仿生雙足機器人機械控制研究

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摘要：基于嵌入式設計的仿生直立雙足機器人的機械控制系統(tǒng)設計和實現(xiàn)。該機器人已有的仿造人類基本動作成果是以32位Cortex-M3架構(gòu)的STM32F013ZET6控制芯片為系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)核心，以機械控制系統(tǒng)為控制中樞。結(jié)合記憶系統(tǒng)導入的人類動作數(shù)據(jù)，基層平臺支撐的機械結(jié)構(gòu)，硬件部分的模擬與數(shù)字電子電路及程序控制部分的直接與多平衡算法間接反饋控制等。實際應用成果表明，該機器人系統(tǒng)調(diào)理清晰、操作簡便。

關(guān)鍵詞：仿生雙足機器人；動作姿態(tài)采集；機械控制；控制

1概述

機器人技術(shù)被認為是對未來新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義的高新技術(shù)之一[1]。仿生機器人作為一種特殊的服務科技產(chǎn)品因其安全、高效、作業(yè)時間長，越來越受到人們的關(guān)注[2]。隨著科學技術(shù)和生活經(jīng)濟水平的不斷提高，社會上仍有不少行走困難的患者主要依靠輪椅或拐杖活動，生活上不能自理，在社會的活動范圍及心理感受上都受到一定程度的負面影響。該項目設計的初衷是解決上述問題：通過各種相關(guān)技術(shù)設計一個仿生直立雙足機器人，達到模仿人的動作的效果，為患者設計出更加理想的假肢?？v觀我國假肢發(fā)展的趨勢，控制方面趨向于智能控制[3]。因此，在協(xié)助人類生活的仿生機器人設備發(fā)展有良好的前景。該仿生雙足機器人研發(fā)中融合計算機、電子、機械、醫(yī)學、仿生學等多門技術(shù)于一體，因此在整個系統(tǒng)的設計上統(tǒng)籌考慮確定完整可控的前提下保持不設計冗余。其程序控制系統(tǒng)主要是由機械控制系統(tǒng)，無線通信系統(tǒng)和電腦監(jiān)控上位機等部分獨立且又相互滿棧配合運行，其中機械控制系統(tǒng)是本系統(tǒng)的設計核心。此外該機器人設計使用以STM32F013ZET6芯片為內(nèi)核的系統(tǒng)主控制器，攜帶數(shù)字陀螺儀MPU6050傳感器單元。并且采用HC-05無線藍牙模塊作為機器人控制和監(jiān)控上位機的通信橋梁，負責將采集到的信息傳輸?shù)奖O(jiān)控上位機并傳達監(jiān)控上位機的控制指令，使機器人執(zhí)行相應的控制動作。

2程序控制系統(tǒng)詳解

2.1機械控制系統(tǒng)思路分析

本項目所研究的機器人需要仿生完成機器人的信息接收、信息處理、信息輸出的功能，實現(xiàn)人性化、智能化[6]。在結(jié)構(gòu)、感知、控制、智能等方面給出新方法以適應新環(huán)境、新任務、新需求[7]。其仿生是重點所在，如讓該機器人類人行走，在相對平整的路面上行走時的動作是一個循環(huán)的過程，若在行走動作調(diào)試得精準的狀態(tài)下平衡使用的必要性低。而機器人在走相對不平整的路面時，若僅依靠動記憶系統(tǒng)中導入的動作姿態(tài)來控制各伺服機顯然不能滿足仍正常行走的目的。因此在平衡算法控制何時干預動作問題中專門設計了一套適合該機器人的機械控制系統(tǒng)。該機械控制系統(tǒng)主要包括兩個控制：動作姿態(tài)控制，平衡控制。在整個機械控制系統(tǒng)中動作姿態(tài)控制及平衡控制產(chǎn)生雙通道聯(lián)合響應，動作姿態(tài)控制起基礎的作用，平衡控制起調(diào)整作用。當機器人通電運行時，兩個控制都處于運作的狀態(tài)，當機器人接收到操控者發(fā)送的數(shù)據(jù)時，動作姿態(tài)控制主導運行記憶系統(tǒng)搜索調(diào)用24c02存儲器中的記憶動作數(shù)據(jù)，發(fā)送給PWM脈沖處理程序。當各伺服機轉(zhuǎn)動到目標角度時，若機器人的狀態(tài)采集模塊MPU6050傳入不正常數(shù)據(jù)（當一般動作運行后機器人狀態(tài)對比實際狀態(tài)有不正常時），這時的平衡控制程序會產(chǎn)生主導控制，通過PID算法計算出添補調(diào)整角度并發(fā)送給PWM脈沖處理程序運行后再次對比采集模塊數(shù)據(jù)，若不正常則從復運行，反之完成本次動作指令。

2.2動作姿態(tài)控制的采集及量化過程

仿生基礎動作的實現(xiàn)有以下4個步驟：采集、分析處理整合、調(diào)試、記錄。采集人類日常動作數(shù)據(jù)的過程是使用攝像頭對動作進行連續(xù)拍攝，在同一個動作上采用多個方位的拍攝。分析采集動作數(shù)據(jù)結(jié)合了拍攝的人類動作取幀以及人類骨架結(jié)構(gòu)節(jié)點對應。對上一步所取得的多個角度拍攝的連貫動作并獲得該相同循環(huán)動作的圖片幀，對比、計算并記錄前后兩幀的動作對應的人類骨架的節(jié)點，這時每個拍攝角度都有一套完整的動作幀數(shù)據(jù)。其中涉及到一個模糊的算法計算，在同一角度的循環(huán)動作分析計算上植入模糊算法用于模糊其中的由于人類自然抖動產(chǎn)生的不可預測的細微改變。當動作的采集分析封裝完成后，將該動作封裝導入到該仿生雙足機器人的記憶系統(tǒng)中，該記憶系統(tǒng)在成型的程序體系中是以相對獨立的調(diào)用形式存在。在機器人有動作指令接收到時，選擇EEPROM地址段，尋找到該具體動作類型的物理地址并讀取該動作數(shù)據(jù)，完成一個讀取EEPROM的操作。

2.3PID平衡控制算法作用機理

平衡控制算法是該仿生雙足機器人能夠在實際的平整程度對比人類可不過于費力按比例縮減的動作發(fā)生平臺上能夠順利地完成指定動作的保障。其中最主要使用的平衡算法是PID算法，在不同的路面情況下通過該算法給出相對應的反饋響應，給不同的需要使用的伺服機信號源發(fā)送即時的PWM信號脈沖，以保證該機器人的平衡維持在可控的范圍內(nèi)。該平衡控制程序是建立在傳感器MPU6050及STM32F103ZET6平臺上的算法。當傳感器MPU6050采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)MCU計算后定位為不正常數(shù)據(jù)時，PID算法啟動，計算偏差角度、添補調(diào)整角度，發(fā)送給PWM脈沖發(fā)生函數(shù)進行下一步的脈沖發(fā)送。本算法在原來的平衡算法PID的反饋程序的PWM信號脈沖的給定信號模式中使用了“同時”與“同速”兩種模式。“同時”代表在相同或相差不會超過200ms的時間內(nèi)完成所有PWM脈沖，“同速”表示所有PWM脈沖在單位時間內(nèi)給定的脈沖數(shù)相同。

2.4MPU6050模塊使用方法

由于陀螺儀在長時間平衡采集的情況下會出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)不準確，而加速度計的工作機理正好相反，從而兩種傳感器恰好形成在時間長度上互補采集的關(guān)系，所以使用融合陀螺儀及加速度計兩種傳感器于一體的傳感器模塊mpu6050對平衡狀態(tài)進行采集是較為可靠的。在MPU6050傳感器中采集到的機器人平衡以及其他各項狀態(tài)是以間隔為50ms的工作狀態(tài)通過UART串口傳輸?shù)組CU芯片中進行數(shù)據(jù)處理。

3結(jié)論

本項目所研發(fā)作品基于機械結(jié)構(gòu)，硬件電路及機械控制等多模塊設計共同協(xié)調(diào)統(tǒng)一。目前成果已可達到模仿人類基本動作的目的，但在解決動作僵硬及仿生程度使用到方法仍有大空間可繼續(xù)改進，在更深層次的仿生效果上仍然不足。在基于目前已完成的機器人平臺上，可進行縱向研發(fā)，整體往更加智能化，條理化，自動化進一步開發(fā)。這需要進一步完善機械結(jié)構(gòu)至靠攏類人類下肢骨架結(jié)構(gòu)，精確采集人類日常動作，增加感應器模塊，深化反饋調(diào)節(jié)的算法環(huán)境及改進機械控制系統(tǒng)流程，實現(xiàn)自動掃描目標路徑并完成包括自動避障的目標動作。

參考文獻

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[2]付莊,付為,殷曉光,曹其新,趙正言.基于藍牙模塊的導診服務機器人無線通訊系統(tǒng)設計[J].中國康復醫(yī)學雜志,2003.

[3]張更林,金寶士,張宇光.人體下肢假肢發(fā)展概況[Z].佳木斯大學學報(自然科學版),2002.

[4]愈志偉.雙足機器人仿生機構(gòu)設計與運動仿真[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2006.

[5]國海峰,劉澤乾,陳丹強.機載武器系統(tǒng)模擬訓練仿真平臺設計[J].計算機測量與控制,2010.

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[7]譚民,王碩.機器人技術(shù)研究進展[J].自動化學報,2013.

作者：黃偉鵬 劉以行 盧文俊 溫陸聲 單位：廣東工業(yè)大學華立學院