小型、中型功率的直流電機(jī)中運(yùn)用這個(gè)控制器，特別適宜于設(shè)計(jì)和構(gòu)造以CAN總線為基礎(chǔ)的分布式控制系統(tǒng)，實(shí)用性特征非常鮮明。同時(shí)，具有一定的擴(kuò)展能力，可作為遞階分布式控制系統(tǒng)的底層控制器，為四足仿生機(jī)器人的后續(xù)研究奠定了良好的基礎(chǔ)。 參考文獻(xiàn) 1 吉愛紅，戴振東，周來水.仿生機(jī)器人的研究進(jìn)展J.機(jī)器人.2005， 27（3）： 284-288. 2 謝濤，徐建峰，現(xiàn)狀及展望J.機(jī)器人.仿人機(jī)器人的研究歷史.2013，24（4）： 368-373. 3 Enhanced 8 bitM icmcontmllerwiih CAN Controller and Flash Memory ATMELL 2005.8. 4 劉極峰，易際明.機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社.2006：7-8. currency n. 貨幣；通貨5 蔡自興.機(jī)器人學(xué)M.北京：清華大學(xué)出版社，2003.5. 6 遲冬祥，顏國(guó)正.仿生機(jī)器人的研究狀況及其未來發(fā)展C17.機(jī)器人，2001， 23 （5） ： 476-480. 7 徐軼群.四足步行機(jī)器人腿機(jī)構(gòu)及其穩(wěn)定性步態(tài)控制J.機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2003，22（1）：86-91. 8 韓壯志，李偉，王田苗.方便易用的功放集成電路LMD18245J.電子技術(shù)應(yīng)用，2000，（4）：58-61. 9 Marc； Raibert，Kevin Blankespoor， Gabriel Nelson，et al. BigDog， the rough-terrain quadruped robotA.Proceedings of the 17th World Congress ，the Interna