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人形机器人控制器设计及步态控制算法研究

王敬宇  
【摘要】:人形机器人具有和人类相似的外形,人们会经常在《变形金刚》《超能查派》《西部世界》等科幻片中看到。机器人的出现开始于工业机器人,从20世纪中期开始进入商业化,大量用于焊接、涂装、组装等工业生产线。人形机器人的研究是从上世纪六七十年代开始的,在这几十年时间里发展十分迅速。人形机器人在设计时模仿了人类身体骨骼与肌肉结构,拥有20个以上的自由度的复杂结构,所以经过很长时间才走入大众的视野。目前,人形机器人的关键技术主要被美国、日本、德国、法国等国家掌握,国内虽然对人形机器人的研究起步较晚,但也缩短了和这些国家的差距。由于人形机器人是自由度多、结构复杂、耦合性强的非线性系统,因此,本文对目前人形机器人存在的多个问题进行分析,对人形机器人控制器和步态控制算法展开研究。论文的主要内容有:(1)人形机器人控制器设计本课题的人形机器人采取主从控制分离的设计思想,主控制器为PICO-HC101工业主板,从控制器采用STM32控制器,主要模块还包括:舵机、传感器、扬声器、Web摄像头等。舵机选用DYNAMIXEL MX-28充当机器人的执行机构,根据通信方式的不同,分为MX-28T(TTL)和MX28R(RS485)两种舵机,它们拥有相同的性能与功能,本机选用MX-28T数字舵机作为驱动部件。传感器模块主要是陀螺仪传感器和加速度传感器,负责搜集人形机器人的位姿信息。扬声器模块主要针对人形机器人语音播放功能进行设计。Web摄像头用于采集图像信息,实现人形机器人追踪小球的功能。软件结构上,从上层到下层分为主控制模块、运动控制模块、执行模块。(2)人形机器人舵机设计舵机是机器人能够运动的驱动模块。人形机器人是一个多自由度复杂系统,因此舵机的选型与设计是实现机器人行走的关键。本文对比各种舵机的优缺点,为本设计选用了韩国ROBOTIS公司生产的MX-28T数字舵机,并对舵机进行控制设计和软件设计,最终调试成功。(3)人形机器人步态控制算法研究在人形机器人硬件设计完成并调试通过的基础上,对步态控制算法进行研究。首先参照人形机器人D-H(Denavit-Hartenberg)方法模型图,建立起各个关节自由度在世界坐标系中的连杆坐标系。其次,通过建立的连杆坐标系,推导出此人形机器人正运动学和逆运动学模型。然后,根据ZMP(零力矩点)稳定性判据推导出其表达式,并通过三维线性倒立摆的控制对人形机器人步态规划进行仿真,为以后人形机器人步态优化建立模型。通过对舵机控制研究,本文提出基于动作帧的步态生成方法,把人形机器人行走周期内动作分解为多个帧,并把每帧的舵机参数保存在指定页面并在指定时间内进行播放,实现了人形机器人的行走。实验结果表明,这种方法可实现人形机器人行走,具有一定理论参考价值和实际应用价值。


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