西北民族大學電氣工程學院 韋金玲 高俊文 金 鳳 吳仲雪 彭 力

自適應地面機器人

西北民族大學電氣工程學院 韋金玲 高俊文 金 鳳 吳仲雪 彭 力

眾所周知，機器人是當今世界討論的熱門話題，是二十世紀最偉大的發(fā)明成果之一，也是一個國家制造水平和綜合國力的象征。本文所討論的自適應地面機器人是在美國atlas直立機器人的基礎上開發(fā)的一個自由度多、結構復雜、耦合性強的非線性機器人平衡系統(tǒng)。本設計是由主控核心單元、傳感器反饋調(diào)節(jié)、舵機控制單元、電源單元等單元組成。通過模塊化編程，來達到機器人能夠適應于各種復雜多樣地形的目標。本文討論的自適應地面機器人是在西北民族大學電氣工程學院本科生科研創(chuàng)新項目的資助下進行的。

atlas直立機器人；非線性機器人平衡系統(tǒng)；模塊化編程

0 引言

近年來，隨著機器人研究如火如茶的展開，其技術也得到了快速的發(fā)展。機器人技術融合了機械、電子、仿生學、材料學、傳感器科學等諸多學科,是一項全方面、多功能的學科。機器人在日常生活、搶險救災及軍事對抗等諸多領域擁有著廣泛地應用前景，愈受到國內(nèi)外眾多科學研究者的高度重視。本文討論的自適應地面機器人不僅在智能家居方面應用廣泛，還在搶險救災及軍事對抗等方面發(fā)揮著重大的作用。

1 系統(tǒng)總體設計

1.1 系統(tǒng)方案

本設備系統(tǒng)由主控核心單元、傳感器反饋調(diào)節(jié)、舵機控制單元、電源單元等單元組成。下面選取了一部分單元的論證與選擇。

1.1.1 核心控制單元的論證與選擇

方案一：自適應地面機器人采用通俗的51單片機，它具有廉價、穩(wěn)定性較好等特點。但它的IO資源較少，反應速度較慢，而本系統(tǒng)所需的程序量較大，所要求的精密度較高、反應能力較強，而51單片機難以勝任。

方案二：自適應地面機器人采用MK60單片機作為主控制芯片，它有著豐富的IO資源和超低功耗，具備著快速、高精密度的16位ADC、12位DAC、可編程增益放大器，強大的定時器，精密的比較器，大容量的RAM和ROM，能存儲著大容量的程序。

基于綜上述分析，本系統(tǒng)采用方案二。

1.1.2 電源單元的論證與選擇

方案一：整個系統(tǒng)都采用同一電源電路。但是舵機啟動瞬間需求電流很大，而且給定脈沖信號驅(qū)動的舵機電流波動較大，對單片機會造成嚴重的干擾，缺點十分明顯。

方案二：雙電源供電。將舵機驅(qū)動電源（6v）和單片機的供電電源（3V）完全隔開，這樣的設計可以徹底消除舵機驅(qū)動所造成的影響，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

基于上述考慮，所以選擇方案二。

1.2 系統(tǒng)工作原理

壓力傳感器應用于腳掌，每個腳掌四角分別安裝四個壓力傳感器，通過落地時候四個角壓力差可以基本判斷地面的傾斜程度和高度差，再結合陀螺儀測量其動態(tài)狀態(tài)和主重心的偏移量，然后傳感器控制單元將這些信息傳遞至主控核心單元，主控核心單元再對這些信息進行相應的運算，得到對腳掌的控制量，將此控制量與離線規(guī)劃的行走各徑值進行運算，得到最終的實時控制量，將最終控制量送到自適應地面機器人舵機驅(qū)動相應的輸入通道，從而帶動舵機以一定的頻率、次數(shù)、方向進行轉動，進而達到自適應地面機器人在各種復雜多樣換的地形上運動的目標。

2 系統(tǒng)硬件的設計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)由主控核心單元、傳感器反饋調(diào)節(jié)、舵機控制單元、電源單元等單元組成。使用模塊化的實施方案，采用MK60作為主控核心單元，采用壓力傳感器和陀螺儀共同組成傳感器反饋調(diào)節(jié)。使用陀螺儀檢測出運動時的傾斜角度，根據(jù)測量的角度與所期望的水平狀態(tài)之間的誤差，計算出所應當調(diào)節(jié)的量，然后在輸入下一步控制指令前將規(guī)劃好的關節(jié)角度值與計算得出的調(diào)節(jié)量進行一定的運算，得到最終控制量然后輸入機器人關節(jié)舵機，進而控制關節(jié)舵機調(diào)節(jié)腳掌直至水平。自適應地面機器人系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

圖2 程序設計流程圖

圖3 反饋調(diào)節(jié)流程圖

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 軟件總體設計

軟件部分主要包括幾個方面：

（1）基本固定運動控制單元，控制基本的行走，起立等。

（2）實時機器人狀態(tài)監(jiān)測單元，通過舵機的角度檢測，以平地停止狀態(tài)為參照量，對機器人姿態(tài)實時監(jiān)測，得到理論上的重心和陀螺儀安裝位置的傾斜角。

（3）傳感器反饋單元，陀螺儀和壓力傳感器反饋數(shù)據(jù)接收處理。通過對比狀態(tài)監(jiān)測單元理論值產(chǎn)生的數(shù)據(jù)差值進行計算，重新確定實際重心位置和角度傾角。

（4）控制輸出單元，芯片根據(jù)傳感器反饋單元輸出反饋量調(diào)整基本固定運動控制單元輸出，通過pid實現(xiàn)舵機高效快速達到預定角度，對偏差作出校正。以上實現(xiàn)機器人的穩(wěn)定控制。程序的設計流程圖如圖2所示。

3.2 傳感器反饋調(diào)節(jié)設計

陀螺儀測得機器人行走過程中腳掌X, Y方向的傾斜角度，計算其與水平方向的夾角大小。根據(jù)測量的角度與所期望的水平狀態(tài)之間的誤差，計算出所應當調(diào)節(jié)的量，然后在輸入下一步的控制指令前，將規(guī)劃好的角度值與計算出的調(diào)節(jié)量進行一定的運算，得到最終的控制量，然后將數(shù)據(jù)輸入機器人的關節(jié)舵機中，進而達到了控制關節(jié)舵機調(diào)節(jié)腳掌直至水平。因為機器人關節(jié)舵機本身的精度及系統(tǒng)所采用傳感器精度有限，所以反饋調(diào)節(jié)過程中需要設定一個閾值，并認為當腳掌與水平誤差在閡值范圍內(nèi)時，則為水平，而不進行反饋調(diào)節(jié);當腳掌與水平誤差大于這個閡值時，則采取反饋調(diào)節(jié)措施進行腳掌姿態(tài)反饋調(diào)節(jié)直至其小于等于閾值。機器人反饋調(diào)節(jié)流程如圖3所示。

4 總結

總結本文所討論的自適應地面機器人的實物已經(jīng)制作完畢，在設計以及制作的過程中，我們閱讀大量資料，進行多方面的學習，感覺受益匪淺。本設計系統(tǒng)實現(xiàn)了能夠在各種復雜多樣化的地形上行走的目標。它可以廣泛應用于智能家居、軍事對抗、搶險救災等方面。

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西北民族大學電氣工程學院本科生科研創(chuàng)新項目資助。

韋金玲（1997—），女，廣西貴港人，大學本科，研究方向：通信工程。