文档介绍：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
仿人机器人控制系统的研究与开发摘要首先,确定了被控制对象——仿人机器人各组成部分的尺寸比例及其关节自次,介绍了机器人关节驱动电机的选型;分析了关节驱动电机——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,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。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。其电动机的动态数学模型。再次,介绍了仿人机器人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器在机器人感知系统中的应用。接着,分析了仿人机器人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;该关节控制器以虳为主处理器,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。其伺服控制算法采用模糊结合单神经元自适应乃?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个转动自由度的四P停⒘嘶魅宋蛔讼蛄浚⒗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,分层递阶控制系统,关节控制器,:制,单神经元自适应控制,步态规划,混合编码遗传算法河北工业大学硕士学位论文
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第一章绪论§氯嘶魅搜芯康囊庖机器人是近年来发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新科研成果,代表了机电一体化的最高成就。中国工程院宋健院士曾指出:“机器人学的进步和应用是世纪自动控制最有说服力的成就,是当代最高意义上的自动化。”机器人在工业、国防和科学技术中日益广泛的应用带来了巨大的经济和社会效益,也有力地推动了相关学科和技术领域的发展,从而使其成为一个活跃的、富有魅力的研究领域。仿人机器人是机器人中的一个重要分支,它具有类似人类的基本外貌特征和步行功能,还具有视觉、听觉等智能功能,它是在~定的环境中能够自主运动,并与人进行一定交流的服务性机器人。在人们对机器人的第一意识中,都把像人一样的机器人作为机器人研究的最高境界。机器人研究者也一直把实现类人的行为做梦寐以求的目标。仿人机器人不同于一般机器人,它具有灵活的行走系统,以便随时走到需要的地方,包括一些对普通人不易达到的地方和角落,完成人或智能系统预先设置指定的工作。仿人机器人也属于移动机器人,但自然界的事实、仿生学以及力学分析表明,仿人机器人与轮式、履带式机器人相比有许多突出的优点和它们无法比拟的优越性。它的特性主要体现以下方面:氯嘶魅四苁视Ω髦值孛媲揖哂薪细叩挠庠秸习哪芰ΑK茉诮峁够头墙峁够幕肪持惺现双足稳定行走,能在与人类同样的行动空间内移动,如跨越障碍,上下台阶,上下斜坡等。他机动性强,移动“盲区”很小。氯嘶魅说哪芎男;魅肆ρЪ扑惚砻鳎鹤闶交魅说哪芎耐ǔ5陀诼质胶吐拇健R虼烁种机器人可具有独立的能源装置。氯嘶魅司哂泄憷ǖ墓ぷ骺占洹S捎谛凶呦低痴嫉孛婊。疃段Ш艽螅晕F渑渲玫机械手提供了更大的活动空间。氯嘶魅擞涤欣嗨迫死嗌现ǖ牧教趸当郏⒃诒鄣哪┒擞辛街富蚨嘀甘植恳允迪质肿ト∥锾等功能。这样不仅可以满足一般的机器人操作需求,而且可以实现双臂协调控制和手指控制以实现更为复杂的操作。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