内蒙古工业大学科研训练报告

《内蒙古工业大学科研训练报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《内蒙古工业大学科研训练报告（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、学校代码：10128学 号：201130101024题 目：人形机器人控制系统设计 学生姓名：高金鹏学院：机械学院班级：机11-3指导教师：武建新2014年 12 月 27日目录1选题目的和意义11.1选题目的及来源11.1.1选题目的11.1.2课题来源11.2课题研究意义11.2.1研究现状及发展趋势11.2.2研究的主要内容22. 研究方案22.1方案确定22.2技术关键、实验条件及存在的问题32.2.1技术关键42.2.2实验条件及存在的问题42.3预期达到的目的43. 研究计划进度4参考文献61选题目的和意义1.1选题目的及来源1.1.1选题目的人形机器人可以代替人类去完成危险的或繁

2、重的工作。在有毒的、对人体有害的、 高温的、或危险的工作环境中，人形机器人可以代替人类去完成这些工作。对于一些 重复性和繁重的工作，人形机器人则完全可以代替人类保质保量的完成这些工作。人 形机器人技术的研究处于机器人方向的前沿，而小型化人形机器人更是当代科技研究 的热点之一。其中控制技术是人形机器人技术中的重要组成部分，决定了机器人性能 的优劣。1.1.2课题来源：内蒙古工业大学机械学院1.2课题研究意义1.2.1研究现状及发展趋势关于人形机器人的研究开始于20世纪60年代末，至今已有40多年的历史。 国内外的许多学者都在从事人形机器人的研究与开发，如今人形机器人已经成为机器 人技术领域里的主

3、要研究方向之一。我国在人形机器人方面的研究与发达国家相比总体上还有一定的差距，但在我国 学者的不懈努力下还是取得了丰硕的成果。在国家863计划、国家自然科学基金和 湖南省的支持下，长沙国防科技大学首次于1988年2月研制成功了六关节平面运 动型双足步行机器人。随后于1990年又先后研制成功了十关节、十二关节的空间运 动型机器人系统，并实现了平地前进、后退，左右侧行，左右转弯，上下台阶，上下 斜坡和跨越障碍等人类所具备的基本行走功能。近期在十二关节的空间运动机构上， 实现了每秒钟两步的前进及左右动态行走等功能。经过十年攻关，国防科技大学还研 制成功了我国第一台仿人型机器人一一“先行者”。实现了机

4、器人技术的重大突破。“先行者”有人一样的身躯、头颅、眼睛、双臂和双足，有一定的语言功能，可以动 态步行。2005年由北京理工大学牵头、多个单位参加历经三年攻关打造的双足人形 机器人“汇童”研制成功，如图1-3b所示。“汇童GDSC”仿人机器人的应用，使 我国成为继日本之后第二个仿人机器人走出实验室并投入实际应用的国家。我国人形 机器人的研究起步较晚，主要在基础理论上有一些突破，重点主要集中在机构、控制 系统和步态上，使机器人具有智能性和学习能力的研究才刚刚起步。人形机器人经过几十年的发展虽然实现了人的基本运动功能，但只是人形机器人 发展的初级阶段。未来人形机器人的发展主要从以下几个方面展开突破

5、：（1）操作机构设计的优化。探索新的高强度、轻质材料来进一步提高负载与自 重比，同时机构向着模块化、可重构方向发展；（2）控制技术。重点研究开放式，模块化的控制系统，以及友好的人机界面 和语言、图形编程界面；（3）多传感系其问题的关键。为进一步提高人形机器人的智能和适应性，多种 传感器的使用是解决其问题的关键，其研究热点在于有效可行的多传感器融合算 法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布情形下的多传感器融合算法；（4）虚拟机器人技术。基于多传感器、多媒体和虚拟现实以及临场感应技术， 实现人形机器人的虚拟遥控操作和人机交互；（5）多智能体控制技术。这是目前人形机器人研究的一个崭新领域。其研究主

6、要对多智能体的群体体系结构、相互间的通信与磋商机理、感知与学习方法、建 模和规划、群体行为控制等方面进行研究；（6）仿生技术。这是机器人技术发展的最高境界，目前仅在某些方面进行一些 基础性的研究1.2.2研究的主要内容本课题以工业机器人为研究对象。研制出一种人形的机器人控制系统。控制系统 是按照输入的程序对驱动系统和执行机构发出指令信号，并进行控制。2. 研究方案2.1方案确定（1）核心处理器：当前电动机控制系统的实现方法主要有模拟电路硬接线、微 控制器、通用计算机软件实现、专用芯片、FPGA/CPLD等可编程逻辑器件和可编 程DSP控制器。DSP集成了高性的运算单元、大容量的片上存储器和丰富

7、的外设电 路，保持了传统微处理器可编程、灵敏活性好、升级方便等优点，同时又提供了更高 的运算速度、精度和数据处理能力。（2）电机驱动：仿人机器人关节强耦合、多约束的特点要求控制系统复杂度尽量 减小，电机控制器数目应适量减少。控制器数目越多，需要协调和通信的数据越复杂， 导致系统性能降低。而控制器数目越少，集中程度越高，则处理器负荷重，导致局部 故障可能造成系统整体失效，使可靠性和稳定性降低。对于一般的仿人机器人，要实 现基本的行走功能，通常每条腿配置6个自由度（3个髋关节、1个膝关节、2个踝 关节），且自由度间紧密耦合。实现基本的上肢动作时，每条胳膊的自由度一般不多 于6个（不包括手指关节自由

8、度），因此，从功能配置及空间限制2个方面考虑，使 单个电机控制器控制6个关节自由度。在电机驱动方面，机器人的功能和应用场合 决定了其电机驱动电路的要求，即体积小、重量轻、控制功能复杂、精度高、工作可 靠耐用，关节电机通常采用中小功率的电动机，如直流电动机、无刷直流电动机、步 进电动机等。（3）位置反馈：在机器人的运动过程中，各关节负载不断变化，且关节间耦合 紧密，很难建立完备的运动学和动力学模型，必须依靠规划数据和外界传感器信息实 时调整控制策略。反馈信号由电机输出轴上的检测元件获得，电机每转过一周，编码 器会产生若干正交编码脉冲，该正交编码脉冲由2个具有1/4个周期（90 ）的固定 相移的脉

9、冲序列组成。电机转角由脉冲计数值得到。电机当前转向通过检测2列脉 冲的相位先后关系确定。（4）电机控制器和电机驱动器：电机控制器用于处理控制信号，从数据通信模块 获得关节运动序列数据，并转换成相应关节的角度和速度，发送给关节驱动器。经由 GPIO 口、串口和ADC读取传感器信息，滤波转换后送至协同运动处理模块。电机驱 动器实现功率变换，驱动电机绕组动作，并返回反馈信息。包括电源模块、频率-电 压转换模块、电压-电压转换模块、PWM控制模块、MOSFET功率放大模块、正交编码 测速模块、电路保护模块、电流监控模块等。该结构的优点在于其较好的通用性，配 合扩展电路，电机控制器易于实现通信、采集、信

10、号处理等任务，且便于与其他嵌入 式处理器协同工作和系统扩展升级。（5）通信接口：实现机器人和其他设备的信息交换，采用并行接口。（6）网络接口： Ethernet接口：可通过以太网实现数台或单台机器人的直接PC通 信，数据传输速率高达10Mbit/s，可直接在PC上用windows库函数进行应用程序编 程之后，支持TCP/IP通信协议，通过Ethernet接口将数据及程序装入各个机器人控 制器中。Fieldbus接口：支持多种流行的现场总线规格，如Device net、 AB Remote I/O、 Interbus-s、 profibus-DP、 M-NET 等。2.2技术关键、实验条件及存在

11、的问题2.2.1技术关键（1）记忆功能：存储作业顺序、运动路径、运动方式、运动速度有关的信息。（2）示教功能：离线编程，在线示教，间接示教。在线示教包括示教盒和导引示教 两种。（3）与外围设备联系功能：输入和输出接口、通信接口、网络接口、同步接口。（4）坐标设置功能：有关节、绝对、工具、用户自定义四种坐标系。（5）人机接口：示教盒、操作面板、显示屏。（6）传感器接口：位置检测、视觉、触觉、力觉等。（7）位置伺服功能：机器人多轴联动、运动控制、速度和加速度控制、动态补偿等。（8）故障诊断安全保护功能：运行时系统状态监视、故障状态下的安全保护和故障 自诊断。2.2.2实验条件及存在的问题实验方案如

12、下：1）先在工大机器人研究所进行传感器检测实验，对运行系统进行调试，为联机实 验打下基础；2）对人形机器人程序进行反复的调试实验；3）在工大机器人研究所进行反复的整体调试实验；4）在工大机械学院进行现场调试；2.3预期达到的目的1）所开发的人形机器人的可靠性与安全性。2）通过编程对人形机器人进行预设控制。3）脱模作业过程的关键参数能够实时显示并监控。4）运作是出现问题能够自我诊断。3. 研究计划进度进度安排：第一阶段（2014年12月21-22）:收集资料，阅读相关文献；第二阶段（2014年12月23-24）:编制人形机器人运行程序；第三阶段（2014年12月25-27）:对人形机器人系统开发

13、设计，并对所开发的 人形机器人控制系统进行调试运行；第四阶段（2014年12月27-28 ）：整理研究内容，撰写论文。参考文献1 Zhao Mingguo, Liu Li, Wang Jingsong, et al. Control System Design ofTHBIP-I Humanoid RobotC/Proceedings of the 2002 IEEE InternationalConference on Robotics and Automation. Washington, USA: s. n., 2002:2253-2258.2 陈健，雷旭升，苏剑波.基于智能体的仿人机器

14、人分层控制系统J.高技术 通信，2007, 17(6): 586-590.3 韩安太，刘峙飞，黄海.DSP控制器原理及其在运动控制系统中的应用M. 北京：清华大学出版社，2003.4 谭建成.电机控制专用集成电路M.北京：机械工业出版社，1997.5 Bohn C, Atherton D P. An Analysis Package Comparing PID Anti-windup StrategiesJ. IEEE Control Systems, 1995, 15(2): 34-40.6 Park. IW； Kim. JY； Cho. BK, etal. Control hardware

15、integrationofabipedhumanoid robot with an androidheadJ. ROBOTICS AND AUTONOMOUSSYSTEMS, 2008, 56, 95 一 i03.7 李允明国外仿人机器人发展概况J,机器人，2005, 27(6)： 561568.8 张利格。黄强，杨洁，时有，王志杰，JAFRI Ali Raza仿人机器人复杂动态动作设计及相 似性研究J自动化学报.2007. 33(5)： 522528.9 谢涛，徐建峰，张永学，强文义.仿人机器人的研究历史、现状及展望J.机器人技术及应用，2007(3)： 2934.10 宋健.智能控制超越世界的目标J.中国自动化学会通讯，1999(14)： 7.11 张茂川仿人机器人理论研究综述D.吉林：东北电力大学，2010(4)： 166 168.12 李磊，叶涛，谭明等.移动机器人技术研究现状与未来J.机器人，2002, 24(5)： 475480.13 章小兵，宋爱国.地面移动机器人研究现状及发展趋势J.机器人