内蒙古工业大学

【一】:内蒙古工业大学科研训练报告

科研训练开题报告

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 日内蒙古工业大学。

目录

选题目的和意义 (1)

1 选题目的及来源 (1)

1 选题目的 (1)

2课题来源 (1)

2课题研究意义 (1)

1研究现状及发展趋势 (1)

2研究的主要内容 (2)

研究方案 (2)

1方案确定 (2)

2技术关键、实验条件及存在的问题 (3)

1技术关键 (4)

2实验条件及存在的问题 (4)

3预期达到的目的 (4)

研究计划进度 (4)

参考文献 (6)

选题目的和意义

1 选题目的及来源

1 选题目的

人形机器人可以代替人类去完成危险的或繁重的工作。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。

2课题来源内蒙古工业大学机械学院

2课题研究意义

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——“先行者”。实现了机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

（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；内蒙古工业大学。

（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

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。

研究方案

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。内蒙古工业大学。

（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技术关键、实验条件及存在的问题

【二】:内蒙古工业大学论文封面

分类号: UDC: 学校代码: 10128 学号:

硕士学位论文（类

别全日制硕士研究生题目××××英文题目××××研究生××××学科名称××××指导教师××××副教授二○○八年六月

【三】:内蒙古工业大学论文封皮

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结课论文