申海義 ，吳寶元 ，任 陽 ，申 飛 ，吳仲城

（1.中國科學技術大學 自動化系，安徽 合肥 230026；2.中國科學院合肥智能機械研究所，安徽 合肥 230031；3.中國科學院強磁場科學中心，安徽 合肥 230031）

仿人機器人是近年來發(fā)展起來的綜合學科。運動功能是仿人機器人最基本的功能，其中雙足穩(wěn)定可靠行走是進行作業(yè)的基本保障，也是仿人機器人實用的前提條件。目前仿人機器人的雙足行走步態(tài)規(guī)劃主要是基于零力矩點ZMP（Zero Moment Point）控制理論。實際上，人行走過程中，足底的神經(jīng)末梢可實現(xiàn)地面接觸位置、地形、地面反作用力大小和方向等信息的實時感知，并及時反饋到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使之能及時調(diào)整身體姿勢。仿人機器人要適應人類生活、工作環(huán)境，基于足部信息的仿人機器人穩(wěn)定行走控制就顯得尤為重要，特別是在不平整路面上步行、轉(zhuǎn)彎、上下樓梯時，其足部姿態(tài)信息就顯得更為重要。而足部姿態(tài)信息中的腳面傾角信息是仿人機器人穩(wěn)定控制的重要依據(jù)[1]。它可以讓仿人機器人感知腳面傾斜情況，在穩(wěn)定著地時，腳面傾角還可以反映地面傾斜狀態(tài)，是仿人機器人穩(wěn)定控制的一個關鍵參數(shù)。

1 系統(tǒng)介紹

本文研究基于本實驗室研制的集成化仿人機器人足部感知系統(tǒng)[2-3]，以使仿人機器人能夠感知復雜地面環(huán)境信息，目標是實現(xiàn)機器人行走過程中有效穩(wěn)定支撐區(qū)域、ZMP軌跡、地形、地面反作用力等信息實時感知。

仿人機器人足部感知系統(tǒng)是由六維力傳感器、ADXL203雙軸加速度傳感器、柔性力傳感器陣列、信號處理單元、電源單元、減震層和基板構(gòu)成。其中，ADXL203雙軸加速計即可測量動態(tài)加速度，又可以用來實現(xiàn)諸如重力加速度的靜態(tài)測量，此時可以替代傾角傳感器進行傾斜測量，得到靜態(tài)腳面傾角信息。

信號處理板的主要功能是采集傾角傳感器(A六維力傳感器、柔性力傳感器陣列的信號，計算有效穩(wěn)定支撐區(qū)域、ZMP軌跡、地形、地面反作用力等信息，并將上述信息輸出給上位機。

2 利用ADXL203雙軸加速計測量傾角的原理

ADXL203是美國ADI公司推出的一種高精度、低功耗及單一的iMEMS型IC芯片雙軸加速計。其原理為通過測量重力加速度g在敏感軸上的分量，通過計算將其轉(zhuǎn)化成傾角，得到傳感器相對于水平面的傾斜和俯仰角度[4-5]。

以重力矢量作為基準，將它的X軸和Y軸水平放置定義為0°。此時加速度傳感器ADXL203處于水平位置，參考面為水平面，Z軸為重力勢方向，當繞X軸或Y軸轉(zhuǎn)動時，有：式中：AX、AY為加速度傳感器X敏感軸和Y敏感軸的輸出，即g在X敏感軸和Y敏感軸上的分量；g為重力加速度值；pitch、roll為加速度傳感器平面與坐標系水平面X軸和Y軸的傾斜角度[6]。

將ADXL203加速度傳感器的XOUT和YOUT輸出的模擬電壓信號 VX、VY換算成對應的敏感軸上輸出 AX、AY為：

將 AX、AY代入（1）式即可得到 X、Y軸的傾斜角度pitch 和 roll。

3 傾角信息獲取

3.1 測量電路硬件設計

考慮到系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理量很大，采用TI公司的32 bit的TMS320F2811作為處理器。TMS320F2811具有片內(nèi)12 bit A/D轉(zhuǎn)換器，快速轉(zhuǎn)換時間為 80 ns；最高傳輸速率為1 Mb/s的增強型 CAN總線（eCAN），可以達到機器人足部感知系統(tǒng)實時數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)囊蟆?/p>

ADXL203雙軸加速度計XOUT和YOUT輸出為模擬信號，直接由TMS3202811的片內(nèi)A/D進行采樣，ADXL203提供了電源接口、自檢電壓輸出接口、XOUT和YOUT電壓輸出和公共地。其中電源的輸入范圍為3 V～6 V，DSP(TMS320F2811)的 VDDA1輸出 3.3 V 經(jīng)過電感 L2、0.1 μF和10 μF電容濾除諧波，去除耦合為傳感器供電。自檢模式不使用，自檢電壓接口通過電阻接地。XOUT和YOUT經(jīng)過低通濾波，實現(xiàn)對信號的去鋸齒和噪聲削弱，XOUT和 YOUT選取的濾波電容為 0.1 μF，此時帶寬為 50 Hz，RMS噪聲為1 mg。TMS3202811通過ADCINA0和ADCINA1與ADXL203雙軸加速計相連，連接圖如圖1所示。

圖1 ADXL203與TMS3202811連接方式

3.2 傾角測量軟件設計

對傳感器的輸出信息進行采集是本系統(tǒng)的最基本功能，系統(tǒng)的軟件設計主要完成對加速度傳感器信號的采集、處理和傳輸。

仿人機器人足部感知系統(tǒng)需要同時采集和處理六維力傳感器、傾角傳感器和柔性力傳感器陣列的數(shù)據(jù)。為了提高系統(tǒng)的效率，采用中斷的方式實現(xiàn)。

定時器的定時周期配置為10 ms，每10 ms進行一次數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換，當轉(zhuǎn)換完成后，進行數(shù)據(jù)處理，不僅包括A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的寄存器移位操作，本系統(tǒng)還使用了過采樣技術，使A/D的轉(zhuǎn)換精度更高，使A/D轉(zhuǎn)換器由原來的12位提高到13位，分辨率更高。數(shù)據(jù)處理結(jié)束，使標志位置位，由主程序進行數(shù)據(jù)的發(fā)送，通過增強型CAN（eCAN）總線發(fā)送給上位機，上位機界面顯示傾角信息。

系統(tǒng)的軟件流程如圖2所示。

4 實驗結(jié)果

為了驗證ADXL203型雙軸加速度傳感器在機器人足部感知系統(tǒng)中的可行性，利用Visual C++開發(fā)了上位機的界面用于顯示傾角的變化，實驗數(shù)據(jù)由TMS3202811通過CAN接口發(fā)送。此外，由CAN—USB連接上位機，上位機將數(shù)據(jù)進一步處理，轉(zhuǎn)化為機器人足部的傾角值。實驗中，將機器人的足部腳板X、Y方向先置于0°，上位機顯示界面打開，再模仿機器人起步將足部腳板置于障礙物上，此時，X方向仍為0°，Y方向傾斜約為45°，然后再模仿機器人足部落地將腳板重新置于0°，上位機界面可以實時顯示機器人足部的傾角信息。顯示界面如圖3和圖4所示。圖3中，Y軸表示X軸方向傾角(pitch)大小，圖4中Y軸表示Y軸方向傾角(roll)大小，X軸均表示正在顯示當前的65個采樣點的傾角值。由圖可知，ADXL203雙軸加速計可以實現(xiàn)對仿人機器人足部傾角信息的準確監(jiān)測。

圖2 傾角傳感器數(shù)據(jù)采集和處理流程圖

ADXL203是晶體硅固體結(jié)構(gòu)的加速計，它受溫度的影響極小，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以TMS3202811和ADXL203為核心來測量機器人足部感知系統(tǒng)的傾角信息，測量精度高、功耗低、成本低，可同時實現(xiàn)雙軸輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)對仿人機器人的足部靜態(tài)傾角信息實時監(jiān)測，對于仿人機器人在復雜環(huán)境中的穩(wěn)定控制，實現(xiàn)穩(wěn)定行走提供了重要保證。但ADXL203雙軸加速計只能夠?qū)崿F(xiàn)對靜態(tài)腳面傾斜信息的監(jiān)測，下一步準備引入角速度傳感器，與ADXL203配合實現(xiàn)對腳面動態(tài)傾角信息的監(jiān)測，將會為仿人機器人穩(wěn)定行走提供更全面的姿態(tài)信息。

[1]李建璽，黃強，張偉民，等.仿人機器人足部姿態(tài)實時感知系統(tǒng)[J].微計算機息，2009，25(8)：168-170.

[2]Wu Baoyuan，Luo Jianfei.Optimum design method of multiaxis force sensor integrated in humanoid robot foot system[J].Elsevier，2011，44(9)：1651-1660.

[3]錢昌忠，吳仲城.姿態(tài)傳感器在仿人機器人足部感知系統(tǒng)中的應用[J].儀表技術，2010(9)：68-70.

[4]曾勇，楊濤，岳高銘.基于 MEMS為微加速度的振動測試儀[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26(6)：75-77.

[5]彭濤，姚伯威.基于DSP的數(shù)字式MEMS加速度傳感器ADXL203的設計與應用[J].微計算機信息，2006，22(10)：308-309.

[6]趙命，邱錦波.基于重力加速度檢測的礦用傾角傳感器分析設計[J].煤礦機電，2008(1)：62-64.