仿生雙足機(jī)器人機(jī)械控制研究

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摘要：基于嵌入式設(shè)計(jì)的仿生直立雙足機(jī)器人的機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。該機(jī)器人已有的仿造人類基本動(dòng)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(jī)械控制系統(tǒng)為控制中樞。結(jié)合記憶系統(tǒng)導(dǎo)入的人類動(dòng)作數(shù)據(jù)，基層平臺(tái)支撐的機(jī)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(shí)際應(yīng)用成果表明，該機(jī)器人系統(tǒng)調(diào)理清晰、操作簡(jiǎn)便。

關(guān)鍵詞：仿生雙足機(jī)器人；動(dòng)作姿態(tài)采集；機(jī)械控制；控制

1概述

機(jī)器人技術(shù)被認(rèn)為是對(duì)未來(lái)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(jī)器人作為一種特殊的服務(wù)科技產(chǎn)品因其安全、高效、作業(yè)時(shí)間長(zhǎng)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注[2]。隨著科學(xué)技術(shù)和生活經(jīng)濟(jì)水平的不斷提高，社會(huì)上仍有不少行走困難的患者主要依靠輪椅或拐杖活動(dòng)，生活上不能自理，在社會(huì)的活動(dòng)范圍及心理感受上都受到一定程度的負(fù)面影響。該項(xiàng)目設(shè)計(jì)的初衷是解決上述問(wèn)題：通過(guò)各種相關(guān)技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)仿生直立雙足機(jī)器人，達(dá)到模仿人的動(dòng)作的效果，為患者設(shè)計(jì)出更加理想的假肢?？v觀我國(guó)假肢發(fā)展的趨勢(shì)，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(jī)器人設(shè)備發(fā)展有良好的前景。該仿生雙足機(jī)器人研發(fā)中融合計(jì)算機(jī)、電子、機(jī)械、醫(yī)學(xué)、仿生學(xué)等多門技術(shù)于一體，因此在整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)上統(tǒng)籌考慮確定完整可控的前提下保持不設(shè)計(jì)冗余。其程序控制系統(tǒng)主要是由機(jī)械控制系統(tǒng)，無(wú)線通信系統(tǒng)和電腦監(jiān)控上位機(jī)等部分獨(dú)立且又相互滿棧配合運(yùn)行，其中機(jī)械控制系統(tǒng)是本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)核心。此外該機(jī)器人設(shè)計(jì)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(wú)線藍(lán)牙模塊作為機(jī)器人控制和監(jiān)控上位機(jī)的通信橋梁，負(fù)責(zé)將采集到的信息傳輸?shù)奖O(jiān)控上位機(jī)并傳達(dá)監(jiān)控上位機(jī)的控制指令，使機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的控制動(dòng)作。

2程序控制系統(tǒng)詳解

2.1機(jī)械控制系統(tǒng)思路分析

本項(xiàng)目所研究的機(jī)器人需要仿生完成機(jī)器人的信息接收、信息處理、信息輸出的功能，實(shí)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(yīng)新環(huán)境、新任務(wù)、新需求[7]。其仿生是重點(diǎn)所在，如讓該機(jī)器人類人行走，在相對(duì)平整的路面上行走時(shí)的動(dòng)作是一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，若在行走動(dòng)作調(diào)試得精準(zhǔn)的狀態(tài)下平衡使用的必要性低。而機(jī)器人在走相對(duì)不平整的路面時(shí)，若僅依靠動(dòng)記憶系統(tǒng)中導(dǎo)入的動(dòng)作姿態(tài)來(lái)控制各伺服機(jī)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(shí)干預(yù)動(dòng)作問(wèn)題中專門設(shè)計(jì)了一套適合該機(jī)器人的機(jī)械控制系統(tǒng)。該機(jī)械控制系統(tǒng)主要包括兩個(gè)控制：動(dòng)作姿態(tài)控制，平衡控制。在整個(gè)機(jī)械控制系統(tǒng)中動(dòng)作姿態(tài)控制及平衡控制產(chǎn)生雙通道聯(lián)合響應(yīng)，動(dòng)作姿態(tài)控制起基礎(chǔ)的作用，平衡控制起調(diào)整作用。當(dāng)機(jī)器人通電運(yùn)行時(shí)，兩個(gè)控制都處于運(yùn)作的狀態(tài)，當(dāng)機(jī)器人接收到操控者發(fā)送的數(shù)據(jù)時(shí)，動(dòng)作姿態(tài)控制主導(dǎo)運(yùn)行記憶系統(tǒng)搜索調(diào)用24c02存儲(chǔ)器中的記憶動(dòng)作數(shù)據(jù)，發(fā)送給PWM脈沖處理程序。當(dāng)各伺服機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度時(shí)，若機(jī)器人的狀態(tài)采集模塊MPU6050傳入不正常數(shù)據(jù)（當(dāng)一般動(dòng)作運(yùn)行后機(jī)器人狀態(tài)對(duì)比實(shí)際狀態(tài)有不正常時(shí)），這時(shí)的平衡控制程序會(huì)產(chǎn)生主導(dǎo)控制，通過(guò)PID算法計(jì)算出添補(bǔ)調(diào)整角度并發(fā)送給PWM脈沖處理程序運(yùn)行后再次對(duì)比采集模塊數(shù)據(jù)，若不正常則從復(fù)運(yùn)行，反之完成本次動(dòng)作指令。

2.2動(dòng)作姿態(tài)控制的采集及量化過(guò)程

仿生基礎(chǔ)動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)有以下4個(gè)步驟：采集、分析處理整合、調(diào)試、記錄。采集人類日常動(dòng)作數(shù)據(jù)的過(guò)程是使用攝像頭對(duì)動(dòng)作進(jìn)行連續(xù)拍攝，在同一個(gè)動(dòng)作上采用多個(gè)方位的拍攝。分析采集動(dòng)作數(shù)據(jù)結(jié)合了拍攝的人類動(dòng)作取幀以及人類骨架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)。對(duì)上一步所取得的多個(gè)角度拍攝的連貫動(dòng)作并獲得該相同循環(huán)動(dòng)作的圖片幀，對(duì)比、計(jì)算并記錄前后兩幀的動(dòng)作對(duì)應(yīng)的人類骨架的節(jié)點(diǎn)，這時(shí)每個(gè)拍攝角度都有一套完整的動(dòng)作幀數(shù)據(jù)。其中涉及到一個(gè)模糊的算法計(jì)算，在同一角度的循環(huán)動(dòng)作分析計(jì)算上植入模糊算法用于模糊其中的由于人類自然抖動(dòng)產(chǎn)生的不可預(yù)測(cè)的細(xì)微改變。當(dāng)動(dòng)作的采集分析封裝完成后，將該動(dòng)作封裝導(dǎo)入到該仿生雙足機(jī)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(duì)獨(dú)立的調(diào)用形式存在。在機(jī)器人有動(dòng)作指令接收到時(shí)，選擇EEPROM地址段，尋找到該具體動(dòng)作類型的物理地址并讀取該動(dòng)作數(shù)據(jù)，完成一個(gè)讀取EEPROM的操作。

2.3PID平衡控制算法作用機(jī)理

平衡控制算法是該仿生雙足機(jī)器人能夠在實(shí)際的平整程度對(duì)比人類可不過(guò)于費(fèi)力按比例縮減的動(dòng)作發(fā)生平臺(tái)上能夠順利地完成指定動(dòng)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(guò)該算法給出相對(duì)應(yīng)的反饋?lái)憫?yīng)，給不同的需要使用的伺服機(jī)信號(hào)源發(fā)送即時(shí)的PWM信號(hào)脈沖，以保證該機(jī)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(tái)上的算法。當(dāng)傳感器MPU6050采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)MCU計(jì)算后定位為不正常數(shù)據(jù)時(shí)，PID算法啟動(dòng)，計(jì)算偏差角度、添補(bǔ)調(diào)整角度，發(fā)送給PWM脈沖發(fā)生函數(shù)進(jìn)行下一步的脈沖發(fā)送。本算法在原來(lái)的平衡算法PID的反饋程序的PWM信號(hào)脈沖的給定信號(hào)模式中使用了“同時(shí)”與“同速”兩種模式?！巴瑫r(shí)”代表在相同或相差不會(huì)超過(guò)200ms的時(shí)間內(nèi)完成所有PWM脈沖，“同速”表示所有PWM脈沖在單位時(shí)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(zhǎng)時(shí)間平衡采集的情況下會(huì)出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，而加速度計(jì)的工作機(jī)理正好相反，從而兩種傳感器恰好形成在時(shí)間長(zhǎng)度上互補(bǔ)采集的關(guān)系，所以使用融合陀螺儀及加速度計(jì)兩種傳感器于一體的傳感器模塊mpu6050對(duì)平衡狀態(tài)進(jìn)行采集是較為可靠的。在MPU6050傳感器中采集到的機(jī)器人平衡以及其他各項(xiàng)狀態(tài)是以間隔為50ms的工作狀態(tài)通過(guò)UART串口傳輸?shù)組CU芯片中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

3結(jié)論

本項(xiàng)目所研發(fā)作品基于機(jī)械結(jié)構(gòu)，硬件電路及機(jī)械控制等多模塊設(shè)計(jì)共同協(xié)調(diào)統(tǒng)一。目前成果已可達(dá)到模仿人類基本動(dòng)作的目的，但在解決動(dòng)作僵硬及仿生程度使用到方法仍有大空間可繼續(xù)改進(jìn)，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(jī)器人平臺(tái)上，可進(jìn)行縱向研發(fā)，整體往更加智能化，條理化，自動(dòng)化進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。這需要進(jìn)一步完善機(jī)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(dòng)作，增加感應(yīng)器模塊，深化反饋調(diào)節(jié)的算法環(huán)境及改進(jìn)機(jī)械控制系統(tǒng)流程，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)掃描目標(biāo)路徑并完成包括自動(dòng)避障的目標(biāo)動(dòng)作。

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作者：黃偉鵬 劉以行 盧文俊 溫陸聲 單位：廣東工業(yè)大學(xué)華立學(xué)院