随着仿生机器人的快速发展,蛇形机器人作为移动超冗余串联的柔性机器人已成为人们研究的焦点。蛇形机器人具有体积小、运动灵活、适应能力强的特点,能够满足在狭小、未知和具体挑战性的环境中移动性的要求,而且超冗余度为自身提供了更多的移动形式,让其超越了传统的轮式、履带式和腿式机器人。本文在“预研项目空间站机器人技术研究——蛇形机器人”项目的支持下,以研制一个高性能的蛇形机器人头部控制器系统为目标,对头部控制器功能要求进行分析,完成头部控制器的研制,并进行了关节控制测试实验。本文首先分析了蛇形机器人近年来的发展现状,研究了各类蛇形机器人的控制通讯系统架构,进行对比和分析,确定了本文的研究方向,并提出了可行的蛇形机器人头部控制器设计方案——以计算棒作为主控单元,FPGA作为通讯单元,完成与关节之间的通讯和控制。考虑到处于项目初期,使得调试方便,缩短开发周期,本文采用PC作为主控单元。其次,分析了设计要求,针对蛇形机器人头部机械结构,设计了头部通讯单元硬件电路,确定了二次电源的转化、关节通讯接口、AD转换、与主控单元的USB通讯接口等部分的电路原理。本文采用硬件描述语言Verilog编写了基于Avalon接口的相关模块IP核,包括关节通讯模块IP核、LED照明模块IP核、同步从设备FIFO模块IP核和信号采集器IP核,并建立了基于Nios II的SOPC嵌入式系统。在此基础上,采用C语言开发出了通讯单元的全部功能模块,包括传感器数字滤波,关节通讯,关节轨迹规划,PD控制,USB通讯等功能。最后,本文基于MFC多线程技术和参数化编程思想开发出了USB通讯上位机,能够实现读取、保存和显示关节信息,发送关节位置指令,以及工作电压的监控。为了验证通讯单元和主控单元的性能,本文搭建测试平台,分别设计并完成了轨迹规划算法验证实验、主控单元控制单、双关节测试实验和两关节侧移实验。