李 瑩，申麗芳

(沈陽工學院 信息與控制學院， 遼寧 撫順 113122)

0 引言

針對于定向性信息來說，大數(shù)據(jù)具有快速增長的變化能力，且其從屬復雜度也會隨網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的改變而產(chǎn)生變化。大數(shù)據(jù)可以看作是當數(shù)據(jù)規(guī)模擴大到一定程度后而產(chǎn)生的信息量質(zhì)變行為，同時包含多種數(shù)據(jù)信息類型，不但涉及文字、圖像等傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)化信息，也包含聲音、視頻等連續(xù)的新型非結(jié)構(gòu)化信息，且與其他類型的數(shù)據(jù)參量相比，大數(shù)據(jù)在傳輸時間方面的應(yīng)用要求更高[1-2]。從范圍空間的角度來看，大數(shù)據(jù)信息以整個互聯(lián)網(wǎng)空間作為提取背景，特別是針對運動學等應(yīng)用問題來說，大數(shù)據(jù)參量所能提供的參考信息更多，不僅能夠保障相關(guān)函數(shù)公式定義的運算有效性，也可實現(xiàn)對數(shù)據(jù)統(tǒng)計環(huán)境的較好完善[3]。

傳統(tǒng)機器人步態(tài)控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于實際工作中，例如文獻[4]提出逆運動學控制系統(tǒng)，在硬件方面采用TMS320VC5509A設(shè)備作為設(shè)計核心，結(jié)合測距傳感器、壓力傳感器、慣性傳感器等元件對步態(tài)數(shù)據(jù)的采集時序進行實時控制，再通過姿態(tài)解算的方式，確定運動過程中的角度與速度數(shù)值。然而此系統(tǒng)所標定的機器人行為位姿角度過大，易使其關(guān)節(jié)靈活性受到影響，從而使得機器人步行能力受到影響。文獻[5]提出基于電容式觸覺傳感器的機器人步態(tài)控制系統(tǒng)，利用電容式觸覺傳感器采集測量參數(shù)，包括機器人運動峰值法向力的大小和時間，以及腿部旋轉(zhuǎn)速度，當機器人穿越不同類型的地形時，傳感器會測量接觸力，基于步態(tài)性能研究，通過實時地形分類實現(xiàn)了基于地形的步態(tài)控制。該系統(tǒng)位姿標定較為準確，但機器人步態(tài)控制的運動靈活性水平較差。

針對此問題，引入大數(shù)據(jù)聚類思想，設(shè)計新型的機器人步態(tài)控制系統(tǒng)，利用舵機控制板、傳感器電路等設(shè)備元件，規(guī)劃機器人支撐腿、擺動腿的瞬時運動行為，再結(jié)合聚類算法的適應(yīng)度函數(shù)條件，實現(xiàn)對關(guān)節(jié)角度的計算與求解。

1 機器人步態(tài)控制系統(tǒng)總體設(shè)計方案

機器人步態(tài)控制系統(tǒng)的總體設(shè)計應(yīng)從傳感器設(shè)備、主處理器元件、舵機控制板3個角度同時進行，具體操作方法如下。

1.1 傳感器設(shè)備

為了完成對機器人行走步態(tài)位姿的實時修正與控制，需要不斷獲取機器人行為及其所處周圍環(huán)境的具體信息，在此過程中，傳感器設(shè)備起到了至關(guān)重要的調(diào)節(jié)作用，且只有在多級傳感器元件的共同配合之下，才能實現(xiàn)對機器人步態(tài)信息的按需處理[6]。利用九軸傳感器采集機器人步態(tài)位姿信息，結(jié)合壓力元件了解足底與地面之間的接觸情況，再通過大數(shù)據(jù)聚類算法將已獲取的信息發(fā)送給下級舵機控制板設(shè)備。

1)九軸傳感器：

MPU9250是九軸傳感器的核心組成元件，如圖1所示，由兩部分應(yīng)用結(jié)構(gòu)共同組成。其中一組為單獨的3軸磁力計，另一組為3軸加速度計與陀螺儀的連接組合。這種傳感設(shè)備的物理體積較為小巧，擁有SPI、IIC兩種最基本的數(shù)據(jù)通信方式。

圖1 TMS320VC5509A的結(jié)構(gòu)框圖

傳感器內(nèi)部具有完整的16位ADC，對于數(shù)據(jù)型電量輸出信號來說，元件結(jié)構(gòu)為其匹配的可測參量范圍相對較為廣泛。機器人步態(tài)控制系統(tǒng)利用IIC總線讀取MPU9250中的存儲數(shù)據(jù)信息，主要引腳功能如表1所示。

表1 MPU9250引腳功能

2)紅外測距傳感器：

紅外測距傳感器安裝于機器人頭部舵機中，可通過舵機的轉(zhuǎn)動自測來判斷機器人前方運動范圍內(nèi)是否具有障礙物[7]。傳感器元件的應(yīng)用遵循三角測量原理，根據(jù)障礙物所處位置的不同，所發(fā)出測距信號的返回接收位置也有所不同。

3)壓力傳感器：

壓力傳感器外附著一層電阻式薄膜，可用來判斷機器人在運動過程中腳底是否與地面接觸，具有重量級輕、體積小的應(yīng)用優(yōu)點。

1.2 主處理器元件

考慮到機器人步態(tài)控制系統(tǒng)的響應(yīng)與集成要求，應(yīng)選擇TMS320VC5509A作為主處理器元件的核心應(yīng)用芯片，如圖1所示。TMS320VC5509A芯片可將信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字傳輸信號，并對其進行后續(xù)的傳遞與處理，具有相對高速的應(yīng)用特點。External Memory Interface主操控結(jié)構(gòu)可通過片選信號的方式，對隸屬于芯片外部的存儲空間進行選用，且由于GPIO、EHPI、Syspem、McBSP、RTC等多個接口的同時存在，控制系統(tǒng)主處理器元件可直接將舵機控制板由同步狀態(tài)調(diào)制至異步狀態(tài)，也可實現(xiàn)反向調(diào)制[8-9]。

從宏觀性角度來看，主處理器元件的應(yīng)用優(yōu)點主要表現(xiàn)在如下幾個方面。

1)集成性能良好：主處理器元件內(nèi)集成了多組信號通訊模塊，可在主電源支持下，實現(xiàn)由機器人步態(tài)控制數(shù)據(jù)到控制信號的轉(zhuǎn)換。

2)運行速度較快：C55 DSP Core芯片可快速采集機器人步態(tài)行進指令，且大多數(shù)指令都可在同一信號處理周期內(nèi)完成調(diào)整，因此主處理器元件可對機器人前進行為進行有效的中斷控制。

3)穩(wěn)定能力強、運算精度高：在主處理器元件中，TMS320VC5509A芯片通常都擁有獨立的高精度并行乘法器設(shè)備與之配套，且所有與機器人步態(tài)行為相關(guān)的指令都是針對該模塊專門設(shè)計的。

4)接口覆蓋量大：為便于與下級控制設(shè)備建立穩(wěn)定的連接關(guān)系，主處理器元件設(shè)置6-Chan DMA、INT、JTAG等多個接口組織，在機器人運行過程中，這些接口同時接受C55 DSP Core主芯片的調(diào)度，因此其應(yīng)用能力始終保持高度的一致性。

1.3 舵機控制板

單純的TMS320VC5509A芯片在機器人步態(tài)控制方面的應(yīng)用能力較為薄弱，若將其直接與19路舵機關(guān)聯(lián)起來，則會顯得機器人的前進步態(tài)過于不穩(wěn)定[10]。因此，在新型機器人步態(tài)控制系統(tǒng)中，將驅(qū)動舵機的任務(wù)分配給了應(yīng)用級別更高的舵機控制板元件，當使用DSP指令發(fā)送模式時，舵機板可代替獨立的19路舵機對信號傳輸行為進行控制，從而形成一種完整的“兩級”連接結(jié)構(gòu)，其電路原理圖如圖2所示。

圖2 SSC-32U型舵機控制板原理圖

SSC-32U以ATmega328作為主控元件，在接收到上位機控制指令后，可以對下級舵機設(shè)備進行同步驅(qū)動，與TMS320VC5509A芯片相比，其負載能力更強，在作用過程中，不限制舵機設(shè)備的實際連接形式。由于ATmega328元件的存在，整個SSC-32U芯片外部的驅(qū)動電壓始終保持為穩(wěn)定數(shù)值[11]。針對于機器人步行運動來說，SSC-32U型舵機控制板輸出的信號數(shù)據(jù)同時包含舵機角度、轉(zhuǎn)動時間的物理信息。一般情況下，各個關(guān)節(jié)的運動與停止能夠保持高度統(tǒng)一的狀態(tài)，但若僅改變一個關(guān)節(jié)的運動角度數(shù)值，通過操作舵機控制板也是可以直接實現(xiàn)的。

2 基于大數(shù)據(jù)聚類的步態(tài)節(jié)點安排

按照機器人步態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計方案，通過定義關(guān)鍵節(jié)點的方式，建立關(guān)鍵的適應(yīng)度函數(shù)條件，完成基于大數(shù)據(jù)聚類的機器人步態(tài)節(jié)點安排。

2.1 大數(shù)據(jù)聚類關(guān)鍵節(jié)點定義

在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中，關(guān)鍵聚類節(jié)點有兩種表現(xiàn)形式，一種是通過破壞原節(jié)點，推斷網(wǎng)絡(luò)受到的影響，一般來說影響能力越大，代表該節(jié)點越重要；另一種是通過分析節(jié)點密度等特性來反映網(wǎng)絡(luò)的重要性能力，并通過擴大原節(jié)點顯著性等級的方式，來判斷該節(jié)點是否為關(guān)鍵聚類節(jié)點。在機器人步態(tài)控制系統(tǒng)中，網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)聚類需要消耗大量的處理時間，因此可作為定義關(guān)鍵節(jié)點的重要物理指標[12-13]。為實現(xiàn)對機器人步態(tài)行為的最大化調(diào)度，默認所有關(guān)鍵節(jié)點都處在互聯(lián)網(wǎng)中部，且為使定義時間長度得到有效控制，應(yīng)將大數(shù)據(jù)聚類看作一種簡單的數(shù)據(jù)信息堆疊行為，且隨著待處理數(shù)據(jù)量的增大，聚類堆疊的處理層數(shù)值也會不斷增大。設(shè)emin代表最小的信息聚類系數(shù)，emax代表最大的信息聚類系數(shù)，在機器人行進步數(shù)為n的條件下，可將關(guān)鍵大數(shù)據(jù)聚類節(jié)點表達式定義為：

(1)

其中:α1表示第一個行進步態(tài)指標，αn表示第n個行進步態(tài)指標，f表示聚類節(jié)點篩查條件，ΔT表示聚類節(jié)點的單位篩查時長。

2.2 適應(yīng)度函數(shù)

適應(yīng)度函數(shù)對大數(shù)據(jù)聚類算法起到了極強約束作用，可根據(jù)關(guān)鍵節(jié)點定義條件，規(guī)劃步態(tài)節(jié)點在后續(xù)運動過程中所處的分布位置，從而為機器人選取一條相對可靠的行進路線。受到舵機控制板元件的影響，適應(yīng)度函數(shù)作用能力應(yīng)呈現(xiàn)范圍式存在狀態(tài)，即在固定運動區(qū)域環(huán)境中，由于適應(yīng)度函數(shù)的存在，機器人前進步態(tài)不會與預設(shè)情況出現(xiàn)較大偏差[14-15]。設(shè)L代表固定運動區(qū)域的面積數(shù)值，h代表機器人前進長度，d代表機器人支撐腿與擺動腿之間的物理寬度值，聯(lián)立公式(1)，可將大數(shù)據(jù)聚類算法的適應(yīng)度函數(shù)條件定義為：

(2)

3 機器人行進步態(tài)規(guī)劃

3.1 支撐腿運動規(guī)劃

(3)

其中：x1表示機器人步態(tài)行為在X軸上的分量，y1表示機器人步態(tài)行為在Y軸上的分量，z1表示機器人步態(tài)行為在Z軸上的分量，C1、C2表示兩個不同的步態(tài)行進系數(shù)。

3.2 擺動腿運動規(guī)劃

(4)

3.3 關(guān)節(jié)角度求解

在步態(tài)行進坐標系內(nèi)，由機器人自身結(jié)構(gòu)特點及先前所規(guī)劃的腿部步態(tài)行為可知，θ1、θ5為側(cè)向關(guān)鍵的旋轉(zhuǎn)角數(shù)值，只能在X-Z的平面環(huán)境中變化，θ2、θ3、θ4則為前向關(guān)鍵旋轉(zhuǎn)角數(shù)值，如圖3所示。

圖3 機器人腿部各關(guān)節(jié)變化角度的定義

聯(lián)合公式(3)、公式(4)，根據(jù)行進速度v=(xi,yi,zi)和幾何關(guān)系，寫出各關(guān)節(jié)角度變化的方程如下：

(5)

對機器人支撐腿有θ2>0、θ3<0、θ4>0，對機器人擺動腿有θ1>0、θ5<0。至此，完成對機器人行進步態(tài)的規(guī)劃與處理，在大數(shù)據(jù)聚類算法的支持下，實現(xiàn)機器人步態(tài)控制系統(tǒng)的順利應(yīng)用。

4 實例分析

分別采用文獻[4]系統(tǒng)、所設(shè)計系統(tǒng)對機器人基本位姿進行標定，機器人步行參數(shù)如表2所示。

表2 機器人步行參數(shù)

將機器人放在平整的地面上，讓其按照所規(guī)劃路徑做步行前進運動，并參照表2來設(shè)置機器人的最大抬腳高度、質(zhì)心高度、步長與周期，然后讓機器人連續(xù)步行前進10米，期間機器人的步態(tài)行為穩(wěn)定且平滑，沒有出現(xiàn)明顯的晃動狀態(tài)，此期間所捕捉到的機器人平地運動截圖如圖4所示。

圖4 機器人平地步行運動截圖

為更準確檢驗機器人在平地的步行狀態(tài)，讀取兩種系統(tǒng)控制下機器人的關(guān)節(jié)彎曲次數(shù)，并將其與理想數(shù)值對比，如圖5、圖6所示。

圖5 所設(shè)計系統(tǒng)、文獻[4]系統(tǒng)關(guān)節(jié)彎曲次數(shù)

圖6 關(guān)節(jié)彎曲次數(shù)理想數(shù)值

對比圖5、圖6可知，在行進過程中，機器人步態(tài)每變化一次，其關(guān)節(jié)彎曲量都會由0直接變化至當前的最大值結(jié)果，因此在兩次前進行為之間，關(guān)節(jié)彎曲次數(shù)都會呈現(xiàn)短暫的“歸零”狀態(tài)。所設(shè)計系統(tǒng)數(shù)值曲線與理想數(shù)值曲線相比，并沒有過于明顯的出入，在前2米的前進距離中，所設(shè)計系統(tǒng)關(guān)節(jié)彎曲次數(shù)量小幅高于理想數(shù)值，當前進距離為6 m和8 m時，理想數(shù)值出現(xiàn)了兩次較小的下降狀態(tài)，但所設(shè)計系統(tǒng)關(guān)節(jié)彎曲次數(shù)值在整個實驗過程中，始終保持不斷上升的變化狀態(tài)，只是實驗后期上升幅度相對小于實驗前期。文獻[4]系統(tǒng)數(shù)值曲線與理想數(shù)值曲線相比，在既定節(jié)點處的數(shù)值水平明顯更低，當前進距離為7 m和9 m時，文獻[4]系統(tǒng)關(guān)節(jié)彎曲次數(shù)值出現(xiàn)了兩次較小幅度的下降狀態(tài)，實際變化趨勢也與理想數(shù)值不完全一致。

將機器人放在不平整的地面上，讓其按照所規(guī)劃路徑做步行前進運動，結(jié)合傳感器反饋回來的姿態(tài)信息確定機器人關(guān)節(jié)彎曲角度的實際變化情況。參照表2來設(shè)置機器人的最大抬腳高度、質(zhì)心高度、步長與周期，然后讓機器人連續(xù)步行前進10米，在此期間及時調(diào)整機器人步態(tài)行為使其保持穩(wěn)定且平滑的狀態(tài)，具體所捕捉到的機器人運動截圖如圖7所示。

圖7 機器人不平整地面步行運動截圖

讀取所設(shè)計系統(tǒng)、文獻[4]系統(tǒng)機器人的關(guān)節(jié)彎曲角度數(shù)值，并將其與理想數(shù)值對比，如表3所示。

表3 關(guān)節(jié)彎曲關(guān)節(jié)彎曲角度對比結(jié)果

在機器人行進過程中，關(guān)節(jié)角度的彎曲數(shù)值越小，代表機器人的運動靈活性越強，且當其彎曲度超過110°時，機器人的前進步態(tài)會出現(xiàn)明顯的遲緩狀態(tài)。以前進距離等于5 m作為分界點，分析表3可知，所設(shè)計系統(tǒng)關(guān)節(jié)彎曲角度與理想數(shù)值在分界節(jié)點之前，均保持不斷上升的數(shù)值變化趨勢，但所設(shè)計系統(tǒng)數(shù)值的上升幅度明顯小于理想數(shù)值，平均值水平也相對更低；文獻[4]系統(tǒng)關(guān)節(jié)彎曲角度在分界節(jié)點之前的變化行為并沒有明顯規(guī)律，且其均值水平也遠高于理想數(shù)值與所設(shè)計系統(tǒng)數(shù)值。在分界節(jié)點之后，理想彎曲角度均值出現(xiàn)了明顯提升，與所設(shè)計系統(tǒng)數(shù)值相比其上升幅度更為明顯，但也并未超過最大彎曲數(shù)值110°；文獻[4]系統(tǒng)關(guān)節(jié)彎曲角度的上升幅度比理想數(shù)值更為明顯，且其均值水平也超過了110°，對機器人的穩(wěn)定步行前進起到了一定的抑制作用。

綜上可知，大數(shù)據(jù)聚類型控制系統(tǒng)在穩(wěn)定機器人前行步態(tài)方面具有較強的促進作用，在前進等長距離的情況下，機器人關(guān)節(jié)的彎曲次數(shù)值大而彎曲角數(shù)值小，充分說明了在前進過程中，機器人關(guān)節(jié)確實具備較強的運動靈活性。

5 結(jié)束語

為了更好適應(yīng)大數(shù)據(jù)聚類算法的應(yīng)用需求，機器人步態(tài)控制系統(tǒng)針對提高機器人關(guān)節(jié)運動靈活性的問題展開了研究，聯(lián)合傳感器設(shè)備、舵機控制板等應(yīng)用元件，規(guī)劃支撐腿、擺動腿的實際運動行為，再借助適應(yīng)度函數(shù)，求解關(guān)鍵的關(guān)節(jié)角度數(shù)值。實驗方面從位姿標定的角度著手，分析關(guān)節(jié)彎曲次數(shù)與彎曲角度的具體變化情況，與傳統(tǒng)逆運動學控制系統(tǒng)相比，大數(shù)據(jù)聚類系統(tǒng)對于機器人關(guān)節(jié)運動靈活性的促進作用更強，可對其穩(wěn)定步行運動能力提供強有力的保障。