（机械电子工程专业论文）多足机器人运动控制系统研究.pdf

f 墨l 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中己注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：孺瞿针 日期：1 口年? 月厶日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在 校攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔 滨工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印 件。本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关 数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位 为哈尔滨工程大学。，涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( q 在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保 导师( 签字 v 揖3 聂 哈尔滨工程大学硕士学伊论文 摘要 本文是在国家自然基金“多足仿生机器蟹复杂地貌行走方法研究”的背 景下针对复杂地貌的多足仿生机器蟹的运动控制平台所进行的研究。 文章中详细讲述了所采用的三层递阶式运动控制系统的硬件电路结构、 软件系统框架和关键控制算法。三层递阶式控制系统的规划层和运动控制层 均以d s p 为核心，以双口r a m 的共享存储器通信为信息交换平台。执行层 驱动控制电路以a t m e g a 单片机为核心，采用基于r s 4 8 5 总线的命令传输 和基于p w m 信号的位置、速度传输相结合的方式与运动控制器通信。 软件算法研究中对单足进行了运动学建模，求解了适合d s p 解算的运动 学正反解公式。针对复杂地形行走定量的提出了简单可行的单腿自适应足尖 轨迹规划方法，使得机器人能根据具体路面情况调整足尖轨迹，以保持机器 人运动的稳定性。同时在这种方法的基础上，建立了机器人运动步态库，并 详细的论述了步态库的建立方法和调用机制，从而将机器人从重复的行走计 算中解脱出来，大大提高了其环境适应能力和任务执行能力。 文章的最后还针对本文的研究成果提出了不足之处，并提出了有待进一 步研究的内容，为促进多足机器人更加深入的研究贡献一点力量。 关键词：多足机器人；运动控制；单足轨迹规划；步态库 l ， t 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a bs t r a c t t h er e s e a r c hi ss u p p o r t e db yp r o j e c to f “r e s e a r c ho nt h em u l t i l e g g e d b i o n i cc r a b l i k e dr o b o t sw a l k i n gm e t h o do ft h ec o m p l e xt o p o g r a p h y w h i c h i sf u n d e db yn s f c ( n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ) t h i sa r t i c l e s o b j e c t i v e i st or e s e a r c hac o n t r o lp l a t f o r mw h i c hc a nm a k et h em u l t i - l e g g e d b i o n i cc r a b l i k e dr o b o ta d a p tt oc o m p l e xt o p o g r a p h y t h i sp a p e r sd e s c r i b et h et h r e e 1 e v e lh i e r a r c h i c a lc o n t r 0 1s t r u c t u r ei nd e t a i l w h i c hi n c l u d e sh a r d w a r ec i r c u i t ，c o n t r o ls y s t e mf r a m ea n dt h ep i v o t a lc o n t r o l a l g o r i t h m b o t ht h ep l a n n i n gl a y e ra n dm o t i o nc o n t r o lo ft h ec o n t r o ls y s t e mu s e t h eh a r d w a r ec o n t r o l l e rw h i c hu s ed s pa si t sc o r e a n du s et h ec o m m u n i c a t i o n s w h i c hb a s eo nt h ed u a l p o r tr a ma st h ei n f o r m a t i o nt r a n s f o r m i n gp l a t f o r m t h e d r i v ec o n t r o lc i r c u i to ft h ee x e c u t i o nl a y e ru s ea t m e g a16a si t sc o r e t h e y c o m m u n i c a t ew i t hm o t i o nc o n t r o ll a y e rb yam o d ew h i c hc o m b i n e sr s 4 8 5b u s w i t hp w m s i g n a l p o s i t i o na n dv e l o c i t yd a t ac a nb es e n tt om o t o rd r i v e rb yp w m s i g n a la n dc o m m a n d d a t ac a nb ee x c h a n g e do nt h er s 4 8 5b u s t h ep a p e rh a v eb u i l ts i n g l el e gk i n e m a t i c sm o d e li nt h es o f t w a r e sa l g o r i t h m ， a n dg a i n e dt h ep o s i t i v es o l u t i o na n di n v e r s es o l u t i o nf o r m u l a sw h i c ha r ef i tf o r d s pc a l c u l a t i o n a i m i n ga t w a l k i n go nt h ec o m p l e xt o p o g r a p h y , t h ep a p e r q u a n t i f i c a t i o n a l l yp u tf o r w a r daf e a s i b l et o et r a c kc u r v ep l a n n i n gm e t h o do fs i n g l e l e g t h i sm e t h o dc a na d j u s tj o i n tr o t a t i o na n g l ea c c o r d i n gt ot h eg r o u n d ss i t u a t i o n t ok e e pt h es t a b i l i t yo ft h er o b o t sw a l k i n go nt h eu n e v e ns u r f a c e ，b a s e do nt h i s m e t h o d ，t h eg a i td a t a b a s ew a sb u i l t ，a n dw a sd e s c r i b l e da b o u ti t sb u i l d i n gm e t h o d a n da p p l i c a t i o nm o d e ，w h i t c hc a na v o i d r o b o tc p u sh e a v yc o m p u t a t i o nf r o m w a l k i n go p e r a t i o n a tt h ee n do ft h i sp a p e r , w ea l s od i s c u s s e di t sd i s a d v a n t a g ea n dt h ec o n t e n t s f o rt h ef u t u r er e s e a r c h w eh o p et h i sr e s e a r c h sr e s u l t sp r o v i d es o m eh e l pf o r m u l t i l e g g e dr o b o t sd e e p l ys t u d ya n dp r a c t i c a la p p l i c a t i o n ， 哈尔滨t 程大学硕士学f ! ：论文 k e y w o r d s ：m u l t i - l e g g e dr o b o t ；m o t i o nc o n t r o l ；t r a c kp l a n n l i n go fs i n g l el e g ； g a i td a t a b a s e ； 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 目录 第1 章绪论1 1 1 课题的研究背景和意义”l 1 2 国内外多足机器人的研究现状一2 1 2 1 国外多足机器人的运动控制研究情况2 1 2 2 国内多足机器人的研究现状6 1 3 多足机器人控制研究的关键技术”7 1 4 论文的主要内容和论文结构”9 1 4 1 论文的主要研究内容9 1 4 2 论文结构1 0 第2 章多足机器人总体设计一1 1 2 1 多足机器人本体结构设计1 l 2 1 1 两栖仿生多足机器人系列结构分析一1 l 2 1 2 蜗轮蜗杆模块设计13 2 1 3 单腿结构设计与整体布局1 5 2 2 控制系统总体设计18 2 2 1 分级递阶控制系统”1 9 2 2 2 系统功能模块规划2 l 2 3 本章小结2 3 第3 章运动控制系统硬件设计2 4 3 1 上层运动控制系统的d s p 硬件电路设计2 4 3 1 1t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片与资源配置2 4 3 1 2 上层d s p 系统基本硬件电路设计2 7 3 2 基于共享r a m 的上层双d s p 通信机制3 4 3 2 1 多处理器共享存储器通信形式3 4 3 2 2 共享r a m 的双d s p 通信机制3 6 3 3 底层驱动硬件设计4 0 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 3 3 1 驱动系统控制器的硬件电路设计4 0 3 3 2 驱动器功率放大电路设计4 2 3 4 本章小结4 4 第4 章多足机器人运动控制软件算法研究4 5 4 1 单腿运动学模型4 5 4 1 1 单腿运动学正解方程4 5 4 1 2 单腿运动学反解计算4 8 4 2 步态库的建立与调用机制5 0 4 2 1 步态库的建立方法”5 0 4 2 2 步态库的调用机制5 7 4 3 基于p w m 通信的直流电机p i d 控制5 9 4 3 1 基于p w m 信号的位置和速度信息传输6 0 4 3 2 基于p w m 通信的直流电机p i d 控制6 2 4 4 本章小结6 4 第5 章运动控制仿真与实验6 5 5 1 仿真与实验平台6 5 5 2 力的采集实验与分析6 6 5 3 基于p w m 通信的直流电机p i d 控制仿真实验6 9 5 4 单腿轨迹控制半物理仿真实验7 3 5 5 本章小结7 8 结论7 9 参考文献8 0 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果8 6 致谢8 7 对于未来世界的想象和向往也伴随着机器人技术的迅猛发展。机器人技术现 已成为一个国家高科技和工业自动化程度的重要标志。在工业领域机器人 逐渐在代替人类做着很多人类不愿从事的简单枯燥和危险的劳动口1 ，而在生 活领域，玩具机器人的到来也为人类带来了很多的视觉享受和娱乐内容。 多足机器人源于对多足爬行动物的仿生，而该种生物是一种很具有代表 性的生物，其特点是在行走中具有很高的稳定性，静止状态节省能量，其冗 余肢体结构使其能在复杂环境中具有很好的稳定性p 1 。多足机器人一般指四 足或四足以上的机器人类型，相对于轮式或者履带式机器人来说其离散的步 行轨迹具有很强的地形适应性，其多腿多关节自由度，以及稳定的运动模式 、使其在复杂环境中可以稳定地行走，个别关节故障状态仍然可以作业1 4 1 ，因 此具有很强的实用价值。然而由于其具有典型的多关节并联机器人的冗余自 由度结构，使其运动学、动力学特性十分复杂陋1 ，同时步行的协调规划更是 对控制理论，智能控制研究提出了巨大的挑战，如何有效的进行环境识别、 复杂环境响应、控制决策、运动协调、步态仿真、轨迹规划和具体实现等都 将是多足机器人未来研究亟待解决的问题。 本课题源于国家自然基金( 6 1 0 7 5 0 2 9 ) “多足仿生机器蟹复杂地貌行走方 法研究”，针对项目建立的机械运动平台研究其运动控制系统解决方案，为复 杂地貌行走方法研究搭建最基本的运动控制基础平台，针对复杂地貌行走和 作业问题建立机器人控制命令组织和接受机制，关节位置解算，驱动层协议 规划、关节伺服控制、规划层到运动层的实时通信以及控制系统硬件设计等 内容。为整体项目研究提供实验基础和硬件平台，使得多足机器人能在复杂 地貌中实现稳定行走，可靠作业，以实现多足机器人在军事和民用领域进行 两栖侦察，危险作业等任务，促进机器人在未来具有更广阔的应用前景。 哈尔滨j 稗大学硕十学位论文 1 2 国内外多足机器人的研究现状 目前世界各国对机器人领域都在做着不同程度的研究，已经初步形成了 机器人学科涉及到的控制理论、结构仿生、传感器、计算机等系统的理论体 系，随着研究的继续深入和各个科技领域的发展，该学科将会越来越完善， 也将发挥着越来越重要的作用。机器人的技术的进步是一代又一代的人不断 累积的研究成果，所以，研究机器人的基础将是站在国内外机器人科技现有 的基础上进行的，分析国内外现状也就成为了本课题研究的必经阶段。 1 2 1 国外多足机器人的运动控制研究情况 机器人的研究最初可以追溯到我国战国时期的“木牛流马”，然而这个传 说流传后的数千年里再也无人问津这些技术，直到1 8 9 3 年r y g g 设计出“机 械马”p 1 ，近代机器人研究才算正式的开始。而步行机器人最开始是以机械的 形式出现的，后来经历了简单电子控制直到现代的计算机控制，其智能型水 平和本身的综合性能越来越高。到了现代，各种仿生结构的机器人大量涌现， 其类型大概有人形、飞行类、爬行类、鱼类和两栖类等几种门1 。其中作为爬 行类的多足机器人的研究同人形机器人一起成为仿生机器人研究领域的两个 研究重点，而其控制系统的研究尤其是智能型控制的研究更是重中之重。 图1 1t i t a n - v w 型四足机器人图1 2s i l 0 4 机器人 早在1 9 7 6 年日本东京工业大学的s h i g e oh i r o s e 等人对多足步行机器 人进行了长达二十多年的研究，开发出了一系列的多足机器人，其中以他们 的第三代机器人t i t a n 一睁卅型四足机器人最具代表性。该机器人采用线轮驱 动的方式，大大简化了腿部关节的设计和电机驱动力不足的现象。该机器人 2 哈尔滨下程大学硕士学伊论文 在控制系统中采用周期和非周期两种步态方式来规划机器人的运动，它能够 以稳定的方式在不平地面上行走，还能以非接触的方式绕过障碍物向不同方 式运动州2 1 。其图片见图1 1 。 四足机器人以电机驱动的经典之作为西班牙工业自动化协会研制的 s i l 0 4 四足机器人p h 1 ( 见图1 2 ) ，该机器外围尺寸近似边长为3 0 0 m m 的正方 体，自重3 0 k g ，可搭载1 5 k g 重物，其最大速度1 5 m m i n 。该机器所有关节 均采用直流伺服电机驱动，配以环面涡轮蜗杆实现大的减速比和关节自锁。 控制系统采用p e n t i u m 4 8 6 做主机，系统启动时依靠关节轴线上安装的电位计 提供初始位置，单腿的协调控制和位置解算采用专用的d s p 实现，并且每个 关节做成p i d 闭环控制的伺服模块，利用工业i s a 总线进行协调通信，整个 系统流程由步态规划、轨迹生产、位置解算、单腿协调和p i d 单关节闭环控 制五个步骤构成川q 。 图1 3 波士顿动力公司b i g d o g 机器人 四足机器人的另一经典之作为波士顿动力公司的“b i g d o g ”机器人0 7 d 9 1 ( 图 1 3 ) ，该机器人主要针对军方用途设计，用于在崎岖不平的地面上代替轮式 车辆为军方运输物资。该公司打破以往机器人设计中的动力源为电机的传统， 而采用发动机的形式驱动机器人，使其有非常大的驱动力矩，从而实现高负 载运输任务。该机器人长1 米，高7 0 c m ，自重7 5 千克，最大载重量为5 0 千克。担任“大狗”机器人大脑的是内存集成的一台计算机，同时集成了大量 的传感器用于自身参数测量和感知外部环境，可根据环境变化相应调整姿态， 具有对外界冲击的平衡能力，能够爬上最高3 5 度的斜坡，速度可达5 千米 小时，同时能够做跳跃等高难度动作，是现代机器人实际应用的典范。 3 哈尔滨- 丁稃大学硕十学位论文 德国布莱梅大学也在四足机器人领域作出了许多贡献，他们相继研究出 了s c o r p i o n 和a r a m i e s 肛毗u ( 图1 4 ) 两代多足机器人，其中机器人a r a m i e s 是一个具有4 条腿2 6 个关节的四足机器人。它的每条腿6 个驱动关节使其不 再具有通常四足所具有的3 自由度，而是变成了空间6 自由度机构，可以随 意支配足尖以任何姿态运动。该机器人的足尖设置了脚抓，不但可以在平地 上行走而且可以攀爬楼梯，由于其脚抓的抓取作用，其最大攀爬角度可达7 0 度( 图1 5 ) 。机器人头上装有两个自由活动的关节，使得头上的摄像头可以 自由拍摄。同时为了行走的稳定性，机器本身携带了除力传感器外的加速度 计、陀螺仪和2 个超声波传感器，使其能测量姿态、障碍信息和稳定地行走。 其控制系统以p c i 0 4 为核心用于导航和规划，以m p c 5 6 5 f p g a 为核心用于控 制机器人的运动及采集传感器信息。 图1 4a r a m i e s 四足机器人图1 5a r a m i e s 机器人爬楼器实验 六足机器人是多足机器人的典型代表，因为正常四足机器人就可以实现 爬行行走，具有静态的稳定性，然而其实际应用中通常仅限运输等任务，而 六足机器人由于多了两条腿，所以其不但具有爬行机器人所具有的行走稳定 性，而且可以在行走或者静止状态利用多余的腿来执行需要的作业任务，在 相同情况下，由于其支撑腿比较多，相应负重也增加，所以其应用前景会更 加的广阔。 美国国家航空和宇宙航行局( n a s a ) 研制成功的用于执行多重太空任 务的六足机器人l e m u r ( l i m b e de x c u r s i o nm e c h a n i c a lu t i l i t yr o b o t ) 1 2 2 - 2 4 是该领 域内最具代表性机器人( 见图1 6 ) 。该机器人的六条腿都安装有手抓，手抓 的中心安装有测力传感器用于感知物体，由于该机器人的设计目的是在太空 失重环境下作业，所以电机的功率都比较小，也使得机器人本省体积减小， 4 哈尔滨t 程大学硕十学伊论文 集成了更多的传感器用于作业。图1 7 显示的新一代l e m u r 的结构布置，这 种布置方式更加的适合在太空作业，作业过程中不用频繁调整自身姿态即可 顺利完成任务。l e m u r 的大脑是一块p c i 0 4 嵌入式电脑，控制系统采用分级 递阶控制方式，上层主要是做组织规划，而下层做运动学解算和控制电机。 图1 6l e m u r 六足机器人图1 7 新一代l e m u r 机器人结构 八足机器人通常是在六足机器人的基础上以特定研究目标而设计的机器 人种类，它的研究能开发特定牛物体的特定潜能，从而服务于特定作业任务。 | ；? 耄缮j ： 2 帮 图i 8 德国b r e m e n 大学的仿生蝎子图1 9 仿生龙虾 在国外，八足机器人以德国b r e m e n 大学研制的仿蝎子和美国东北工业 大学研究的仿生龙虾比较具有代表性。德国b r e m e n 大学研制的仿蝎子口列1 ( 图1 8 ) 采用直流2 4 v 电机驱动，关节依据模块化设计原则，将电机封装 在关节内设计成整体模块，这样在制作和安装时不但提高了机器人的整体精 度，而且使得机器人的设计和维修变得容易。机器人的足尖设置弹性被动元 件缓解机器人腿部冲击，同时安装了测力装置用来感知脚底的着地状态，控 制系统采用m p c 5 5 5 处理芯片和f p g a 相结合的方法，m p c 5 5 5 作为控制器 处理系统规划，f p g a 芯片处理腿部传感信号。其控制方法结合了c p g 控制 5 哈尔滨 二程大学硕士学位论文 原理，建立了基于常规动作和反馈动作运动机制。 美国东北工业大学研究的仿生龙虾旺钆( 图1 9 ) 由于其具有水陆两栖特 性及水下自平衡功能，代表了水陆两栖仿生机器人的经典之作。其全长4 5 c m ， 重4 k g ，关节采用形状记忆合金驱动，该材料会随着温度的变化而伸缩，机 器人通过附加在记忆合金上的加热装置来控制记忆合金的伸缩实现机器人关 节运动，从而模仿肌肉的工作原理。机械龙虾的设计针对有海流和涌浪的潜 水区域的排雷作业，龙虾拥有可以随着海流弯曲的触须和腿上绒毛检测传感 器，随着海流的流向丝状传感器会随着发生弯曲变形，从而根据其弯曲程度 将信号反馈到控制器里控制调整身体姿态以防止倾倒。 1 2 2 国内多足机器人的研究现状 国内对多足步行机器人的研究在上个世纪八十年代末九十年代初起步。 但是近年来因为机器人研究的热门，国内研究机器人的机构也越来越多，随 之机器人相关理论也在国内初步形成。目前有清华大学、上海交通大学、华 中科技大学、哈尔滨工业大学、哈尔滨工程大学、北京航空航天大学和沈阳 自动化研究所等都相继在多足机器人领域做出了一些成绩，也促进了机器人 理论水平的深入。 北京航空航天大学上个世纪九十年代初研制过的一台仿牲畜的四足步行 机器人仁”，它采用液压驱动的方式，自重达到2 吨，每条腿有两个自由度。 中国科学院沈阳自动化研究所与长春光机所共同研制了海蟹号六足步行机器 人口”。清华大学在1 9 9 0 年研制出了一台q w i i 型全方位四足步行机器人7 1 ( 图 1 1 0 ) 。上海交通大学研制的基于形状记忆合金驱动的微小型六足机器人 s m a m l 。该机器人的第一代( 图1 1 0 ) 每个腿有两个自由度共六条腿，每个自 由度由两根s m a 丝采用差动方式驱动，行走速度为l m s ，但是由于其每条腿 两自由度特性，该机器人不能实现转弯，后来在此基础上又研制出了第二代 蛐蛐机器人m d t w r 1 ，采用新型的组合偏动s m a 驱动器，使身体实现了转 动能力，具有全方位运动能力。华中科技大学研制的4 + 2 ”步行机器人川将手 腿功能结合起来，其特点是前部两个机械臂既可以在行走时充当腿，又可以 在工作时成为工作臂，其后又进一步研制 m i n i q u a d ，将这种类型的机器人小 型化。该小组对步行机器人进行了系统的运动学和动力学分析，较系统地展 6 哈尔滨t 程大学硕士学伊论文 示了我国在多足机器领域内取得的理论成果。 图1 1 0q w - i i 型四足机器人图1 11 上海交大s m a 蛐蛐机器人 哈尔滨工程大学从2 0 0 1 年就开始了关于多足机器人相关技术的研究，该 学校多足机器人研究以螃蟹为仿生原型，在两栖仿生机器蟹和多足机器人领 域做了大量的工作，先后设计了5 代机器人样机，实现了8 足两栖机器人在 水陆两种环境中的行走。该校对两栖仿生机器蟹在有海流情况下的步态规划 问题、陆地不平地面的步行问题、步态库技术、机器人建模、导航和定位等 相关技术做了初步研究。机器人本身安装了力传感器、g p s 、电子罗盘、陀螺 仪、超声波距等传感器，可以实现机器人定位导航以及和其他机器人的通信 协调等功能。 1 3 多足机器人控制研究的关键技术 尽管多足机器人技术到现在已经有了很大的发展，但是其控制水平和相 关理论还都停留在基本行走的层面上，面对复杂环境和未知任务，机器人仍 然不能实现自动识别和根据环境变化作出决策的能力。这是因为步行机器人 的一些基础理论水平发展还是相对缓慢，特别是在步态规划、控制方法、步 态协调等方面还有很多亟待解决的问题p 引。 目前多足机器人在控制上的主要关键技术主要反映在以下几个方面： 1 、导航定位技术。机器人的导航定位是机器人技术的核一i = 、技术之一，要 求机器人对环境的识别能力和根据环境作出决策的能力。定位是机器人实现 导航的基础，导航是机器人根据传感器探测的环境信息和自身的位置决策自 身的运动方向和运动速度从而实现有目的的自主运动。其基本任务有三点： ( 1 ) 环境识别，根据传感器信息和本身己输入量确定环境信息，如道路、障 7 哈尔滨丁稃大学硕士学伊论文 碍等，为机器人路径规划提供依据。( 2 ) 路径规划，路径规划是指根据环境 信息和特定算法，按照任务目标确定机器人的运动路线。( 3 ) 避障算法，这 是指当机器人在运动过程中碰到突发障碍等状况阻碍机器人在该方向的运动 时，机器人该如何规划去避免碰撞的问题。目前机器人的定位和导航方式有 很多，大体上定位按照定位范围可分为局部定位和绝对定位，其实现手段有 g p s 、相对己知环境测距定位、信标定位等等。但是每一种导航定位方法都有 一定的局限性，如何使机器人能更智能地运动，对于导航定位的研究也就提 出更大的挑战。 2 、运动协调理论。由于多足机器入有多个腿多个关节，各个关节的运动 协调就成为了机器人运动的关键，如果各关节不能很好地配合，那么就会在 运动中导致各关节相互干扰，不但白白的消耗能量而且会给电机及其控制系 统带来电流冲击导致其损坏。运动协调与机器人的运动目的和任务操作有关， 例如机器人在拿取一个物体时可能只需要一条腿运动，这样关节的协调主要 涉及到一条腿的各个关节配合和避免与周围发生碰撞即可。机器人的运动协 调涉及到机器人机构学、运动学、动力学以及智能算法等相关理论? 目前这 些理论在运动协调上虽然已经得到一定的运用，但是面对机器人复杂的系统 来说，这些理论还需要继续深入探索p 孓 1 。 3 、单足步态曲线规划方法。虽然现在已经有大量的文献对于单足步态曲 线的规划方法做了介绍，但是这些介绍大多都是定性的去介绍机器人该如何 迈腿，碰到障碍物该怎么办，却很少有人提出具体的可行的定量的执行办法 及对应的算法，所以在这个领域多足机器人还是有必要的深入探索，这也是 机器人实现适应性控制的前提p 孓3 6 1 。 4 、传感器技术。机器人就像生物一样，需要实时接受自身的外界的信息 以决定下一步的任务目标，这些信息就来自于装载在机器人身上大大小小的 传感器，然而对这些传感器该如何采集信息和采集到信息该如何处理就成为 了现代机器人研究的一个热点。近年来传感器技术及在机器人身上的传感器 融合技术的研究越来越热门，这些技术涉及到信号处理、控制理论、电子电 路、计算机、智能算法等学科。目前各种传感器技术迅猛发展，但是要使用 在机器人身上，很多传感器可能会应为体积外形等原因无法使用，这就需要 针对机器人技术研究改造属于他们的传感器，同时传感器的融合技术也将伴 8 哈尔滨t 程大学硕士学伊论文 随着机器人的智能控制需要更加深入的研究。 5 、智能控制理论。机器人是人类根据生物仿造的具有生物功能的无生命 体，它的研究目的就是要使机器人越来越像生命体一样具有自主的学习和探 索能力，以更智能的去完成一些人类需要他们去做的事情。如何使机器人和 人类交流互动、让它们根据自身的逻辑思维去自主的完成它的使命就成为了 现代智能控制的源泉。近些年来各个领域的科学探索者根据生物体的机理和 自然界的灵感提出了各种各样的智能控制方法比如神经网络、模糊控制、c p g 理论等等，然而这些方法大多数仍处于理论阶段，进一步探索这些理论将是 机器人智能性控制的前提。 1 4 论文的主要内容和论文结构 1 4 1 论文的主要研究内容 本文是以国家自然基金“多足仿生机器蟹复杂地貌行走方法研究”为背 景，针对多足仿生机器蟹复杂地貌行走方法研究设计其实验平台。拟研究的 内容主要有以下几点： 1 、采用递阶式控制思想设计控制系统的总体结构，根据任务需要设计相 应接口模块，给出具体的结构逻辑。 2 、设计基于d s p 的控制系统的硬件电路。该硬件电路主要包括了任务 控制器、运动控制器和关节驱动器三个部分。针对复杂地貌的行走方法，d s p 控制系统是其理论实验的硬件基础。结合项目目标，设计与跟主机通信的无 限模块接口、设计导航定位信息采集所需要的各种采集接口、设计用于机器 人的力感知探测的力传感器接口、设计用于关节电机伺服控制的关节驱动器 单片机电路和功率放大电路。 3 、研究机器人运动控制相关的控制方法和软件算法。建立单足运动学模 型，实现运动学正反解在d s p 的解算，研究机器人不平整路面上行走的单足 自适应轨迹规划方法，探索常规行走的运动步态库的建库方法和调用机制。 4 、探索任务规划器和运动控制器之间基于共享r a m 的通信机制，研究 运动控制器和底层驱动器关于位置速度信息传递的方法，实现整个控制平台 大信息量通信的实时性保障。 5 、借鉴步进控制方式，研究直流电机基于p w m 通信的速度位置双闭环 q 哈尔滨丁：程大学硕十学位论文 控制方法，设计基于p w m 通信传输位置和速度信息的机制，和基于该机制 的关节直流电机p i d 控制，为实现多关节实时控制提供一种有效途径。 1 4 2 论文结构 本文分成5 章，其中第一章为绪论部分，详细介绍了本课题的研究背景、 国内外相关的研究情况，根据项目需要提出本文的主要研究内容。第二章为 整体介绍，主要对多足仿生机械蟹的整体结构和软硬件体系作以介绍，以便 了解本论文的研究平台、研究路线和实验基础，主要分为两个部分，第一部 论述了多足机器人的整体结构及关键改进部分，第二部分整体介绍了整个控 制系统的构成。第三章主要针对d s p 控制器、共享r a m 通信和驱动器的硬件 实现展开论述，详细介绍了控制系统各部分的硬件构成。第四章主要研究运 动控制相关的控制方法和控制算法，研究在给定协调数据下如何去解算机器 人各关节的位置和速度信息、如何在不平整地面上实现机器人行走时单足的 自适应末端轨迹规划、如何建立常规行走步态库及其调用机制、最后详细的 介绍了如何通过p w m 脉冲通信实现位置和速度伺服控制的底层软件实现方 法。第五章为实验部分，通过实际实验验证了控制系统的可实现性，通过 d s p a c e 平台运用实验手段分析了对应行走中各个环节的力信号，分析了基 于p w m 信号通信的直流电机伺服控制的特性，最后通过一个末端圆形轨迹 实验验证了整个控制体系的可行性，并分析了误差产生的原因。 1 0 哈尔滨下程大学硕士学伊论文 第2 章多足机器人总体设计 本章主要讲述了针对新一期的国家自然基金项目指标所设计的多足仿生 机器蟹的整体结构和整体控制框架。针对于哈尔滨工程大学海洋智能研究所 前几代的仿生机械蟹所存在的不足与缺陷，讲述了改进后的新一代机器人的 关键结构和整体设计，进一步研究了机械系统效率问题，大幅度提高了机器 人关节力矩的有效输出，提高了能源利用率和力矩余量，为以后的越障，复 杂地形行走控制提供了更为良好的基础。同时针对控制系统，对控制总体框 架进行了重新设计，设计了针对实时性控制的数据交换系统，引入了共享 r a m 通信，提高了上下位机间高效率，大数据量通信的性能。同时针对后续 的导航定位和规划，增加了陀螺，电子罗盘，g p s 等导航定位系统模块，能 实现机器人路径规划，实时定位，运动导航及多机协调通信等功能。 2 1 多足机器人本体结构设计 两栖仿生机器蟹是哈尔滨工程大学海洋智能研究所从1 9 9 9 年开始连续 研究的课题，至今己完成四型机器人的设计。本节主要讲述机器人的整体结 构，布局方式，关节改进等内容，为以后控制系统的设计和算法研究提供硬 件依据。 2 1 1 两栖仿生多足机器人系列结构分析 纵观前四代机器人，他们均采用模块化设计思想p ”，将多足机器人所需 要的2 4 个关节模块化，通过搭建积木的方式组合成整体机器人。模块化的设 计有助于功能零件的互换性，通过设计统一标准的输入输出接口，将功能模 块内部尽可能优化，使得功能模块效率高，通用性强p 蚋，以提高机器人的整 体性能。所以在第五代机器人设计中我们仍然采用模块化设计思想p 9 1 ，主要 将第四型机器人的模块进行改造，同时对整体布局和局部地区进行优化改造， 大大提高了第五代机器人的性能。 哈尔滨工程大学第二代仿生机器蟹h 1 中运用了舵机结构，因为舵机结构 控制简单，只需要p w m 信号来确定其转角即可实现位置控制，对于步态配 合而言需要2 4 路具有配合的p w m 输出信号即可，这种控制系统实现简单， l l 哈尔滨1 = 挥大学硕十学伊论文 不需要位置信号检测等所用的编码器电路和大量c p u 中断资源、不需要复杂 的保护，而且通信协调体系简单可靠，同样控制芯片的选择和实现也相对容 易，但是在力矩，效率以及后续复杂智能控制上存在瓶颈。由于其速度和加 速的不可控，所以在复杂步态控制时就成了问题，机器人的各关节角速度和 角加速度不能形成配合，也就无所谓效率和步态好坏之分。同时由于位置控 制属于开环状态，位置不能得到反馈，即位置要求不能得到可靠保证，这对 于步行机器人来说其研究价值大大削弱。图2 1 为第二代机器人实物模型。 图2 1 第二代多足机器人样机 在第三代、第四代机器人中7 。，模块关节采用锥齿轮结构，但是实践证 明这种关节设计刚度差，由于制造和装配精度引起的安装误差导致间隙过大， 机器人传动效率低等问题难以解决。最后还有一个致命的缺点那就是在锥齿 轮传动中由于本身不能自锁，所以即使机器人不动，也得消耗能量h 叭。由于 机器人处于站立状态中，所有关节的自锁都依靠电机的反力矩来维持，电机 不能处于断电状态，所以对能量的消耗十分严重。通过实验我们也发现，同 样尺寸的锥齿轮在减速比上远远小于蜗轮蜗杆，这必然造成机器人尺寸庞大， 对于速度要求不高而力矩相对要求富裕的足式机器人来说很不划算。 墨墨 ：。缸。赢氛。厶乞茹。矗编。么苎茹。- 图2 2 第三代多足机器人 1 2 图2 3 第四代多足机器人 哈尔滨 二程大学硕士学伊论文 对于这两代机器人，其直流伺服电机的选用克服了舵机在速度、加速 的上不可控的缺陷，但是上位机与驱动层采用4 8 5 串行通信模式，仍然没能 实现机器人实时的步态配合。 本课题所设计的机器人是在第四代机器人m 坤2 7 】白勺基础上，针对本课题 所涉及到的具体目标改造而来。针对本课题目标在结构上主要将关节改为可 自锁的蜗轮蜗杆结构，对传动效率和动力分布进行了分析，设计了被动足尖 结构，调整了机器人八个腿的布局，使其能更好的胜任在复杂地形上的适应 能力，为复杂地形的行走提供了更好的平台。 2 1 2 蜗轮蜗杆模块设计 第五代机器人采用可自锁的蜗轮蜗杆模块，其选型主要考虑到以下几点： 1 、蜗杆特性与机器人关节指标的匹配度。 2 、对于足式机器人，关节力矩机器人决定其动力性能，尽可能提高关节 传动效率对机器人有着重要的意义，所以蜗杆的选型效率排在第一位。 3 、加工难易程度对蜗杆的选型也起到至关重要的作用，因为这个不但关 系到能否制作出零件，而且不同类型价格相差巨大。 基于以上三条原则的考虑，结合对各种蜗轮蜗杆的对比，我们最终选用 了渐开线型蜗轮蜗杆( 性能见表2 1 ) ，其具体参数见表2 2 。这种类型传动的 效率比较高，相对制造比较容易。 表2 1 渐开线型蜗杆的性能表 成本 种类特点效率 ( 元对) 一般车制，车刀刀刃平面与基圆相切，被切出的 渐开线 蜗杆齿面是渐开线螺旋面，齿面齿廓为渐开线 圆柱蜗 这种蜗杆可以磨削，加工精度容易保证，传动效 可达0 9 6 0 0 o o 杆( z i率高。一般用于蜗杆头数较多( 3 头以上) ，转速 型) 较高和要求较精密的传动，如滚齿机、磨齿机上 的精密蜗杆副等 1 3 哈尔滨t 稗大学硕十学伊论文 表2 2 本设计选用蜗轮蜗杆参数 土要参数蜗轮蜗杆 传动类型z i 渐开线型z i 渐开线型 模数( 毫米)l1 分度圆直径( 毫米) 2 21 5 螺旋方向右旋右旋 齿型角2 0 度2 0 度 蜗轮蜗杆 精度等级 6 eg b l 0 0 8 9 1 9 8 86eg b l 0 0 8 9 1 9 8 8 齿数 2 2 齿顶圆直径( 毫米)2 42 3 齿根圆直径( 毫米) 1 9 61 9 6 头数 2 材料锡青铜2 0 c r 在蜗轮蜗杆传动中轴向力的作用不容忽视，由于蜗轮直接驱动关节输出， 而蜗杆与电机输出轴直接相连，所以几乎所有的轴向力都作用在电机上，如 果不加以有效约束，那么电机会因受太大的轴向力而使轴被拔出，造成电机 报废。 由于在标准中没有这么小的止推轴承，为了限制轴向串动，我们在电机 端面上加装了止推球来限制轴向移动，同时在电机轴上安装了滚动轴承固定 径向位置。具体结构如图2 4 所示。 ? 端盖止推球轴承电机轴 一。 图2 4 蜗杆定位图 图2 5 为整个关节模块装配图。机器人电机选用德国f a u l h a b e r 公司 的2 3 4 2 c r 系列微小型空心杯直流电机。该电机效率高，能耗低，输出扭矩 大。其中黄色的套筒是将电机原先的塑料壳锯掉替换后的结果，这样整个电 1 4 哈尔滨工程大学硕十学位论文 机体就充当了连杆的作用，用来串联连接上下两个关节，省掉了很多冗余的 连接件，电机本身即是动力源又是本体结构的有效部分。在蜗轮的输出端设 计了统一的连接接口，实现模块连接标准化，便于零件互换与组装。 7 。”“4 4。一一 、“ 4“ 一= 17 ，；”f 、班 施 铴匆耐 ；嚣 。渊i 乞磁j 2 一m j 二 图2 5 关节模块装配图 2 1 3 单腿结构设计与整体布局 1 、自由度设计与关节布置 为保证机器人自由运动，单腿自由度的设计必须被考虑，目前国内外对 于多足机器人的单腿关节布置主要采用三关节串联设计。这种设计既能保障 机器人单腿足尖到达整个关节空间内具有足够的自由度，又能不产生冗余。 具体结构布置见图2 6 。 机器人由髋关节、膝关节和踝关节组成。其中膝关节和踝关节旋转轴平 行，使得机器人可以随意到达竖直平面的任意位置，而根部髋关节设置可以 使机器人腿部沿水平面内自由转动。 但是作为多足机器人，多个腿和身体事实上构成了一个并联机构，当两 条腿着地时，根据g n j b l e r 公式其自由度数计算如下： 根据g r u b l e r 公式，机器人的运动自由度数 f o = 2 ( n - j 1 ) + z ( 2 一1 ) 式中：力连杆数 歹关节数 ，第i 个关节的自由度数 15 哈尔滨1 二挥大学硕十学位论文 暑ii 一 一一一- - i i i i i i i i i i i i i i i 名运动参数，对于空间机构而言五= 6 由于考虑