1、 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 OF HEXAPOD 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
2、工业大学 Classified Index: TP302.8 U.D.C: 681.5 Dissertation for the Master Degree in Engineering DESIGN AND IMPLEMENTATION OF MOTION CONTROL SYSTEM OF HEXAPOD ROBOT Candidate： Liu Degao Supervisor： Prof.Wu Xianghu Academic Degree Applied for： Master of Engineering Speciality： Computer Science and Techn
3、ology Affiliation： School of Computer Science and Technology Date of Defence： July, 2013 Degree-Conferring-Institution： Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - I - 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
4、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
5、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 ； 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - II - Abstract In the p
6、aper, 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 mod
7、e 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 si
8、x-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 ne
9、eds 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 functi
10、on 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
11、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 variou
12、s 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
13、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, 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - III - but also has high reliability and safety. The system played a k
14、ey 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;哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - IV - 目 录 摘 要 . I Abstract . II 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
15、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
16、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 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - V - 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
17、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
18、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
19、 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 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - VI - 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
20、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
21、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 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 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
22、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。 1.1.2 课题研究的背景和意义 随着科技的进步，人类涉及的领域逐步增多，很多的作业领域存在着高风险因素，比如军事运输、消防营救和深空探测等领域。在这些高危险领域，机器人可以替代 人工 进行作业，从而使人类规避很多不必要的风险。同时，机器人可以根据环境的需求 2，进行特定的设计和实现，相比人类自我作业而言，机器人对特殊环境
23、的适应能力更强，实际作业的效果更好。因此，研究能完成实 际任务的机器人成为当前热点之一。 多足机器人是当前国内外研究的机器人类型中的一种，它具有多条腿，每条腿有三个关节，运动十分灵活，能在中央控制器的控制下，完成不同步态下的行走任务 3。本课题涉及的六足机器人和一般小型六足机器人不一样，该六足机器人主要是用来在复杂环境下进行大负载物资运输，中央控制器上运行的运动控制系统不仅要控制六足的协调行走，而且还要实时处理操控者的命令以及行走环境中出现的各种突发情况 4, 5。基于以上分析，研究六足机器人运动控制系统的相关技术以及设计和实现一款可靠性和实时性强且能满足行 走要求的运动控制系统显得尤为重要
24、6。但是，针对六足机器人设计和实现的运动控制系统还很少，特别是针对大负载运输的六足机器人的运动控制系统现在还没有，因此，本课题研究的六足机器人运动控制系统的设计与实现具有较强的实际意义。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 1.2 国内外研究现状 1.2.1 运动控制系统的发展 运动控制系统是通过改变电压、电流和频率等输入量，控制电机的转动角度和转速，从而控制整个底层硬件平台完成不同要求的作业任务 7-10。运动控制系统替代人类对底层硬件平台进行操作，大大提高了作业效率 。现代运动控制系统涉及到许多学科，核心的包含 电机学、电力电子技术、微电子技术、计算机控制技术、控制理论、信号检测与
25、处理技术等 11, 12。运动控制系统的发展经历了直流到交流、开环到闭环、模拟到数字以及基于网络的控制系统 13, 14。 运动控制系统控制的核心部件是电动机， 19 世纪以来，电动机在各国生产和日常生活中扮演着重要作用，无论是在工农业生产、国防工业、航空航天领域、交通运输领域，还是在商业领域，都需要使用 大量 电动机 。据相关统计数据显示，美国等发达国家 动力资源的 90%来自于电动机，我国也占 60%左右。当时控制电动机的是直流运动控制系统，虽然直流运动控制系统有成本高、难维护的不足，但是由于电动机的需求广泛，直流运动控制系统拥有广泛的应用空间，也在不断的发展之中 15,16。 20 世纪
26、 80 年代， 随着微电子技术的迅速发展，运动控制系统由之前的 直流转向交流、 硬件控制朝着软件控制的方向发展，运动控制系统软件迅速发展。运动控制系统软件不但实现方便，便于修改和完善，而且实现的成本低， 维护简单 17,18。20 世纪 90 年代以来， 与运动控制系统相关的技术得到很快发展，各种先进技术融入到运动控制系统中， 先进的 电子 电力技术、微电子技术和控制技术 融入到运动控制系统，使电子器件、控制盒驱动融为一体。数字脉宽调制、微型计算机控制以及自适应控制技术、最优控制方法和神经网络控制等现代科技融入到运动控制系统中，使具有很高静动态性能的运动控制系统不断被研发出来 19, 20。
27、21 世纪以来，随着运动控制任务的复杂度急剧增加， 运动控制系统需要设计成多任务控制架构才能满足控制需求 ，因此运动控制系统需要底层操作系统的支持。 随着嵌入式硬件和操作系统的迅速发展，出现了基于嵌入式操作系统的多任务运动控制系统 。目前，使用最多的嵌入式操作系统是 vxWorks，它不但具有很强的实时性，而且操作系统内核可以根据控制任务的需求进行动态裁剪， 与 vxWorks操作系统相配套的开发工具一般为 Tornado 软件仿真环境。包含运动控制系统软件和嵌入式操作系统的 运动控制系统 上位机部分将被加载到嵌入式芯片内运行 21, 22，一起加载的嵌入式操作系统 为上层运动控制系统提供各种
28、支持，而且可以根据哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 实际需求进行动态裁剪，不仅减小运动控制 系统的 规模 ，而且使系统的运行效率提高，响应外部环境请求的实时性也更强 23-25。同时，现代运动控制系统上位机和 三维力系统和单足控制 系统 采用 CAN 总线进行通信 26, 27，通信的可靠性和效率都大大提高，微电机技术的发展和通信技术的提升 28，进一步推动了运动控制系统的发展。 1.2.2 多足机器人的发展现状 多足机器人是机器人类型中的一种，按行走方式分类，机器人包含轮式机器人、履式机器人和多足机器人，轮式机器人和履式机器人结构简单，易于控制和保持机体稳定，但是机体在行走时对路面
29、的要求高，且不能适应各种复杂环境。多足机器人的关节自由度多，行动灵活，机体行走时对路面的要求较低，能适应复杂环境下的行走 29, 30。随着运动控制技术的发展，多足机器人的运动控制方法由基于逻辑电路组成的状态机控制，发展成为现在的基于生物中枢模式发生器（ CPG）原理的运动控制方法 31-33。 上个世纪 80 年代，国际上产生了很多关于 CPG 研究的理论，主要理论都来自于美国、日本和苏联。基于 CPG 原理的运动控制方法突破了单一的位置规划和控制策略，解决了由于惯性和脚力失衡造成的机器人失稳问题，也使得机器人具有更好的环境感知能力 34, 35。加拿大 McGill 大学的机器人研究中心成
30、功研制了一款名为 RHex 的六足移动机器人，机器人效果如图 1-1 所示。 图 1-1 六足移动机器人 RHex RHex 是采用离散向量表记录步态特征信息，比如步态的时序和占空比，在控制过程中，通过调整占空比来实现步态间的切换 36。 美国 Carnegie Mellon 大学 机器人研究中心研制的 六足爬壁机器人 RiSE， 机器人效果如图 1-2 所示， RiSE 六足机器人不但沿用了 RHex 六足机器人利用向量表表示步态特征参数的技术，而且将离散向量扩展为连续的线性函数 ，实现了步态间的自由切换 37。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 图 1-2 六足爬壁机器人 RiS
31、E 2000 年至 2003 年，日本电气通信大学木村浩 等人利用基于 CPG 原理的运动控制技术，成功研制了一款宠物狗外形的六足机器人 Tekken-IV，该机器人不但具有适应不同路面的优势，而且利用激光和 CCD 摄像机，实时采集外部环境数据，机体内的运动控制系统通过对环境反馈数据的分析和处理 38, 39，适当调整机器人的运动路径，使 Tekken-IV 能自主规避障碍物。 国内对多足机器人的研究从上个世纪 80 年代开始，主要的研究大学有清华大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学和国防科技大学。 1990 年，清华大学成功研制了一款四足仿生机器人 Biosbot，它每个足具有 三个关节，能
32、完成直走、横走和拐弯，能够完成两种不同步态的行走，并且实现了这两种步态之间的切换，同时，该机器人还能上下 10的坡面 40。 1996 年上海交通大学研制了 JTUWM 系列四足机器人，该机器人的每个足有三个关节，运动控制系统简单，运动灵活，但是该机器人行动迟缓，而且负载很小 41, 42。 1.3 主要研究内容及论文内容安排 1.3.1 主要研究内容 为了 使 设计和实现 的运动控制系统 完成六足机器人行走功能的控制任务，并且具有较高的实时性、可靠性和安全性，需要研究的内容如下： （ 1） 六足机器人 运动控制系统 运行的软硬件平台的搭建。主要包括嵌入式开发板的选择和 多任务环境的搭建等。
33、（ 2） 运动控制系统的 软件 设计。 主要包括软件总体架构 设计 、 系统 功能模块划分、 系统任务和中断设计、系统执行逻辑设计 和系统同步机制设计等 。 （ 3） 系统异常故障机制的研究和实现。 主要研究六足机器人软硬件异常故障哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 的种类，以及每一种异常故障处理的机制。 （ 4） 运动控制系统 与其他子系统间的通信 研究和 实现。主要包括运动控制系统与操控系统间的 485 通信、运动控制系统与单足运动控制系统间的 CAN 通信、运动控制系统与 三维力 系统间的 CAN 通信以及运动控制系统 与惯导系统间的 485通信。 （ 5） 运动控制系统测试方法
34、的研究和实现。 运动控制 系统 各功能模块、运动控制系统与其它系统通信模块和运动控制系统主控任务测试方法的研究和实现。 1.3.2 论文内容安排 论文共分为六章 ，每个章节的内容如下： 第一章 是 绪论。 叙述 课题的来源、 研究目的和意义 、 目前 国内外对 运动控制系统和多足机器人的研究现状 和 作者主要工作及论文内容安排 。 第二章 是运动控制 系统的 需求分析 。 介绍运动控制系统的总体要求 、 功能需求、数据需求、性能需求和可靠性需求。 第三章 是运动控制 系统的概要设计。 给出 运动控制系统的软件总体架构 、 系统功能模块 组成 和 系统的模式 组成 设计方案。 第四章 是运动控制
35、系统的详细设计 。 首先介绍了系统任务和中断的设计方案，然后给出了系统同步控制机制和 系统各模块的详细设计，最后阐述了系统内部CAN 通信协议的具体细节。 第五章 是运动控制系统的实现。 首先 介绍了运动控制系统的模式控制模块、步态切换模块和步态控制模块的 代码 实现， 然后 给出了 运动控制 与操控、 运动控制 与六足和 运动控制 与三维力通信模块的代码实现。 第六章 是运动控制系统的测试。 按照单元测试、集成测试和系统测试的 顺序 ，以测试的方法、环境和结论 为重点 ，详细阐述了 对底层运动子函数、系统各模块和系统主控任务的测试实验。 对测试中发现的问题， 给出了优化措施和优化后的效果。
36、哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 第 2 章 六足机器人运动控制系统的需求分析 系统需求 的内容决定了 运动控制系统设计和实现的 具体细节 ， 也明确了系统优化的方向。本章从运动控制系统的总体要求、功能需求、数据需求、性能需求和可靠性需求等方面，详细介绍了获取的系统需求内容。 2.1 六足机器人运动控制系统总体要求 2.1.1 六足机器人运动控制 系统任务概述 六足机器人需要实现足式模式下行走和轮式模式下行走两 大 功能，足式模式下行走 包含 常规步态行走、坡面行走和 越障 行走功能， 常规行走功能主要负责机体在常规路况情形下的足式行走任务；坡面行走功能主要负责平台在坡面的稳定行走任
37、务；越障控制主要负责平台在跨越大尺度障碍时的多腿协调行走任务 。 从步态的组成角度分析， 常规步态行走 由二步态、三步态和六步态三个基本步态组成。六足行走步态均可以有这三种步态衍生而来，因此二步态、三步态和六步态是整个运动控制的基础。从单腿的运动角度分析，单腿控制可以拆分成支撑相控制和摆动相控制两部分。在六足机器人行走过程中，对每条单腿其状态交替经历支撑相和 摆动相，前者的终了位置又 作为后者在下一个步态周期的初始运动位置 。 足式运动模式是整个系统最重要的组成部分，它承担着六足机器人移动、爬坡、越障等一系列行走任务。六足机器人共 18 个主动自由度，在平台运动的同时伴随着大量的数据传递、外界
38、环境和本体信息的传感器反馈。机体需要根据实时反馈信息对当前运动状态进行判断。 在常规行走时，需要实现二步态、三步态和六步态行走间的自由切换。 同时，六足机器人需要具有一定的异常故障处理机制，在正常行走过程中，如果出现硬件或软件故障，运动控制系统能及时进行处理，或者使整个系统进入安全 /待机模式，等待进一步处理， 保证整个系统的安全 。 2.1.2 六足机器人运动控制系统与其它系统的硬件组成 运动控制系统和其它子系统的硬件组成如图 2-1 所示，运动控制系统运行在嵌入式开发板 TE2440-II 上，与运动控制系统通信的子系统有操控系统、惯导系统、三维力系统和单足控制系统，操控系统运行在开发板
39、TE2440-II 上，通过 485 接口和运动控制系统连接；惯导系统的硬件型号为 LMRK20GPSA，通过 485 接口和运哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 动控制系统连接；三维力系统包含一个中央控制器和三个模块采集盒，中央控制器和模块采集盒串联通信，由中央控制器通过 CAN 接口和运 动控制系统连接，中央控制器的硬件型号为 M8005SN00214，三维力模块采集盒的硬件型号分别为M8115BSN0211、 M8115BSN0212 和 M8115BSN0213。 嵌 入 式 开 发 板T E 2 4 4 0 - I I运 控 系 统惯 导L M R K 2 0 G P S A
40、惯 导 系 统4 8 5接 口4 8 5接 口C A N 接 口嵌 入 式 开 发 板T E 2 4 4 0 - I I操 控 系 统4 8 5接 口4 8 5 4 8 5C A N 总 线C A N三 维 力 控 制 器M 8 0 0 5 S N 0 0 2 1 4底 层 子 系 统 4 8 5接 口单 腿 控 制 器 - 1 单 腿 控 制 器 - 1 单 腿 控 制 器 - 1图 2-1 运动控制 系统与其它系统硬件接口图 2.1.3 六足机器人运动控制系统模式控制总体要求 运动控制系统模式转移如图 2-2 所示， 运动控制系统将待机模式定 为初始状态，系统 在接收 操控系统 下达的运动
41、控制指令前， 运动控制 系统需要经历一系列运动准备状态，自接收启动命令开始， 系统 首先进入启动准备状态，在此状态内 单足控制系统 进行初始化和上电处理。在接收到系统自检命令后，系统立即进入自检模式，对关节线路、足式控制系统、机体位姿等相关控制参量和 子系统 状态进行检测，若系统未通过自检则转入待机 /安全模式，在此模式下运动控制系统不执行任何运动指令，等待后续故障检测或来自操 控系统 的上层指令。 当系统通过自检后， 系统进入足式运动控制模式。 进入足式运动控制模式后，系统已经处于正常行走状态，若此间系统发生异常（关节运动超程、硬件故障、失稳等）则立即转入待机 /安全模式，保护现场等待进一步
42、处理。此外，运动 控制系统的状态转移总图还 包括 库存和急停两种状态，前者用来描述六足机器人 在入库停用时的储存状态， 此状态下各关节线路全部断电，液压系统卸力，各支撑腿抬起并采用机械方式固定于机身，轮悬空并作保护处理，机体地盘整体下沉并垫起；急停状态区别于待机 /安全模式，急停状态用来处理系统在运动过程中的紧急情况或突发不可控故障，系统进入急停状态，排除故障后系统需重新启动并通过自检方可继续运行。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 待 机 模 式启 动 准 备模 式启 动 自 检模 式待 机 / 安 全模 式足 式 运 动 控 制 模 式自 动 控 制模 式手 动 控 制模 式启
43、动 准 备 指 令系 统 自 检 指 令系 统 异 常 / 故 障库 存 指 令急 停 指 令切 换 手 动 控 制 指 令切 换 自 动 控 制 指 令急 停 模 式 库 存 模 式自检通过自 检 未 通 过图 2-2 运动控制系统模式转移总图 2.1.4 六足机器人运动控制系统 运行环境 和通信 运动控制系统 软件 包含 上层 步态控制算法等 应用程序和嵌入式操作系统vxWorks，在实际运行时，运动控制系统软件 加载到嵌入式开发板 TE2440-II 上运行。 运动控制系统通过 485 接口与操控系统和惯导系统进行通信，通过开发板的CAN 接口与 单足控制系统和三维力 系统进行通信。 2
44、.2 六足机器人运动控制系统需求规定 2.2.1 功能需求 （ 1）完成 常规步态行走、坡面行走和 越障 行走 的控制功能，其中常规步态行走包含二步态行走、三步态行走和六步态行走； （ 2）完成三种常规步态行走间的自由切换控制功能； （ 3） 在正常模式控制下， 能及时响应 急停、拐弯、原地转向 等特殊指令，完成相应的控制功能； （ 4）具有与各子系统进行实时、可靠的数据通信功能； （ 5）具有很强的异常和故障处理功能 ，确保六足机器人 遇到突发异常情况时的安全。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 2.2.2 数据需求 2.2.2.1 运动控制系统与操控系统间的数据通信 运动控制系统
45、 与操控 系统 采用 485 总线 进行主从通信 ，操控系统为主节点，运动控制 系统为从节点。 操控 系统通过人机交互平台将操作者的指令发送给运动控制系统，同时需要 根据底层各子系统的状态和传感器信息，进行系统安全控制。 操纵 系统 下发给运动 控制 系统 的数据有以下类型，数据 详细描述见表 2-1。 表 2-1 操控系统下发给运动控制系统的数据列表 （ 1）查询指令：用于查询 运动控制 系统、 单 足控制系统、三维力系统 和惯导序号 变量名称 含义 类型 长度 下传方式 1 g_FunctionModel 功能模式 Uint8 1 周期 2 g_SpeedClass 档位 Uint8 1
46、周期 3 g_LegNumber 操纵腿 Uint8 1 周期 4 g_JointControl 足端 /关节控制 Uint8 1 周期 5 g_PlatXMove 平台在 X 轴移动 Float 4 周期 6 g_PlatZMove 平台在 Z 轴移动 Float 4 周期 7 g_PlatYRotation 平台绕 Y 轴旋转 Float 4 周期 8 g_PlatXRotation 平台绕 X 轴旋转 Float 4 周期 9 g_PlatSituRotation 平台绕 X 轴旋转 Float 4 周期 10 g_Speed_Turn 转弯速度 Float 4 周期 11 g_Spee
47、d_Travel 行进速度 Float 4 周期 12 g_StepHeight 步高值 Float 4 周期 13 g_ObstacleHeight 障碍高度 Float 4 周期 14 g_FootXSpeed 足 X 轴速度 Float 4 周期 15 g_FootYSpeed 足 Y 轴速度 Float 4 周期 16 g_FootZSpeed 足 Z 轴速度 Float 4 周期 17 g_GJointSpeed 跟关节转速 Float 4 周期 18 g_KJointSpeed 髋关节转速 Float 4 周期 19 g_XJointSpeed 膝关节转速 Float 4 周期 哈
48、尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 系统的状态，操控系统将应答数据 反馈 给操作者，便于操作者更详细的了解整个六足机器人的运行状态以 便 及时发现底层异常情况，利于操作者做出更加合理、有效的操作； （ 2）控制指令：用于下达六足机器人在足式运动状态下的相关运动控制参数，主要包括：运动模式、步高值、调速运动参数、足端速度、各关节速度、平台移动速度； （ 3）运动辅助信息：用于提供给运动控制 系统 相关运动辅助信息，减轻底层运动控制规划任务量，增强平台行走的环境适应能令，主要包括：障碍高度和坡面大小。 运动控制系统上传至操控系统的数据的详细描述见 表 2-2。 表 2-2 运动控制系统上传
49、至操控系统的数据列表 序号 变量名称 含义 类型 长度 上传方式 1 g_N_Gjoint_position 跟关节角度 Float 4*6 周期 2 g_N_Kjoint_position 髋关节角度 Float 4*6 周期 3 g_N_Xjoint_position 膝关节角度 Float 4*6 周期 4 g_N_Platspeed_X 平台 X 方向速度 Float 4 周期 5 g_N_Platspeed_Y 平台 Y 方向速度 Float 4 周期 6 g_N_Platspeed_Z 平台 Z 方向速度 Float 4 周期 7 g_N_Gjoint_Force 跟关节力矩 Float 4*6 非周期 8 g_N_Kjoint_Force 髋关节力矩 Float 4*6 非周期 9 g_N_Xjoint_Force 膝关节力矩 Float 4*6 非周期 10 g_N_FootForce_X 足端 X 方向接触力 Float 4*6 周期 11 g_N_FootForce_Y 足端
