高速步行机器人机构及测控系统设计

发布时间：2017-10-08 00:06

  本文关键词：高速步行机器人机构及测控系统设计

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【摘要】：本文以高速步行机器人为研究对象,重点研究了双足步行机器人适用于液压驱动的机构设计和高性能测控系统设计。首先,简化并抽象出步行机器人的单腿物理模型,使用D-H方法描述相邻连杆间的位姿变换关系,进行正运动学分析并进一步研究了逆运动学求解方法。使用SimMechanics建立了机器人动力学模型并进行仿真,得到给定单腿各关节规划轨迹时对应的力矩曲线。其次,根据本课题步行机器人平面运动和高速步行的要求,设计了步行机器人整体机构,包括辅助装置设计与机器人本体机构设计,研制了液压驱动双足步行机器人样机。再次,根据本课题中高速步行机器人的特点,对控制系统的设计提出具体要求。通过比较法确定了基于实时以太网EtherCAT的机器人控制系统方案,说明了机器人主从站的实现、控制变量分配与寻址和控制系统信号传递流程,搭建机器人控制系统模型并进行了相关分析。然后,完成了基于EtherCAT的步行机器人运动控制系统相关软硬件设计。设计了机器人关节从站液压驱动板硬件电路,完成了机器人关节从站微处理器驱动控制程序设计和主站PLC控制程序设计。最后,搭建了步行机器人样机软硬件实验平台,通过机器人主从站EtherCAT通信实验分析了通信的丢包率、出错率、实时性和准确性,通过机器人运动实验验证了本文设计的机器人机构及控制系统方案的可行性。
【关键词】：高速步行机器人 动力学模型 机构设计 运动控制系统 实验分析
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TP242
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-19
• 1.1 引言9
• 1.2 课题背景及意义9-10
• 1.3 国内外研究现状10-16
• 1.3.1 双足步行机器人控制系统介绍10-12
• 1.3.2 双足步行机器人研究现状12-16
• 1.4 研究内容与组织结构16-19
• 第二章 机器人建模及仿真19-29
• 2.1 引言19
• 2.2 机器人物理模型19-20
• 2.3 机器人正运动学建模20-23
• 2.4 机器人逆运动学求解23-24
• 2.5 基于SimMechanics的模型仿真24-27
• 2.6 本章小结27-29
• 第三章 机器人样机结构设计29-37
• 3.1 机器人样机设计要求29
• 3.2 机器人辅助装置设计29-30
• 3.3 机器人本体机构设计30-35
• 3.3.1 材料的选择30-31
• 3.3.2 关节驱动装置介绍31-32
• 3.3.3 机器人本体机构设计32-35
• 3.4 本章小结35-37
• 第四章 机器人运动控制系统总体设计37-49
• 4.1 引言37
• 4.2 机器人控制系统设计要求37
• 4.3 控制网络方案选择37-40
• 4.4 运动控制系统总体方案设计40-43
• 4.4.1 机器人控制系统主从站实现41
• 4.4.2 机器人控制变量分配与寻址41-43
• 4.4.3 控制系统信号传递流程43
• 4.5 控制系统建模与分析43-47
• 4.5.1 控制系统建模与稳定性分析44-45
• 4.5.2 间隙非线性环节对控制系统的影响45-47
• 4.6 本章小结47-49
• 第五章 机器人运动控制系统软硬件设计49-63
• 5.1 引言49
• 5.2 机器人关节从站驱动板硬件设计49-54
• 5.2.1 基于C8051F040的最小系统设计及引脚配置49-50
• 5.2.2 电源模块50-52
• 5.2.3 DA输出放大调理电路52
• 5.2.4 编码器信号处理电路52-53
• 5.2.5 EtherCAT通信接口电路53-54
• 5.3 机器人关节从站驱动板软件设计54-60
• 5.3.1 机器人关节从站驱动板软件整体流程54-55
• 5.3.2 机器人周期性数据处理55-56
• 5.3.3 机器人非周期性事件处理56-58
• 5.3.4 机器人关节控制PID算法实现58-60
• 5.4 机器人主站软件设计60-61
• 5.5 本章小结61-63
• 第六章 实验与分析63-73
• 6.1 引言63
• 6.2 机器人主从站EtherCAT通信实验63-66
• 6.2.1 实验平台搭建63-64
• 6.2.2 丢包率与出错率测试64
• 6.2.3 通信实时性与准确性测试64-66
• 6.3 机器人运动控制实验66-71
• 6.3.1 机器人主站控制关节从站DA输出实验67
• 6.3.2 机器人单关节运动实验67-68
• 6.3.3 机器人多关节运动实验68-71
• 6.4 本章小结71-73
• 第七章 总结与展望73-75
• 7.1 总结73
• 7.2 展望73-75
• 致谢75-77
• 参考文献77-80

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本文编号：990835