仿生六足机器人的嵌入式平台设计

摘要

仿生多足机器人相比轮式，履带式移动机器人，有着更好的环境适应能力，尤其是在非结构环境中表现特别突出。而一个仿生机器人要获得良好的性能，它的系统控制平台的好坏起着相当大的作用。该平台主要负责控制机器人关节的运动，并且通过协调关节之间的运动来实现整个机器人的运动。本文主要是以仿生六足机器人为研究对象，围绕着仿生机器人的嵌入式平台设计展开研究，涉及到仿生六足机器人的总体方案设计和控制系统设计。本论文主要包括以下方面：
　　 借鉴国内外多足机器人研究成果以及仿生机器人项目经验，本文制定了仿生六足机器人控制系统方案，并提出了该控制系统的硬件和软件方案。在此基础上，根据仿生多足机器人的机构特点，采用积木式机器人模块，搭建仿生六足机器人。该机器人由舵机，传感器，嵌入式平台等模块组成，通过总线将各个模块连接，并最终连接到嵌入式平台。嵌入式平台在原有的软硬件基础上，通过串口通信来控制总线上舵机等模块。系统的整体设计采用模块化设计，目的是系统随控制精度的降低而提高控制智能程度。
　　 机器人的嵌入式平台设计主要包含硬件，软件两部分。嵌入式平台的硬件主要包括ARM7芯片的最小系统，串口通信电路，无线模块等。该平台与舵机等模块通过串行接口相连接，所有模块都采用半双工通信模式电路。在硬件平台设计中，使用芯片片内flash作为数据存储器，用来存储机器人运动中的数据。
　　 根据仿生六足机器人性能的总体要求，采用了具有三层抽象特点的软件体系结构，即应用层，自定义层，硬件相关昊。整体构架为系统控制提供了很好的模块化支持，也增强了系统的可移植性。本文主要完成自定义层，包括串行总线通信模块，PC通信模块，内部存储模块，无线模块等等。其中，串行总线通信模块根据通信协议来配置和协调机器人的各个关节。
　　 在完成上述工作的基础上，进行了仿生六足机器人的样机的测试，包括单个关节通信数据以及控制，多关节协调。此外对仿生六足机器人的步态进行测试和验证。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 课题的背景和意义

1.2 国内外多足仿生机器人的研究现状

1.3 本课题主要内容

2 仿生六足机器人系统架构

2.1 机器人分层控制结构

2.2 机器人控制系统方案

2.3 机器人嵌入式平台硬件方案

2.4 机器人嵌入式软件软件方案

3 仿生六足机器人搭建

3.1 机器人的物理结构搭建

3.2 机器人的硬件基础

3.2.1 舵机模块

3.2.2 集成传感器模块

3.2.3 系统总线设计

3.3 机器人的软件基础

3.4 机器人嵌入式平台设计

4 机器人嵌入式平台硬件设计

4.1 机器人关节控制结构

4.2 芯片及外围电路

4.2.1 平台核心芯片

4.2.2 ARM7最小系统

4.2.3 串口通信电路

4.2.4 JTAG接口

4.2.5 系统预留接口

4.3 无线模块设计

4.4 电路设计总结

5 机器人嵌入式平台软件设计

5.1 嵌入式平台软件概述

5.1.1 嵌入式软件控制结构

5.1.2 机器人关节控制程序结构

5.1.3 软件开发环境

5.2 模块初始化

5.2.1 系统频率初始化

5.2.2 串行通信初始化

5.2.3 无线模块初始化

5.3 串口总线通信子模块

5.4 内部存储子模块

5.4.1 嵌入式flash编程基本原理

5.4.2 嵌入式flash读写

5.4.3 机器人数据的写入flash

5.5 其他模块程序设计

5.5.1 PC通信模块

5.5.2 无线模通信收发

6 系统关节控制实验与机器人步态

6.1 机器人关节通信实验

6.2 关节控制实验

6.3 机器人步态规划

6.3.1 步态规划理论

6.3.2 步伐规划实验

7 总结

7.1 全文总结

7.2 本文创新点

7.3 下一步工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间完成的论文和科研成果