1、自适应地面机器人 韦金玲 高俊文 金凤 吴仲雪 彭力 西北民族大学电气工程学院 摘 要： 众所周知, 机器人是当今世界讨论的热门话题, 是二十世纪最伟大的发明成果之一, 也是一个国家制造水平和综合国力的象征。本文所讨论的自适应地面机器人是在美国 atlas 直立机器人的基础上开发的一个自由度多、结构复杂、耦合性强的非线性机器人平衡系统。本设计是由主控核心单元、传感器反馈调节、舵机控制单元、电源单元等单元组成。通过模块化编程, 来达到机器人能够适应于各种复杂多样地形的目标。本文讨论的自适应地面机器人是在西北民族大学电气工程学院本科生科研创新项目的资助下进行的。关键词： atlas 直立机器人;
2、非线性机器人平衡系统; 模块化编程; 作者简介：韦金玲 (1997) , 女, 广西贵港人, 大学本科, 研究方向:通信工程。基金：西北民族大学电气工程学院本科生科研创新项目资助0 引言近年来, 随着机器人研究如火如茶的展开, 其技术也得到了快速的发展。机器人技术融合了机械、电子、仿生学、材料学、传感器科学等诸多学科, 是一项全方面、多功能的学科。机器人在日常生活、抢险救灾及军事对抗等诸多领域拥有着广泛地应用前景, 愈受到国内外众多科学研究者的高度重视。本文讨论的自适应地面机器人不仅在智能家居方面应用广泛, 还在抢险救灾及军事对抗等方面发挥着重大的作用。1 系统总体设计1.1 系统方案本设备系
3、统由主控核心单元、传感器反馈调节、舵机控制单元、电源单元等单元组成。下面选取了一部分单元的论证与选择。1.1.1 核心控制单元的论证与选择方案一:自适应地面机器人采用通俗的 51 单片机, 它具有廉价、稳定性较好等特点。但它的 IO 资源较少, 反应速度较慢, 而本系统所需的程序量较大, 所要求的精密度较高、反应能力较强, 而 51 单片机难以胜任。方案二:自适应地面机器人采用 MK60 单片机作为主控制芯片, 它有着丰富的IO 资源和超低功耗, 具备着快速、高精密度的 16 位 ADC、12 位 DAC、可编程增益放大器, 强大的定时器, 精密的比较器, 大容量的 RAM 和 ROM, 能存
4、储着大容量的程序。基于综上述分析, 本系统采用方案二。1.1.2 电源单元的论证与选择方案一:整个系统都采用同一电源电路。但是舵机启动瞬间需求电流很大, 而且给定脉冲信号驱动的舵机电流波动较大, 对单片机会造成严重的干扰, 缺点十分明显。方案二:双电源供电。将舵机驱动电源 (6v) 和单片机的供电电源 (3V) 完全隔开, 这样的设计可以彻底消除舵机驱动所造成的影响, 提高了系统的稳定性。基于上述考虑, 所以选择方案二。1.2 系统工作原理压力传感器应用于脚掌, 每个脚掌四角分别安装四个压力传感器, 通过落地时候四个角压力差可以基本判断地面的倾斜程度和高度差, 再结合陀螺仪测量其动态状态和主重
5、心的偏移量, 然后传感器控制单元将这些信息传递至主控核心单元, 主控核心单元再对这些信息进行相应的运算, 得到对脚掌的控制量, 将此控制量与离线规划的行走各径值进行运算, 得到最终的实时控制量, 将最终控制量送到自适应地面机器人舵机驱动相应的输入通道, 从而带动舵机以一定的频率、次数、方向进行转动, 进而达到自适应地面机器人在各种复杂多样换的地形上运动的目标。2 系统硬件的设计与实现本系统由主控核心单元、传感器反馈调节、舵机控制单元、电源单元等单元组成。使用模块化的实施方案, 采用 MK60 作为主控核心单元, 采用压力传感器和陀螺仪共同组成传感器反馈调节。使用陀螺仪检测出运动时的倾斜角度,
6、根据测量的角度与所期望的水平状态之间的误差, 计算出所应当调节的量, 然后在输入下一步控制指令前将规划好的关节角度值与计算得出的调节量进行一定的运算, 得到最终控制量然后输入机器人关节舵机, 进而控制关节舵机调节脚掌直至水平。自适应地面机器人系统结构框图如图 1 所示。图 1 系统结构框图 下载原图图 2 程序设计流程图 下载原图图 3 反馈调节流程图 下载原图3 软件系统设计3.1 软件总体设计软件部分主要包括几个方面:(1) 基本固定运动控制单元, 控制基本的行走, 起立等。(2) 实时机器人状态监测单元, 通过舵机的角度检测, 以平地停止状态为参照量, 对机器人姿态实时监测, 得到理论上
7、的重心和陀螺仪安装位置的倾斜角。(3) 传感器反馈单元, 陀螺仪和压力传感器反馈数据接收处理。通过对比状态监测单元理论值产生的数据差值进行计算, 重新确定实际重心位置和角度倾角。(4) 控制输出单元, 芯片根据传感器反馈单元输出反馈量调整基本固定运动控制单元输出, 通过 pid 实现舵机高效快速达到预定角度, 对偏差作出校正。以上实现机器人的稳定控制。程序的设计流程图如图 2 所示。3.2 传感器反馈调节设计陀螺仪测得机器人行走过程中脚掌 X, Y 方向的倾斜角度, 计算其与水平方向的夹角大小。根据测量的角度与所期望的水平状态之间的误差, 计算出所应当调节的量, 然后在输入下一步的控制指令前,
8、 将规划好的角度值与计算出的调节量进行一定的运算, 得到最终的控制量, 然后将数据输入机器人的关节舵机中, 进而达到了控制关节舵机调节脚掌直至水平。因为机器人关节舵机本身的精度及系统所采用传感器精度有限, 所以反馈调节过程中需要设定一个阈值, 并认为当脚掌与水平误差在阂值范围内时, 则为水平, 而不进行反馈调节;当脚掌与水平误差大于这个阂值时, 则采取反馈调节措施进行脚掌姿态反馈调节直至其小于等于阈值。机器人反馈调节流程如图 3 所示。4 总结总结本文所讨论的自适应地面机器人的实物已经制作完毕, 在设计以及制作的过程中, 我们阅读大量资料, 进行多方面的学习, 感觉受益匪浅。本设计系统实现了能
9、够在各种复杂多样化的地形上行走的目标。它可以广泛应用于智能家居、军事对抗、抢险救灾等方面。参考文献1谭浩强.C 语言程序设计M.清华大学出版社 (第二版) , 1999, 1.1谭浩强.C 语言程序设计M.清华大学出版社 (第二版) , 1999, 1. 2霍罡.可编程序控制器模拟量及 PID 算法应用案例M.高等教育出版社, 2008.2霍罡.可编程序控制器模拟量及 PID 算法应用案例M.高等教育出版社, 2008. 3王庭树.机器人运动学及动力学M.西安电子科技大学出版社, 1990, 1.3王庭树.机器人运动学及动力学M.西安电子科技大学出版社, 1990, 1. 4柯显信.仿人形机器人双足动态步行研究D.上海:上海大学, 2005.4柯显信.仿人形机器人双足动态步行研究D.上海:上海大学, 2005. 5魏星, 张建斌.仿生嶂螂机器人的行走控制算法研究与仿真C.中国广西桂林:先进制造技术高层论坛暨第六届制造业自动化与信息化技术研讨会, 2007:61-68.5魏星, 张建斌.仿生嶂螂机器人的行走控制算法研究与仿真C.中国广西桂林:先进制造技术高层论坛暨第六届制造业自动化与信息化技术研讨会, 2007:61-68.
