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1、仿人机器人运动控制系统的研究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。这对机器人运动学、动力学及控制理论的研究提供了一个非常理想的实验平台。本文在理论方面对仿人机器人的行走模型进行了分析,提出了基于角度的规划控制方法,在实现层面，对于运动控制系统的硬件实现提出了创新方案。最后在仿人机器人实体MIH-1上验证了算法的可行性和有效性。理论上,为了改进仿人机器人步态控制的稳定性,本文在对被动动态行走模型和线性倒立摆模型分析的基础上提出了新的基于能耗优化和关节角度变化的仿人机器人运动控制算
2、法,推导了确定关节实时输出扭矩的公式,优化了原有算法的稳定性和行走能耗,建立了仿人机器人在动力学环境中的稳定行走的改进模型。区别于目前国内外步态规划工作绝大部分根据机器人行走的时间——位移——速度的连续性,设计出基于时间的轨迹函数,再利用相关稳定性判据加以离线或在线的控制，本文从电机的实际输出扭矩出发,以相关关节角度的变化为立足点,设计出一套合理的运动轨迹,给出了仿人机器人实体静态行走各关节角度轨迹和实际的三维位置轨迹。实现层面上,本文初步搭构了仿人机器人MIH-1硬件平台：利用单元无刷直流电机控制器MC3
3、3035设计出一款集无刷直流电机控制、有刷直流电机控制、步进电机控制于一体的电机运动控制器,可提供传感器功率的温度补偿参考、频率可编程的锯齿波振荡器、完全可访问的误差放大器以及编码器信号的检测,实现了速度和位置的双闭环控制；采用了TMS320F2812DSP控制模块,实现了对多个关节电机的并行控制；设计了CAN总线通信模块,实现了DSP控制模块之间的通信；采用了USB2.0串行总线通信模块,建立DSP控制模块与主控计算机的通信；设计了电源模块,实现了对机器人运动系统和控制系统的供电；设计了主控计算机上的软件
4、控制系统,将控制算法应用于机器人行走的实际控制。结合仿人机器人MIH-1平台，本文设计了基于角度的步态规划方案与传统的基于执行端位置的规划方法对比试验，分别在无地面摩擦力作用和右地卖弄摩擦力作用的情况下验证了基于角度步态规划的可行性和优越性。关键词:仿人机器人,运动控制,步态规划,电机控制,USB2.0,DSP,CAN总线MOTIONCONTROLSYSTEMOFHUMANOIDROBOTABSTRACTGaitplanningisanimportanttopicwhichinfluencesthetech
5、nologydevelopmentinthefieldofhumanoidrobotsresearch.It’sthetheoreticalbasisandkeytechnologytorealizestablebipedwalking.Inthisthesis,wefocusontheproblemofstabilizingahumanoidrobotonacompletewalkingcyclein3Dspace.Basedontheanalysisofpassivedynamicwalkingandm
6、echanicalenergyconsumption,weintroduceanewsimplegait-patterndesignlawcalledangle-constraintgaitdesignextendedfromthepreviouswork.Bytheeffectoftheproposedstrategy,wegenerateadesiredstablewalkingpatterntooptimizetheoriginalmodel.Thegaitplanningalgorithmswere
7、utilizedinthebipedallocomotionexperimentsofarealhumanoidrobotMIH-1.Wemakeasystematicalinvestigationonhumanoidrobotmotioncontrolsystemabroadandinland,andanalyzethecomponents,hierarchicalstructureandthespecialrequirementofthebipedhumanoidrobotprototype.Thenw
8、epresentadistributedservocontrolsystembasedonCAN-BusforthehumanoidrobotMIH-1.Thehardwareandsoftwaredesignofthecoordinationlevelandexecutionlevelofthecontrolsystemisclearlygiveninthethesis.Thiscontrolsystemisb
