基于STM32的单腿跳跃机器人控制系统研究

　　足式机器人以其优越的越障能力及地形适应能力，正逐渐成为国内外研究的前沿方向。单腿跳跃机器人作为足式机器人的一种，是研究多足机器人的必经之路。通过对单腿跳跃机器人的研究，可以更好地掌握仿生机器人的运动规律和跳跃机理。另外，单腿跳跃机器人的动态跳跃步态形式简单，是研究足式机器人动态步态的理想平台。

　　本文围绕液压驱动单腿跳跃机器人的控制器设计、竖直跳跃运动控制、机器人跳跃实验这三个部分展开。主要工作包括：

　　（1）提出嵌入式控制系统上下位机的总体架构，采用STM32为主控芯片设计下位机硬件电路；完成包括初始化模块、主程序模块、中断模块的下位机软件编写；在LabVIEW开发环境下，编写上位机界面。

　　（2）对于机器人本体进行运动学建模，主要是对双关节结构的机器人本体进行关节运动分析。在此基础上，提出机器人空中相固定姿态，着地相跟踪规划轨迹的跳跃方式。分别提出基于SLIP模型和关节正弦模型的两种着地相轨迹规划方案，通过运动学逆解得出关节的角度变化规律。进一步的，提出基于PID的关节角度控制策略：空中相采用PID控制器，着地相考虑柔顺的需求，采用PD控制器。

　　（3）完成机器人空中相的阶跃响应实验和频率特性实验。通过在闭环阶跃响应实验中调定PID控制器的参数，使得机器人的膝关节和髋关节表现出较好的动态性能；通过测试机器人双关节闭环正弦跟踪，研究膝关节和髋关节的频率特性情况。实验结果表明，膝关节和髋关节的截止频率分别为6.6Hz和4.4Hz。

　　（4）在防止“两次点地”及收腿和伸腿阶段采用不同的比例系数的条件下，整定完着地相PD控制器参数。同时，讨论控制策略切换的问题，并给出机器人着地和起跳条件。在上述研究基础上，完成基于SLIP模型和关节正弦模型轨迹规划的跳跃实验，实验结果表明模型的合理性。进一步的，结合实验数据分析机器人跳跃过程中的一些特性，加深对机器人跳跃运动的认识。为了减小机器人着地冲击，提出着地相变轨迹结合更改着地判定条件的方法，并通过实验验证了它的有效性。最后，对本论文的研究工作进行了总结，并对后面的研究工作提出一些方向。