仿生雙足機器人機械控制研究論文
摘要：基於嵌入式設計的仿生直立雙足機器人的機械控制系統設計和實現。該機器人已有的仿造人類基本動作成果是以32位Cortex-M3架構的STM32F013ZET6控制晶片為系統處理資料核心，以機械控制系統為控制中樞。結合記憶系統匯入的人類動作資料，基層平臺支撐的機械結構，硬體部分的模擬與數位電子電路及程式控制部分的直接與多平衡演算法間接反饋控制等。實際應用成果表明，該機器人系統調理清晰、操作簡便。
關鍵詞：仿生雙足機器人；動作姿態採集；機械控制；控制
1概述
機器人技術被認為是對未來新興產業發展具有重要意義的高新技術之一[1]。仿生機器人作為一種特殊的服務科技產品因其安全、高效、作業時間長，越來越受到人們的關注[2]。隨著科學技術和生活經濟水平的不斷提高，社會上仍有不少行走困難的患者主要依靠輪椅或柺杖活動，生活上不能自理，在社會的活動範圍及心理感受上都受到一定程度的負面影響。該專案設計的初衷是解決上述問題：透過各種相關技術設計一個仿生直立雙足機器人，達到模仿人的動作的效果，為患者設計出更加理想的假肢。縱觀我國假肢發展的趨勢，控制方面趨向於智慧控制[3]。因此，在協助人類生活的仿生機器人裝置發展有良好的.前景。該仿生雙足機器人研發中融合計算機、電子、機械、醫學、仿生學等多門技術於一體，因此在整個系統的設計上統籌考慮確定完整可控的前提下保持不設計冗餘。其程式控制系統主要是由機械控制系統，無線通訊系統和電腦監控上位機等部分獨立且又相互滿棧配合執行，其中機械控制系統是本系統的設計核心。此外該機器人設計使用以STM32F013ZET6晶片為核心的系統主控制器，攜帶數字陀螺儀MPU6050感測器單元。並且採用HC-05無線藍芽模組作為機器人控制和監控上位機的通訊橋樑，負責將採集到的資訊傳輸到監控上位機並傳達監控上位機的控制指令，使機器人執行相應的控制動作。
2程式控制系統詳解
2.1機械控制系統思路分析
本專案所研究的機器人需要仿生完成機器人的資訊接收、資訊處理、資訊輸出的功能，實現人性化、智慧化[6]。在結構、感知、控制、智慧等方面給出新方法以適應新環境、新任務、新需求[7]。其仿生是重點所在，如讓該機器人類人行走，在相對平整的路面上行走時的動作是一個迴圈的過程，若在行走動作除錯得精準的狀態下平衡使用的必要性低。而機器人在走相對不平整的路面時，若僅依靠動記憶系統中匯入的動作姿態來控制各伺服機顯然不能滿足仍正常行走的目的。因此在平衡演算法控制何時干預動作問題中專門設計了一套適合該機器人的機械控制系統。該機械控制系統主要包括兩個控制：動作姿態控制，平衡控制。在整個機械控制系統中動作姿態控制及平衡控制產生雙通道聯合響應，動作姿態控制起基礎的作用，平衡控制起調整作用。當機器人通電執行時，兩個控制都處於運作的狀態，當機器人接收到操控者傳送的資料時，動作姿態控制主導執行記憶系統搜尋呼叫24c02儲存器中的記憶動作資料，傳送給PWM脈衝處理程式。當各伺服機轉動到目標角度時，若機器人的狀態採集模組MPU6050傳入不正常資料（當一般動作執行後機器人狀態對比實際狀態有不正常時），這時的平衡控制程式會產生主導控制，透過PID演算法計算出添補調整角度併發送給PWM脈衝處理程式執行後再次對比採集模組資料，若不正常則從復執行，反之完成本次動作指令。
2.2動作姿態控制的採集及量化過程
仿生基礎動作的實現有以下4個步驟：採集、分析處理整合、除錯、記錄。採集人類日常動作資料的過程是使用攝像頭對動作進行連續拍攝，在同一個動作上採用多個方位的拍攝。分析採集動作資料結合了拍攝的人類動作取幀以及人類骨架結構節點對應。對上一步所取得的多個角度拍攝的連貫動作並獲得該相同迴圈動作的圖片幀，對比、計算並記錄前後兩幀的動作對應的人類骨架的節點，這時每個拍攝角度都有一套完整的動作幀資料。其中涉及到一個模糊的演算法計算，在同一角度的迴圈動作分析計算上植入模糊演算法用於模糊其中的由於人類自然抖動產生的不可預測的細微改變。當動作的採集分析封裝完成後，將該動作封裝匯入到該仿生雙足機器人的記憶系統中，該記憶系統在成型的程式體系中是以相對獨立的呼叫形式存在。在機器人有動作指令接收到時，選擇EEPROM地址段，尋找到該具體動作型別的物理地址並讀取該動作資料，完成一個讀取EEPROM的操作。
2.3PID平衡控制演算法作用機理
平衡控制演算法是該仿生雙足機器人能夠在實際的平整程度對比人類可不過於費力按比例縮減的動作發生平臺上能夠順利地完成指定動作的保障。其中最主要使用的平衡演算法是PID演算法，在不同的路面情況下透過該演算法給出相對應的反饋響應，給不同的需要使用的伺服機訊號源傳送即時的PWM訊號脈衝，以保證該機器人的平衡維持在可控的範圍內。該平衡控制程式是建立在感測器MPU6050及STM32F103ZET6平臺上的演算法。當感測器MPU6050採集到的資料經MCU計算後定位為不正常資料時，PID演算法啟動，計算偏差角度、添補調整角度，傳送給PWM脈衝發生函式進行下一步的脈衝傳送。本演算法在原來的平衡演算法PID的反饋程式的PWM訊號脈衝的給定訊號模式中使用了“同時”與“同速”兩種模式。“同時”代表在相同或相差不會超過200ms的時間內完成所有PWM脈衝，“同速”表示所有PWM脈衝在單位時間內給定的脈衝數相同。
2.4MPU6050模組使用方法
由於陀螺儀在長時間平衡採集的情況下會出現採集資料不準確，而加速度計的工作機理正好相反，從而兩種感測器恰好形成在時間長度上互補採集的關係，所以使用融合陀螺儀及加速度計兩種感測器於一體的感測器模組mpu6050對平衡狀態進行採集是較為可靠的。在MPU6050感測器中採集到的機器人平衡以及其他各項狀態是以間隔為50ms的工作狀態透過UART串列埠傳輸到MCU晶片中進行資料處理。
3結論
本專案所研發作品基於機械結構，硬體電路及機械控制等多模組設計共同協調統一。目前成果已可達到模仿人類基本動作的目的，但在解決動作僵硬及仿生程度使用到方法仍有大空間可繼續改進，在更深層次的仿生效果上仍然不足。在基於目前已完成的機器人平臺上，可進行縱向研發，整體往更加智慧化，條理化，自動化進一步開發。這需要進一步完善機械結構至靠攏類人類下肢骨架結構，精確採集人類日常動作，增加感應器模組，深化反饋調節的演算法環境及改進機械控制系統流程，實現自動掃描目標路徑並完成包括自動避障的目標動作。
參考文獻
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[2]付莊,付為,殷曉光,曹其新,趙正言.基於藍芽模組的導診服務機器人無線通訊系統設計[J].中國康復醫學雜誌,2003.
[3]張更林,金寶士,張宇光.人體下肢假肢發展概況[Z].佳木斯大學學報(自然科學版),2002.
[4]愈志偉.雙足機器人仿生機構設計與運動模擬[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學,2006.
[5]國海峰,劉澤乾,陳丹強.機載武器系統模擬訓練模擬平臺設計[J].計算機測量與控制,2010.
[6]範逸之,陳立元.VisualBasic與RS-232序列通訊控制(最新版)[M].北京：清華大學出版社,2002.
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