基于PVDF壓電傳感器機器人腿部平衡系統(tǒng)的設計

安徽理工大學電氣與信息工程學院 李國輝

基于PVDF壓電傳感器機器人腿部平衡系統(tǒng)的設計

安徽理工大學電氣與信息工程學院 李國輝

機器人開始于上世紀六十年代初，開始大多機器人都是基于單片機控制系統(tǒng)或其他單核控制系統(tǒng)，由于單片機控制或單核控制處理能力的局限性。使得其相關技術發(fā)展緩慢。隨著現(xiàn)代電子技術和信號處理能力的快速發(fā)展，很多研究機構提出雙核控制器，它有效的克服了以往單核控制的弊端，具有快速響應、快速抗干擾能力、穩(wěn)定性更優(yōu)等特點。針對上述思想及當下研究現(xiàn)狀，提出一種雙核控制器及靈敏度更高的新型壓電薄膜傳感器，意在解決直立行走機器人腿部平衡的問題。

直立機器人；ARM（STM32F407）和FPGA（A3P250）；A/D；D/A；PVDF壓電傳感器

1 引言

機器人技術自問世已有近六十年，其各項技術已經(jīng)得到長足的發(fā)展，多種機器人不斷問世。例如，用于軍事的偵查無人機，用于服務的防人機器人、無人自動駕駛汽車、醫(yī)療機器人等。隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，機器人技術將以快速的向實用性挺進并將飛速的走進千家萬戶，為這個社會的發(fā)展提供源源不斷的動力。

機器人開始于上世紀六十年代初，由于特殊的歷史原因，我國對于直立行走機器人的腿部平衡控制的研究較晚，因此提出一種高靈敏度的壓電薄膜傳感器和雙核控制器組成的系統(tǒng)以達到快速響應，快速矯正傾斜的機器人平衡問題，通過機器人足部安裝高靈敏度的PVDF壓電傳感器實時監(jiān)測機器人重心位置信號，從而達到快速矯正機器人的平衡。

2 控制策略

本次設計目的主要是研究機器人在重心失去平衡時，由腿部各關節(jié)的舵機控制，使機器人自動的傾斜，已達到平衡的要求。

因實際需要，采用靈敏系數(shù)較高的壓電傳感器，來探測機器人重心的偏移量。將傳感器信號發(fā)送給雙核控制器并通過執(zhí)行機構，實時調(diào)整機器人的姿態(tài)已達穩(wěn)定，機 器人控制原理圖如圖1所示。

圖1 機器人控制原理圖

3 具體方案

3.1 機械結構部分

機器人下肢控制主要依賴于腳踝關節(jié)處舵機和膝關節(jié)處舵機控制，其中舵機主要由直流無刷伺服電機和減速齒輪組成的。

通過控制踝關節(jié)和膝關節(jié)處舵機內(nèi)的電機進而控制齒輪的旋轉，使踝關節(jié)和膝關節(jié)快速響應轉動。而電機的轉速大約10000rpm，所以必須進行減速。我們選擇 3 個齒輪組合，使得減速比為 336：1，轉速降為 30rpm。

3.2 電器控制部分

通過對踝關節(jié)和膝關節(jié)的控制以改變機器人中心偏移角，使得機器人保持動態(tài)平衡整個系統(tǒng)由四部分組成：重心位置平衡監(jiān)測、驅動控制信號計算、電機驅動和腿部運動反饋。

3．2．1 重心位置平衡檢測

重心位置平衡檢測是通過其足底的兩個壓電傳感器和計算電路得到。壓電傳感器由于其足部運動使得壓電片變形彎曲，由壓電效應產(chǎn)生電荷，經(jīng)由電荷放大等電路轉換成電壓信號，因足部受力不同電荷不同，通過計算得到重心平衡位置。

3．2．2 驅動控制信號計算

重心位置平衡檢測電路的輸出電壓通過A/D轉換后的數(shù)字信號送入雙核控制器中，并與控制器內(nèi)部平衡狀態(tài)時的電壓信號比較，計算出偏差信號， 通過計算得出補償值， 再通過D/A轉換后的模擬信號輸出給電機驅動電路。其中信號處理部分由雙核控制器中的ARM計算并通信給FPGA,使得FPGA從大量計算中解脫出來，以便FPGA能過更精確快速的控制舵機中電機的轉動。

3．2．3 電機驅動

首先通過傳感器將監(jiān)測重心信號和反饋信號比較后傳入ARM中，經(jīng)過信號處理后將處理后的信號發(fā)送給FPGA生成PWM信號驅動電機的轉動。

3.3 系統(tǒng)通信

由于整個系統(tǒng)包括了機器人腿部模塊、驅動電路板模塊、雙核控制器模塊，因此三者之間通過CAN總線進行通信聯(lián)接。

4 系統(tǒng)測試

將各模塊通信連接組成完整系統(tǒng)。對整個機器人進行調(diào)試。將機器人放置于預先選定的測試區(qū)域，此時機器人處于平衡位置，因此系統(tǒng)無反應動作，滿足系統(tǒng)功能要求。當外部對機器人施加一個擾動時，機器人的平衡被打破，機器人踝關節(jié)和膝關節(jié)舵機快速響應動作，機器人迅速再平衡。整個系統(tǒng)調(diào)試完成，各項參數(shù)符合功能要求。

5 結論

文中所提出的雙核控制系統(tǒng)能夠有效的控制機器人平衡問題，它克服了單核控制的缺陷，運用ARM+FPGA，其中ARM處理各種繁雜的信號，使得FPGA從繁雜的信號處理中解脫出來，進而有效的控制電機，實現(xiàn)了機器人控制系統(tǒng)的快速響應實時控制，增強了系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾能力，使直立行走機器人腿部平衡控制系統(tǒng)得到進一步發(fā)展。

[1]李紅益,張好明,王應海．基于ARM + FPGA 自動裝卸AGV伺服控制器的研究[M]．蘇州:微電機．

[2]閆銘,萬舟．基于PVDF壓電傳感器的高壓輸電塔健康監(jiān)測研究[J]．昆明:工業(yè)儀表與自動化裝置．

[3]劉玲．直立行走機器人腿部平衡系統(tǒng)的設計[M]．南京:黑龍江科技信息．

[4]曲凌．基于DSP的雙足機器人運動控制系統(tǒng)的設計[J]．現(xiàn)代電子技術．