硕士学位论文六足机器人运动控制系统设计与实现DESIGN AND IMPLEMENTATION OF MOTION CONTROL SYSTEM OFHEXAPOD ROBOT刘德高哈尔滨工业大学2013年7月国内图书分类号：TP302.8 学校代码：10213 国际图书分类号：681.5 密级：公开工学硕士学位论文六足机器人运动控制系统设计与实现硕士研究生：刘德高导师：吴翔虎教授申请学位：工学硕士学科：计算机科学与技术所在单位：计算机科学与技术学院答辩日期：2013年7月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classified Index: TP302.8U.D.C: 681.5Dissertation for the Master Degree in EngineeringDESIGN AND IMPLEMENTATION OFMOTION CONTROL SYSTEM OFHEXAPOD ROBOTCandidate：Liu DegaoSupervisor：Prof.Wu XianghuAcademic Degree Applied for：Master of Engineering Speciality：Computer Science and Technology Affiliation：School of Computer Science andTechnologyDate of Defence：July, 2013Degree-Conferring-Institution：Harbin Institute of Technology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要针对国内用于大负载物资运输的六足机器人运动控制系统缺乏的问题，设计并实现了一款具有很高实时性和可靠性的六足机器人运动控制系统。
系统采用主从应答模式对三维力系统和单足控制系统进行控制，包含模式控制机制、步态规划控制机制和安全控制机制，采用高速率、高可靠性的CAN总线通信，使系统能完成六足机器人正常步态行走的控制任务和各步态间自由切换的控制任务，而且具有很强的安全性、可靠性和实时性。
从需求分析的角度阐述了六足机器人需要完成的功能，通过对运动控制系统运行环境的分析，结合系统需要满足的性能指标，详细阐述了运动控制系统为完成六足机器人行走控制任务应该具有的功能模块，以及各功能模块的具体任务。
运用自顶向下的设计思路，分析运动控制系统的内部设计，给出了系统的任务和中断划分，以及从运动控制系统同步机制设计、运动控制系统控制逻辑设计和运动控制系统通信设计三个方面，详细阐述了整个运动控制系统设计的原理和过程。
根据运动控制系统的设计，详细描述了系统各个模块的实现过程。
同时，为了提高系统可靠性和实时性，对运动控制系统进行了一系列的测试，给出了测试的内容、环境和结论。
针对测试中发现的问题，给出了相应的优化措施和优化后的运行效果。
系统充分考虑了六足机器人行走任务和行走环境的要求，能够满足正常行走的控制任务和步态自由切换的控制任务，具有很高的可靠性、实时性和安全性，对大负载运输的六足机器人顺利研制成功起到了一定推动作用，也使系统具有较高的应用价值。
关键字：运动控制系统；CAN；六足机器人；实时性；- I -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractIn the paper, we design and implementation of a real-time and with high reliability hexapod robot motion control system in order to solve the problems in the domestic that lack of transportation of materials for large loads of six-legged robot motion control system. The system uses a master-slave answer mode to control the underlying subsystem, the system contains an internal model control mechanism, a sound gait planning central control mechanisms and security control mechanisms, internal communications system uses high-speed, high reliability of the CAN bus, only makes the system can complete the six-legged walking robot normal gait control tasks and switch between various gait control tasks, but also enables the system has a strong safety, practicality and a certain reliability and timeliness.Firstly, from the perspective of the requirements analysis, This article elaborated hexapod robot needs to complete the function explained, Through the motion control system operating environment analysis, combined with motion control systems need to meet the performance indicators, elaborated motion control system for the completion of six-legged walking robot control tasks should have the function modules, as well as the specific tasks of each functional module.Secondly, this article use of top-down design ideas, analyzing the internal design of the motion control system, gives the tasks and interrupt division of the whole system. Simultaneously, this article elaborates the entire motion control system design principles and processes from three aspects of the motion control system synchronization mechanism design, motion control system logic design and motion control system communication design.According to the motion control system design, this paper describes in detail the various modules of the system implementation process. Meanwhile, in order to improve system reliability and real-time, on motion control system I conducted a series of tests, this paper presents the principles and results of each test. For the problems found in testing, this paper gives the corresponding optimization measures and optimizing the effect.The system is based on six-legged robot walking tasks and walking environment specifically designed and implemented, not only to meet normal walking control tasks,- II -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文but also has high reliability and safety. The system played a key role in developing six-legged robot for the transport of large loads successfully and make the system has a high application value.Keyword: motion control systems; CAN; hexapod robot; real-time;- III -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract ............................................................................................................................. I I 目录 . (IV)第1章绪论 (1)1.1课题背景 (1)1.1.1课题的来源 (1)1.1.2课题研究的背景和意义 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.2.1运动控制系统的发展 (2)1.2.2多足机器人的发展现状 (3)1.3主要研究内容及论文内容安排 (4)1.3.1主要研究内容 (4)1.3.2论文内容安排 (5)第2章六足机器人运动控制系统的需求分析 (6)2.1六足机器人运动控制系统总体要求 (6)2.1.1六足机器人运动控制系统任务概述 (6)2.1.2六足机器人运动控制系统与其它系统的硬件组成 (6)2.1.3六足机器人运动控制系统模式控制总体要求 (7)2.1.4六足机器人运动控制系统运行环境和通信 (8)2.2六足机器人运动控制系统需求规定 (8)2.2.1功能需求 (8)2.2.2数据需求 (9)2.2.3性能需求 (12)2.2.4可靠性需求 (13)2.3本章小结 (13)第3章六足机器人运动控制系统的概要设计 (14)3.1六足机器人运动控制系统的软件总体设计 (14)3.2六足机器人运动控制系统的功能模块和数据流设计 (15)3.3六足机器人运动控制系统的模式设计 (18)3.4本章小结 (20)- IV -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第4章六足机器人运动控制系统的详细设计 (21)4.1运动控制系统任务及中断设计 (21)4.2系统同步控制机制设计 (22)4.2.1运动控制系统整体时序设计 (22)4.2.2运动控制系统内部同步机制设计 (23)4.2.3运动控制系统与其它系统同步机制设计 (24)4.3运动控制系统执行逻辑设计 (24)4.3.1运动控制系统主控任务顶层逻辑设计 (24)4.3.2运动控制系统主控任务运动控制模块设计 (25)4.4 常规行走运动控制单元状态迁移设计 (26)4.4.1 二步态运动控制单元状态迁移设计 (26)4.4.2 三步态运动控制单元状态迁移设计 (28)4.4.3 六步态运动控制单元状态迁移设计 (29)4.5 运动控制单元步态切换设计 (30)4.6 运动控制系统与其它系统通信协议设计 (31)4.7 运动控制系统可靠性和安全性设计 (34)4.7.1软件体系结构中的可靠性和安全性设计 (34)4.7.2系统级异常故障检测和处理 (36)4.7.3运动控制系统与其它系统间通信上的异常故障检测和处理 (36)4.8 本章小结 (37)第5章六足机器人运动控制系统的实现 (38)5.1运动控制系统主控任务实现 (38)5.1.1模式控制模块实现 (38)5.1.2二步态运动控制算法实现 (39)5.1.3三步态运动控制算法实现 (40)5.1.4六步态运动控制算法实现 (41)5.1.5步态切换模块实现 (42)5.2运动控制与操控通信模块实现 (43)5.3运动控制系统与六足通信模块实现 (45)5.3.1主控任务CAN通信模块实现 (45)5.3.2内部CAN通信发送任务实现 (48)5.3.3内部CAN通信接收任务实现 (48)5.4运动控制系统与三维力通信模块实现 (48)- V -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文5.5本章小结 (49)第6章六足机器人运动控制系统的测试 (50)6.1运动控制系统单元测试 (50)6.1.1测试的内容和方法 (50)6.1.2测试的环境 (50)6.1.3摆动函数的测试过程和结论 (50)6.1.4支撑函数的测试过程和结论 (51)6.1.5步态切换函数的测试过程和结论 (52)6.2运动控制系统与操控系统通信模块集成测试 (54)6.2.1测试的内容和方法 (54)6.2.2测试的环境 (54)6.2.3测试的过程和结论 (54)6.3步态控制算法和系统内部CAN通信模块集成测试 (55)6.3.1测试的内容和方法 (55)6.3.2测试的环境 (55)6.3.3测试的过程和结论 (55)6.4运动控制系统与三维力系统通信模块集成测试 (56)6.4.1测试的内容和方法 (56)6.4.2测试的环境 (56)6.4.3测试的过程和结论 (56)6.5检测运动控制系统与单足控制系统通信时间的系统测试 (57)6.5.1测试的内容和方法 (57)6.5.2测试的环境 (57)6.5.3测试的过程和结论 (57)6.6检测运动控制系统主控任务运行时间的系统测试 (59)6.6.1测试的内容和方法 (59)6.6.2测试的环境 (60)6.6.3测试的过程和结论 (60)6.7本章小结 (62)结论 (63)参考文献 (64)哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限 (67)致谢 (68)- VI -哈尔滨工业大学工学硕士学位论文第1章绪论1.1课题背景1.1.1课题的来源本课题来源于基于仿生原理的六足机器人项目，该项目研究的六足机器人用来进行大负载的物资运输，需要适应不同的路面，能在行走过程中规避障碍物，因此，对六足机器人运动控制系统提出了较高的要求，不但要求运动控制系统能完成规定的行走控制任务，而且还要具有较高的可靠性和实时性[1]，本课题主要研究的内容就是上述的六足机器人运动控制系统的设计与实现。