仿人机器人控制系统的研究与开发

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1、河北工业大学硕士学位论文仿人机器人控制系统的研究与开发姓名：陈贺申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：杨鹏20050301河北工业大学硕士学位论文仿人机器人控制系统的研究与开发摘要仿人机器人是多门基础学科、多项高技术的集成，代表了机器人的尖端技术。因此，仿人机器入是当代科技的研究热点之一。控制技术和控制电路集成技术是仿人机器人技术中的重要组成部分。仿人机器人的关节众多，控制电路复杂，要使其具备一些人类并不具有的功能，其控制电路就愈加复杂，因此优化控制结构，减小控制电路的体积和功耗，有利于控制系统与机器人本体的更好融合。而且，

2、目前仿人机器人双足行走的速度、稳定性及自适应能力的进一步提高和拟人化程度的进一步提高，也有赖于更加优化的控制方案和更加优化的控制结构。本论文对仿人机器人的控制系统进行了深入研究。首先，确定了被控制对象——仿人机器人HBUT-1各组成部分的尺寸比例及其关节自由度配置；并分析了机器人各并联关节的机构参数，给出了仿人机器人整体结构组合。其次，介绍了机器人关节驱动电机的选型；分析了关节驱动电机——maxonDC电动机的动态数学模型。再次，介绍了仿人机器人HBUT-1的感知系统总体结构；并重点分析了数字式摄像头、声纳、六维力／力矩传感器以及光电编码

3、器在机器人感知系统中的应用。接着，分析了仿人机器人HBUT-1的控制电路整体结构；整个机载控制电路采用基于单板计算机的多层递阶、分布式控制系统，整个系统分为三层：组织层、协调层和执行层；每层均采用模块化、开放式结构，从而分散了控制任务，有利于提高机器人的智能化程度。然后，分析了机器人关节自由度被控制部分的动态数学模型，并针对执行层中关节控制器的硬件结构和控制策略进行了重点论述；该关节控制器以TMS320F281l型DSP为主处理器，它集运动伺服控制和功率驱动于一体，实现多轴运动控制，具备网络功能，体积小，功耗低，易于和机器人本体融合。其伺

4、服控制算法采用模糊PD结合单神经元自适应PID的双模控制算法，试验表明该控制策略能提高系统响应的快速性、精确性和鲁棒性。最后，对仿人机器人的步态规划方法进行了研究，将所研究的仿人机器人简化为具有12个转动自由度的7连杆模型，建立了机器人位姿向量，并利用5次多项式组拟合单步周期内机器人的期望位姿轨迹。通过分析机器人在行进中的几何约束和稳定性的数学描述，将步态规划问题转化为寻优问题，并利用二进制数和浮点数混合编码的遗传算法寻找最优解。试验表明，使用该方法规划出的期望步态能够保证机器人具有较高的动态稳定性。关键词：仿人机器人，机器人感知系统，分

5、层递阶控制系统，关节控制器，DSP，模糊控制，单神经元自适应控制，步态规划，混合编码遗传算法仿人机器人控制系统的研究与开发DEVELoPMENTANDRESEARCHFORCONTRoLSYSTEMoFHUMANoIDRoBoTABSTRACTResearchonhumanoidrobotintegratedplentyofhigh．．newtechnology．Themorerobotslikehuman，themorecomplicatedcontrolcircuitiS．Howtooptimizecircuit’Sconfigura

6、tionandtoreducesizeandpowerdissipationofcircuitinordertocombinecontrolcircuitwithmechanismmoreperfectlyhasalreadybeenoneofimportanttopicsinresearchdomainofhumanoidrobots．Humanoidrobotisamulti．variablecouplednonlineartime．varyingsystem．SOconventionalcontrolalgorithmcannots

7、atisfytheneedofcontr01．Manyresearchersapplythemselvestointelligentcontrolstrategy．Firstly,thedimensionandtheDOFconfigurationofhumanoidrobotHBUT-1．thecontrolledobject，wereintroduced．Mechanicalparametersofrobotiointwereanalyzed．Theintegralmechanicalconfigurationofhumanoidro

8、botwasintroduced．Secondly,maxonDCmotorwaschosentodriverobot’Sioint．Thedynamicmathematicalmodelof