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仿生雙足機器人機械控制研究論文
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設計和實(shí)現。該機器人已有的仿造人類(lèi)基本動(dòng)作成果是以32位Cortex-M3架構的STM32F013ZET6控制芯片為系統處理數據核心，以機械控制系統為控制中樞。結合記憶系統導入的人類(lèi)動(dòng)作數據，基層平臺支撐的機械結構，硬件部分的模擬與數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)際應用成果表明，該機器人系統調理清晰、操作簡(jiǎn)便。
關(guān)鍵詞：仿生雙足機器人；動(dòng)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(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(cháng)，越來(lái)越受到人們的關(guān)注[2]。隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)和生活經(jīng)濟水平的不斷提高，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面影響。該項目設計的初衷是解決上述問(wèn)題：通過(guò)各種相關(guān)技術(shù)設計一個(gè)仿生直立雙足機器人，達到模仿人的動(dòng)作的效果，為患者設計出更加理想的假肢�？v觀(guān)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(lèi)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、醫學(xué)、仿生學(xué)等多門(mén)技術(shù)于一體，因此在整個(gè)系統的設計上統籌考慮確定完整可控的前提下保持不設計冗余。其程序控制系統主要是由機械控制系統，無(wú)線(xiàn)通信系統和電腦監控上位機等部分獨立且又相互滿(mǎn)棧配合運行，其中機械控制系統是本系統的設計核心。此外該機器人設計使用以STM32F013ZET6芯片為內核的系統主控制器，攜帶數字陀螺儀MPU6050傳感器單元。并且采用HC-05無(wú)線(xiàn)藍牙模塊作為機器人控制和監控上位機的通信橋梁，負責將采集到的信息傳輸到監控上位機并傳達監控上位機的控制指令，使機器人執行相應的控制動(dòng)作。
2程序控制系統詳解
2.1機械控制系統思路分析
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(shí)現人性化、智能化[6]。在結構、感知、控制、智能等方面給出新方法以適應新環(huán)境、新任務(wù)、新需求[7]。其仿生是重點(diǎn)所在，如讓該機器人類(lèi)人行走，在相對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(shí)，若僅依靠動(dòng)記憶系統中導入的動(dòng)作姿態(tài)來(lái)控制各伺服機顯然不能滿(mǎn)足仍正常行走的目的。因此在平衡算法控制何時(shí)干預動(dòng)作問(wèn)題中專(zhuān)門(mén)設計了一套適合該機器人的機械控制系統。該機械控制系統主要包括兩個(gè)控制：動(dòng)作姿態(tài)控制，平衡控制。在整個(gè)機械控制系統中動(dòng)作姿態(tài)控制及平衡控制產(chǎn)生雙通道聯(lián)合響應，動(dòng)作姿態(tài)控制起基礎的作用，平衡控制起調整作用。當機器人通電運行時(shí)，兩個(gè)控制都處于運作的狀態(tài)，當機器人接收到操控者發(fā)送的數據時(shí)，動(dòng)作姿態(tài)控制主導運行記憶系統搜索調用24c02存儲器中的記憶動(dòng)作數據，發(fā)送給PWM脈沖處理程序。當各伺服機轉動(dòng)到目標角度時(shí)，若機器人的狀態(tài)采集模塊MPU6050傳入不正常數據（當一般動(dòng)作運行后機器人狀態(tài)對比實(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)生主導控制，通過(guò)PID算法計算出添補調整角度并發(fā)送給PWM脈沖處理程序運行后再次對比采集模塊數據，若不正常則從復運行，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
仿生基礎動(dòng)作的實(shí)現有以下4個(gè)步驟：采集、分析處理整合、調試、記錄。采集人類(lèi)日常動(dòng)作數據的過(guò)程是使用攝像頭對動(dòng)作進(jìn)行連續拍攝，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)作數據結合了拍攝的人類(lèi)動(dòng)作取幀以及人類(lèi)骨架結構節點(diǎn)對應。對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，對比、計算并記錄前后兩幀的動(dòng)作對應的人類(lèi)骨架的節點(diǎn)，這時(shí)每個(gè)拍攝角度都有一套完整的動(dòng)作幀數據。其中涉及到一個(gè)模糊的算法計算，在同一角度的循環(huán)動(dòng)作分析計算上植入模糊算法用于模糊其中的由于人類(lèi)自然抖動(dòng)產(chǎn)生的不可預測的細微改變。當動(dòng)作的采集分析封裝完成后，將該動(dòng)作封裝導入到該仿生雙足機器人的記憶系統中，該記憶系統在成型的程序體系中是以相對獨立的調用形式存在。在機器人有動(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(lèi)型的物理地址并讀取該動(dòng)作數據，完成一個(gè)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(shí)際的平整程度對比人類(lèi)可不過(guò)于費力按比例縮減的動(dòng)作發(fā)生平臺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)該算法給出相對應的反饋?lái)憫�，給不同的需要使用的伺服機信號源發(fā)送即時(shí)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。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采集到的數據經(jīng)MCU計算后定位為不正常數據時(shí)，PID算法啟動(dòng)，計算偏差角度、添補調整角度，發(fā)送給PWM脈沖發(fā)生函數進(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信號脈沖的給定信號模式中使用了“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)間內完成所有PWM脈沖，“同速”表示所有PWM脈沖在單位時(shí)間內給定的脈沖數相同。
2.4MPU6050模塊使用方法
由于陀螺儀在長(cháng)時(shí)間平衡采集的情況下會(huì )出現采集數據不準確，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(shí)間長(cháng)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(jìn)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(guò)UART串口傳輸到MCU芯片中進(jìn)行數據處理。
3結論
本項目所研發(fā)作品基于機械結構，硬件電路及機械控制等多模塊設計共同協(xié)調統一。目前成果已可達到模仿人類(lèi)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器人平臺上，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)一步完善機械結構至靠攏類(lèi)人類(lèi)下肢骨架結構，精確采集人類(lèi)日常動(dòng)作，增加感應器模塊，深化反饋調節的算法環(huán)境及改進(jìn)機械控制系統流程，實(shí)現自動(dòng)掃描目標路徑并完成包括自動(dòng)避障的目標動(dòng)作。
參考文獻
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