自適應(yīng)地面機(jī)器人

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 韋金玲 高俊文 金 鳳 吳仲雪 彭 力

自適應(yīng)地面機(jī)器人

西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院 韋金玲 高俊文 金 鳳 吳仲雪 彭 力

眾所周知，機(jī)器人是當(dāng)今世界討論的熱門話題，是二十世紀(jì)最偉大的發(fā)明成果之一，也是一個(gè)國(guó)家制造水平和綜合國(guó)力的象征。本文所討論的自適應(yīng)地面機(jī)器人是在美國(guó)atlas直立機(jī)器人的基礎(chǔ)上開發(fā)的一個(gè)自由度多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、耦合性強(qiáng)的非線性機(jī)器人平衡系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)是由主控核心單元、傳感器反饋調(diào)節(jié)、舵機(jī)控制單元、電源單元等單元組成。通過模塊化編程，來達(dá)到機(jī)器人能夠適應(yīng)于各種復(fù)雜多樣地形的目標(biāo)。本文討論的自適應(yīng)地面機(jī)器人是在西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院本科生科研創(chuàng)新項(xiàng)目的資助下進(jìn)行的。

atlas直立機(jī)器人；非線性機(jī)器人平衡系統(tǒng)；模塊化編程

0 引言

近年來，隨著機(jī)器人研究如火如茶的展開，其技術(shù)也得到了快速的發(fā)展。機(jī)器人技術(shù)融合了機(jī)械、電子、仿生學(xué)、材料學(xué)、傳感器科學(xué)等諸多學(xué)科,是一項(xiàng)全方面、多功能的學(xué)科。機(jī)器人在日常生活、搶險(xiǎn)救災(zāi)及軍事對(duì)抗等諸多領(lǐng)域擁有著廣泛地應(yīng)用前景，愈受到國(guó)內(nèi)外眾多科學(xué)研究者的高度重視。本文討論的自適應(yīng)地面機(jī)器人不僅在智能家居方面應(yīng)用廣泛，還在搶險(xiǎn)救災(zāi)及軍事對(duì)抗等方面發(fā)揮著重大的作用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)方案

本設(shè)備系統(tǒng)由主控核心單元、傳感器反饋調(diào)節(jié)、舵機(jī)控制單元、電源單元等單元組成。下面選取了一部分單元的論證與選擇。

1.1.1 核心控制單元的論證與選擇

方案一：自適應(yīng)地面機(jī)器人采用通俗的51單片機(jī)，它具有廉價(jià)、穩(wěn)定性較好等特點(diǎn)。但它的IO資源較少，反應(yīng)速度較慢，而本系統(tǒng)所需的程序量較大，所要求的精密度較高、反應(yīng)能力較強(qiáng)，而51單片機(jī)難以勝任。

方案二：自適應(yīng)地面機(jī)器人采用MK60單片機(jī)作為主控制芯片，它有著豐富的IO資源和超低功耗，具備著快速、高精密度的16位ADC、12位DAC、可編程增益放大器，強(qiáng)大的定時(shí)器，精密的比較器，大容量的RAM和ROM，能存儲(chǔ)著大容量的程序。

基于綜上述分析，本系統(tǒng)采用方案二。

1.1.2 電源單元的論證與選擇

方案一：整個(gè)系統(tǒng)都采用同一電源電路。但是舵機(jī)啟動(dòng)瞬間需求電流很大，而且給定脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)的舵機(jī)電流波動(dòng)較大，對(duì)單片機(jī)會(huì)造成嚴(yán)重的干擾，缺點(diǎn)十分明顯。

方案二：雙電源供電。將舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電源（6v）和單片機(jī)的供電電源（3V）完全隔開，這樣的設(shè)計(jì)可以徹底消除舵機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的影響，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

基于上述考慮，所以選擇方案二。

1.2 系統(tǒng)工作原理

壓力傳感器應(yīng)用于腳掌，每個(gè)腳掌四角分別安裝四個(gè)壓力傳感器，通過落地時(shí)候四個(gè)角壓力差可以基本判斷地面的傾斜程度和高度差，再結(jié)合陀螺儀測(cè)量其動(dòng)態(tài)狀態(tài)和主重心的偏移量，然后傳感器控制單元將這些信息傳遞至主控核心單元，主控核心單元再對(duì)這些信息進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)算，得到對(duì)腳掌的控制量，將此控制量與離線規(guī)劃的行走各徑值進(jìn)行運(yùn)算，得到最終的實(shí)時(shí)控制量，將最終控制量送到自適應(yīng)地面機(jī)器人舵機(jī)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的輸入通道，從而帶動(dòng)舵機(jī)以一定的頻率、次數(shù)、方向進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到自適應(yīng)地面機(jī)器人在各種復(fù)雜多樣換的地形上運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。

2 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)由主控核心單元、傳感器反饋調(diào)節(jié)、舵機(jī)控制單元、電源單元等單元組成。使用模塊化的實(shí)施方案，采用MK60作為主控核心單元，采用壓力傳感器和陀螺儀共同組成傳感器反饋調(diào)節(jié)。使用陀螺儀檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)時(shí)的傾斜角度，根據(jù)測(cè)量的角度與所期望的水平狀態(tài)之間的誤差，計(jì)算出所應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)的量，然后在輸入下一步控制指令前將規(guī)劃好的關(guān)節(jié)角度值與計(jì)算得出的調(diào)節(jié)量進(jìn)行一定的運(yùn)算，得到最終控制量然后輸入機(jī)器人關(guān)節(jié)舵機(jī)，進(jìn)而控制關(guān)節(jié)舵機(jī)調(diào)節(jié)腳掌直至水平。自適應(yīng)地面機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 程序設(shè)計(jì)流程圖

圖3 反饋調(diào)節(jié)流程圖

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件總體設(shè)計(jì)

軟件部分主要包括幾個(gè)方面：

（1）基本固定運(yùn)動(dòng)控制單元，控制基本的行走，起立等。

（2）實(shí)時(shí)機(jī)器人狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元，通過舵機(jī)的角度檢測(cè)，以平地停止?fàn)顟B(tài)為參照量，對(duì)機(jī)器人姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，得到理論上的重心和陀螺儀安裝位置的傾斜角。

（3）傳感器反饋單元，陀螺儀和壓力傳感器反饋數(shù)據(jù)接收處理。通過對(duì)比狀態(tài)監(jiān)測(cè)單元理論值產(chǎn)生的數(shù)據(jù)差值進(jìn)行計(jì)算，重新確定實(shí)際重心位置和角度傾角。

（4）控制輸出單元，芯片根據(jù)傳感器反饋單元輸出反饋量調(diào)整基本固定運(yùn)動(dòng)控制單元輸出，通過pid實(shí)現(xiàn)舵機(jī)高效快速達(dá)到預(yù)定角度，對(duì)偏差作出校正。以上實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的穩(wěn)定控制。程序的設(shè)計(jì)流程圖如圖2所示。

3.2 傳感器反饋調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)

陀螺儀測(cè)得機(jī)器人行走過程中腳掌X, Y方向的傾斜角度，計(jì)算其與水平方向的夾角大小。根據(jù)測(cè)量的角度與所期望的水平狀態(tài)之間的誤差，計(jì)算出所應(yīng)當(dāng)調(diào)節(jié)的量，然后在輸入下一步的控制指令前，將規(guī)劃好的角度值與計(jì)算出的調(diào)節(jié)量進(jìn)行一定的運(yùn)算，得到最終的控制量，然后將數(shù)據(jù)輸入機(jī)器人的關(guān)節(jié)舵機(jī)中，進(jìn)而達(dá)到了控制關(guān)節(jié)舵機(jī)調(diào)節(jié)腳掌直至水平。因?yàn)闄C(jī)器人關(guān)節(jié)舵機(jī)本身的精度及系統(tǒng)所采用傳感器精度有限，所以反饋調(diào)節(jié)過程中需要設(shè)定一個(gè)閾值，并認(rèn)為當(dāng)腳掌與水平誤差在閡值范圍內(nèi)時(shí)，則為水平，而不進(jìn)行反饋調(diào)節(jié);當(dāng)腳掌與水平誤差大于這個(gè)閡值時(shí)，則采取反饋調(diào)節(jié)措施進(jìn)行腳掌姿態(tài)反饋調(diào)節(jié)直至其小于等于閾值。機(jī)器人反饋調(diào)節(jié)流程如圖3所示。

4 總結(jié)

總結(jié)本文所討論的自適應(yīng)地面機(jī)器人的實(shí)物已經(jīng)制作完畢，在設(shè)計(jì)以及制作的過程中，我們閱讀大量資料，進(jìn)行多方面的學(xué)習(xí)，感覺受益匪淺。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了能夠在各種復(fù)雜多樣化的地形上行走的目標(biāo)。它可以廣泛應(yīng)用于智能家居、軍事對(duì)抗、搶險(xiǎn)救災(zāi)等方面。

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西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院本科生科研創(chuàng)新項(xiàng)目資助。

韋金玲（1997—），女，廣西貴港人，大學(xué)本科，研究方向：通信工程。