毕业设计（论文）-四足机器人机构及其控制系统的设计

毕业设计（论文）四足机器人机构及其控制系统的设计学院（系）：专业班级：学生姓名：指导教师：摘要四足机器人在实际应用如运输、抢险及军事等活动中体现出了相比其他类型的机器人更加具有优势的实用性，而随着其应用范围的不断扩大，如何提高快速稳定的性能成为了当前四足机器人研究的热点，也对其控制系统的实时性、稳定性提出了越来越高的要求。本文以四足机器人为研究对象，对四足机器人的基本结构与运动方式进行了研究，提出了一种能够满足其运动需求的机械结构模型，并在此基础上分析了四足机器人基于对角小跑的步态规划方案。根据结构方案与控制需求，进一步设计了基于CAN通信的控制系统总体框架。在此控制系统的总体框架下，本文首先提出了硬件系统的设计，在现有硬件资源的基础上介绍了硬件选型与线路布置，接着完成了控制系统的软件设计，搭建了硬件设备之间的通信系统，完成了基于CAN总线通信的多线程程序设计与MFC交互界面的程序设计，使得通信系统能够达到数据传输的要求。最后介绍了样机实验平台，完成了四足机器人在对角小跑步态下的位置控制。结果表明此次设计的四足机器人机械结构与控制系统能够满足其运动控制的需求。关键词：四足机器人；机械结构；对角小跑步态；CAN通信

AbstractQuadrupedrobothasmoreadvantagesthanothertypesofrobotsinpracticalapplicationssuchastransportation,emergencyrescueandmilitaryactivities.Withthecontinuousexpansionofitsapplicationscope,howtoimprovetherapidandstableperformancehasbecomeahottopicintheresearchofquadrupedrobot,thenecessaryconditionsforthedevelopmentofquadrupedrobotputforwardhigherandhigherrequirementsforthereal-timeandstabilityofitscontrolsystem.Inthisthesis,thebasicstructureandmovementmodeofquadrupedrobotisstudied,andamechanicalstructuremodelthatcanmeetitsmovementdemandisproposed,andonthisbasis,thegaitplanningschemeofquadrupedrobotbasedontrotisanalyzed.Accordingtothestructureschemeandcontrolrequirements,theoverallframeworkofthecontrolsystembasedonCANcommunicationisdesigned.Undertheoverallframeworkofthecontrolsystem,thispaperputsforwardthedesignofthehardwaresystem,onthebasisoftheexistinghardwareresourceintroducestheselectionofthehardwareandcircuitarrangement,thencompletesthesoftwaredesignofthecontrolsystem,setupthecommunicationbetweenthehardwaresystem,completedthemultithreadedprogrammingwithMFCbasedonCANbuscommunicationinterfaceprogramming,makecommunicationsystemCANmeettherequirementsofdatatransmission.Finally,aprototypeexperimentalplatformisintroduced,andthepositioncontrolofthequadrupedrobotinthetrotgaitiscompleted.Theresultsshowthatthemechanicalstructureandcontrolcommunicationsystemofthedesignedquadrupedrobotcanmeettherequirementsofitsmotioncontrol.KeyWords：Quadrupedrobot；Mechanicalstructure；Trot；CANcommunication目录第1章绪论 11.1研究背景与意义 11.2国内外研究现状 11.2.1国外研究现状 11.2.2国内研究现状 31.3本文主要研究内容 3第2章四足机器人机械结构设计与步态规划 42.1引言 42.2犬类生理结构分析 42.3四足机器人结构模型分析 42.4四足机器人机械结构设计原则 52.5四足机器人机械结构设计 72.5.1结构设计参数 72.5.2四足机器人整机设计 72.5.3单腿髋部及其支撑板结构设计 82.5.4腰部结构设计 132.6四足机器人步态规划 132.6.1四足机器人基本步态分析 142.6.2四足机器人运动学分析 152.6.3四足机器人足端轨迹规划 172.6.4仿真分析 172.7本章小结 18第3章四足机器人控制系统硬件设计 193.1引言 193.2硬件系统设计 193.2.1硬件系统设计总体框架 193.2.2主控制器硬件设计 203.2.3从控层与执行层硬件设计 233.3本章小结 24第4章四足机器人控制系统软件设计 254.1引言 254.2基于CAN总线通信的控制电机任务需求 254.3软件系统设计 264.3.1软件系统设计总体框架 264.3.2基于CAN总线通信的多线程程序设计 274.3.3MFC交互界面与程序设计 324.4本章小结 38第5章四足机器人样机平台实验 395.1引言 395.2样机平台介绍 395.3实验验证 395.4本章小结 40第6章总结与展望 416.1工作总结 416.2研究展望 41参考文献 42致谢 43第1章绪论1.1研究背景与意义1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状图1.3SpotMini四足机器人1.2.2国内研究现状1.3本文主要研究内容第2章四足机器人机械结构设计及步态规划2.1引言2.2犬类生理结构分析图2.1犬类生理结构2.3四足机器人结构模型分析图2.2四足机器人脊柱简化模型图2.3四足机器人结构简化模型2.4四足机器人机械结构设计原则图2.4四足机器人结构简图图2.5四足机器人单腿简化模型图2.6四足机器人腰部简化模型2.5四足机器人机械结构设计2.5.1结构设计参数图2.7四足机器人运动简图2.5.2四足机器人整机设计12.5.3单腿髋部及其支撑板结构设计1-腿部连杆12-腿部连杆23-腿部连杆3图2.9四足机器人腿部连杆模型根据四足机器人足端可达工作空间可将髋部与膝部齿轮副中的大齿轮进行切割，可以在满足四足机器人的运动同时减轻整个机身的重量。1-膝轴动力输入2-髋轴小齿轮3-髋轴动力输入4-髋轴大齿轮5-膝轴6-膝轴小齿轮7-膝轴大齿轮8-髋轴图2.16四足机器人髋部支撑板模型2.17图2.17四足机器人前肢体模型图2.18四足机器人后肢体模型2.5.4腰部结构设计1-刚性脊柱2-斜拉杆3-连接块图2.19四足机器人腰部模型2.6四足机器人步态规划2.6.1四足机器人基本步态分析2.6.2四足机器人运动学分析图2.21四足机器人运动学模型θf1θh1θf2与θh2OcxcyczcOb1xb1yb1zb1Ob2xb2yb2zb2θf1驱θf2驱xb1,yb1θf1θf2θh1θh22.6.3四足机器人足端轨迹规划2.6.4仿真分析图2.22四足机器人左前腿足端仿真轨迹2.7本章小结

第3章四足机器人控制系统硬件设计3.1引言3.2硬件系统设计3.2.1硬件系统设计总体框架图3.1控制系统硬件总体框架3.2.2主控制器硬件设计3.2.3CAN总线通信系统硬件设计图3.2CAN总线硬件连接方式图3.3CAN总线基本内部结构3.5图3.5CANopen设备的基本结构图3.6USB-TO-CAN适配器3.2.3从控层与执行层硬件设计图3.7EC-45-flat电机图3.10驱动器电路连接3.3本章小结第4章四足机器人控制系统软件设计4.1引言4.2基于CAN总线通信的控制电机任务需求图4.1控制电机任务需求流程4.3软件系统设计4.3.1软件系统设计总体框架图4.2软件系统总体框架4.3.2基于CAN总线通信的多线程程序设计图4.3多线程程序设计基本框架表4.3多线程程序变量列表表4.4多线程程序宏开关列表4.4图4.4电机消息结构体4.5图4.5数据报文结构体4.6图4.6电机消息参数结构体图4.7线程开始图4.8CAN功能实现流程图4.9Motor功能实现流程4.3.3MFC交互界面与程序设计图4.11设备选择对话框图4.12Homing模式的对象字典图4.13Position模式的对象字典并根据步态规划得到各个电机在此模式下的位置数据，使用此位置数据发送给电机。4.14图4.14Velocity模式的对象字典因此可知并根据步态规划得到各个电机在此模式下的速度数据，使用此速度数据发送给电机。（同步力矩模式）模式相对前几种运动模式更为复杂，主要是因为控制电机所需的力矩需要通过电机实时的位置与速度数据计算出来，且实际下发给电机的是电流值，因此在程序不仅要加入计算公式还需读取电机实时的参数。图4.15Cyclic模式的对象字典该模式的报文如下：根据步态规划得到各个电机在此模式下的位置与速度数据，使用此数据发送给电机。（使能）该按钮使用了函数，其中包含了使能报文：（失能）该按钮使用了函数，其中包含了失能报文：（保存）在四足机器人运动控制中，需要保存运动后电机的位置和速度关于时间变化的数据，因此该MFC程序需要添加保存按钮将读取到的位置、速度、时间数据存储在名为"A_COS_Recorddata.txt"的TXT文件中，方便实验后期对数据的处理。下面以Position模式为例，将基于CAN通信的多线程程序与MFC交互程序相结合，介绍整个程序的实现流程，如图4.16所示：图4.16Position功能实现流程4.4本章小结CANMFCCANMFC

第5章四足机器人样机平台实验5.1引言5.2样机平台介绍5.19.8kg8图5.1四足机器人样机试验平台5.3实验验证图5.2初始位置状态Position0.2m/s5.25.25.4本章小结第6章总结与展望6.1工作总结6.2研究展望参考文献LeeY,TranD,HyunJ,etal.Agaittransitionalgorithmbasedonhybridwalkinggaitforaquadrupedwalkingrobot[J].IntelligentServiceRobotics,2015,8(4):185-200.HyunDJ,SeokS,LeeJ,etal.Highspeedtrot-running:ImplementationofahierarchicalcontrollerusingproprioceptiveimpedancecontrolontheMITCheetah[J].TheInternationalJournalofRoboticsResearch.2014,33(11):1417-1445.刘冠初,熊静琪,乔林,etal.四足机器人自由步态规划建模与算法实现[J].西安交通大学学报,2015,49(6):84-89.丁良宏.BigDog四足机器人关键技术分析[J].机械工程学报,2015,51(7):1-23.孟健,刘进长,荣学文,李贻斌.四足机器人发展现状与展望[J].科技导报,2015,33(21):59-63.张奔,卞新高,朱灯林.四足机器人步态分析及仿真实现[J].图学学报,2017,38(5):670-674.陈国伟，丁学明.基于CAN总线的无刷直流电机控制系统设计[J].电子科技,2017,30(3):153-156.IgMoKoo,TranDucTrong,TaeHunKang,GiaLocVo,YoungKukSong,ChangMinLee,andHyoukRyeolChoi.ControlofaQuadrupedWalkingRobotBasedonBiologicallyInspiredApproach[J].AdvancesinClimbingandWalkingRobots,2007,242-251.孙志远,杨思源.四足机器人步态规划[J].黑龙江大学自然科学学报,2017,34(6):737-741.王丽君.四足机器人的结构设计[J].中国新技术新产品,2016,(18):39-40.朱秋国.浅谈四足机器人的发展历史、现状与未来[J].杭州科技,2017,(2):47-50.IgMoKoo,TranDucTrong,YoonHaengLee,HyungpilMoon,JachoonKoo,SangdoekPark,HyoukRyeolChoi.Biologicallyinspiredgaittransitioncontrolforaquadrupedwalkingrobot[J].AutonRobot,2015(39):169–182.万媛,张小俊,史延雷.一种四足机器人机构及运动学分析[J].科学技术与工程,2017,17(18):78-83.于舰,孙桂涛,高炳微,赵勇,时献江,邵俊鹏.液压四足机器人驱动器CAN总线通信[J].哈尔滨理工大学学报,2013,(2):77-78.Kumar,T.S;Banavar,RaviN.AsianControlConference(ASCC),Austrlia,