摘 要

四足机器人以其灵活、稳定的特点，在工业、军事、娱乐等领域有着广阔的发展前景。本文以一个四足机器娱乐狗的单腿结构为基础，规划了一种较为简单的足端运动轨迹，设计了单腿控制系统，搭建了关节电机转动控制实验系统，验证了足端运动轨迹规划以及单腿控制系统核心功能的可行性。

四足机器娱乐狗单腿由两个平行四连杆结构组成，由两个关节电机驱动腿部三个肢段运动，实现了水平和竖直方向上的运动。足端运动轨迹以对角步态为基础，实现了单腿在水平和竖直方向的匀速直线运动。单腿控制系统以TMS320F28335 DSP为核心，包括PWM电机驱动、CAP换相、QEP测速、CAN通信5个功能模块，本文分别对各模块进行了软硬件设计。关节电机转动控制实验系统包括主控模块、PWM模块、CAP模块的软硬件设计，并添加了CAP测速程序。在足端运动轨迹的关节转速曲线上间隔取点，将得到的速度数组写入实验程序，进行了实验。实验观察到关节实际转速曲线与给定转速曲线有一定相符的趋势，但差距较大。

关键词：四足机器人；单腿控制系统；DSP

Abstract

Because of it’s flexibility and stability, quadruped robot will have a great development in the fields of industrial, military, entertainment, etc. Based on the single leg structure of a entertaining quadruped robot dog, this paper plans a simple trajectory of the foot motion, designs a single leg control system, builds an experimental system of joint motor’s rotation control, verifies the feasibility of the foot trajectory planning and the main function of the single leg control system.

The single leg structure of the entertaining quadruped robot dog is made up of two parallel four-link structure, two joint motor drives three limbs’ movements of the leg, achieves the movement on horizontal and vertical.The foot trajectory is based on the trot gait, achieves the uniform linear motion of the single leg in the horizontal and vertical directions.The central part of the single leg control system is a DSP named TMS320F28335, other function parts of the system are PWM for motor driving, CAP for phase conversion, QEP for speed measurement, CAN for communication. This paper designs the hardware and software for each part. The joint motor’s rotation control experimental system retains the hardware and software of central, PWM and CAP parts, and adds a speed measurement program using CAP part.take points from the foot movement trajectory of the joint speed curve, write the speed array into the experimental program and begin the experiment.It is observed that the joint’s curve of actual speed has a certain trend with the curve of given speed , but the gap is still large.

Keywords：quadruped robot；single leg control system；DSP

目录

第1章 绪论 7

1.1 设计目的意义 7

1.2 国内外研究现状 7

1.3 主要内容 8

第2章 步态规划及控制系统设计方案 9

2.1 单腿步态规划方案 9

2.1.1 四足机器人腿部结构 9

2.1.2 步态基本术语 10

2.1.3 步态规划方法 10

2.1.4 步态类型 10

2.1.5 单腿足端轨迹规划 11

2.2 单腿控制系统设计方案 12

第3章 单腿控制系统硬件设计 16

3.1 DSP主控模块硬件设计 16

3.1.1 DSPF28335简介 16

3.1.2 电源电路设计 17

3.1.3 复位电路设计 17

3.1.4 时钟电路设计 18

3.1.5 JTAG仿真调试接口电路设计 18

3.2 PWM驱动模块硬件设计 18

3.2.1 腿部关节驱动电机 19

3.2.2 PWM信号隔离电路 20

3.2.3 PWM放大电路 20

3.2.4 PWM逆变电路 20

3.3 CAP换相模块硬件设计 20

3.4 QEP测速模块硬件设计 20

3.4.1 编码器信号隔离电路 22

3.4.2 编码器信号整合电路 22

3.5 CAN通信模块硬件设计 22

3.5.1 CAN通信简介 22

3.5.2 CAN通信收发器电路 23

第4章 单腿控制系统软件设计 25

4.1 主程序模块程序设计 25

4.1.1 系统控制初始化 26

4.1.2 引脚配置函数 27

4.1.3 中断初始化及配置 27

4.1.4 CPU定时器0 28

4.2 PWM模块软件设计 30

4.2.1 ePWM模块的初始化与配置 30

4.2.2 PID计算、占空比计算与占空比赋予函数 31

4.3 CAP模块软件设计 31

4.3.1 eCAP模块初始化与配置 32

4.3.2 CAP中断函数与换相函数 32

4.4 QEP模块软件设计 33

4.4.1 eQEP模块初始化与配置 33

4.4.2 QEP中断函数 33

4.5 CAN模块软件设计 33

4.5.1 CAN模块初始化与配置 34

4.5.2 通信程序 35

第5章 四足机器狗单腿关节电机控制实验 36

5.1 实验系统及目的 36

5.2 实验测试 37

5.3实验分析 37

第6章 总结与展望 39

参考文献

致谢

附录A 主要程序代码

附录B1 最小系统电路图

附录B2 信号处理电路图

附录B3 驱动电路图

第1章 绪论

1.1 设计目的意义

仿生足式机器人与传统轮式和履带式机器人相比，地形适应能力强，在工业生产、科学探索、军事行动、抢险救灾以及消费娱乐等领域具有广阔的发展前景。在足式机器人中，四足机器人比双足机器人有更高的稳定性，比六足或八足机器人有更简单的结构。在此背景下，本文针对仿生四足机器娱乐狗的单腿机械结构，掌握其结构原理，规划足端轨迹，设计单腿控制系统，以期初步实现机器狗单腿步态运动。通过本文对单腿控制的初步探索，为机器狗单腿运动控制的继续优化和整机运动控制提供一定的经验和基础。

1.2 国内外研究现状