四足仿生机器人关节运动控制器研究与设计

1、四足仿生机器人关节运动控制器研究与设计 摘 要 仿生机器人是依据仿生学原理，模仿生物结 构、运动特性等设计性能优越的机电系统，已逐渐在反恐防 爆、太空探索、抢险救灾等复杂任务环境中突显出良好的应 用前景。目前国内外有关机器人控制系统存在问题在于设计 中通常用 AVR 系列微控制器 ， DSP 系列控制器等对机器 人系统进行控制。由于四足机器人需要在地面稳定运动，而 且对周围环境有很强的适应性，不仅需要实时采集其运动过 程中的姿态并且对其做出相应的调整，且需要实时感知足端 受到的地面冲击力然后对其控制，而 STM32 完全满足四足 机器人运动控制系统的要求。因此，设计了以其为核心的四 足机器人控

2、制系统，并具体地阐述了它的整体设计方案、软 件设计与硬件设计，最后通过仿真结果证明该设计能够实现 精确、实时控制四足仿生机器人。关键词 仿生机器人；运动控制系统；控制器； STM32 ； 中图分类号： TM771 文献标识码： A 文章编号： 1009-914X （ 2017） 12-0251-02Design and Research of Joint Motion Controller for Four - legged Bionic RobotMA Peng-bo( School of Information Engineering ， Henan Institute of Techno

3、logy ， Xinxiang 453000 ， China)AbstractBionic robot is based on the principle of bionics ， imitation of biological structure ， sports characteristics and other design performance of the mechanical and electrical system， has gradually in the anti-terrorism explosion ， space exploration ， disaster rel

4、ief and other complex mission environment highlights a good application prospects. At present， the problem at home and abroad is that the design of the AVR series of microcontrollers ， DSP series controller is difficult to control the small robot system. Because the quadruped robot needs to be stabl

5、e on the ground and has a strong adaptability to the surrounding environment ， it has a higher demand for the volume and weight of the control system ， and needs to acquire the attitude of the four steps in real time and make it The corresponding adjustment ， and the need for real-time perception of

6、 foot impact by the ground and then its control. And STM32 fully meet the quadruped robot motion control system requirements. Therefore ， the four-foot robot control system with its core is designed ， and its overall design scheme， software design and hardware design are expounded. Finally ， the sim

7、ulation results show that the design can realize the accurate and real-time control of the four-legged bionic robot aims.Key wordsBionic robot ； Motion control system ； Controller ； STM32 ；、八 、-前言?S 着机器人技术的迅猛发展， 在很大程度上刺激了人们 对机器人产品的强烈需求。在这种情况下，设计制造实用性 强，劳动效率高，具有较强的环境适应能力的机器人成为主 要设计方向。当前，人们所设计的仿生足类机器人

8、能够灵活 运动，能够快速地适应各种复杂的作业环境，发展前景非常 广阔。仿生四足机器人是一种典型的足式机器人，具有轮式 或履带式机器人不可比拟的优势：该类机器人具有对复杂地 面的良好适应能力；能够实现机身运动轨迹与足端运动轨迹 的有效解耦从而保证机身运动稳定；在合理的步态规划下能 够保证功率的最小损耗 1-3 。此外，为保证机器人具有足够 的自动化程度，要求机载控制系统能够实时地处理各种复杂 环境反馈信息，并能准确地发出控制指令，为了保证机器人 达到良好的运动特性，本文分别提出结构类似的分层式的控 制体系结构， 对控制任务进行分担， 提高系统实时性。 此外， 双足机器人步入四足机器人的承载能力强

9、，后者的稳定性更 好。而且四足机器人比六足机器人相比，前者的机构更加简 单、能够有效地适应作业环境， 具有良好的灵活性 4 。所以， 本文以四足类机器人作为自己的研究对象，设计和规划四足 机器人的运动控制器。 三、运动控制器的软件系统 设计在设计关节运动控制器的相关软件时，应该做好运动控 制、 CAN 通信与数据采集。 在系统上电复位后， 能够实施具 体的初始化程序， 它涵盖 LM629 与 CAN 通信等零部件的初 始化，在此基础上等着接收协调层的相关数据12 。为了更好地接收数据，增强系统自身的响应能力而运用了中断模 式，先要通过数据处理模块，将这些数据转换为 LM629 所 需要的格式。

10、 ARM 处理器能够把运动轨迹参数（比如速度、 加速度与位置值） 和 PID 数据装载到本系统中的 LM629 ，然 后启动运动控制器的电机，电机就能够按照预设速度，运转 到预定位置。待电机启动后， ARM 处理器就能够搜集和整 理来自机器人各条腿的力传感器信息，向协调层发送这些信 息，然后等待结束程序或者下次运动。由于采用了运动控制 芯片 LM629 ，PID 算法、光电编码器的信息处理和 PWM 波 的产生都由硬件完成，大大减少软件设计的工作量。整个软 件采用 C 语言编程，缩短了开发周期，增强了程序的可读性 和移植性。四、仿真实验结果该实验仿真是在 Matlab 中利用 SimMeeha

11、nies 工具箱进 行步态规划仿真分析，并 ？ 5.玫降墓亟诮嵌仁？据通过程序烧 录到控制板中进行舵机的驱动控制，使机器人按规划的步态 进行运动。实验结果表明：机器人在行走过程中机身的横滚 角、俯仰角、偏航角（ RPY 角）变化较小，运动较为平稳， 所设计的 ARM 嵌入式控制系统能较为精确地控制四足机器 人运动，实现稳定的四足行走。该设计方案的控制系统具有 运算处理速度快、外设可扩展性和存储能力强的优点，满足 仿生四足机器人智能算法、低功耗运动要求。结语 四足仿生机器人具有多关节、强耦合、非线性等特点， 其运动控制难度较大。本文设计的四足仿生机器人运动控制 系统性能可靠，实现了对四足仿生机器

12、人机械系统的实时控 制，产生了仿生运动步态，基本达到项目设计要求。从相关 实验结果来看，所设计的四足机器人的关节运动控制器具有 良好的性能。还能够在其它小型、中型功率的直流电机中运 用这个控制器，特别适宜于设计和构造以 CAN 总线为基础 的分布式控制系统，实用性特征非常鲜明。同时，具有一定 的扩展能力，可作为递阶分布式控制系统的底层控制器，为 四足仿生机器人的后续研究奠定了良好的基础。参考文献1 吉爱红， 戴振东， 周来水 .仿生机器人的研究进展 J. 机器人 .2005， 27（ 3）： 284-288.2 谢涛，徐建峰，现状及展望J.机器人.仿人机器人的研究历史 .2013， 24（4）

13、： 368-373.3 Enhanced 8 bitM icmcontmllerwiih CAN Controller and Flash Memory ATMELL 2005.8.4 刘极峰，易际明 .机器人技术基础 M. 北京：高等教 育出版社 .2006： 7-8.5 蔡自兴 .机器人学 M. 北京：清华大学出版社， 2003.5.6 迟冬祥，颜国正 .仿生机器人的研究状况及其未来发 展 C17. 机器人， 2001， 23 （5） ： 476-480.7 徐轶群 .四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制J. 机械科学与技术， 2003，22（1）：86-91.8 韩壮志，李伟，王田苗 .方便易用的功放集成电路 LMD18245J. 电子技术应用， 2000，（ 4）： 58-61.9 Marc ； Raibert ，Kevin Blankespoor ， Gabriel Nelson ， et al. BigDog ， the rough-terrain quadruped robotA.Proceedings of the 17th World Congress ， the Intern