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写字作为仿人形机器人的一项具有特色的功能,一直是人形机器人研究的一个热门方向。本课题研究主要集中在仿人形机器人的手臂写字功能的实现,主要工作内容包括:仿人写字机器人的运动学建模、动力学建模、控制器设计以及实物仿真平台的搭建等等。在理论方面,首先,针对写字运动建立了仿人写字机器人的运动学模型,建立了写字机器人D-H模型;采用代数解法和几何解法进行逆运动学求解;用五次样条法进行路径规划;速度雅克比建立等等。然后,建立了写字机器人的动力学模型,采用拉格朗日法进行了动力学的建模分析,构建了写字机器人的动力学方程。在动力学模型的基础上,采用PD控制器进行轨迹跟踪仿真;考虑到PD控制器的一些缺陷,采用Backstepping控制器进行轨迹跟踪仿真;针对Backstepping控制器带来的“微分爆炸”的问题,结合动态面控制方法对Backstepping控制器的控制律进行改造,设计了 Backstepping动态面控制器。考虑到写字机器人的写字过程尽量接近于真人的写字过程,对笔尖接触到纸面触力进行控制,以达到仿人写字机器人的力/位混合控制。通过对写字过程的仿真实现了写字过程的理论验证,并比较了几种控制方法,验证了控制器的有效性。在实验方面,本文根据仿人写字机器人的功能需求建立了仿真实物平台。采用SolidWorks设计仿人写字机器人的手臂机械结构,并构建了仿人写字机器人机械平台。各个关节的控制模块采用以STM32F103C8T6为核心控制器,选择TB6112FNG直流电机驱动模块,每个模块设计CAN总线通信,实现各控制模块和上位机的通信以协调机器人各关节的运动。控制系统还包括角度传感器模块、显示模块、稳压电路模块等部分。上位机界面软件采用Qt5开发,采用串口转CAN通信实现上下位机数据的通信,协调各关节的控制模块以实现机器人写字的基本过程。本文完成了仿人写字机器人运动学模型和动力学模型的建立、控制器的设计,仿真验证了理论的正确性,建立了实物仿真实验平台,并在以下四个方面有一定的改进:(1)为写字机器人建立了全动力学模型,在仿真时更接近于机器人实际工作情况;(2)采用Backstepping动态面控制器,简化计算,提高控制性能;(3)采用力/位混合控制器,使写字机器人与真人写字更为接近;(4)设计并建立了实物仿真实验平台,为进一步深入研究仿人写字机器人创造条件,并打下良好基础。