摘 要

本篇论文通过研究分析机器狗的机械结构，工作原理以及运动特征，针对机器狗在跳跃步态下的运动特点，完成控制系统的设计，从而实现机器狗的运动。利用STM32最小微系统及相关扩展单元，建立控制系统。该控制系统通过产生PWM脉宽调制信号，控制舵机的转动角度，从而精确地驱动其控制的仿生机器狗关节，同时结合相关关节的被动驱动，产生机器狗的稳定协调运动，最终实现仿生机器狗的运动控制。经过仿真可知，该控制系统能够实现舵机转动的控制，完成仿生机器狗的运动。该小型控制系统具有高效的运算处理速度、拥有较强的储能能力，满足仿生机器狗运动的智能控制、低功耗运动的要求。

关键词：仿生机器狗；STM32嵌入式系统；控制

Abstract

In this article through analyzing the mechanical structure of the robot dog, working principle and movement characteristics, the design of the control system which is meant to realize the motion of the robot dog is based on the characteristics of the robot dog under a bouncing gait movement. The control system is build up with the minimum STM32 micro systems and related extension units. The rotation angle of the actuator is controlled by the PWM signal which is generated by the control system, so as to motivate the joints of the bionic robot dog accurately, and combining with passive actuations of related joints the robot dog can establish a stable coordinated movement, finally realizes the motion control of the bionic robot dog. The simulation shows that the control system is able to realize the rotation of the actuators and completes the movement of the bionic robot dog. The micro control system has abilities of high speed processing and a strong energy storage which meets the intelligent control of the bionic robot dog movement and low power requirements.

Key Words: bionic robot dog；flushbonading system；control

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景、目的及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 课题研究内容与目标 4

1.3.1 研究目标 4

1.3.2 研究内容 5

第2章 机械狗系统 6

2.1 机械狗仿生学分析 6

2.2 机械狗的运动步态 6

2.2.1 步行 7

2.2.2 对角小跑 7

2.2.3 跳跃 8

2.2.4 飞奔 8

2.3 机械狗系统的机械结构 9

2.3.1 仿生腿部机械结构控制方法 9

2.3.2 机械狗系统的机械结构 10

2.4 本章小结 13

第3章 机械狗的控制系统方案 14

3.1 机械狗的控制系统方案 14

3.1.1 机械狗动力源方案 14

3.1.2 机械狗的硬件控制系统方案 15

3.2 硬件系统设计 16

3.2.1 芯片选择 16

3.2.2 晶振电路 17

3.2.3 程序下载电路 18

3.2.4 复位电路 19

3.2.5 系统电源电路 20

3.2.6 舵机电源电路 21

3.3 本章小结 23

第4章 机械狗的控制软件 24

4.1 机械狗步态 24

4.1.1 跳跃运动 24

4.1.2 对角小跑运动 24

4.2 舵机驱动方式 25

4.3 程序设计 26

4.3.1 PWM工作原理 26

4.3.2 PWM工作过程 26

4.3.3 PWM控制程序 27

4.3.4 主函数程序 28

4.4 仿真结果与分析 29

4.5 本章小结 30

第5章 结论 31

参考文献 32

致谢 34

第1章 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

四肢哺乳动物经历了大自然数千百年来的选择，具备灵活的运动能力，能够较好地适应环境。他们能够在许多传统轮式交通工具无法到达的地方行走自如。车轮式、履带式和杆结机构的机器人是移动机器人三种主要形式^[1-4]。相较于双足机器人和六足机器人，四足机器人的应用前景更加明朗：与两足机器人相比，四足机器人具有更好的抗干扰能力，负荷能力更强；在保证能够高速稳定行走的前提下，四足机器人的机械机构比六足机器人更简单，同时成本更低。科学家们通过研究分析四肢哺乳动物的运动特性和生理结构，总结建立一定的运动模型，将其运动优势和运动机理应用到四足机器人的设计当中，从而设计出可以代替传统的交通工具，运动行进不受地形等影响和限制，能够到达陆地上绝大多数地方，代替人类完成军事、工业或救灾等方面人类难以完成的相关任务的机器人。

1.2 国内外研究现状

长期以来，国内外学者主要从两方面研究四足机器人：机器人的运动性能和生物运动机理。在运动性能上，又针对四肢动物的运动能力和体型产生了两大进化的分支：以载重—适应性为突出功能的四足机器人和以高速—灵活性为突出功能的四足机器人^[5]。其中，MIT大学和波士顿动力公司研制的仿猎豹机器人是高速—灵活性型四足机器人的代表，而波士顿动力公司研制的BigDog和LS3四足机器人则是载重—适应性型四足机器人的代表。与此同时，针对高速运动的控制问题，国内外科研人员长期以来都在坚持通过对生物运动机理的不断研究探索，以求寻找或开发新的控制手段来解决。

通过对四足哺乳动物的运动机理的探求和对其运动步态的分析，可以创建出相应的仿真运动数学模型，进而总结出控制系统的设计方法和控制算法。四肢哺乳动物的常见步态为：踱步，跳跃，飞奔，对角小跑等^[6,7]。