仿人機器人頭部系統設計及其動態(tài)控制研究.pdf

1、仿人機器人是機器人研究領域最為前沿的課題之一，它集機械、電子、計算機、材料、傳感器、控制技術及人工智能等多門學科于一體，反映了一個國家的高科技發(fā)展水平。作為機器人技術與系統國家重點實驗室自主課題“機器人宇航員”的重要組成部分，本文研制了仿人機器人頭部系統，并對其動態(tài)控制進行了研究。本系統將為“機器人宇航員”提供主動視覺。
　　本文首先根據視覺測量與控制的任務要求，提出了相關的設計原則與指標。在此基礎上，進行了機械系統設計，采用等徑

2、錐齒輪差動耦合機構設計頸部基關節(jié)，實現俯仰與側擺運動。為實現機電一體化，設計了獨立的電位計板、驅動板和基于FPGA的控制板，采用了視覺處理-中央控制-關節(jié)控制分離的分布式控制系統結構。整個頭部系統具有俯仰、側擺和回轉三個自由度，重約1.3kg，體積小巧、結構緊湊，并具有仿人的外觀造型。
　　在完成系統本體設計的基礎上，進行了雙目視覺系統、運動學和動力學的建模研究。采用了小孔模型及四參數模型，根據視差原理建立了雙目視覺系統模型，結合

3、正運動學，實現了從圖像坐標系到世界坐標系下三維位置的轉換。在求解逆運動學中，本文提出了一種基于虛擬伸縮臂的D-H法，使得難以求解的機器人頭部逆運動學轉化為傳統的D-H法來求解。采用拉格朗日法，建立了機器人連桿動力學模型，并建立了頸部基關節(jié)特殊的差動耦合機構的力矩轉化模型。
　　針對模型的不確定性，采用對其具有完全魯棒性的滑模變結構控制(Sliding Mode Control-SMC)策略。針對滑模變結構控制的抖振問題，本文重點研

4、究了其抑制算法，改進了指數趨近律算法，提出了一種SMC+PID的復合控制算法和一種基于滑模變結構的復合控制算法，并采用Matlab/Simulink進行了仿真。仿真對比結果表明，改進的指數趨近律算法有效抑制了抖振，且改善了趨近品質，減小了跟蹤誤差；兩種復合控制算法具有良好的跟蹤精度，且使抖振得到明顯抑制。
　　最后，在完成了仿人機器人頭部實際系統的基礎上，進行了關節(jié)位置控制實驗和對運動目標的主動視覺跟蹤實驗。采用了主眼對中跟蹤的目