雙足步行機(jī)器人嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

摘" 要：雙足步行機(jī)器人因其仿人類運(yùn)動(dòng)方式和優(yōu)良的適應(yīng)性，近年來成為機(jī)器人研究的熱點(diǎn)。該文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于嵌入式系統(tǒng)的雙足步行機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)。通過引入滑?？刂扑惴ê妥赃m應(yīng)平衡模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人在不同環(huán)境下的穩(wěn)定控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在跟蹤領(lǐng)導(dǎo)者狀態(tài)和同步控制左右兩足運(yùn)動(dòng)方面表現(xiàn)出卓越的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。該文的研究為雙足步行機(jī)器人的智能化控制提供新的思路和方法。

關(guān)鍵詞：雙足步行機(jī)器人；嵌入式系統(tǒng)；實(shí)時(shí)控制；滑?？刂疲蛔赃m應(yīng)平衡

中圖分類號(hào)：TP242" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）32-0019-04

Abstract： Biped walking robots have become a research hotspot in robotics in recent years due to their human-like movement and excellent adaptability. This paper designs and implements a real-time control system for biped walking robots based on embedded systems. By introducing a sliding mode control algorithm and adaptive balance module， stable control of the robot in different environments is achieved. Experimental results show that the designed control system exhibits excellent real-time performance and stability in tracking the leader's state and synchronously controlling the movements of both legs. This research provides new ideas and methods for the intelligent control of biped walking robots.

Keywords： biped walking robot; embedded system; real-time control; sliding mode control; adaptive balance

在近年來，隨著機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展，雙足步行機(jī)器人作為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。相較于輪式或多足機(jī)器人，雙足步行機(jī)器人具有更接近人類的運(yùn)動(dòng)方式和更強(qiáng)的適應(yīng)性，因此在各種領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，包括搜索救援、服務(wù)機(jī)器人和工業(yè)生產(chǎn)等[1]。然而，雙足步行機(jī)器人的穩(wěn)定行走是一個(gè)復(fù)雜且具有挑戰(zhàn)性的問題，其在不同地形和環(huán)境下的行走穩(wěn)定性、速度和效率仍然存在諸多問題需要解決。

傳統(tǒng)的雙足步行機(jī)器人控制方法通常基于預(yù)先設(shè)計(jì)的固定步態(tài)模型或規(guī)則，缺乏對(duì)環(huán)境變化和機(jī)器人自身狀態(tài)的實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。而隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，將實(shí)時(shí)控制算法直接實(shí)現(xiàn)在硬件平臺(tái)上已成為可能，為雙足步行機(jī)器人的控制和感知提供了新的思路和方法。嵌入式系統(tǒng)具有高度集成、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和功耗低等特點(diǎn)，能夠滿足雙足步行機(jī)器人對(duì)于高效、穩(wěn)定和實(shí)時(shí)控制的需求，因此成為雙足步行機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要方向之一。

本文旨在探索雙足步行機(jī)器人嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和方法，重點(diǎn)關(guān)注嵌入式實(shí)時(shí)控制算法和傳感器數(shù)據(jù)采集與處理2個(gè)方面。首先，通過設(shè)計(jì)適用于嵌入式系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制算法，實(shí)現(xiàn)雙足步行機(jī)器人在不同環(huán)境和工作條件下的穩(wěn)定行走。其次，利用各種傳感器采集和處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和外部環(huán)境的實(shí)時(shí)感知和響應(yīng)。通過這些關(guān)鍵技術(shù)的研究和實(shí)現(xiàn)，將為雙足步行機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性、靈活性和智能化水平提供重要支持和保障。

1" 研究綜述

在雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域的研究中，控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)一直是一個(gè)備受關(guān)注的話題。傳統(tǒng)的控制方法主要基于運(yùn)動(dòng)學(xué)或動(dòng)力學(xué)模型，通過預(yù)先設(shè)計(jì)的步態(tài)模型或規(guī)則來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)[2]。然而，這些方法往往缺乏對(duì)環(huán)境變化和機(jī)器人自身狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知和調(diào)整能力，導(dǎo)致機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定性和靈活性受到限制。

隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的研究開始關(guān)注將實(shí)時(shí)控制算法直接實(shí)現(xiàn)在硬件平臺(tái)上的可能性。嵌入式系統(tǒng)具有高度集成、實(shí)時(shí)性強(qiáng)和功耗低等特點(diǎn)[3]，能夠滿足雙足步行機(jī)器人對(duì)于高效、穩(wěn)定和實(shí)時(shí)控制的需求，因此在雙足步行機(jī)器人領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。例如，許多研究利用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了基于模型預(yù)測(cè)的魯棒控制的實(shí)時(shí)步態(tài)生成和優(yōu)化算法，取得了一定的研究成果。

然而，目前雙足步行機(jī)器人嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍存在一些挑戰(zhàn)和亟待解決的問題。首先，嵌入式系統(tǒng)的計(jì)算資源和存儲(chǔ)空間有限，如何在有限的資源下實(shí)現(xiàn)高效的實(shí)時(shí)控制算法是一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問題。其次，雙足步行機(jī)器人的穩(wěn)定行走不僅受到機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制算法的影響，還受到傳感器數(shù)據(jù)的質(zhì)量和實(shí)時(shí)性的影響，因此傳感器數(shù)據(jù)采集與處理也是一個(gè)重要的研究方向。

綜上所述，通過研究和分析現(xiàn)有的文獻(xiàn)，本文旨在探討雙足步行機(jī)器人嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)和方法，為雙足步行機(jī)器人在實(shí)際應(yīng)用中的穩(wěn)定性、靈活性和智能化水平提供重要支持和保障。

2" 嵌入式實(shí)時(shí)控制算法設(shè)計(jì)

2.1" 魯棒控制原理

魯棒控制是一種控制理論方法，旨在設(shè)計(jì)出能夠有效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)模型不確定性和外部干擾的控制系統(tǒng)。該方法在系統(tǒng)參數(shù)變化和外部擾動(dòng)存在的情況下，仍能保證系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。魯棒控制的核心思想是通過控制算法的設(shè)計(jì)，使得系統(tǒng)在模型誤差和外部干擾的影響下仍能保持預(yù)期的性能。

在魯棒控制的眾多方法中，滑?？刂疲⊿liding Mode Control， SMC）是一種具有代表性的技術(shù)?；？刂仆ㄟ^設(shè)計(jì)一個(gè)滑模面，使系統(tǒng)狀態(tài)在有限時(shí)間內(nèi)達(dá)到該滑模面并沿其滑動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定控制[4]。滑?？刂频膬?yōu)點(diǎn)在于其對(duì)系統(tǒng)參數(shù)變化和外部干擾具有強(qiáng)大的魯棒性，且控制律簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

在本文中，將滑?？刂朴糜陔p足步行機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制算法設(shè)計(jì)。下面是滑模控制的基本原理和相關(guān)數(shù)學(xué)模型。

考慮一個(gè)典型的雙足步行機(jī)器人動(dòng)力學(xué)模型，可以表示為

為了設(shè)計(jì)滑?？刂破?，首先定義滑模面

式中：e=q-qd是位置誤差；qd是期望位置；λ是正數(shù)矩陣，代表控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

滑?？刂频哪繕?biāo)是使滑模面s趨于零。為此，設(shè)計(jì)控制律

式中：K是正定矩陣，代表滑?？刂频脑鲆?。

為保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，滑?？刂埔肓说竭_(dá)律（Reaching Law），確保系統(tǒng)狀態(tài)能夠在有限時(shí)間內(nèi)到達(dá)滑模面

通過設(shè)計(jì)合適的η和K值，可以使系統(tǒng)在存在擾動(dòng)的情況下仍能穩(wěn)定控制，并且滑?？刂破鞯聂敯粜钥梢杂行?yīng)對(duì)模型不確定性和外部干擾。

2.2" 數(shù)學(xué)模型建立

本章建立機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型如下

該部分使用魯棒算法，實(shí)現(xiàn)了雙足步行機(jī)器人的抗干擾控制。同時(shí)為了保持雙足步行機(jī)器人的協(xié)調(diào)性，上述的控制方法為對(duì)單只的控制，另一只的控制采用相同的控制方案，對(duì)其進(jìn)行延時(shí)處理。

3" 嵌入式傳感器數(shù)據(jù)采集與處理

3.1" 嵌入式系統(tǒng)模塊組成

在本文所設(shè)計(jì)的雙足步行機(jī)器人的嵌入式控制系統(tǒng)中，主要包括以下幾個(gè)關(guān)鍵模塊：微控制核心單元（MCU）、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、自適應(yīng)平衡模塊及其相應(yīng)的電路連接結(jié)構(gòu)。由這幾部分組成的雙足步行機(jī)器人模型[5]如圖1所示。

3.1.1" 微控制核心單元（MCU）

MCU是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心組件，負(fù)責(zé)處理來自各類傳感器的數(shù)據(jù)并生成控制信號(hào)，以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)指令。MCU不僅需要具備高效的計(jì)算能力以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，還需要良好的實(shí)時(shí)性和可靠性以應(yīng)對(duì)雙足步行機(jī)器人在不同環(huán)境下的動(dòng)態(tài)變化。

3.1.2" 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊依據(jù)MCU發(fā)送的控制信號(hào)，精確控制步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度和速度，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的移動(dòng)和姿態(tài)調(diào)整。該模塊需要能夠提供足夠的電流和電壓，以滿足步進(jìn)電機(jī)的功率需求，同時(shí)應(yīng)具備保護(hù)電路以防止過流、過壓等故障情況。

3.1.3" 自適應(yīng)平衡模塊

自適應(yīng)平衡模塊主要包括多種傳感器，如陀螺儀、加速度計(jì)等。這些傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（例如角速度、加速度）和環(huán)境條件（例如傾斜角度、地面情況），并將這些數(shù)據(jù)通過I/O接口傳送至MCU。MCU基于這些傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)計(jì)算出平衡控制信號(hào)，從而調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，以保持機(jī)器人的穩(wěn)定行走。

3.2" 嵌入式電路架構(gòu)

在電路連接方面，MCU通過I/O接口與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊相連，發(fā)送脈沖信號(hào)和方向信號(hào)以控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。同時(shí)，各類傳感器通過I2C、SPI等通信協(xié)議接口與MCU連接，將實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)傳送給MCU進(jìn)行處理。具體連接結(jié)構(gòu)如圖2所示。

MCU與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊連接：MCU的數(shù)字I/O引腳通過電纜或PCB線路直接連接到步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的輸入端，以發(fā)送控制信號(hào)。這些信號(hào)包括步進(jìn)脈沖信號(hào)、方向信號(hào)和使能信號(hào)等。

MCU與傳感器模塊連接：傳感器通過I2C總線或SPI總線與MCU連接。I2C總線適用于多個(gè)傳感器的連接，具有簡單的雙線結(jié)構(gòu)（數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL）。SPI總線則適用于高速數(shù)據(jù)傳輸，包含主輸出從輸入（MOSI）、主輸入從輸出（MISO）、時(shí)鐘（SCK）和從設(shè)備選擇（SS）4條信號(hào)線。每種傳感器根據(jù)其數(shù)據(jù)傳輸速率和精度需求選擇合適的通信接口。

電源管理模塊：為保證各組件的正常運(yùn)行，系統(tǒng)中還需要一個(gè)電源管理模塊，提供穩(wěn)定的電源電壓和電流。該模塊包括電池管理單元、DC-DC轉(zhuǎn)換器和電源濾波器等，確保系統(tǒng)在不同工作模式下均能獲得可靠的電能供應(yīng)。

故障檢測(cè)與保護(hù)模塊：為提高系統(tǒng)的可靠性和安全性，還應(yīng)設(shè)計(jì)故障檢測(cè)與保護(hù)模塊，包括過流保護(hù)、過壓保護(hù)、短路保護(hù)等功能。一旦檢測(cè)到異常情況，該模塊能迅速采取措施，保護(hù)系統(tǒng)的各個(gè)組件免受損壞。

通過上述模塊的有機(jī)結(jié)合，本文設(shè)計(jì)的嵌入式控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)雙足步行機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制與自適應(yīng)平衡，確保其在各種環(huán)境下均能穩(wěn)定、高效地行走。這種設(shè)計(jì)不僅提升了機(jī)器人的智能化水平，還為其在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用提供了技術(shù)保障。

4" 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

通過上述的硬件與實(shí)時(shí)控制算法的結(jié)合，可導(dǎo)出如圖3和圖4所示的系統(tǒng)響應(yīng)圖。

在本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，通過對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)和領(lǐng)導(dǎo)者狀態(tài)的實(shí)時(shí)跟蹤效果進(jìn)行分析，得到了顯著的成果。圖3展示了系統(tǒng)的響應(yīng)與領(lǐng)導(dǎo)者狀態(tài)之間的關(guān)系，結(jié)果表明二者在系統(tǒng)的波形上達(dá)到了完美的融合。這一現(xiàn)象證明了系統(tǒng)在實(shí)時(shí)狀態(tài)下能夠穩(wěn)定地跟蹤領(lǐng)導(dǎo)者的動(dòng)態(tài)變化，進(jìn)一步驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的控制算法的有效性和可靠性。

具體而言，圖3中的數(shù)據(jù)表明，在整個(gè)跟蹤過程中，系統(tǒng)響應(yīng)迅速且準(zhǔn)確地反映了領(lǐng)導(dǎo)者狀態(tài)的變化。系統(tǒng)的實(shí)時(shí)跟蹤能力使得其能夠在各種動(dòng)態(tài)條件下保持穩(wěn)定的控制性能，避免了因延遲或誤差導(dǎo)致的失穩(wěn)現(xiàn)象。這一結(jié)果充分證明了嵌入式控制系統(tǒng)在處理實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和執(zhí)行復(fù)雜控制算法方面的優(yōu)勢(shì)。

此外，圖4展示了雙足步行機(jī)器人左右兩足的響應(yīng)過程，進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)的同步控制能力。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，左足的響應(yīng)過程具有顯著的實(shí)時(shí)性，能夠迅速對(duì)控制信號(hào)做出反應(yīng)。而右足的響應(yīng)過程則在延遲10 s后開始，并隨后與左足的運(yùn)動(dòng)保持同步。盡管存在初始延遲，右足能夠在達(dá)到同步狀態(tài)后，保持與左足一致的運(yùn)動(dòng)模式。這一結(jié)果表明，即使在存在非線性干擾的情況下，系統(tǒng)仍然能夠通過控制策略的調(diào)整，實(shí)現(xiàn)雙足步行機(jī)器人的協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)和同步控制。

通過對(duì)以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果的詳細(xì)分析，可以得出結(jié)論：所設(shè)計(jì)的嵌入式控制系統(tǒng)在雙足步行機(jī)器人的控制過程中表現(xiàn)出卓越的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性。系統(tǒng)不僅能夠準(zhǔn)確跟蹤領(lǐng)導(dǎo)者狀態(tài)，保持實(shí)時(shí)穩(wěn)定的響應(yīng)，還能夠在存在時(shí)間延遲的情況下，通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)雙足的同步控制。這些成果為進(jìn)一步提升雙足步行機(jī)器人的智能化水平和應(yīng)用范圍提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)和實(shí)踐依據(jù)。

5" 結(jié)束語

本文提出了一種基于嵌入式系統(tǒng)的雙足步行機(jī)器人實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。通過采用滑模控制算法，結(jié)合自適應(yīng)平衡模塊，解決了雙足步行機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境下的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)控制問題。具體而言，嵌入式控制系統(tǒng)充分利用了傳感器數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和外部環(huán)境的實(shí)時(shí)感知和調(diào)整，確保機(jī)器人在不同地形和工作條件下的穩(wěn)定行走。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)的有效性和可靠性。系統(tǒng)響應(yīng)與領(lǐng)導(dǎo)者狀態(tài)之間的完美融合，證明了實(shí)時(shí)跟蹤算法的卓越性能。同時(shí)，雙足步行機(jī)器人的左右兩足在存在非線性干擾的情況下，仍然能夠通過自適應(yīng)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)雙足的逐步至同步控制，這一結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在應(yīng)對(duì)非線性干擾方面具有良好的魯棒性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 丁宏鈺，石照耀，岳會(huì)軍，等.國內(nèi)外雙足人形機(jī)器人驅(qū)動(dòng)器研究綜述[J].哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2021，42（7）：936-945.

[2] 王曉峰，李醒，王建輝.基于無模型自適應(yīng)的外骨骼式上肢康復(fù)機(jī)器人主動(dòng)交互訓(xùn)練控制方法[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2016，42（12）：1899-1914.

[3] 徐濟(jì)安.基于MEMS陀螺的微小型移動(dòng)機(jī)器人嵌入式導(dǎo)航定位系統(tǒng)的研究[J].電子產(chǎn)品世界，2008（9）：162.

[4] 楊俊起，高煜欣，陳滟濤，等.基于干擾觀測(cè)器的不確定非線性系統(tǒng)終端滑?？刂破髟O(shè)計(jì)[J].控制與決策，2020，35（1）：155-160.

[5] 喬書杰，劉玲玲.被動(dòng)動(dòng)力式雙足機(jī)器人仿生腿的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)仿真研究[J].科技通報(bào)，2018，34（4）：222-226.