《基于智能体的仿人机器人控制系统设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于智能体的仿人机器人控制系统设计（77页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、上海交通大学硕士学位论文 I 基于智能体的仿人机器人控制系统设计 基于智能体的仿人机器人控制系统设计 摘 要 仿人机器人具有众多的关节与自由度，包括双臂、颈部、腰部、双腿等，这些关节要连接在一起，进行统一的协调控制，这就对控制系统的可靠性、实时性都提出了更高的要求。因此，控制系统性能的好坏对整个仿人机器人系统的影响是至关重要的。 为了提高仿人机器人控制系统的稳定性和实时性，特别是遇到异常情况时的稳定性和实时性，本文通过分析了各种控制系统的优缺点后，然后对分布式控制系统进行了改进，提出了基于智能体的仿人机器人分层控制系统。该系统主要由主控层、通讯层和执行层三部分构成，其中执行层被划分为多个智能体
2、，每个智能体具有自己的处理器、关节驱动器和传感器。每个智能体都具有一定的自主性，不仅可以将相应传感器的数据转换为机器人的实际状态，而且可以直接对机器人的一些异常情况进行处理，提高了系统处理突发事件的实时性，还能够协同主控层检测机器人肢体碰撞，缩短了机器人检测肢体碰撞的时间。 为了满足基于智能体的仿人机器人控制系统的性能，采用 TI 公司的DSP TMS320F2812 和 Xilinx 公司的 CPLD 设计了运算、通信能力强大的控制器，提高了控制系统的性能。同时采用实时内核 uC/OS-II 作为控制器的操作系统，提高了控制系统的实时性。 将设计好的控制系统软件硬件应用到 MIH-1 仿人机
3、器人上进行实摘要 II 验，首先进行单个关节的运动控制调试，验证了控制系统的驱动能力可以满足 MIH-1 运动控制的要求；然后进行了 MIH-1 的协调性实验（如步态行走实验） ，验证了控制系统可以控制 MIH-1 进行行走；最后将基于智能体的仿人机器人控制系统和一般的分布式控制系统分别应用到MIH-1 上，进行了一些实验，如处理机器人异常情况（遇到障碍物和关节卡死）和检测机器人肢体碰撞的实验，实验结果表明前者在处理类似问题的时候具有显著的优越性。 关键字：关键字：仿人机器人，分层控制系统，智能体，实时性，关节控制器 上海交通大学硕士学位论文 III Agents Based Control
4、System Design for Humanoid Robot ABSTRACT Humanoid robot has many joints, such as arms, neck, waist and legs. To combine all these joints together and coordinate them to accomplish desired tasks, what the humanoid robot needs is a control system that has high real-time ability and stability. Therefo
5、re, to choose a suitable control system is significant to a humanoid robot system. To improve humanoid robot stability and real-time performance in unexpected conditions, this paper presents a novel hierarchical control structure based on multi-agents, including main control layer, communication lay
6、er and execution layer. The execution layer consists of some agents and each agent has its own controller, motor drivers and sensors. Each agent not only can detect self-collisions between robot links cooperating with main control layer, but also has the ability to detect and deal with some unexpect
7、ed conditions of the robot directly. Thus the computation burden on main control layer is reduced and real-time performance of the system is improved. To realize the control performance of the control system, I employ the processor of TMS320F2812 of TI Corporation and CPLD of Xilinx Corporation to d
8、esign the joint controller, which has high computation and communication performance. Besides, I choose the real-time kernel operating system uC/OS-II as the operating system of the controller, ABSTRACT IV improving the real-time ability of the control system. At last, I employ the hardware and soft
9、ware of the control system to the MIH-1 and do some experiments. First, the solo joint control experiment shows the driven capability of the control system. Second, the walking experiment shows the control system can drive the MIH-1 to walk. In the end, I do the unexpected condition solving experime
10、nts using traditional distributed control system and the novel control system presented in this paper respectively, the results show that the proposed method can improve the validity and feasibility of MIH-1. KEY WORDS:KEY WORDS: Humanoid Robot, Hierarchical Control System, Agent, Real-time Performa
11、nce，joint controllor 上海交通大学上海交通大学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，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：陈健 日期：2007 年 1 月 27 日 上海交通大学上海交通大学 学位论文版权使用授权书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，同意学校保留并向国家有关部
12、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。本人授权上海交通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。 保密保密，在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名：陈健 指导教师签名：苏剑波 日期：2007 年 1 月 27 日 日期：2007 年 1 月 23 日 上海交通大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 本章首先介绍了仿人机器人的研究背景，接着讲述了国内外仿人机器人的发展情况；然后，详细分析了仿人机器人控制系统的特点，以及仿人机器人控制系统所必须具
13、备的特点；最后介绍了本文的主要工作和研究内容。 1.1 引言 仿人机器人是一门集电子、机械学及控制工程学、仿生学，计算机科学等多学科融合交汇的综合性学科，不仅涉及到线性、非线性、基于多传感器信息融合及其实时控制技术，而且还囊括了复杂机电系统的建模，数字仿真技术及其混合系统控制的研究等方面的技术，它代表了机电一体化的最高成就，是目前科学技术发展最活跃的领域之一1，2。 仿人机器人不同于一般的工业机器人，它具有灵活的移动系统，步行技术是人与大多数动物所具有的移动方式，是一种高度自动化的运动，对于环境具有很强的适应性，相对于轮式、履带式及蠕动式移动方式而言，具有更广阔的应用前景3，4。 其突出优点主
14、要归纳为以下几点： (1) 仿人机器人能适应各种地面且具有较高的越障能力， 能够方便的上下台阶及通过不平整、 不规则或较窄的路面， 它的移动 “盲区”很小。(2) 仿人机器人能耗较小，因为机器人可具有独立的能源装置，因此在设计时应充分考虑其能耗问题。(3) 仿人机器人具有广阔的工作空间，由于行走系统的占地面积很小，而活动范围很大，所以为其配置的机械手提供了更大的空间范围， 同时也可使机械手臂设计的较为短小紧凑。 (4)双足行走是生物界难度最高的步行动作，但其步行性能却是其它步行结构所无法比拟的。 双足机器人的研究目标是瞄准了其广泛的应用前景，目前机器人应用领域已经不仅是传统的比如在取代危险环境
15、下人类的工作、工厂的维护和不平整地面的货物搬运以及灾害救助等方面。而随着社会老龄化程度的不断加深，在护理老人、康复第一章 绪论 2 医学以及在一般家庭的家政服务等方面也已经得到了广泛的应用，而双足机器人无疑在这一变化中将大有作为5-8。 随着控制理论、计算机技术以及多传感器信息融合技术的发展，世界机器人发达国家的学者在双足步行机器人技术的理论和实验上作了大量的研究，这种现象的出现最可能的解释是双足步行机器人具有更强的机动性和灵活性，具有更广阔的应用前景。 鉴于以上情况， 我国也将双足步行机器人技术列为国家自然科学基金及 863等项目予以大力地支持。目前，国内对于小型仿人机器人研究和开发的单位很
16、少，而从国外开发投入来看，其具有巨大的应用市场，本文就是在这样的背景下开展研究工作的，针对上海交通大学智能机器人研究中心自行设计的小型仿人机器人MIH-1 设计相应的控制系统，达到控制 MIH-1 运动的目的。 1.2 国内外研究概况 仿人机器人的研制开始于上世纪 60 年代末，至今只有四十多年的历史，然而，仿人机器人的研究工作进展迅速。国内外许多学者正从事于这一领域的研究，如今已成为机器人技术领域的主要研究方向之一。 上世纪 70 年代，由于生物学、控制理论和电子技术的发展，人们开始对类人行走进行系统的研究，从那以后的三十年，双足步行机器人技术得到飞速的发展。从最初的静态行走9，只能在平面上行走发展到拟动态行走10、动态行走11、斜坡上的行走甚至实现跑步12。动态行走是双足步行机器人提高行走速度和研究的必然发展方向13。 近年来，特别是本田公司推出的“P2” ， “P3”及其后推出的 Asimo（图 1-1） ，把仿人型双足机器人技术的研究再次推到了高潮14。同时在小型仿人机器人领域也出
