仿生雙足機(jī)器人機(jī)械控制研究

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1、仿生雙足機(jī)器人機(jī)械控制研究 　　雙足機(jī)器人是機(jī)器人研究領(lǐng)域最前沿的問題之一，它是集機(jī)械、電子、計算機(jī)、仿生學(xué)、多傳感器融合技術(shù)及人工智能等多門學(xué)科于一體。下面是小編搜集整理的相關(guān)內(nèi)容的論文，歡迎大家閱讀參考。 　　摘要：基于嵌入式設(shè)計的仿生直立雙足機(jī)器人的機(jī)械控制系統(tǒng)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)。該機(jī)器人已有的仿造人類基本動作成果是以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)入的人類動作數(shù)據(jù)，基層平臺支撐的機(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)

2、際應(yīng)用成果表明，該機(jī)器人系統(tǒng)調(diào)理清晰、操作簡便。 　　關(guān)鍵詞：仿生雙足機(jī)器人;動作姿態(tài)采集;機(jī)械控制;控制 　　一、概述 　　機(jī)器人技術(shù)被認(rèn)為是對未來新興產(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)時間長，越來越受到人們的關(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，社會上仍有不少行走困難的患者主要依靠輪椅或拐杖活動，生活上不能自理，在社會的活動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)計的初衷是解決上述問題：通過各種相關(guān)技術(shù)設(shè)計一個仿生直立雙足機(jī)器人，達(dá)到模仿人的動作的效果，為患者設(shè)計出更加理想的

3、假肢?？v觀我國假肢發(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，因此在整個系統(tǒng)的設(shè)計上統(tǒng)籌考慮確定完整可控的前提下保持不設(shè)計冗余。其程序控制系統(tǒng)主要是由機(jī)械控制系統(tǒng)，無線通信系統(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)計核心。此外該機(jī)器人設(shè)計使用以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

4、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)的控制動作。 　　二、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，在相對平整的路面上行走時的動作是一個循環(huán)的過程，若在行走動作調(diào)試得精準(zhǔn)的狀態(tài)下平衡使用的必要性低。而機(jī)器人在走相對不平整的路面時，若僅依靠動記憶系統(tǒng)中導(dǎo)入的動作姿態(tài)來控制各伺服機(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

5、時干預(yù)動作問題中專門設(shè)計了一套適合該機(jī)器人的機(jī)械控制系統(tǒng)。該機(jī)械控制系統(tǒng)主要包括兩個控制：動作姿態(tài)控制，平衡控制。在整個機(jī)械控制系統(tǒng)中動作姿態(tài)控制及平衡控制產(chǎn)生雙通道聯(lián)合響應(yīng)，動作姿態(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，兩個控制都處于運(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，動作姿態(tài)控制主導(dǎo)運(yùn)行記憶系統(tǒng)搜索調(diào)用24c02存儲器中的記憶動作數(shù)據(jù)，發(fā)送給PWM脈沖處理程序。當(dāng)各伺服機(jī)轉(zhuǎn)動到目標(biāo)角度時，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)一般動作運(yùn)行后機(jī)器人狀態(tài)對比實(shí)際狀態(tài)有不正常時)，這時的平衡控制程序會產(chǎn)生主導(dǎo)控制，通過PID算法計算出添補(bǔ)調(diào)整角度并發(fā)

6、送給PWM脈沖處理程序運(yùn)行后再次對比采集模塊數(shù)據(jù)，若不正常則從復(fù)運(yùn)行，反之完成本次動作指令。 　　2.2動作姿態(tài)控制的采集及量化過程 　　仿生基礎(chǔ)動作的實(shí)現(xiàn)有以下4個步驟：采集、分析處理整合、調(diào)試、記錄。采集人類日常動作數(shù)據(jù)的過程是使用攝像頭對動作進(jìn)行連續(xù)拍攝，在同一個動作上采用多個方位的拍攝。分析采集動作數(shù)據(jù)結(jié)合了拍攝的人類動作取幀以及人類骨架結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)對應(yīng)。對上一步所取得的多個角度拍攝的連貫動作并獲得該相同循環(huán)動作的圖片幀，對比、計算并記錄前后兩幀的動作對應(yīng)的人類骨架的節(jié)點(diǎn)，這時每個拍攝角度都有一套完整的動作幀數(shù)據(jù)。其中涉及到一個模糊的算法計算，在同一角度的循環(huán)動作分析計

7、算上植入模糊算法用于模糊其中的由于人類自然抖動產(chǎn)生的不可預(yù)測的細(xì)微改變。當(dāng)動作的采集分析封裝完成后，將該動作封裝導(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獨(dú)立的調(diào)用形式存在。在機(jī)器人有動作指令接收到時，選擇EEPROM地址段，尋找到該具體動作類型的物理地址并讀取該動作數(shù)據(jù)，完成一個讀取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)際的平整程度對比人類可不過于費(fèi)力按比例縮減的動作發(fā)生平臺上能夠順利地完成指定動作的保障。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該算法給出相對

8、應(yīng)的反饋響應(yīng)，給不同的需要使用的伺服機(jī)信號源發(fā)送即時的PWM信號脈沖，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平臺上的算法。當(dāng)傳感器MPU6050采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)MCU計算后定位為不正常數(shù)據(jù)時，PID算法啟動，計算偏差角度、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";與"同速";兩種模式。"同時";代表在相同或相差不會超過200ms的時間內(nèi)完成所有PWM脈沖，"同速";表示所有PWM脈沖在單位時間內(nèi)給定的脈沖數(shù)相同。

9、 　　2.4MPU6050模塊使用方法 　　由于陀螺儀在長時間平衡采集的情況下會出現(xiàn)采集數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，而加速度計的工作機(jī)理正好相反，從而兩種傳感器恰好形成在時間長度上互補(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(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UART串口傳輸?shù)組CU芯片中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 　　三、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)到模仿人類基本動作的目的，但在解決動作僵硬及仿

10、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)器人平臺上，可進(jìn)行縱向研發(fā)，整體往更加智能化，條理化，自動化進(jìn)一步開發(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)自動掃描目標(biāo)路徑并完成包括自動避障的目標(biāo)動作。 　　參考文獻(xiàn) 　　[1]徐揚(yáng)生.智能機(jī)器人引領(lǐng)高新技術(shù)發(fā)展[R].科學(xué)時報,2010. 　　[2]付莊,付為,殷曉光,曹其新,趙正言.基于藍(lán)牙模塊的導(dǎo)診服務(wù)機(jī)器人無線通訊系統(tǒng)設(shè)計[J].中國康復(fù)醫(yī)學(xué)雜志,2003. 　　[3]張更林,金寶士,張宇光.人體下肢假肢發(fā)展概況[Z].佳木斯大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2002. 　　[4]愈志偉.雙足機(jī)器人仿生機(jī)構(gòu)設(shè)計與運(yùn)動仿真[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué),2006. 　　[5]國海峰,劉澤乾,陳丹強(qiáng).機(jī)載武器系統(tǒng)模擬訓(xùn)練仿真平臺設(shè)計[J].計算機(jī)測量與控制,2010. 　　[6]范逸之,陳立元.VisualBasic與RS-232串行通信控制(最新版)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2002. 　　[7]譚民,王碩.機(jī)器人技術(shù)研究進(jìn)展[J].自動化學(xué)報,2013.