双足步行机器人控制电路设计与实现_图文(精)
两足行走机器人行走部分的设计
目录1 绪论 (1)1.1 引言 (1)1.2 机器人的发展及技术 (1)1.3 两足机器人的优点及国内外研究概况 (2)1.4 本课题的主要工作 (7)2 双足机器人本体结构设计分析 (8)2.1 引言 (8)2.2 两足机器人的结构分析 (8)2.3 机器人设计思路 (9)2.4 机器人设计方案 (10)2.5 驱动方式的选择 (11)3 双足机器人的具体制作 (11)3.1 双足机器人的材料选择 (11)3.2 双足机器人的零件加工 (11)3.3 两足机器人的组装 (14)3.4 两足机器人相关数据 (17)3.5 两足机器人总体尺寸 (17)3.6 舵机具体参数 (18)4 课题总结 (18)结束语 (19)致谢 (20)参考文献 (21)1 绪论1.1 引言目前，机器人已形成一个不同技术层次、应用于多种环境的“庞大”家族，从天上到地下，从陆地到海洋到处都可以看到机器人的身影。
世界著名机器人专家，日本早稻田大学的加藤一郎教授曾经指出“机器人应当具有的最大的特征之一是步行功能”。
步行机器人的研究涉及到多门学科的交叉融合，如仿生学、机构学、控制理论与工程学、电子工程学、计算机科学及传感器信息融合等。
仿人形机器人正成为机器人研究中的一个热点，其研究水平，在一定程度上代表了一个国家的高科技发展水平和综合实力。
研究仿人形双足步行机器人，除了具有重要的学术意义，还有现实的应用价值。
1.2 机器人的发展及技术1.2.1 机器人的发展20世纪40年代，伴随着遥控操纵器和数控制造技术的出现，关于机器人技术的研究开始出现。
60年代美国的Consolidated Control公司研制出第一台机器人样机，并成立了Unimation公司，定型生产了Unimate机器人。
20世纪70年代以来，工业机器人产业蓬勃兴起，机器人技术逐渐发展为专门学科。
1970年，第一次国际机器人会议在美国举行。
经过几十年的发展，数百种不同结构、不同控制系统、不同用途的机器人已进入了实用化阶段。
基于SERCOS总线的两足步行机器人分布式运动控制系统
个轴 如采用 °
2
以在 到
的传输速率 ≥∞ ≤ ≥ 可 内完成 个轴的通信 占用的 ≤ ° 资源不
≥
和
初始化 ≥∞ ≤ ≥ 环 并且管理 环上的数据通信 包括实时数据通信! 服务通道和故
障诊断等 通过动态链接库和实时软件来建立 ≥∞ 2 ≤ ≥ 之间的通信 我们设定 ≥∞ ≤ ≥ 总线的传输速率为 两足步行机器人的腿部共有 个自由度 轴 控制器每次向每个控制节点发送 控制节点向主控制器回送 量 每个数据占 的 还需
使机
确定为欧洲标准 ∞
≥∞ ≤
器人的体积和重量都大大地减小了 Π 机器人的计 算机板在机器人的背部 直接与每个关节驱动电机 连线 而 Π 机器人的计算机放在相应腿和臂关节上 控制关节运动 这些计算机象局域网一样采用内部 总线连接 连线的数量大幅度减少 从 根减到了 根 由于连线和体积的减少 Π 的能耗只相当于 多个减 Π 的 Ù 连接器和接触器的数量也从 个 大大提高了机器人的可靠性 少到 在考察了国内外两足步行机器人控制系统的发 展之后 我们决定采用国际上先进的基于现场总线 和数字伺服驱动器的分布式运动控制系统 采用这 种结构可以使控制系统实现硬件的模块化 通信的 数字化 提高了系统的实时性和准确性 降低主控制 器的负担 减少系统的体积和功耗 增强系统的开放 性! 可靠性和鲁棒性 使得控制系统可以完成以前集 中控制方式难以实现的复杂的任务 而选用何种总 线结构 是决定控制系统性能的关键要素之一
机
器
人
× √ ƒ∏ ∏ ∏ ∏∏ ≤ ⁄ Ù ƒ∏ ∏ ≥ ∏ 2 ≤ 2 9 × ≥ ∏ 26 × ⁄ ∏ ≤ ∏ √ √
考虑到数据间隙和采样! 步态! 姿态规划时间 控制 主机的控制周期可保证在 高的传输速率 目前最高可达到 完成步行机器人的 将上肢 静态和动态行走的控制是没有问题的 如果采用更
双足机器人参数设计及步态控制算法
制算法的改进方向，为未来的研究提供参考。
05
结论与展望
研究工作总结
01
参数设计优化
通过深入研究双足机器人的动力学特性和运动学要求，我们成功优化了
机器人的各项参数，包括惯性参数、连杆长度、关节角度范围等，从而
提升了机器人的稳定性和运动效率。
02
步态控制算法开发
我们开发了一种基于深度强化学习的步态控制算法，该算法能够根据不
VS
控制硬件
双足机器人的控制系统硬件需要具备足够 的计算能力和实时性能，以支持复杂的步 态控制算法和传感器数据处理。选择高性 能的处理器和专用的运动控制芯片，可以 确保机器人对行走指令的快速响应和精确 执行。
动力系统设计参数
要点一
能源供应
双足机器人的动力系统需要为其提供足够的能源供应，以 确保持续稳定的行走能力。选择合适的电池类型和容量， 以满足机器人的能量需求，并在必要时进行能源管理和优 化，以延长机器人的行走时间。
步态稳定性与优化
步态稳定性分析
通过建立机器人的稳定性判据，分析不同步态下的稳定性，为步 态控制算法提供理论指导。
最优控制
以能量消耗、行走速度等为目标函数，通过优化算法求解最优步态 控制策略，实现机器人的高效行走。
仿生学优化
借鉴生物行走的步态特征，对机器人的步态进行优化，提高机器人 在复杂环境中的行走性能。
意义
双足机器人具有人类类似的行走能力，能够在复杂地形中进行灵活移动，这对 于救援、探索等任务具有重要意义。同时，研究双足机器人也有助于我们更深 入地理解人类行走的机理。
双足机器人的应用领域
01
02
03
04
救援领域
在灾难救援场景中，双足机器 人能够跨越障碍，进入危险区
足球机器人控制系统设计
摘要机器人足球和足球机器人是近几年在国际上迅速开展起来得高技术对抗活动。
本文以机器人世界杯为背景，采用数字信号处理器(DSP)作为核心芯片，研究足球机器人的控制系统设计以及相应的控制算法应用。
通过研究足球机器人的运动特性及控制，能为将来进一步探讨例如机器人路径规划、人工智能及多机器人合作等研究打下基础。
本文首先介绍了足球机器人的兴起，足球机器人的现状及其意义。
接着讨论了足球机器人的体系结构，机器人比赛的系统的组成，工作模式及系统结构，然后简要介绍了足球机器人的比赛的要求，并在最后讨论了控制的对象即我们设计的足球机器人的机电系统结构，包括所选用的电机及其各种运动结构的设计。
第三、四、五章是本文的核心部分，第三章讲述了关于机器人控制系统的硬件电路设计。
首先根据控制要求分析系统所需的硬件结构，然后针对每一部分进行电路设计分析。
第四章是关于控制系统的软件策略。
首先根据系统的控制求介绍了软件控制的总体思想与机构，然后分析机器人的动力学和运动学模型，在建立模型的基础上阐述算法的应用。
第五章是关于足球机器人的决策子系统的体系结构及其模型的建立。
关键词：足球机器人、TMS320LF2407、运动控制、建模、决策子系统ABSTRACTSoccer robots and RoboCup are the high technology activities in recent years that have attracted wide concerns among many countries. Based on RoboCup，this paper deal with the design and research of control system of robot by using a new core CPU (DSP). The main concerns of this paper are soccer robots and I hope with the design of soccer robots, some research on their locomotive properties and control systems, this could build up solid foundation for further research in such areas as Mobile Robot Path Planning, Artificial Intelligence and Multi-Agent Collaborative Behavior.Having introduced the rise of the soccer robot at first, current situation and meaning of the soccer robot. the impact of medium-sized group of robot competition system, the working model and system architecture, and then briefly introduced robot soccer competition requirements, and discussed in the final control of the object that we design the mechanical and electrical soccer robot system architecture, including the selection of the motor and the design of the structure of a wide variety of sports.Chapter three , four and five is mainly concerned. Chapter three is concenred with the hard ware design of control system. It firstly analyzes the hard ware structures and then there are detailed design and analysis on each structure. Chapter four deal with software strategies. Firstly it discusses he software structures according to the system requirements, and then it analyzes Dynamic Model and Movement Model，It analyzes use of some control arithmetic.The fifth chapter is on the soccer robot decision-making subsystem architecture modelKey words: Soccer robot、TMS320LF2407、Motion control、Modeling、Decision subsystem摘要 (1)ABSTRACT (2)第一章绪论 (5)1.1 足球机器人的简介 (5)1.2.1 RoboCup中型组足球机器人研究现状 (8)1.2.2 RoboCup中型组足球机器人研究意义 (8)1.4本章小结 (9)第二章足球机器人的体系结构 (9)2.1机器人足球的系统原理组成 (10)2.2足球机器人的系统工作模式 (12)2.3足球机器人的系统结构组成 (13)2.4足球机器人的技术要求 (14)2.5足球机器人机电结构系统[]6 (16)第三章足球机器人控制系统硬件设计 (20)3.1控制系统的硬件电路的组成结构[]7 (20)3.2.1 TMS320LF2407的简介 (21)3.2.2基于TMS320LF2407的主控系统设计[]10 (22)3.3电机驱动电路设计[][]1211 (24)3.3.1直流电机调速控制原理 (24)3.3.2直流电机驱动设计[]13 (25)3.4传感器电路设计[]7 (27)3.4.1加速度传感器电路设计[]14 (27)3.4.2近红外探测传感器的电路设计[]8 (30)第四章足球机器人的控制对象建模 (33)4.1控制系统的具体要求[][][]1715 (33)164.2足球机器人的动力学建模[]18 (35)4.3足球机器人的运动学建模[]19 (38)第五章中型足球机器人决策子系统分析与设计 (42)5.1 决策子系统分析 (42)5.1.1 决策子系统的任务 (42)5.1.2 决策子系统的特点 (44)5.2 决策子系统的体系结构 (44)5.2.1 决策子系统模型 (45)5.2.2 自上而下的分层递阶决策推理模型 (46)第六章总结与展望 (50)6.1 总结 (50)6.2 对今后工作的展望 (51)参考文献 (52)致谢 (54)附录一英文科技文献翻译 (55)附录二毕业设计任务书 (65)第一章绪论1.1 足球机器人的简介一、起源机器人足球的最初想法由University of British Columbia, Canada 的Alan Mackworth 教授于1992年正式提出。
双足机器人运动控制系统设计
双足机器人运动控制系统设计I. 引言双足机器人是一种特殊的机器人，其结构设计和控制方法相对比较复杂。
为了实现双足机器人在不同地形上稳定地行走和完成各种任务，需要一个完善的运动控制系统。
本文将介绍双足机器人运动控制系统的设计。
II. 双足机器人结构设计双足机器人的结构设计主要包括身体结构和腿部结构两部分。
1. 身体结构双足机器人的身体结构一般是由上下两部分组成。
上部分通常包括头部、脖子、躯干、手臂等组成，下部分则是由两条腿和脚组成。
2. 腿部结构双足机器人的腿部结构通常是由腿部骨架、电机、传感器和连杆等组成。
电机主要用于控制腿的运动，传感器可以检测腿的状态，通过控制电机来保持机器人的平衡。
同时，为了保证机器人在不同地形上的行走稳定性，腿部结构也采用了复杂的设计。
III. 双足机器人运动控制系统概述双足机器人的运动控制系统主要包括以下部分：运动规划、状态估计、运动控制和安全保护。
1. 运动规划双足机器人的运动规划是指如何规划机器人的运动轨迹。
对于双足机器人这种高自由度的机器人来说，运动规划就显得尤为重要。
一个好的运动规划方案可以让机器人更加高效地完成各种动作和任务，同时可以防止机器人在运动时出现干扰和失衡情况。
常见的运动规划方法包括轨迹生成法、优化方法和模型预测控制法等。
2. 状态估计状态估计是指通过传感器检测机器人当前状态，并对其状态进行估计。
状态估计是双足机器人运动控制系统中的一个重要环节，其主要作用是为后面的运动控制提供状态信息。
状态估计的常见方法包括视觉传感器、陀螺仪、加速度传感器和力传感器等。
3. 运动控制运动控制是指在双足机器人的运动过程中，通过运动控制算法和控制器来控制机器人。
运动控制主要包括关节控制、力控制和位置控制等。
关节控制是指通过控制机器人各个关节的转动角度来控制机器人的运动。
力控制是指通过传感器检测机器人受力情况，通过控制机器人的力来控制其行走。
位置控制是指通过控制机器人的姿态和位置来控制运动。
双足仿生机器人行走机构设计
双足仿生机器人行走机构设计1. 引言双足仿生机器人是一种模仿人类步行方式的机器人，其行走机构的设计是实现机器人自主行走的关键。
本文将介绍双足仿生机器人行走机构的设计原理、结构与控制方法。
2. 设计原理双足仿生机器人的行走机构设计基于人类步行的原理。
人类步行是一种交替进行的两足动作，每步分为摆动相和支撑相。
在摆动相中，一只脚离地，并向前摆动；在支撑相中，另一只脚着地支撑身体。
机器人的行走机构需要模拟这一过程，通过控制各关节的运动实现机器人的步行。
3. 结构设计双足仿生机器人的行走机构包括传感模块、控制模块和执行模块。
传感模块用于感知机器人身体姿态和环境信息，如倾斜角、步长和地面状态等。
控制模块根据传感器信号和预设的步态参数计算关节的运动轨迹和力矩控制信号。
执行模块根据控制模块的指令，控制各关节运动，实现机器人的步行。
具体的结构设计包括：3.1 关节设计双足仿生机器人的关节设计需要考虑力矩传输、运动范围和结构强度等因素。
一般采用电机驱动的关节设计，通过控制电机的转动角度和力矩，实现机器人的步行动作。
3.2 脚底设计机器人的脚底设计需要考虑地面的摩擦力、稳定性和抗震性等因素。
一般采用具有摩擦力的材料作为脚底，例如橡胶或塑料材料。
同时，在脚底设计中还可以添加传感器，用于感知地面的状态和表面特征。
3.3 稳定性设计双足仿生机器人的稳定性设计是保证机器人能够在不倒地的情况下行走。
稳定性设计包括重心的控制、姿态的调节和动态平衡控制等。
通过控制机器人的关节运动和重心转移，使机器人能够保持平衡并行走。
4. 控制方法双足仿生机器人的行走机构控制方法包括开环控制和闭环控制两种。
4.1 开环控制开环控制是指根据预设的步态参数，通过控制各关节的运动轨迹和力矩，实现机器人的步行。
开环控制简单但稳定性较差，容易受到外界干扰影响。
4.2 闭环控制闭环控制是根据传感器信号和控制模块的反馈信息，实时调整关节的运动轨迹和力矩，以实现更加稳定的步行。
机器人双足步态控制方法的研究与实现
机器人双足步态控制方法的研究与实现第一章绪论在过去几年中，机器人技术得到了长足的发展，已经越来越多地应用于制造业、医疗、军事、物流等领域。
与此同时，双足机器人也在逐渐增加相关应用领域。
随着科技的发展，双足机器人已经成为人类研究和开发的核心领域之一。
在人机交互方面，双足机器人可以更好地模仿人类步态，同样双足机器人也可以在危险的环境中或已经不适用于人类的环境中工作，如铁路维护、搜救行动和灾难应对等。
在双足机器人应用领域中，步态控制是一个非常重要的研究方向。
如何建立双足机器人的步态并对其控制，就是该领域的重要研究内容之一，是该领域研究的重点。
本文旨在对双足机器人步态控制方法的研究和实现进行分析和探讨。
第二章双足机器人步态控制的相关研究现状步态控制是双足机器人研究领域的重点，其研究现状主要包括以下方面：2.1 基本控制方法双足机器人的步态控制主要有两种基本方法：一种是基于动力学模型的控制方法，一种是基于模糊理论的控制方法。
基于动力学模型的控制方法，可以通过建立系统的动力学模型、控制器模型和仿真系统模型来实现。
基于模糊理论的控制方法，其主要特点是可以提高系统的自适应性和鲁棒性，从而提高系统的运动稳定性。
这种方法主要应用于模糊控制算法中，可以较好地解决系统中的死区和不确定性问题。
2.2 步态规划方法双足机器人的步态规划方法主要有基于参数曲线、基于较多来源等多种方法。
基于参数曲线的步态规划方法可以将双足机器人的运动轨迹细分为不同的部分并进行分析，从而得到实现步态控制的参数和条件。
基于多方面来源的步态规划方法则可以充分利用不同信息来源，如IMU、视觉甚至声音等，从而达到更为精确的运动控制效果。
2.3 双足机器人的步态仿真和实验研究在步态仿真和实验研究中，通常使用一些经典的运动过程和PID控制，通过建立双足机器人的运动模型，使用MATLAB、Simulink等工具进行建模和仿真，实现对双足机器人的控制和仿真操作。
双足步行机器人嵌入式控制系统设计分析
双足步行机器人嵌入式控制系统设计分析目录1. 内容描述 (2)1.1 研究背景 (2)1.2 机器人概述 (3)1.3 控制系统设计目标 (4)2. 机器人系统平台介绍 (5)2.1 机器人结构设计 (7)2.1.1 机械结构 (8)2.1.2 驱动系统 (9)2.1.3 传感器配置 (10)2.2 硬件平台构成 (12)3. 嵌入式控制系统设计 (14)3.1 系统架构设计 (16)3.1.1 微处理器选择与性能分析 (17)3.1.2 实时操作系统选取与配置 (19)3.1.3 硬件接口与通信协议 (20)3.2 算法设计与实现 (21)3.2.1 步态规划与控制算法 (23)3.2.2 平衡控制算法 (25)3.2.3 传感器数据处理与融合算法 (26)4. 控制软件开发 (28)4.1 软件开发环境及工具选择 (29)4.2 驱动程序编写与调试 (30)4.3 控制算法实现与优化 (32)4.4 系统测试与验证 (34)5. 实验结果与分析 (36)5.1 控制系统性能测试 (37)5.1.1 步态稳定性分析 (38)5.1.2 动态响应分析 (40)5.2 系统仿真与建模 (41)5.3 改进与展望 (42)1. 内容描述本文档旨在深入分析和设计一款双足步行机器人的嵌入式控制系统。
该系统作为整个机器人的核心组成部分，负责协调、控制并管理机器人的各项功能，确保其稳定、高效地行走和执行任务。
在双足步行机器人中，嵌入式控制系统负责接收和处理来自传感器、上位机和其他模块的数据，并根据预设的控制算法生成相应的控制指令，驱动机器人的关节和执行机构。
该系统还负责监控机器人的运行状态，进行故障诊断和安全性管理。
本文档将围绕双足步行机器人的嵌入式控制系统展开全面分析，包括硬件设计、软件架构、控制算法、传感器接口技术、通信协议以及系统集成与测试等方面。
通过深入研究这些关键技术，旨在为双足步行机器人的研发提供可靠、高效的嵌入式控制系统解决方案。