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四足仿生机器人论文关节运动控制器论文

摘要：从相关实验结果来看，所设计的四足机器人的关节运动控

制器具有良好的性能。还能够在其它小型、中型功率的直流电机中运

用这个控制器，特别适宜于设计和构造以CAN总线为基础的分布式控

制系统，实用性特征非常鲜明。同时，具有一定的扩展能力，可作为

递阶分布式控制系统的底层控制器，为四足仿生机器人的后续研究奠

定了良好的基础。

DesignandResearchofJointMotionControllerforFour-

leggedBionicRobot

MAPeng-bo

[Keywords]Bionicrobot；Motioncontrolsystem；Controller；

STM32；

前言

隨着机器人技术的迅猛发展，在很大程度上刺激了人们对机器人

产品的强烈需求。在这种情况下，设计制造实用性强，劳动效率高，

具有较强的环境适应能力的机器人成为主要设计方向。当前，人们所

设计的仿生足类机器人能够灵活运动，能够快速地适应各种复杂的作

业环境，发展前景非常广阔。仿生四足机器人是一种典型的足式机器

人，具有轮式或履带式机器人不可比拟的优势：该类机器人具有对复

杂地面的良好适应能力；能够实现机身运动轨迹与足端运动轨迹的有

效解耦从而保证机身运动稳定；在合理的步态规划下能够保证功率的

最小损耗[1-3]。此外，为保证机器人具有足够的自动化程度，要求

机载控制系统能够实时地处理各种复杂环境反馈信息，并能准确地发

出控制指令，为了保证机器人达到良好的运动特性，本文分别提出结

构类似的分层式的控制体系结构，对控制任务进行分担，提高系统实

时性。此外，双足机器人步入四足机器人的承载能力强，后者的稳定

性更好。而且四足机器人比六足机器人相比，前者的机构更加简单、

能够有效地适应作业环境，具有良好的灵活性[4]。所以，本文以四

足类机器人作为自己的研究对象，设计和规划四足机器人的运动控制

器。

一、四足机器人的运动控制系统总体设计

该运动控制系统总体结构设计涵盖了控制协调层、人工智能层与

执行层，本设计关键部位（也就是关节运动控制器）处于其中的执行

层。人工智能层主要是从宏观上规划机器人的设计，控制协调层借助

仿生CPG（中枢模式发生器），对算法进行控制，形成可行性较强的

步态，经由CAN总线，向十二个关节运动的相关控制器传输位置信息；

控制协调层重点驱动和控制相关的直流电机，以下是它的具体功能：

①CAN总线被用于与协调层之间的通信；②借助PWM来控制直流电机

的速度和位置；③实现了数字PID控制；④驱动相关电机；⑤对光电

编码器的相关反馈信息进行处理；⑥采集来自力传感器的相关信息。

它的主要组成部分涵盖了LM629（运动控制芯片）STM32（RAM）与

LMD18245（电机驱动芯片）组成[5]。

RAM是主控制器，能够控制关节的运动状态，它应该做好CAN总

线的相关通信任务、完成LM629参数设置、监控相关电机的具体运行

状态；LM629运动控制器的精确度比较高，重点做好下列活动：控制

数字PID、形成相关的速度梯形图、PWM信号的输出，提供光电编码

器接口的四倍频效果[6]；LMD18245是功率放大芯片，重点面向中小

型直流电机，提供的持续最大输出电流达到了3A，具有良好的过流

保护、过热保护与欠压保护性能。

关节运动控制器的具体作业原理如下所示：CAN总线负责协调层

与ARM芯片之间的通信，接收来自协调层的具体关节位置资料，向其

反馈诸多关节的具体运动状况、限位开关量与力传感器的相关信息。

LM629与STM32通过控制线和数据总线连接起来，向LM629发布相关

命令、完成PID参数的设置与运动控制的相关参数，还要从LM629零

部件内读取状态和数据信息。LM629按照运动参数自动产生的速度梯

形图，控制电机的具体运用速度。光电编码器和此处直流电机中的负

载轴联系起来，对负载的具体位置进行检测，也就是机器人关节的具

体位置信息；等到编码器通过LM629的四倍频输出相关信号后，及时

进行解码，获得位置反馈的具体数值，比较预设值与该值，向数字

PID控制器输入它的偏差值，该控制器按照预设的PID参数求出并输

出与其相关的方向信号与PWM幅值，对LMD18245输出电压的具体方

向与大小进行控制，驱动电机朝着设定的位置运动到相关位置，对电

机实施必