基于ARM7的两足步行机器人控制系统设计

摘要

桌面型的两足步行机器人不仅在教学、比赛和娱乐等方面应用广泛，并且也可以作为两足步行研究的平台。本文在“KONDO”两足步行机器人的机械结构的基础上，设计了基于ARM7处理器和μC/OS-II实时操作系统的两足步行机器人控制系统，包括硬软件设计及其实现；设计了两足步行机器人的步行模式，实现了在平面上的稳定步行。 针对“KONDO”机器人的机械结构和驱动器特点，选用ARM7内核处理器LPC2131作为处理器，设计了硬件；选用高性能电池作为机器人的电源，增加了机器人的灵活性；控制电路和驱动电路进行了光耦隔离，使得电路更加稳定和安全；并对所设计的硬件电路进行了测试，测试表明电路运行正常，设计正确。 在硬件电路的处理器中，移植了μC/OS-II操作系统；在操作系统下，设计了多个任务和中断处理函数，实现了两足步行机器人控制系统的各项功能，建立了完整的两足步行机器人控制系统软件框架；改进了通常的多路PWM信号产生方法，使控制信号的精度达到了1μs以上，解决了由于中断嵌套影响控制信号精度，从而引发机器人抖动的问题；并对机器人进行了关节调试。 建立了“KONDO”两足机器人的多连杆运动模型；设计了该两足步行机器人的静态步行模式，并在控制系统中实现，使机器人能在平面上稳定行走；在分析了三维线性倒立摆的运动特性的基础上生成了动态步行模式，并在Matlab中做了仿真，为进一步深入研究作准备。

目录

文摘

英文文摘

前言

声明

第一章绪论

1.1课题的研究背景和意义

1.2国内外研究现状

1.3本文的主要工作及创新点

1.4本文组织结构

第二章两足步行机器人控制系统硬件设计与实现

2.1硬件系统的基本要求

2.2硬件系统设计的技术路线和总体方案

2.2.1处理器选型

2.2.2直流伺服电机的控制特性

2.2.3硬件设计总体方案

2.3原理图设计

2.3.1核心电路设计

2.3.2外围电路设计

2.4电源设计

2.5印制电路板(PCB)设计

2.5.1核心板和外围板的PCB设计

2.5.2改进后的单板PCB设计

2.6电路测试

2.7本章小结

第三章两足步行机器人控制系统软件设计与实现

3.1软件系统的基本要求

3.2软件设计的技术路线与总体方案

3.2.1开发环境的选择

3.2.1操作系统的选择

3.2.2软件设计总体方案

3.3 μ C/OS-II操作系统在ARM7处理器上的移植

3.3.1操作系统移植的条件

3.3.2操作系统移植的过程

3.4两足步行机器人控制系统应用软件的实现

3.4.1主函数的设计

3.4.2 PWM占空比计算任务和中断处理函数的设计

3.4.3传感器数据读取和处理任务的设计

3.4.4串口中断处理函数的设计

3.4.5关键数据存取函数的设计

3.5对常见的多路PWM产生方法的改进

3.5.1常见的多路PWM产生方法的缺点

3.5.2改进的多路PWM产生方法

3.6两足步行机器人关节调试

3.7本章小结

第四章两足步行机器人运动学建模与步行模式

4.1两足机器人数学模型的建立

4.1.1机器人多连杆模型的建立

4.1.2质心的位置和速度的计算

4.2静态步行模式设计与实现

4.2.1静态步行模式中的各个姿态

4.2.2姿态的切换方法及其软件实现

4.3动态步行模式设计与仿真

4.3.1三维线性倒立摆的运动特性

4.3.2三维动态步行模式生成

4.3.3落脚点调整对步态的影响

4.4本章小结

第五章结论与展望

5.1工作总结

5.2研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士研究生期间发表的论文和获奖

附录Ⅰ两足步行机器人控制系统部分应用软件程序清单