仿生双足机器人机械控制研究

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

1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。

2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应，给不同的需要使用的伺服机信号源发送即时的PWM信号脉冲，以保证该机器人的平衡维持在可控的范围内。该平衡控制程序是建立在传感器MPU6050及STM32F103ZET6平台上的算法。当传感器MPU6050采集到的数据经MCU计算后定位为不正常数据时，PID算法启动，计算偏差角度、添补调整角度，发送给PWM脉冲发生函数进行下一步的脉冲发送。本算法在原来的平衡算法PID的反馈程序的PWM信号脉冲的给定信号模式中使用了“同时”与“同速”两种模式。“同时”代表在相同或相差不会超过200ms的时间内完成所有PWM脉冲，“同速”表示所有PWM脉冲在单位时间内给定的脉冲数相同。

2.4MPU6050模块使用方法

由于陀螺仪在长时间平衡采集的情况下会出现采集数据不准确，而加速度计的工作机理正好相反，从而两种传感器恰好形成在时间长度上互补采集的关系，所以使用融合陀螺仪及加速度计两种传感器于一体的传感器模块mpu6050对平衡状态进行采集是较为可靠的。在MPU6050传感器中采集到的机器人平衡以及其他各项状态是以间隔为50ms的工作状态通过UART串口传输到MCU芯片中进行数据处理。

3结论

本项目所研发作品基于机械结构，硬件电路及机械控制等多模块设计共同协调统一。目前成果已可达到模仿人类基本动作的目的，但在解决动作僵硬及仿生程度使用到方法仍有大空间可继续改进，在更深层次的仿生效果上仍然不足。在基于目前已完成的机器人平台上，可进行纵向研发，整体往更加智能化，条理化，自动化进一步开发。这需要进一步完善机械结构至靠拢类人类下肢骨架结构，精确采集人类日常动作，增加感应器模块，深化反馈调节的算法环境及改进机械控制系统流程，实现自动扫描目标路径并完成包括自动避障的目标动作。

参考文献

[1]徐扬生.智能机器人引领高新技术发展[R].科学时报,2010.

[2]付庄,付为,殷晓光,曹其新,赵正言.基于蓝牙模块的导诊服务机器人无线通讯系统设计[J].中国康复医学杂志,2003.

[3]张更林,金宝士,张宇光.人体下肢假肢发展概况[Z].佳木斯大学学报(自然科学版),2002.

[4]愈志伟.双足机器人仿生机构设计与运动仿真[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学,2006.

[5]国海峰,刘泽乾,陈丹强.机载武器系统模拟训练仿真平台设计[J].计算机测量与控制,2010.

[6]范逸之,陈立元.VisualBasic与RS-232串行通信控制(最新版)[M].北京：清华大学出版社,2002.

[7]谭民,王硕.机器人技术研究进展[J].自动化学报,2013.

作者：黄伟鹏 刘以行 卢文俊 温陆声 单位：广东工业大学华立学院