多足机器人多关节协同控制系统的研究

摘要

多足机器人具有良好的地貌特征适应能力，有广泛的应用前景和研究价值。如何有效实现运动时多关节的协同控制，一直是科研工作者研究的重难点。本文针对分动式传动的多足机器人机械本体结构，围绕机器人多关节协同控制系统进行了研究。
　　 分析多关节协同控制系统的功能要求，采用以PC与STM32F103VET6为控制核心、基于CAN总线的三级递阶分层式控制系统方案。提出了多关节协同控制系统的四个关键技术，包括协调步态的研究、模块化的设计、多关节的准确协调控制与控制信号流的协同。
　　 在协调步态的研究中，通过对静态稳定性的分析设计了机器人在几种条件下的步态生成和控制实现方法，为多关节协同控制提供了基本平台。多关节协同控制系统采用模块化的硬件设计，包括协调控制层的通信模块、传感器模块和关节运动层中各个关节驱动控制模块。根据各个模块功能需求，进行了元件选型和电路设计。软件设计采用改进型PID的单关节控制算法，提高了各个关节的控制精度和动态特性，并研究相应的多关节协调控制算法。最后确定了控制信号流的协同软件实现方法。
　　 基于软硬件设计搭建了多足机器人实验平台并进行实验测试。测试内容包括单关节控制、通信测试、多关节协调控制和控制信号流的协同测试。测试结果表明系统设计的可行性。为提高协同系统的实时性和可靠性，对系统的软件设计进行了改进，并采用相应的对比实验与测试。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景与意义

1．2 多足机器人研究现状

1．2．1 国外多足机器人概况

1．2．2 国内多足机器人概述

1．3 多足机器人研究关键问题

1．4 本课题主要内容和论文结构

1．4．1 本课题主要内容

1．4．2 论文结构

2 多关节协同控制系统总体设计方案

2．1 多足机器人本体结构

2．1．1 机构设计思想

2．1．2 结构整体设计

2．1．3 分动器设计

2．1．4 步行足机构设计

2．2 多关节协同控制系统功能要求分析

2．3 多关节协同控制系统总体方案

2．3．1 控制系统总体设计

2．3．2 核心处理器的选用

2．3．3 通信方式的选取

2．4 多关节协同控制系统关键技术

2．5 本章小结

3 多足机器人步态协调规划研究

3．1 静态稳定性分析

3．1．1 静态稳定性简要介绍

3．1．2 静态稳定性区域的定义

3．1．3 静态稳定性计算方法

3．2 步态的协调规划

3．2．1 平动直线步态生成

3．2．2 定半径转弯步态生成

3．2．3 步态生成控制实现

3．3 本章小结

4 多关节协同控制系统硬件设计

4．1 STM32F103VET6最小系统

4．1．1 时钟电路

4．1．2 电源电路

4．1．3 复位电路

4．2 协调控制层模块化硬件设计

4．2．1 PC通信模块

4．2．2 传感器模块

4．2．3 CAN通信模块

4．3 关节运动层模块化硬件设计

4．3．1 关节运动层各控制系统组成

4．3．2 电机驱动控制模块设计

4．4 本章小结

5 多关节协同控制系统软件设计

5．1 总体控制系统软件研究

5．2 多关节协同系统软件设计

5．2．1 单关节的伺服控制软件设计

5．2．2 多关节协调控制软件设计

5．2．3 控制信号流的协同设计

5．3 多关节协同控制系统通信软件设计

5．3．1 协调控制层与PC机串行通信软件设计

5．3．2 协调控制层与关节运动层通信软件设计

5．4 姿态传感器信号的采集与处理

5．4．1 姿态传感器信号的采集

5．4．2 姿态传感器信号的处理

5．5 本章小结

6 测试与实验

6．1 多足机器人实验系统

6．2 基于分动式控制的多足机器人直行测试实验

6．3 单关节控制测试实验

6．4 协调控制层与关节运动层之间通信的软硬件测试

6．5 多关节协调控制系统的实验

6．6 控制信号流的协同测试实验

6．7 位姿检测实验

6．8 本章小结

7 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献