摘 要

本文从四足机器人的功能和要求出发，以猫科类类为研究对象，设计满足仿生和灵活性原则的机械脊柱控制系统结构，并完成运动规划。四足机器人的脊柱机构采用直流无刷电机作为关节驱动器。针对直流无刷电机的特点完成脊柱机构控制系统设计，包括直流无刷电机的双闭环PID控制算法、硬件电路和软件程序设计。最后，通过实验验证脊柱机构控制系统的有效性和运动规划的合理性。具体分为以下几个方面：

首先，四足机器人的脊柱机构结构确定和运动方式分析。基于犬类生物的生理结构特点，确定脊柱结构。结合对格力犬不同运动下拍摄而得出的脊柱变化规律，确定脊柱机构的运动方式。在此基础上进行详细的运动规划。

其次，四足机器人的脊柱机构控制系统设计。控制系统以直流无刷电机为关节驱动器，同时设计速度环和电流环的双闭环PID控制算法，并通过仿真结果验证控制系统的速度响应、稳定性和抗干扰性。然后，分别完成控制系统的硬件电路和软件程序设计，以实现电机的期望控制。

最后，脊柱机构控制系统的性能测试与运动实验。对脊柱机构控制系统规划的运动进行实验，实验结果基本符合预期，证明本文设计的机械腿控制系统的有效性和运动规划的合理性。

本文的研究成果为后续四足机器人的控制系统研究奠定基础。

关键词：四足机器人；控制系统；直流无刷电机；PID

Abstract

In order to meet the function and requirements of quadruped robot, this paper designs the structure of mechanical spine control system which satisfies the principle of bionic and flexibility, and completes the movement planning. Four-legged robot's spinal mechanism uses a DC brushless motor as a joint driver. The design of the control system of the spine mechanism is completed for the characteristics of the brushless DC motor, including the double closed loop PID control algorithm, the hardware circuit and the software program design of the DC brushless motor. Finally, the validity of the control system of the spine mechanism and the rationality of the motion planning are verified by experiments. Specifically divided into the following aspects:

First, the four-legged robot's spinal structure to determine the structure and movement analysis. Based on the physiological structure of the dogs, the structure of the spine is determined. Combined with the different movement of the cheetah shot under the law of the spine to determine the movement of the spine mechanism. On this basis, detailed exercise planning.

Secondly, the four-legged robot's spine mechanism control system design. The control system uses the DC brushless motor as the joint driver, and designs the double closed-loop PID control algorithm of the speed loop and the current loop, and verifies the speed response, stability and anti-jamming of the control system through the simulation results. Then, respectively, to complete the control system hardware circuit and software program design, in order to achieve the desired control of the motor.

Finally, the performance testing and motion experiments of the spine mechanism control system. The experimental results show that the mechanical leg control system is effective and the rationality of the motion planning is proved.

The research results of this paper lay the foundation for the research of the control system of the follow-up quadruped robot.

Key Words: Four - legged robot; control system; brushless DC motor; PID

目录

第1章 绪论 1

1.1 设计的主要任务与要求 1

1.2 四足机器人国内外发展现状 1

1.2.1 国外发展现状分析 1

1.2.2 国内发展现状分析 2

1.3 设计的目的及意义 3

1.4 设计的主要思想方法和主要内容 4

第2章 四足机器人脊柱机构及特性 5

2.1 四足机器人脊柱机构 5

2.1.1 犬类脊柱形态结构 5

2.1.2 犬类关节运动特性 5

2.2 四足机器人的脊柱机构 5

2.3 本章小结 6

第3章 脊柱机构控制系统设计 7

3.1脊柱机构控制系统的设计方案 7

3.2 脊柱机构驱动电机的选型与控制 7

3.2.1 驱动电机的要求与选型 7

3.2.2 直流无刷电机的结构与原理 8

3.2.3 直流无刷电机的数学模型 10

3.2.4 直流无刷电机的双闭环PID控制 12

3.2.5 直流无刷电机的建模与仿真 14

3.3 脊柱机构控制系统的硬件设计 14

3.3.1 DSP控制电路设计 15

3.3.2 PWM信号隔离电路设计 16

3.3.3 驱动电路及逆变电路的设计 17

3.3.4 位置传感器信号检测电路设计 19

3.3.5 编码器电路设计 20

3.3.6 相电流检测电路设计 21

3.3.7 检测与保护电路设计 22

3.3.8 电源电路设计 23

3.3.9 PCB抗干扰设计 24

3.4 脊柱机构控制系统软件设计 24

3.4.1 主程序设计 24

3.4.2 eCAP捕获中断程序设计 25

3.4.3 eQEP正交编码程序设计 26

3.4.4 PWM程序设计 27

3.4.5 ADC采样中断程序设计 27

3.4.6 PID闭环反馈设计 28

3.4.7 脊柱机构协调控制规划设计 28

3.5 本章小结 31

第4章 四足机器人脊柱机构控制的实验分析 32

4.1 脊柱机构实验系统 32

4.2 脊柱机构运动控制实验 32

4.3 本章小结 33

第5章 总结与展望 34

5.1 总结 34

5.2 展望 34

参考文献 35

附录 36

致谢 56

第1章 绪论

1.1 设计的主要任务与要求

本文主要设计了一款机器娱乐狗的脊柱机构控制方案。机器狗脊柱机构主要模仿犬类动物的脊柱结构，使用双关节弹性驱动器模仿犬类动物脊柱的弹性运动，使用两个电机控制两个关节。本设计的主要任务是依据弹性驱动器的机械特性，和机器狗的腿部步态，设计一个脊柱机构的协调控制系统，实现对脊柱机构的控制,并提出一种协调控制方案使脊柱机构运动与腿部运动相协调。设计要求能实现脊柱机构的控制并实现一种步态的脊柱控制方案。

1.2 四足机器人国内外发展现状

国内外普遍认为现代四足机器人开端在20世纪60年代，随着互联网技术、传感器技术，人工智能等技术的进步，四足机器人开始越来越倾向于往独立化、专业化方向拓展。在这个过程中，国内外如波士顿动力、麻省理工学院、山东大学和清华大学等公司和机构都做出了相应的贡献。

1.2.1 国外发展现状分析