仿人机器人足部感知系统数据采集与处理

摘要

仿人机器人研究集机械，电子，计算机，材料，传感器，控制技术等多门科学于一体，代表着一个国家的高科技发展水平。双足稳定行走作为仿人机器人实用的前提条件，一直是仿人机器人研究的重点。国内外相关研究机构一直致力于仿人机器人仿生步态规划及稳定控制方法的研究，虽然稳定行走技术已经取得较大突破，但是距离实用化还有很大差距，其中，步态信息和地面环境状况实时感知和获取的信息量不足是主要的制约因素之一。
　　 本文以“863重点项目-仿人机器人高性能单元与系统”为研究背景，针对上述问题，开展了集成化仿人机器人足部感知系统的实验研究。论文主要工作集中在仿人机器人足部感知系统结构集成、各信息获取模块的设计及功能实验验证等方面。本文设计的仿人机器人足部感知系统集成了六维力/力矩传感器、姿态传感器以及柔性阵列力传感器等模块，具有对各种地面环境识别和足部姿态感知的能力，可以实现机器人运动过程中的足底接触位置、有效支撑区域、地面反力以及姿态等信息的实时感知和估计，为仿人机器人进一步探索有效的仿生步态规划方法提供信息支持。论文的主要内容如下：
　　 (1)介绍了仿人机器人及其足部结构的发展现状，在总结现有仿人机器人足部结构的基础上，提出了仿人机器人足部感知系统的设计思想。
　　 (2)详细介绍了仿人机器人足部感知系统，包括系统构成、布局和各模块的功能。
　　 (3)介绍了ZMP稳定判据，以及通过六维力/力矩传感器和柔性阵列力传感器获取ZMP轨迹和有效稳定支撑区域的详细过程。
　　 (4)介绍足部姿态在仿人机器人稳定行走过程中的重要性，以及姿态传感器获取足部姿态的过程。
　　 (5)实验验证仿人机器人足部感知系统的可用性，并对未来工作提出展望。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1引言

1.2仿人机器人研究现状

1.2.1国外仿人机器人研究现状

1.2.2国内仿人机器人研究现状

1.3仿人机器人足部系统研究现状

1.3.1国外的仿人机器人足部系统研究现状

1.3.2国内的仿人机器人足部系统研究现状

1.3.3仿人机器人足部系统研究现状总结与分析

1.4本文的选题背景、研究内容和研究意义

1.4.1选题背景

1.4.2研究内容

1.4.3研究意义

1.5本文的结构

第二章仿人机器人足部感知系统设计

2.1仿人机器人足部感知系统系统介绍

2.2各模块介绍

2.2.1六维力/力矩传感器

2.2.2姿态传感器

2.2.3柔性阵列力传感器

2.2.4信号处理模块

2.2.5电源模块

2.2.6基板

2.2.7减震层

第三章足部感知系统硬件设计

3.1信号处理模块的设计

3.1.1 TMS320F2811介绍

3.1.2电源电路

3.1.3 CAN接口

3.1.4 RS232接口

3.1.5 JTAG接口

3.1.6其他部分

3.2电源模块的设计

3.3六维力/力矩传感器

3.3.1六维力/力矩传感器的主要性能参数

3.3.2硬件实现

3.4姿态传感器

3.4.1姿态传感器的参数

3.4.2硬件实现

3.5柔性阵列力传感器

3.5.1柔性阵列力传感器参数

3.5.2柔性阵列力传感器扫描原理

3.5.3硬件实现

第四章软件实现

4.1 CCS简介

4.2初始化

4.3六维力/力矩传感器数据采集与处理

4.4姿态传感器数据采集与处理

4.5柔性阵列力传感器数据采集与处理

4.6控制命令

4.7通信协议

4.7.1 CAN总线

4.7.2左脚通信协议

4.7.3右脚通信协议

第五章实验结果与讨论

5.1六维力/力矩传感器性能测试

5.1.1行走测试

5.1.2加力位置测试

5.2足部姿态获取试验

5.3接触区域识别实验

第六章总结与展望

6.1本文总结

6.1.1全文总结

6.1.2本文的创新之处

6.2工作展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果