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1、上海交通大学硕士学位论文仿人机器人运动控制系统设计姓名：张怡申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：苏剑波20090101摘要仿人机器人运动控制系统设计摘要仿人机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系统，具有强大的运动灵活性，因此，为机器人的运动学、动力学、仿真技术、多传感器融合、控制理论等研究提供了一个非常理想的实验平台。由于运动控制系统直接决定了仿人机器人最终运动表现，其研究和开发也一直是仿人机器人研究领域的一个重点难题。其中小型仿人机器人的运动控制系统更有其特殊之处：必须考虑在有限
2、的空间内实现众多关节的控制、多个关节间协调并保证运动的实时性，同时对系统的尺寸和重量也有更高的要求。针对仿人机器人驱动机构和传感装置众多的特点，本文综合了集中式与分布式系统的优势，提出了一种改进的仿人机器人运动控制系统结构。该结构由协同运动处理模块、数据通信模块及四肢运动控制模块组成。每个底层运动控制模块内包括关节控制器、关节驱动器和若干传感器。该种结构充分考虑了仿人机器人位置相邻功能相近的关节间紧密耦合这一状况，进行了适当的功能集中，既保留了分布式结构智能灵活的优点，又降低了数据通信负担，从而更好地适应于仿人机器
3、人的控制和传感的要求。在此基础上，以高性能数字信号处理器DSP、专用电机控制模块、功率驱动模块和正交解码模块等为核心完成了仿人机器人运动控制系统硬件设计，配合软件程序与控制算法的设计，提高单颗DSP芯片I摘要的控制能力，从而实现对多路不同类型电机的控制及基于多总线的全方位数据通信。最终完成的系统通用性与扩展性好，结构更紧凑，也更易于实现关节之间的耦合控制。仿人机器人实验平台上进行了多关节协同控制实验，实验结果表明此种系统软硬件设计可以满足机器人运动行为的基本要求，并可以达到相当的控制精度。关键词：仿人机器人，数字信
4、号处理器，运动控制，正交解码IIABSTRACTMOTIONCONTROLSYSTEMDESIGNOFHUMANOIDROBOTSABSTRACTHumanoidrobotscanbeconsideredasnonlinearhigh-ordersystemswithmultipledegreesoffreedomandnon-completeconstraints,spanningmanyresearchfields,suchasmechanics,electronics,communication,comput
5、erscience,bionics,etc.Asaresult,theresearchonhumanoidrobotsmayserveasanidealexperimentalplatformforkinetics,dynamics,simulationtechnology,sensorfusion,controltheoryandsoon.Asthekinematicperformanceofarobotisdirectlyinfluencedbyitsmotioncontrolsystem,thusthekin
6、ematicresearchanddevelopmenthasremainedasonekeyareaintheresearchofhumanoidrobotics.Furthermore,themotioncontrolsystemofsmall-sizedhumanoidrobotshasseveralspecialfeatures.Forexample,thesystemmustbecapableofcontrollingaquantityofjointswithinafinitespace,responsi
7、bleforthejointcoordinationaswellasguaranteeingreal-timeperformance.Inaddition,themotioncontrolsystemalsoposesmorerestrictionsforthedimensionandweightofthesystemlayout.Thispaperpresentsanimprovedmotioncontrolsystemstructureforhumanoidrobots,byincorporatingthead
8、vantagesofbothcentralizedanddistributedcontrolsystems.SuchastructureismadeupofcoordinationIIIABSTRACTmotionmodule,datacommunicationmoduleandthemotioncontrolmodulesdistributedontheb
