摘 要

在如今科学技术蓬勃发展的时代，四足机器人逐渐成为了机器人研究领域的一项热门，其未来强大的功能和潜在的社会价值都是可以预见的。

本文以四足机器人机械单腿为研究对象，先参考了生物犬类腿部骨骼结构和运动特性，以结构相似、运动相似、低惯量为设计原则，设计出机械腿的肢段结构，并对其进行了运动学分析。四足机器人机械单腿采用两个独立的无刷直流电机控制系统，一个控制机械腿的髋关节，另一个控制机械腿的膝关节，两台电机置于髋部之上。无刷直流电机的控制系统以TMS320F28335 DSP作为控制器，搭配三相星型联接全桥驱动电路,采用速度-电流双闭环控制策略，PID算法采用增量式算法。

在此控制框架下，先后用软件建模仿真和硬件实验的方法，实现了电机的控制，并验证了控制系统的速度响应、稳定性、抗干扰能力等，得到与理论分析相近的结果。

本文的研究成果为以后在足式机器人和电机控制领域的学习打下了重要的基础。

关键词：四足机器人；机械单腿结构设计；无刷直流电机；DSP；双闭环控制

Abstract

In the era of booming development of science and technology, quadruped robot has gradually become a hot topic in the field of robot research. Its powerful functions and potential social values can be predicted in the future.

This paper takes the mechanical single leg of quadruped robot as the research object, first referred to the biological dog leg bone structure and motion characteristics, with the structure similar, movement similar, low inertia as the design principle, made a design of the mechanical leg segment structure, and analysed its kinematic performance. The mechanical single leg uses two independent brushless dc motor control systems, one for them controls the hip joint of the robot leg and the other for the knee joint of the robot leg. The two motors are placed on the hip. The motor control system takes F28335 DSP as the controller, three-phase star-connected full-bridge drive circuit as the driver, adopts the speed-current double closed-loop control strategy, and the PID algorithm adopts the incremental algorithm.

Under this control framework, the control of the motor is realized by software modeling、 simulation and hardware experiment successively, and the speed response, stability and anti-interference ability of the control system are verified. The results are close to the theoretical analysis.

The research results of this paper lay an important foundation for the future study in the field of foot robot and motor control.

Key Words：quadruped robot; mechanical single leg structure design; brushless DC motor; DSP; double closed loop control

目 录

第一章 绪论 1

1.1研究背景与意义 1

1.2四足机器人国内外研究现状 2

1.2.1国外研究现状分析 2

1.2.2国内研究现状分析 3

1.3研究的主要内容和目标 3

1.4本文主要结构 4

第二章 四足机器人机械单腿结构设计及运动学分析 5

2.1犬类腿部生理结构和关节运动特点分析 5

2.1.1犬类腿部生理结构 5

2.2.2犬类腿部关节运动特性 5

2.2四足机器人机械单腿结构设计 6

2.2.1设计原则 6

2.2.2四足机器人机械单腿结构及各项参数的确定 6

2.3四足机器人机械单腿运动学分析 10

2.3.1四足机器人的正向运动学分析 10

2.3.2四足机器人的逆向运动学分析 11

2.4本章小结 12

第3章 四足机器人机械单腿的控制系统设计 13

3.1无刷直流电机内部结构及控制原理 13

3.1.1无刷直流电机内部结构 13

3.1.2无刷直流电机驱动原理 14

3.2基于DSP的无刷直流电机控制系统控制方案 15

3.2.1基于DSP的无刷直流电机控制与驱动电路 15

3.2.2无刷直流电机双闭环控制策略 16

3.3基于MATLAB的无刷直流电机控制系统建模与仿真 18

3.3.1控制系统开环数学模型计算及分析 18

3.3.2控制系统的Simulink建模和仿真 21

3.4控制系统的硬件电路及控制信号波形配置 24

3.4.1控制器和驱动器的选择及电路连接 24

3.4.2控制信号波形配置 26

3.5控制系统软件程序设计 28

3.5.1主程序设计 29

3.5.2 eCAP捕获中断服务程序设计 29

3.5.3 ADC采集中断服务程序设计 31

3.6本章小结 32

第四章 无刷直流电机的DSP控制实验 33

4.1无刷直流电机测速实验 33

4.2 PWM信号检测实验 34

4.3相电流检测实验 35

4.4霍尔信号检测实验 35

4.5三相反电动势采集实验 36

4.6本章小结 36

第五章 总结与展望 37

5.1总结 37

5.2展望 37

参考文献 39

致谢 41

第一章 绪论

1.1研究背景与意义

随着计算机技术、电子技术、网络技术、人工智能算法等相关科技的不断进步，机器人技术迎来了蓬勃发展的时期，在诸多领域都有着十分广阔的应用前景。未来，人们将对机器人有着长期的刚性需求，人们也期待机器人能不断地为人类提供更多样、更高效的服务。因此，机器人技术的研究已经逐渐从工业领域扩展到了医疗、教育、服务、娱乐、军事等诸多领域，机器人产业也将逐渐渗透到生活中的方方面面。研究机器人技术对未来有着非常重要的社会价值^[1-2]。

移动机器人是机器人研究里的一个重要的内容分支，按照其移动方式的不同，大体可以划分为两个类别；由现代车辆技术发展而来的轮式机器人（包括履带式）和基于仿生技术的运动仿生机器人（足式、蛇形、扑翼飞行等）。其中轮式和足式机器人的研究较为广泛。但传统的轮式、履带式机器人使用场景局限性较大、转弯半径大、容易打滑、不够平稳，且对地形的要求高，对高低落差较大的地形显得无能为力。而足式机器人几乎可以适应各种复杂地形，能够跨越障碍，有着良好的自由度、动作灵活、自如、稳定。因此，近些年来，越来越多的机器人研究转向了足式机器人。足式机器人有双足式，四足式，六足式等，其中，四足机器人又以其拥有灵活简单的结构、较强的承载能力、良好的稳定性能等优点，更受研究者的青睐。

对于四足机器人的系统性研究，我国起步晚于美国三十年，国内的研究成果也与机器人领域强国有着较大的差距。国外已经涌现了例如Big Dog、MIT Mini Cheetah、ANYmal等一系列具有代表性的四足仿生机器人。而国内政府也在不断地重视四足机器人的研究，在政策的引导下，各高校和科研单位积极探索机器人方向的研究。上海交通大学、清华大学、哈尔滨工业大学、山东大学、浙江大学相继出了一系列科研成果，极大地推动了我国四足机器人的发展。