模块化多足步行机器人关节控制系统研究

摘要

由于对复杂地形的良好适应能力以及较高的灵活性，多足步行机器人已成为机器人研究的一个热点。机器人要获得良好的动态特性，底层控制系统性能的好坏起着相当重要的作用。底层控制系统主要控制机器人关节的运动，并通过协调各个关节之间的运动来控制机器人的运动。本文以模块化多足步行机器人为研究对象，围绕位于机器人控制系统底层的关节控制展开研究，具体的研究工作包括以下几个方面： 分析了模块化多足步行机器人的机构特点，提出了基于CAN总线的分布式机器人控制系统结构。该系统包括机身控制层和底层驱动层，分别负责机器人的运动规划与驱动控制。机器人的运动控制由这两层的控制系统协同完成。 研制了模块化的关节控制体系结构。设计并实现了一种基于CAN总线的关节控制系统，该系统位于机器人分布式控制体系底层。它采用了微处理器、专用的运动控制和驱动芯片以及光电编码器，实现了机器人关节的伺服闭环运动控制。采用CAN总线作为模块间的通信接口，有效地支持了多关节实时控制。 提出了一种具有三层抽象结构特点的可扩展的软件体系结构，即：硬件无关层、自定义函数层和应用层。该体系结构为运动控制系统提供模块化支持。研究了三层抽象软件体系结构的特点，并详细论述了该结构在电机控制以及CAN总线通信程序设计中的具体应用。根据关节控制系统的要求，研究了CAN总线的通信协议。 通过单关节运动控制和多关节协调控制实验验证了关节控制系统的有效性，提出了改进机器人运动性能的方法。