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1、华中科技大学 硕士学位论文 多足步行机器人分布式分层控制系统研究 姓名：蒲华燕 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：陈学东 20070530 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 模块化可重构多足步行机器人由几何特征及功能相似的可交换模块组成。它既具 有可重构机器人能够根据工作环境和工作任务要求来改变自身结构的能力，又具有多 足步行机器人对复杂地形的良好适应能力以及较高的灵活性，因此成为机器人研究的 一个热点，本文以模块化可重构多足步行机器人为研究对象，围绕机器人控制系统展 开了研究，具体的研究工作包括以下几
2、个方面： 针对模块化可重构多足步行机器人的机构特点，设计了一套分布式分层控制系 统。该系统由上层 PC 机、机身控制器和多个底层控制器组成（底层控制器数量由机器 人的具体构型决定） 。其中上层 PC 机主要完成运动规划、步态生成等上层功能，机身 控制器负责从 PC 机接收运动数据并协调各底层关节运动，底层控制器负责控制和驱动 关节电机按运动指令运动。 设计了基于 ARM 微处理器和/c osII嵌入式实时操作系统的机身控制器，该控 制器具有良好的实时性、可靠性和可扩展性。并提出了一种底层模块的 ID 自识别方 法，能很好地支持多足步行机器人的重构。设计并选择具有传输速度快、即插即用的 特点的
3、USB 总线作为机身控制器与 PC 机之间的通信接口，以满足机身控制器与 PC 间有大量数据需要实时交换的要求，同时更好的支持了机器人的可重构和可扩展性。 在底层驱动软件的基础上制定了适用于机器人数据传输的应用层通信协议。 基于 CAN 总线的底层控制器位于机器人分布式控制体系底层。它采用了微处理 器、专用的运动控制和驱动芯片以及光电编码器，实现了机器人关节的伺服闭环运动 控制。采用 CAN 总线作为模块间的通信接口，有效地支持了多关节实时控制。 在模块化可重构多足步行机器人 MiniQuad 上进行了步行足分布式控制器性能测 试、多关节协调运动控制算法研究以及腿臂融合功能测试，实验结果验证了
4、该分布式 分层控制系统的有效性。 关键词关键词：多足步行机器人 分布式控制系统 CAN 总线 模块化 可重构 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract Modular reconfigurable multilegged walking robot consists of exchangeable modules that have the similar geometric features and functions, and the function of the module defines its posit
5、ion in the robot. Due to its capability to change its configuration according to the external environment and the requirement of tasks, good adaptability to complex terrain and high flexibility, Modular reconfigurable multilegged walking robots have become a research hotspot. This paper focuses on t
6、he robots control system of a modular reconfigurable multi- legged walking robot. The work is as follows: According to the mechanism characteristics of the modular reconfigurable walking robot, a distributed hierarchical control system is presented. The control system composed of a PC- based compute
7、r, a body-level controller and several base-level controllers (the number is decided by the configuration of the robot). The PC-based computer is responsible for the motion planning, trajectory generation, gait generation, and computation of kinematics, etc. The function of the body-level controller
8、 is communication with PC and generating the motion command of each base-level controller. Each base-level controller controls one joint module to move according to the motion command. Modularized structure has been widely used in the design of hardware and software to enhance the error tolerance. T
9、he body-level controller based on ARM7 microprocessor and embedded real-time operating system is proposed, which has the features of real-time, reliability and extension. No only because huge real time data is transmitted between PC and body-level controller, but also for realizing robot modularizat
10、ion and extensibility interface of data bus with plug and play function the USB bus is chosen, and the application layer communication protocol is formulated. The based-level controller based on CAN bus, which is located on the base level of the robots distributed control system architecture, is des
11、igned and realized. The microprocessor, dedicated motion controlling and driving chip, optical encoder are adopted to realize the joints closed-loop servo motion control. CAN bus is introduced as the communication interface for different modules and it supports the multi joints real-time control eff
12、ectively. At last, we build the test platform of the modular reconfigurable walking robot. A serial of experiments are carried out including the multi joint coordinate locomotion experiment and the integrated arm and leg movement experiment. The results validate the distributed hierarchical control
13、system of the modular reconfigurable walking robot. At the same time, a improvement scheme of gait generation is also proposed. Keywords: multilegged walking robot, distributed control system, modular, reconfigurable, CAN bus 独创性声明 本人声明所呈交的学位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，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他
14、个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本论文属于 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年
15、月 日 保密，在 年解密后适用本授权书。 不保密。 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1 绪绪 论论 随着现代科技的进步与发展，机器人作为典型的机电一体化装备其应用受到越来 越多的关注，人们不仅希望机器人能完成各种固定的复杂任务，还希望机器人能灵活 的适应工作环境和工作任务的改变。模块化可重构步行机器人既拥有步行机器人能在 复杂非结构环境中稳定行走的能力，还能在不重新开发的情况下，根据工作环境和工 作任务改变结构来完成工作任务。因此该类机器人可以代替人类完成许多复杂的危险 作业，同时在教育、娱乐等领域也用广泛的应用前景。目前，模块
16、化可重构步行机器 人已成为了国内外学者研究的热点之一，研究模块化可重构多足步行机器人有着重要 的现实意义和实用价值。 1.1 课题来源以及研究目的课题来源以及研究目的 课题来源：国家自然科学基金（50675079）资助项目、教育部留学回国人员科研启 动基金。 课题研究目的：以模块化多足步行机器人实验平台 MiniQuad 为研究对象，研究了 机器人模块化、分层式的控制系统结构及系统软硬件相关问题，并进行了一系列的仿 真与实验，以使机器人获得良好的运动特性及可靠的重构能力。 1.2 国外内研究状况国外内研究状况 1.多足步行机器人控制系统研究状况多足步行机器人控制系统研究状况 多足步行机器人的出现可以追溯到中国三国时期的“木牛流马”，国外的最早记 载是 1893 年 Rygg 设计的机械马 1 。此后多足步行机器人经过近百年的发展，取得了 长足的进步，随着电子、计算机技术的发展，多足步行机器人控制器的设计也经历了 从
