文档介绍：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，数字信号处理器，运动控制，正交解码
II
ABSTRACT
MOTION CONTROL SYSTEM DESIGN OF HUMANOID
ROBOTS
ABSTRACT
Humanoid robots can be considered as nonlinear high-order systems
with multiple degrees of freedom and non-complete constraints, spanning
many research fields, such as mechanics, electronics, communication,
computer science, bionics, etc. As a result, the research on humanoid
robots may serve as an ideal experimental platform for kinetics, dynamics,
simulation technology, sensor fusion, control theory and so on. As the
kinematic performance of a robot is directly influenced by its motion
control system, thus the kinematic research and development has
remained as one key area in the research of humanoid robotics.
Furthermore,