安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 李國輝

基于PVDF壓電傳感器機(jī)器人腿部平衡系統(tǒng)的設(shè)計

安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 李國輝

機(jī)器人開始于上世紀(jì)六十年代初，開始大多機(jī)器人都是基于單片機(jī)控制系統(tǒng)或其他單核控制系統(tǒng)，由于單片機(jī)控制或單核控制處理能力的局限性。使得其相關(guān)技術(shù)發(fā)展緩慢。隨著現(xiàn)代電子技術(shù)和信號處理能力的快速發(fā)展，很多研究機(jī)構(gòu)提出雙核控制器，它有效的克服了以往單核控制的弊端，具有快速響應(yīng)、快速抗干擾能力、穩(wěn)定性更優(yōu)等特點。針對上述思想及當(dāng)下研究現(xiàn)狀，提出一種雙核控制器及靈敏度更高的新型壓電薄膜傳感器，意在解決直立行走機(jī)器人腿部平衡的問題。

直立機(jī)器人；ARM（STM32F407）和FPGA（A3P250）；A/D；D/A；PVDF壓電傳感器

1 引言

機(jī)器人技術(shù)自問世已有近六十年，其各項技術(shù)已經(jīng)得到長足的發(fā)展，多種機(jī)器人不斷問世。例如，用于軍事的偵查無人機(jī)，用于服務(wù)的防人機(jī)器人、無人自動駕駛汽車、醫(yī)療機(jī)器人等。隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)將以快速的向?qū)嵱眯酝M(jìn)并將飛速的走進(jìn)千家萬戶，為這個社會的發(fā)展提供源源不斷的動力。

機(jī)器人開始于上世紀(jì)六十年代初，由于特殊的歷史原因，我國對于直立行走機(jī)器人的腿部平衡控制的研究較晚，因此提出一種高靈敏度的壓電薄膜傳感器和雙核控制器組成的系統(tǒng)以達(dá)到快速響應(yīng)，快速矯正傾斜的機(jī)器人平衡問題，通過機(jī)器人足部安裝高靈敏度的PVDF壓電傳感器實時監(jiān)測機(jī)器人重心位置信號，從而達(dá)到快速矯正機(jī)器人的平衡。

2 控制策略

本次設(shè)計目的主要是研究機(jī)器人在重心失去平衡時，由腿部各關(guān)節(jié)的舵機(jī)控制，使機(jī)器人自動的傾斜，已達(dá)到平衡的要求。

因?qū)嶋H需要，采用靈敏系數(shù)較高的壓電傳感器，來探測機(jī)器人重心的偏移量。將傳感器信號發(fā)送給雙核控制器并通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實時調(diào)整機(jī)器人的姿態(tài)已達(dá)穩(wěn)定，機(jī) 器人控制原理圖如圖1所示。

圖1 機(jī)器人控制原理圖

3 具體方案

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)部分

機(jī)器人下肢控制主要依賴于腳踝關(guān)節(jié)處舵機(jī)和膝關(guān)節(jié)處舵機(jī)控制，其中舵機(jī)主要由直流無刷伺服電機(jī)和減速齒輪組成的。

通過控制踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)處舵機(jī)內(nèi)的電機(jī)進(jìn)而控制齒輪的旋轉(zhuǎn)，使踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)快速響應(yīng)轉(zhuǎn)動。而電機(jī)的轉(zhuǎn)速大約10000rpm，所以必須進(jìn)行減速。我們選擇 3 個齒輪組合，使得減速比為 336：1，轉(zhuǎn)速降為 30rpm。

3.2 電器控制部分

通過對踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)的控制以改變機(jī)器人中心偏移角，使得機(jī)器人保持動態(tài)平衡整個系統(tǒng)由四部分組成：重心位置平衡監(jiān)測、驅(qū)動控制信號計算、電機(jī)驅(qū)動和腿部運動反饋。

3．2．1 重心位置平衡檢測

重心位置平衡檢測是通過其足底的兩個壓電傳感器和計算電路得到。壓電傳感器由于其足部運動使得壓電片變形彎曲，由壓電效應(yīng)產(chǎn)生電荷，經(jīng)由電荷放大等電路轉(zhuǎn)換成電壓信號，因足部受力不同電荷不同，通過計算得到重心平衡位置。

3．2．2 驅(qū)動控制信號計算

重心位置平衡檢測電路的輸出電壓通過A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號送入雙核控制器中，并與控制器內(nèi)部平衡狀態(tài)時的電壓信號比較，計算出偏差信號， 通過計算得出補償值， 再通過D/A轉(zhuǎn)換后的模擬信號輸出給電機(jī)驅(qū)動電路。其中信號處理部分由雙核控制器中的ARM計算并通信給FPGA,使得FPGA從大量計算中解脫出來，以便FPGA能過更精確快速的控制舵機(jī)中電機(jī)的轉(zhuǎn)動。

3．2．3 電機(jī)驅(qū)動

首先通過傳感器將監(jiān)測重心信號和反饋信號比較后傳入ARM中，經(jīng)過信號處理后將處理后的信號發(fā)送給FPGA生成PWM信號驅(qū)動電機(jī)的轉(zhuǎn)動。

3.3 系統(tǒng)通信

由于整個系統(tǒng)包括了機(jī)器人腿部模塊、驅(qū)動電路板模塊、雙核控制器模塊，因此三者之間通過CAN總線進(jìn)行通信聯(lián)接。

4 系統(tǒng)測試

將各模塊通信連接組成完整系統(tǒng)。對整個機(jī)器人進(jìn)行調(diào)試。將機(jī)器人放置于預(yù)先選定的測試區(qū)域，此時機(jī)器人處于平衡位置，因此系統(tǒng)無反應(yīng)動作，滿足系統(tǒng)功能要求。當(dāng)外部對機(jī)器人施加一個擾動時，機(jī)器人的平衡被打破，機(jī)器人踝關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)舵機(jī)快速響應(yīng)動作，機(jī)器人迅速再平衡。整個系統(tǒng)調(diào)試完成，各項參數(shù)符合功能要求。

5 結(jié)論

文中所提出的雙核控制系統(tǒng)能夠有效的控制機(jī)器人平衡問題，它克服了單核控制的缺陷，運用ARM+FPGA，其中ARM處理各種繁雜的信號，使得FPGA從繁雜的信號處理中解脫出來，進(jìn)而有效的控制電機(jī)，實現(xiàn)了機(jī)器人控制系統(tǒng)的快速響應(yīng)實時控制，增強(qiáng)了系統(tǒng)的魯棒性和抗干擾能力，使直立行走機(jī)器人腿部平衡控制系統(tǒng)得到進(jìn)一步發(fā)展。

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