仿人雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)器人控制領(lǐng)域，特別涉及一種基于ARM+DSP芯片的雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]雙足機(jī)器人技術(shù)集機(jī)械、電子、材料、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)化等多門學(xué)科于一體，具有非常復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)，相比其他機(jī)器人，雙足機(jī)器人的行走更加靈活，能適應(yīng)各種不同的路面情況。
[0003]目前國內(nèi)外的許多高校和研究機(jī)構(gòu)也正在進(jìn)行雙足機(jī)器人的研究，研究的難點(diǎn)在于雙足機(jī)器人的控制。目前雖然已經(jīng)出現(xiàn)了很多的機(jī)器人控制系統(tǒng)，但是還是存在很多不足:1)有的控制系統(tǒng)采用的關(guān)節(jié)電機(jī)控制器數(shù)量少于關(guān)節(jié)電機(jī)數(shù)量，這對于在復(fù)雜環(huán)境中行走的仿人雙足機(jī)器人來說，難以實(shí)現(xiàn)對擁有大量反饋的計(jì)算，難以保證機(jī)器人控制的實(shí)時(shí)性；2)運(yùn)用常規(guī)的PID控制方法對關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行控制，這種控制算法存在電機(jī)超調(diào)、在負(fù)載變化和有電磁干擾時(shí)控制精度降低等問題；3)在電機(jī)反饋方面，只有對電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置信息的反饋，而沒有考慮到關(guān)節(jié)角度可能與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度并不同步的情況以及關(guān)節(jié)角度由于累積誤差而沒有轉(zhuǎn)動(dòng)到規(guī)劃角度的情況，沒有同時(shí)對電機(jī)和關(guān)節(jié)角度信息的反饋，容易造成不良影響；4)在傳感器反饋調(diào)理電路中，針對輸出電壓模擬量不同的傳感器，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的調(diào)理電路，過程比較繁復(fù)，設(shè)計(jì)難度較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種仿人雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)，能夠?qū)γ恳粋€(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行單獨(dú)的控制，并且控制精度高；能發(fā)現(xiàn)機(jī)器人關(guān)節(jié)與關(guān)節(jié)電機(jī)之間是否完全同步，進(jìn)而防止出現(xiàn)不良影響；反饋電路能保證進(jìn)入控制器的模擬量在ADC能采集的范圍內(nèi)，不會(huì)因?yàn)檫^大或者小于0而對控制器產(chǎn)生影響。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案:
一種仿人雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)，所述機(jī)器人包括兩腿部共12個(gè)自由度，其中，左腿和右腿各包括髖關(guān)節(jié)三個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)一個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度，每個(gè)自由度對應(yīng)一個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)；所述控制系統(tǒng)包括安裝于機(jī)器人身體上的主控制器，對應(yīng)于每個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的關(guān)節(jié)控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、電機(jī)編碼器、關(guān)節(jié)角度傳感器、反饋調(diào)理電路，以及安裝于機(jī)器人兩只腳的腳底板上的足底壓力傳感器和足底陀螺儀；
所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路用于驅(qū)動(dòng)所述關(guān)節(jié)電機(jī)，所述關(guān)節(jié)控制器接收來自所述電機(jī)編碼器和關(guān)節(jié)角度傳感器的反饋信號，并輸出控制指令至所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；
所述足底壓力傳感器用于測量機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中足底受力情況，所述足底陀螺儀用于測量機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中足底傾斜角度；
所述反饋調(diào)理電路包括壓力傳感器調(diào)理電路和陀螺儀反饋調(diào)理電路，用于調(diào)節(jié)所述足底壓力傳感器和足底陀螺儀的反饋信號。
[0006]優(yōu)選的，所述壓力傳感器調(diào)理電路和陀螺儀反饋調(diào)理電路均包括串聯(lián)的兩級反向放大電路及鉗位電路，其中，所述鉗位電路為雙二極管鉗位電路，其鉗位電壓根據(jù)所述關(guān)節(jié)控制器的最大電壓值進(jìn)行設(shè)置。
[0007]優(yōu)選的，所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用智能功率芯片進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，節(jié)省了復(fù)雜的外圍電路。
[0008]優(yōu)選的，所述電機(jī)編碼器為與所述關(guān)節(jié)電機(jī)同軸安裝的光電編碼器。
[0009]優(yōu)選的，所述主控制器通過CAN總線與各個(gè)關(guān)節(jié)控制器連接。
[0010]優(yōu)選的，所述主控制器為ARM芯片，所述關(guān)節(jié)控制器為DSP芯片。
[0011]進(jìn)一步的，所述ARM芯片接收所述足底壓力傳感器和足底陀螺儀反饋的信號，并且進(jìn)行路徑規(guī)劃，將規(guī)劃好的路徑形成控制指令并通過CAN總線傳輸給各關(guān)節(jié)控制器。
[0012]進(jìn)一步的，所述DSP芯片接收所述光電編碼器和所述關(guān)節(jié)角度傳感器的反饋信號，采用模糊自適應(yīng)PID控制方法，輸出控制指令到所述電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，對關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行精確控制。
[0013]進(jìn)一步的，所述模糊自適應(yīng)PID控制方法結(jié)合了模糊自適應(yīng)方法與常規(guī)雙閉環(huán)PID控制方法。
[0014]本發(fā)明的仿人雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)，所述足底壓力傳感器測量機(jī)器人運(yùn)動(dòng)過程中足底受力情況，所述足底陀螺儀測量運(yùn)動(dòng)過程中足底傾斜角度，將信號反饋給主控制器。主控制器接收反饋信息后，運(yùn)用ZMP穩(wěn)定理論，對機(jī)器人路徑進(jìn)行規(guī)劃，并且將運(yùn)動(dòng)指令傳送到機(jī)器人腿部的各關(guān)節(jié)控制器。各關(guān)節(jié)控制器向相應(yīng)的關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路傳輸控制信號，對相應(yīng)的關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行控制，進(jìn)而控制相應(yīng)的腿部關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)；同時(shí)，各關(guān)節(jié)控制器接收電機(jī)編碼器反饋的電機(jī)速度、位置信息，同時(shí)接受相應(yīng)的角度傳感器反饋的角度信息，根據(jù)相應(yīng)的反饋信息采用模糊自適應(yīng)PID控制方法實(shí)現(xiàn)對伺服電機(jī)的精確控制，進(jìn)而使機(jī)器人能夠?qū)崟r(shí)根據(jù)地面情況，穩(wěn)定地進(jìn)行行走。
[0015]本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下優(yōu)點(diǎn):
首先，機(jī)器人腿部的每一個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)，均有一個(gè)單獨(dú)的控制器對其進(jìn)行控制，該關(guān)節(jié)電機(jī)的速度、位置和關(guān)節(jié)角度信息均可以在該控制器中進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算速度快，控制性能好，實(shí)時(shí)性高。
[0016]其次，通過使用常規(guī)雙閉環(huán)PID控制方法和模糊自適應(yīng)方法相結(jié)合，同時(shí)具有了這兩種控制方法的優(yōu)點(diǎn)，不僅魯棒性好、可靠性高，同時(shí)控制過程中電機(jī)超調(diào)量減少，電機(jī)穩(wěn)態(tài)精度提尚。
[0017]再次，同時(shí)對電機(jī)位置和機(jī)器人關(guān)節(jié)角度位置信息進(jìn)行反饋，能夠檢測機(jī)器人關(guān)節(jié)角度是否與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度同步以及關(guān)節(jié)角度的累積誤差，從而能更好地對機(jī)器人行走進(jìn)行反饋控制。
[0018]最后，反饋調(diào)理電路設(shè)計(jì)包括兩個(gè)反向放大電路及末端的A/D輸入端鉗位電路，可以將傳感器任意0~Vcc模擬信號轉(zhuǎn)換成適合控制器ADC采集的電壓信號，保證進(jìn)入控制器芯片的模擬信號不會(huì)大于安全值而燒壞控制芯片，也不會(huì)小于0而對控制芯片產(chǎn)生影響，該電路結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的仿人雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意框圖；
圖2為本發(fā)明中反饋調(diào)理電路的電路示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0020]為了進(jìn)一步理解本發(fā)明，下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施方案進(jìn)行描述，但是應(yīng)當(dāng)理解，這些描述只是為進(jìn)一步說明本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，而不是對本發(fā)明權(quán)利要求的限制。
[0021]本發(fā)明提供了一種應(yīng)用于仿人雙足機(jī)器人的控制系統(tǒng)，所述的機(jī)器人包括兩腿部共12個(gè)自由度，其中，左腿和右腿各包括髖關(guān)節(jié)三個(gè)自由度，膝關(guān)節(jié)一個(gè)自由度，踝關(guān)節(jié)兩個(gè)自由度，每個(gè)自由度對應(yīng)一個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)。
[0022]如附圖1所示，本發(fā)明的控制系統(tǒng)主要包括安裝于機(jī)器人身體上的主控制器，對應(yīng)于每個(gè)關(guān)節(jié)電機(jī)的關(guān)節(jié)控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)