CHINESE INSTITUTE OF COMMAND AND CONTROL
仿人机器人相关知识大汇集发表时间：2020-02-24 11:02来源：机器人2025编辑部整理
传感器技术是仿人机器人研究的关键技术之一。仿人机器人之所以能在已知或未知的环境中完成一定的作业功能，是因为它能够通过传感器感知外部环境信息和自身状态，获得反馈信息，实现系统的闭环控制。目前在仿人机器人中应用的传感器种类繁多，例如视觉传感器、电子罗盘、加速度计和超声波传感器等都是仿人机器人中常用的传感器。      [2]. GP2D12 datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/GP2D12_982777.html. [3]. PCB datasheet http://www.dzsc.com/datasheet/PCB_1201640.html. 基于CAN总线的仿人机器人力信息检测系统 随着信息检测技术和控制技术的发展，仿人机器人运动控制已经从传统的离线规划方法研究转向基于环境信息的实时控制研究，仿人机器人的实时姿态调整与实时步态生成方法也成为运动控制的研究重点。对于步行机器人而言，其脚掌所受到的地面反力信息是最重要的外部环境信息之一，它尤其能够反映仿人机器人的姿态信息，在仿人机器人的实时姿态调整中具有重要作用。早在1989年，日本早稻田大学就在他们研制的两足步行机器人WL-12RⅢ中应用了六维力/力矩传感器，该传感器安装在机器人的小腿上，机器人可根据反馈力信息在不平整地面上进行稳定行走；日本HONDA公司的仿人机器人P2，P3以及ASIMO均安装了集成六维力/力矩传感器，利用传感器信息检测地面反力信息。  RS232传输到上位机。   机器人研究是自动化领域最复杂。最具挑战性的课题，它集机械。电子。计算机。材料。传感器。控制技术等多门学科于一体，是多学科高技术成果的集中体现。而仿人步行机器人技术的研究更是处于机器人课题研究的前沿，它在一定程度上代表了一个国家的高科技发展水平。运动控制系统是机器人控制技术的核心，也是机器人研究领域的关键技术之一，在机器人控制中具有举足轻重的地位，因此，各研究机构都把对机器人运动控制系统的研究作为首要任务。  (3)控制器应具有良好的动态响应和跟随特性，稳态误差和静态误差校 (4)系统集成在机器人本体上，电磁干扰较强，必须具有较强的抗干扰能力。 (5)各部分的数据交换必须实时有效和准确可靠。 三。动控制系统设计  (1)CAN总线为多主方式，网络上任一节点均可在任意时刻向其它节点发送数据。 (2)CAN总线上的节点可以通过标识符分成不同的优先级，满足不同的实时要求。 (3)CAN总线采用非破坏的总线仲裁技术，低优先级节点不影响高优先级节点的发送。 (4)CAN总线节点在40m内通信速率最高可达1MBPS。 (5)CAN总线上的节点数在标准帧格式下可达到110个，扩展帧格式下几乎不受限制。 (6)报文采用短帧格式，传输时间短，出错率极低。 (7)CAN总线通信介质可选用双绞线，其结构灵活，连接方便。 执行层处于整个控制系统的最底层，由不同类型的控制器组成，主要用来控制各运动关节轴系的具体执行过程。由于各运动关节电机的型号不同。承载的重量不同，对控制精度的要求也不同，我们分别为之设计了不同的运动控制器。 ①开环DSP运动控制器 头部和上肢负载重量较轻，因此采用开环DSP运动控制器来对头部和上肢各关节进行控制。这些控制器不需要采样和反馈，直接接收主控计算机发来的控制命令，然后生成相应的执行命令发给各关节轴系，使之转到相应角度。 ②开环MCU运动控制器 手部各个关节体积和质量都很小，故采用开环MCU运动控制器来进行控制。这些控制器采用MCS-51单片机作为处理器，可以直接嵌入到手掌内，它们接收主控计算机的控制命令，利用其IO引脚产生需要的多路脉冲控制信号，控制手部各关节的运动。 ③闭环DSP运动控制器 腿部所有轴系均由直流减速驱动型电机构成，带零位检测。码盘和电位计反馈以及多维力/力矩传感器，结构复杂。控制难度大。精度要求也高，故采用闭环DSP运动控制器。这部分是整个控制系统的关键，也是我们研究的重点。 (4)控制系统流程 整个控制系统的具体流程为：系统开始运行并完成初始化工作；主控计算机根据规划和计算向底层控制器发送控制命令，底层控制器接收到命令后，结合各传感器反馈的信息，通过一定的控制算法生成相应的执行命令并发送给各关节执行轴系，同时把底层轴系的运行情况上传给主控计算机，主控计算机根据新的情况再产生新的命令发送给各控制器，如此反复。这事实上是两个闭环反馈过程，底层控制器通过传感器与各关节轴系之间进行小循环反馈，主控计算机通过各控制器与各关节轴系之间进行大回路反馈，这样可以使机器人具有更多的“智能”，更好的进行离线实时控制。 主控计算机每秒钟向底层控制器发送200组数据，底层控制器向主控计算机反馈同样数目的数据，而CAN总线的最大通信速率可以达到几千帧/秒，完全可以满足控制的要求。 四。控制器详细设计 控制下肢的闭环DSP控制器是整个控制系统的核心部分，承担着整个机器人的负载重量，输出功率大，对控制的精度要求也高，因此它的性能直接关系到机器人运动的实现。我们专门为之设计了基于双位置传感器的闭环DSP控制器，其结构如图4所示。  控制器的双位置传感器由电压输出传感器和光电码盘传感器组成。其中，电压传感器把轴系的位置信息转换成电压信号，经过放大电路放大，再经过专门的A/D转换器转换成数字信号送入DSP主处理器。不用TMS320LF2407A自带的A/D转换器而使用专门的A/D转换芯片，这是为了提高转换的精度，因为TMS320LF2407A的A/D转换器所能接受的最高转换电压只有3.3V,而经过功率放大后的电压远远超出了此范围，所以使用了专门的A/D转换芯片。这部分电路虽然增加了控制器的复杂程度，却可以大大提高转换精度，所以是十分值得的。码盘传感器把轴系的位置信息转换成脉冲信号，经过光电隔离器件隔离后送入专用脉冲计数器，计数后的信息送入DSP主处理器。脉冲计数器选用当今流行的CPLD器件，其强大的功能对提高控制器的性能有很大的帮助，同时还可以作为译码电路为主处理器提供译码功能。 主处理器通过对接收到的传感器信号进行分析和计算之后产生相应的PWM脉冲控制信号，经过光电隔离和功率放大后送给底层轴系控制轴系的运行。使用双传感器可以大大提高反馈的精度，两路信号可以同时考虑，也可以一路为主，另外一路提供补充和参考。 主处理器通过CAN总线与主控计算机进行通信，接收主控计算机的命令并把底层信息反馈给主控计算机，实现更高一级的反馈控制。主处理器通过CAN总线收发器连接到总线上，为提高精度，中间需要进行光电隔离。 该控制器直接安装在仿人机器人的体内，每个控制器可以同时控制6个关节轴系，整个下肢只需要两个控制器就可以实现其运动控制。 五。结论 我们在充分吸收当今相关学科高技术成果的基础上，设计出一套速度快。稳定性强。集成度高。结构灵活。使用方便的仿人机器人运动控制系统。整个运动控制系统可直接嵌入到机器人本体内，以便在实际运行中圆满地完成规定的控制任务。同时，该控制系统还有很强的扩展功能，可以方便地移植到其它类似的控制机构中去，是一种多功能通用型控制系统，具有广阔的应用前景。(来源：电子发烧友） 仿人型机器人由于具有类人的基本外形,在实际的生活中,能够代替人完成很多工作,因此对仿人型机器人的研究具有实用价值,各国都在投入巨大的人力物力进行研发[1]。仿人型机器人具有多自由度的机械结构要求,因此需要对机器人的各个关节通过电机来完成转动动作。这对于电机驱动控制提出了很高的性能要求。本文提出了一种基于STM32单片机的仿人型机器人控制系统方案,可以同时对机器人关节所需的16路舵机进行驱动控制。 本控制系统的硬件部分共分为5个模块,其硬件系统模块图如图1所示。    在舵机的控制中,有一个容易出现的问题就是舵机抖舵问题。这种问题一般发生在采用普通电池做为机器人系统的主电源的情况下,如采用多节AA型镍镉或镍氢电池串联组成机器人供电主电源。原因是这些电池由于容量和放电能力的局限,无法在其额定电压下提供长时间稳定持续的大电流。在仿人型机器人的多路舵机同时工作时,采用普通电源输出的电压会迅速降低,从而导致舵机的供电不足,最终出现舵盘异常抖动,造成机器人在执行动作时的抖舵现象。   3 软件部分的设计 仿人型机器人控制系统的软件分为两种模式:调试模式和正常模式。 调试模式:机器人上电默认静止,以响应上位机信号为主。在该模式下,上位机通过RS232串口对机器人进行在线控制,可以对单个舵机的角度进行精确调整,编排好的流程动作单次执行,流程动作的全部执行等,并显示当前机器人对代码解析值。调试模式的工作界面如图7所示。 正常模式:机器人上电即开始执行调试完毕的全套程序动作。   设计该仿人型机器人的走步步态时,主要考虑了机器人的自重为2.53Kg,身高为42cm,因此机器人的脚和手臂的舵机输出幅度不能太大,否则会导致机器人走步时的重心偏移太大,造成机器人翻倒。因此在设计机器人的脚掌时,适当增大了与地面的接触面积,脚掌的尺寸为8.5×15cm,同时加快了脚步移动的频率,并在脚部增加了额外的配重,以增强机器人在走步过程中的稳定性,其走步的步态如图9所示。该型机器人的走步步态协调一致,在2012年中国机器人大赛仿人竞速比赛项目中获得二等奖。 文中基于STM32微控制器的仿人型机器人控制系统,能够灵活地控制16路大扭力舵机,通过大功率降压电源模块,可以得到16路舵机同时动作时所需要的直流电压,实现了仿人型机器人的走步动作,可作为高校学生进行机器人技术创新时的参考。 [1] 张涛,机器人引论[M].北京:机械工业出版社,2010. [2] 彭刚,秦志强.基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M].北京:电子工业出版社,2011. [3] 王立权,机器人创新设计与制作[M].北京:清华大学出版社,2007. [4] 王永虹,徐炜,郝立平.STM32 系列ARM Cortex-M3微控制器原理及实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2008. [5] 超小型120W 12A大功率降压模块.http://item.taobao.com/item.htm?spm=0.0.0.0.hkpcV8&id=2915378925 [6] 田开坤,如何设计复杂多任务程序[OL].百度文库.http://wenku.baidu.com/view/af6ae2ec4afe04a1b071de23.html
来源：http://www.ca800.com/apply/d_1nspue4rk8pq1_1.html
来源：本文素材来源网络由机器人2025编辑部整理，转载请标明出处！ |
