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1、密级：公开工学硕士学位论文基于ARM小型双足机器人的设计与研究DesignandResearchoftheSmallBipedRobotBasedonARMController培养单位：电气与电子工程学院专业：电力电子与电力传动研究生：魏君指导教师：韩兵欣教授二○一六年一月独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得石家庄铁道大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对
2、本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：摘要摘要双足机器人一直是机器人领域研究的热点，涉及机械、自动控制、电子、材料、计算机技术等多个学科。双足机器人的步行方式与其他移动方式相比，具有很大优势，其可以跨越障碍物、上下楼梯，且对行走的环境要求低，移动盲区小，适应性更强，更加灵活。同时双足移动又是难度最大的移动方式，因此稳定的双足步行一直都是仿人机器人的研究重点。本文旨在开发一款结构可靠、低成本的小型双足机器人平台，并通过合理的步态规划使机器人实现稳定的双足步行。本文在研究国内外双足机器人发展现状的基础上
3、，结合人类的行走特点，确定了机器人的自由度个数及分配方案，设计了腿部8自由度的机器人运动系统。选择伺服舵机作为驱动电机，参考人类身体比例完成机器人的设计与组装。以组装的机器人样机为例，基于D-H方法构建数学模型，利用矩阵的齐次变换理论推出机器人的正运动学方程，并通过解析法求得机器人的逆运动学解。采用基于ZMP稳定约束的方法离线规划机器人的行走步态，通过多项式插值拟合得到踝关节和髋关节的运动轨迹，实现步态的参数化表示，并在Matlab环境下对踝关节和髋关节的运动轨迹进行仿真。根据本文的设计需求，硬件上采用ARMCortex-M3内核的
4、STM32F103微处理器为主控制芯片，完成系统的硬件电路设计，包括红外遥控模块设计、电源模块设计、光电隔离模块设计以及传感器模块设计等。在硬件电路设计完成的基础上，采用模块化设计思想，完成相应的软件程序设计。最后，在机器人样机上进行实验，采用离线规划的步态数据驱动舵机，并通过传感器采集机器人行走过程中的足底压力，计算得到ZMP轨迹，选择稳定裕度最大的参数作为机器人的步行参数。实验结果表明双足机器人的结构设计及步态规划合理可行，能够保证机器人双足步行的稳定性，同时为今后双足机器人的进一步研究建立良好的技术基础平台。关键词：双足机器人
5、；正运动学；逆运动学；ZMP；步态规划；ARMAbstractAbstractBipedalrobothasbeenthehotspotinresearchofrobot,involvingmachinery,automaticcontrol,computertechnology,electronics,materialsandothersubjects.Thewalkingcharacteristicsofbipedalrobotarerelativelymoreadvantageousthanothermobileway,whi
6、chincludecrossingobstacles,goingupanddownthestairs,lowrequirementsforwalkingenvironmentandsmallmobileblindarea.Comparedwiththetraditionalrobot,bipedalrobotismoreflexible,butatthesametime,itisalsothemostdifficultwayofmoving,thereforestablebipedalwalkinghasalwaysbeenthef
7、ocusofhumanoidrobotresearch.Thepurposeofthispaperistodevelopareliable,lowcostandsmallbipedalrobotplatform,andtoachieveastablebipedwalkingthroughareasonablegaitplanning.Thispaperisbasedonthecurrentdevelopmentofbipedalrobotathomeandabroad,combiningwiththecharacteristicso
8、fhumanwalking,thendeterminesthenumberofrobot’sfreedomdegreesandallocationplan,anddesignarobotmotionsystemwith8degrees
