仿人步行机器人控制系统与算法研究

"该文档是关于仿人步行机器人控制系统设计的研究，涵盖了机器人技术的重要性、双足步行机器人的应用前景、控制系统的设计以及控制算法的实现。文章深入探讨了控制系统的硬件选择、软件实现、通信机制、运动学和动力学建模、稳定性控制策略，以及PID控制算法在实际机器人系统中的应用。" 在当前的科技发展中，机器人技术扮演着至关重要的角色，它是衡量一个国家技术实力的重要标志。随着机器人技术的不断发展，它们已经超越了工业领域的应用，逐渐渗透到军事、医疗、服务和娱乐等多个非工业领域。预计在21世纪，机器人技术将会取得更大的突破，成为全球知识经济的核心竞争力。 仿人步行机器人作为机器人研究的重要分支，因其双足行走的灵活性，尤其适合在日常环境中与人类协同工作，执行如康复、日常服务和危险环境作业等多种任务，具有巨大的应用潜力。鉴于此，研究仿人步行机器人不仅具有深厚的学术价值，还具有显著的实践意义。随着理论和技术的提升，构建高度智能化的仿人机器人已成为可能。 本文主要关注的是HIT-1V型仿人步行机器人的控制系统设计。其中，分析了机器人的机构设计和控制系统的架构。为了实现下肢12个关节的协调运动，选择了多轴运动控制卡，并详细介绍了其使用方法和编程思路。同时，通过在控制卡上设置双口可读写寄存器，实现了实时调整机器人步态，详细阐述了通信驱动函数库在主机、控制卡和寄存器之间通信的角色。 此外，建立了机器人各关节的坐标系，定义关节变量，推导出运动学和动力学模型。针对多连杆、强耦合、非线性的机器人模型以及地面反力对行走稳定性的影响，研究了分级递解控制、地面反力的柔顺控制和关节力矩控制三种控制策略。 控制系统软件实现被划分为两部分：步态数据读入和机器人运动编程。前者负责将大量数据从主机传输到PMAC，后者则实现从主机发出控制指令，控制机器人进行起步、行走、转身和停步等动作。最后，采用PID控制算法对关节进行控制，并给出了PID参数的选择原则以及四个关节的实际运动曲线。 关键词: 仿人步行机器人、多轴运动控制器、柔顺控制、PID控制算法。这份研究详尽地揭示了仿人步行机器人控制系统的复杂性和创新性，为未来相关领域的研究提供了宝贵的理论基础和技术参考。