一种小型双足人形机器人平台的研究与开发

摘要

人形机器人是近年来发展起来的高新技术密集的机电一体化产品，是集机构学、传感技术、控制理论与技术、计算机技术等多学科技术为一体综合性平台。其中，人形机器人实现连续稳定的双足行走，对扩展机器人操作器的工作空间和促进康复医学、仿生学、人工智能、计算机图形学等相关学科的发展具有重要的理论意义和实用价值。本文的主要工作是对小型双足人形机器人的软、硬件平台及步态规划进行了研究和开发，具体包括以下几个方面： 1.机器人控制系统硬件平台总体方案设计基于双足人形机器人控制系统的要求，选择了具有21个自由度的HGR-4M机器人作为机械本体，确定了主控机和感知传感器的型号；以AVR单片机芯片—AT90CAN128为核心，设计了运动控制器硬件电路，实现了实时控制21路舵机和实时采集传感器信号的双重实时任务。以CAN总线、RS232和RS485为通讯方式，对HG14-M舵机进行改进，设计了适用于机器人分布式控制系统结构的新型伺服舵机，可减轻机器人布线的难度。 2.机器人软件系统开发完成了驱动运动控制器硬件电路的各个模块底层驱动程序的编程，包括无线遥控模块驱动程序、串口通信驱动程序、CAN总线驱动程序、加速度计模块驱动程序、陀螺仪模块驱动程序；应用AT90CAN128芯片的8位定时器，实现了运动控制器传感器实时信号采集和舵机实时控制的核心程序设计，主控机实时接收、处理传感器数据，判定机器人姿态；为了方便快捷地调试机器人的动作，设计了机器人动作调试软件，此软件可以实现对机器人各个关节的单独控制和获取机器人各个关节位置信息。 3.基于几何简化模型的步态规划采用基于几何简化模型的方法，实验确定了双足人形机器人基本步态的关节运动参数，实现了侧行、前进、转身、倒地爬起等基本动作；分析了影响机器人稳定性的主要因素，主要包括机械误差、舵机误差、电源稳定性等因素，并给出了一些提高人形机器人稳定性的方法和建议。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2双足人形机器人国内外研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3双足人形机器人控制系统的类型及特点

1.4双足人形机器人控制系统存在的问题及发展趋势

1.5本课题的研究思路与内容

第2章双足机器人平台的总体方案设计

2.1机器人结构设计与选择

2.1.1自由度配置

2.1.2驱动元件

2.1.3机械结构选择

2.2机器人控制系统总体方案设计

2.2.1传感器的选型

2.2.2通讯方式的选择

2.2.3主控机的选型

2.2.4运动控制器的设计

2.2.5控制系统总体方案

2.3软件系统设计

2.4本章小结

第3章双足人形机器人硬件平台设计

3.1运动控制器硬件电路设计

3.1.1电源模块设计

3.1.2 ISP接口设计

3.1.3按键电路设计

3.1.4时钟电路设计

3.1.5无线遥控模块电路设计

3.1.6串口通信模块电路设计

3.1.7 CAN总线通信模块电路

3.1.8陀螺仪接口电路设计

3.1.9加速度计接口电路设计

3.2主控机电源转换模块电路设计

3.3伺服舵机改进

3.4 PCB板的设计

3.5控制板、电池嵌入到机器人体内

3.6本章小结

第4章双足人形机器人软件系统设计

4.1运动控制器接口驱动程序设计

4.1.1无线遥控模块驱动程序设计

4.1.2串口通信模块驱动程序设计

4.1.3 CAN总线接口驱动程序设计

4.1.4陀螺仪模块驱动程序设计

4.1.5加速度计接口驱动程序设计

4.1.6舵机控制控制程序设计

4.2 ARM主控机和AVR运动控制器之间的数据通信

4.3 ARM主控机应用程序设计

4.3.1加速度计的数据处理

4.3.2陀螺仪的数据处理

4.3.3 ARM主控机主程序设计

4.4运动控制器应用程序设计

4.4.1传感器数据的实时采集

4.4.2运动控制器主程序设计

4.5机器人动作调试软件设计

4.5.1开发环境介绍

4.5.2 MSComm控件介绍

4.5.3机器人动作调试软件设计

4.6本章小结

第5章双足人形机器人的步态规划

5.1步态规划方法的研究

5.1.1坐标系定义

5.1.2步态规划的原则

5.1.3静态步行

5.1.4三步规划法

5.2基本步态规划

5.2.1前进动作的完整步行过程

5.2.2规划机器人的行走姿态

5.2.3求解关节运动轨迹

5.2.4关节运动轨迹补偿

5.3影响机器人运动稳定性的因素

5.4本章小结

结论

参考文献

附录

攻读硕士学位期间所取得的成果

致谢