1．目的及意义

随着计算机技术、电子技术、网络技术、人工智能算法等相关科技的不断进步，机器人技术迎来了蓬勃发展的时期，在诸多领域都有着十分广阔的应用前景。未来，人们将对机器人有着长期的刚性需求，人们也期待机器人能不断地为人类提供更多样、更高效的服务。因此，机器人技术的研究已经逐渐从工业领域扩展到了医疗、教育、服务、娱乐、军事等诸多领域，机器人产业也将逐渐渗透到生活中的方方面面。研究机器人技术对未来有着非常重要的社会价值。

移动机器人是机器人研究里的一个重要内容分支，按照移动方式其大体可分为两类；一是由现代车辆技术延伸发展而成的轮式机器人（包括履带式）；二是基于仿生技术而衍生的运动仿生机器人（足式、蛇形、扑翼飞行等）。其中对轮式、履带式和足式机器人的研究较多。但传统的轮式、履带式机器人使用场景局限性较大，越障能力差、地形适应能力差、转弯效率低、转弯半径大，容易打滑，不够平稳，且对地形的要求高，对高低落差较大的地形显得无能为力。而足式机器人几乎可以适应各种复杂地形，能够跨越障碍，有着良好的自由度、动作灵活、自如、稳定。因此，近些年来，越来越多的机器人研究转向了足式机器人。足式机器人有双足式，四足式，六足式等，其中，四足机器人又以其结构简单灵活、承载能力强、稳定性好等特点，更受研究者的青睐。

早在20世纪60年代初，人们便开始了对四足机器人的探索。在1960年，Shigley 提出采用联动机构,包括四杆机构、凸轮机构、缩放机构, 作为腿式机器人的运动机构，腿部的运动由一组双摇杆机构控制。80年代初，美国麻省理工人工智能实验室的Marc Raibert研制了具有动态稳定能力的单腿跳跃机器人，在此控制原理的基础上，两足、四足具有跑跳能力的机器人马上也被研制出来。与此同时，日本东京大学的Miura和Shimoyama也对足式机器人进行了深入的系统性研究，并于1984至1987年间，研发出了能动态行走的机器人Collie-I和Collie-II，可实现踱步、小跑以及其之间的过渡步态。随后，日本东京工业大学研制出的TITAN系列机器人是机器人发展史上的一个里程碑。它安装了传感器，并装有智能步态控制系统，可根据传感器的信息实现静态地形自适应步行。20世纪末21世纪初，麦吉尔大学研制出Scout系列四足机器人，采用优化的结构设计，使用尽量少的驱动器，实现了平坦地面快速动态运动。2005年，波士顿动力发布了具有跨时代意义的四足机器人Big Dog，成功实现了复杂地面的稳定行走，且在受到侧向强扰动的情况下仍能保持平衡，使其公司名震一方。接下来十余年里，波士顿动力又相继发布了LS3、猎豹、野猫和Spot等一系列机器人都获得了外界的强烈反响。MIT仿生机器人实验室也一直致力于足式机器人的研究，其于2012年发布的猎豹机器人在跑步机上奔跑的视频显示其平均速度可达45km/h，是当前四足机器人可达的已知最大速度。MIT于2019年发布的MIT Mini Cheetah第一次实现了四足机器人的后空翻技巧。

我国对四足机器人的研究起步较晚，于20世纪90年代才开始。1996年，上海大学研发出了JTUWM-III四足机器人，完成了静、动步态下的运动分析和控制。2004年清华大学推出的Biosbot四足机器人，实现了多种步态的切换。2007年，哈尔滨工业大学研发了轮式-足式切换的四足机器人，实现了不同环境下的适应性。山东大学也于2007年开始了四足机器人的研究，并推出了SCalf系列机器人，实现了复杂地面的稳定行走，且有良好的负重和抗冲击能力。2018年，浙江大学研制出的四足机器人绝影，在各种性能上均已达到了较高的水平。

四足机器人的研发已经持续几十年，美国始终在这一领域处于领先地位，而中国无论是技术积累还是科研成果均要落后于国外。随着时代的发展，四足机器人将在未来发挥越来越重要的作用，其优势也将在未来愈发凸显出来。当前，我国正在不断地重视和政策引导各高校和科研单位积极探索机器人方向的研究，极大的推动了我国四足机器人的发展，并已经取得了一系列的科研成果。

根据目前所掌握的资料及查新结果，国内的四足机器人研究仍处于探索如何使奔跑、跳跃、爬坡、越障、负载、抗干扰等动态性能更稳定地实现的阶段。想要完全的实现，还有许多技术难关需要攻克。如四足机器人的机械结构的布局与创新；控制算法的设计与优化（主要体现在运动的精确性、作业的平稳性、操作的简易性）；电机、减速器、运动关节、控制器以及执行器间的配合问题；以及各种相关科学技术的发展与融合等等，都决定了投身于这一领域的科技工作者仍然要经理漫长艰苦的探索。

本次毕业设计，我研究的主题是：“基于DSP的四足机器人单腿控制系统设计”，首先按照生物犬类的腿部结构特点以及运动规律，确定机械腿的结构，并在此基础上进行运动学分析。然后进行机械腿的控制系统设计，以无刷直流电机为驱动器，以DSP为控制器，设计速度环、位置环、电流环的三环PID控制系统，并通过MATLAB进行控制系统的仿真。再完成电路的连接和软件的控制程序，实现电机的期望控制。最后需要结合实际完成机械单腿的运动实验，验证设计的合理性。

参考国内外现有的各种四足机器人腿部结构设计，结合现实中生物犬的腿部生理结构分析他们的优点缺点，经过综合考虑后设计出一款综合性能良好的机械单腿，并结合DSP的相关知识，设计一套完整的控制程序，实现机械单腿的各种运动是我本次毕业设计的目的。

{title}

2. 研究的基本内容与方案

{title}

基本内容：