仿生双足机器人机械控制研究.docx

仿生双足机器人机械控制研究双足机器人是机器人研究领域最前沿的问题之一，它是集机械、电子、计算机、仿生学、多传感器融合技术及人工智能等多门学科于一体。下面是小编搜集整理的相关内容的论文，欢迎大家阅读参考。摘要：基于嵌入式设计的仿生直立双足机器人的机械控制系统设计和实现。该机器人已有的仿造人类基本动作成果是以32位Cortex-M3架构的STM32F013ZET6控制芯片为系统处理数据核心，以机械控制系统为控制中枢。结合记忆系统导入的人类动作数据，基层平台支撑的机械结构，硬件部分的模拟与数字电子电路及程序控制部分的直接与多平衡算法间接反馈控制等。实际应用成果表明，该机器人系统调理清晰、操作简便。关键词：仿生双足机器人;动作姿态采集;机械控制;控制一、概述机器人技术被认为是对未来新兴产业发展具有重要意义的高新技术之一[1]。仿生机器人作为一种特殊的服务科技产品因其安全、高效、作业时间长，越来越受到人们的关注[2]。随着科学技术和生活经济水平的不断提高，社会上仍有不少行走困难的患者主要依靠轮椅或拐杖活动，生活上不能自理，在社会的活动范围及心理感受上都受到一定程度的负面影响。该项目设计的初衷是解决上述问题：通过各种相关技术设计一个仿生直立双足机器人，达到模仿人的动作的效果，为患者设计出更加理想的假肢。纵观我国假肢发展的趋势，控制方面趋向于智能控制[3]。因此，在协助人类生活的仿生机器人设备发展有良好的前景。该仿生双足机器人研发中融合计算机、电子、机械、医学、仿生学等多门技术于一体，因此在整个系统的设计上统筹考虑确定完整可控的前提下保持不设计冗余。其程序控制系统主要是由机械控制系统，无线通信系统和电脑监控上位机等部分独立且又相互满栈配合运行，其中机械控制系统是本系统的设计核心。此外该机器人设计使用以STM32F013ZET6芯片为内核的系统主控制器，携带数字陀螺仪MPU6050传感器单元。并且采用HC-05无线蓝牙模块作为机器人控制和监控上位机的通信桥梁，负责将采集到的信息传输到监控上位机并传达监控上位机的控制指令，使机器人执行相应的控制动作。二、程序控制系统详解2.1机械控制系统思路分析本项目所研究的机器人需要仿生完成机器人的信息接收、信息处理、信息输出的功能，实现人性化、智能化[6]。在结构、感知、控制、智能等方面给出新方法以适应新环境、新任务、新需求[7]。其仿生是重点所在，如让该机器人类人行走，在相对平整的路面上行走时的动作是一个循环的过程，若在行走动作调试得精准的状态下平衡使用的必要性低。而机器人在走相对不平整的路面时，若仅依靠动记忆系统中导入的动作姿态来控制各伺服机显然不能满足仍正常行走的目的。因此在平衡算法控制何时干预动作问题中专门设计了一套适合该机器人的机械控制系统。该机械控制系统主要包括两个控制：动作姿态控制，平衡控制。在整个机械控制系统中动作姿态控制及平衡控制产生双通道联合响应，动作姿态控制起基础的作用，平衡控制起调整作用。当机器人通电运行时，两个控制都处于运作的状态，当机器人接收到操控者发送的数据时，动作姿态控制主导运行记忆系统搜索调用24c02存储器中的记忆动作数据，发送给PWM脉冲处理程序。当各伺服机转动到目标角度时，若机器人的状态采集模块MPU6050传入不正常数据(当一般动作运行后机器人状态对比实际状态有不正常时)，这时的平衡控制程序会产生主导控制，通过PID算法计算出添补调整角度并发送给PWM脉冲处理程序运行后再次对比采集模块数据，若不正常则从复运行，反之完成本次动作指令。2.2动作姿态控制的采集及量化过程仿生基础动作的实现有以下4个步骤：采集、分析处理整合、调试、记录。采集人类日常动作数据的过程是使用摄像头对动作进行连续拍摄，在同一个动作上采用多个方位的拍摄。分析采集动作数据结合了拍摄的人类动作取帧以及人类骨架结构节点对应。对上一步所取得的多个角度拍摄的连贯动作并获得该相同循环动作的图片帧，对比、计算并记录前后两帧的动作对应的人类骨架的节点，这时每个拍摄角度都有一套完整的动作帧数据。其中涉及到一个模糊的算法计算，在同一角度的循环动作分析计算上植入模糊算法用于模糊其中的由于人类自然抖动产生的不可预测的细微改变。当动作的采集分析封装完成后，将该动作封装导入到该仿生双足机器人的记忆系统中，该记忆系统在成型的程序体系中是以相对独立的调用形式存在。在机器人有动作指令接收到时，选择EEPROM地址段，寻找到该具体动作类型的物理地址并读取该动作数据，完成一个读取EEPROM的操作。2.3PID平衡控制算法作用机理平衡控制算法是该仿生双足机器人能够在实际的平整程度对比人类可不过于费力按比例缩减的动作发生平台上能够顺利地完成指定动作的保障。其中最主要使用的平衡算法是PID算法，在不同的路面情况下通过该算法给出相对应的反馈响