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。
[0023]其中，電機(jī)驅(qū)動電路用于驅(qū)動關(guān)節(jié)電機(jī)，關(guān)節(jié)控制器接收來自電機(jī)編碼器和關(guān)節(jié)角度傳感器的反饋信號，并輸出控制指令至電機(jī)驅(qū)動電路；足底壓力傳感器用于測量機(jī)器人運(yùn)動過程中足底受力情況，足底陀螺儀用于測量機(jī)器人運(yùn)動過程中足底傾斜角度；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)足底壓力傳感器和足底陀螺儀的反饋信號。
[0024]主控制器、電機(jī)驅(qū)動電路、各關(guān)節(jié)控制器、反饋調(diào)理電路安裝在機(jī)器人的髖關(guān)節(jié)之上，一方面是便于安裝，另一反面是不影響機(jī)器人下肢關(guān)節(jié)的運(yùn)動。各關(guān)節(jié)電機(jī)對應(yīng)安裝在機(jī)器人各關(guān)節(jié)上，電機(jī)編碼器與電機(jī)主軸同軸安裝，關(guān)節(jié)角度傳感器與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)動軸同軸安裝。若干壓力傳感器均勻安裝在機(jī)器人腳底板上，陀螺儀水平安裝在腳底面，與腳底面平行。
[0025]工作時，主控制器首先根據(jù)腳底壓力傳感器和陀螺儀的反饋信息進(jìn)行機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃，然后將規(guī)劃路徑轉(zhuǎn)化為控制指令，然后同過CAN總線下發(fā)給腿部各關(guān)節(jié)控制器。
[0026]機(jī)器人的腿部各關(guān)節(jié)控制器控制相應(yīng)腿部關(guān)節(jié)電機(jī)，同時，其對應(yīng)的關(guān)節(jié)電機(jī)編碼器和關(guān)節(jié)角度傳感器將該電機(jī)的轉(zhuǎn)速、位置和對應(yīng)關(guān)節(jié)角度信息反饋給該腿部關(guān)節(jié)控制器，該腿部關(guān)節(jié)控制器應(yīng)用模糊自適應(yīng)PID控制方法，形成實時的關(guān)節(jié)角度控制指令，然后通過相應(yīng)腿部關(guān)節(jié)電機(jī)驅(qū)動電路驅(qū)動相應(yīng)腿部關(guān)節(jié)運(yùn)動。
[0027]各傳感器采集相應(yīng)的信息，基本上為0~Vcc的模擬電壓量，這種模擬量的值需要經(jīng)過調(diào)理電路才能經(jīng)控制器的ADC采集。首先，傳感器的模擬量經(jīng)過第一級反向運(yùn)算放大電路，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻Rfl和電阻f 1可將任意0~Vcc電壓轉(zhuǎn)換成絕對值在ADC可采集的電壓范圍內(nèi)的負(fù)電壓，然后經(jīng)過第二級反向運(yùn)算放大電路將電壓值取反進(jìn)而變成控制器ADC可采集的電壓信息，最后，一個雙二極管鉗位電路保證控制器ADC的安全。這樣，經(jīng)過兩級運(yùn)算放大電路和鉗位電路，可以將傳感器任意0~Vcc的模擬量轉(zhuǎn)換成適合控制器ADC采集的電壓信號，然后控制器ADC進(jìn)行采集計算，即可得到機(jī)器人的電機(jī)信息和角度信息。
[0028]機(jī)器人在運(yùn)動的過程中，兩條腿與地面接觸的壓力由足底壓力傳感器測得，腳底面的傾斜度由腳底陀螺儀測得，關(guān)節(jié)角度由對應(yīng)的角度傳感器測得，電機(jī)信息由編碼器測得，如果發(fā)現(xiàn)關(guān)節(jié)角度傳感器與電機(jī)角度不一致，則需要重新對機(jī)器人關(guān)機(jī)電機(jī)進(jìn)行安裝校正。
[0029]腿部各個關(guān)節(jié)控制器結(jié)合反饋的電機(jī)狀態(tài)信息和角度傳感器信息，并采用模糊自適應(yīng)PID控制算法，優(yōu)化對各個關(guān)節(jié)電機(jī)的控制，使得各關(guān)節(jié)電機(jī)能夠精確控制，快速響應(yīng)。
[0030]以上實施例的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以對本發(fā)明進(jìn)行若干改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種仿人雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)，所述機(jī)器人包括兩腿部共12個自由度，其中，左腿和右腿各包括髖關(guān)節(jié)三個自由度，膝關(guān)節(jié)一個自由度，踝關(guān)節(jié)兩個自由度，每個自由度對應(yīng)一個關(guān)節(jié)電機(jī)，其特征在于: 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)于每個關(guān)節(jié)電機(jī)的關(guān)節(jié)控制器、電機(jī)驅(qū)動電路、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)動電路用于驅(qū)動所述關(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)動電路； 所述足底壓力傳感器用于測量機(jī)器人運(yùn)動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。2.如權(quán)利要求1所述的仿人雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于: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。3.如權(quán)利要求1所述的仿人雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于:所述電機(jī) 驅(qū)動電路采用智能功率芯片進(jìn)行電機(jī)的驅(qū)動。4.如權(quán)利要求1所述的仿人雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于: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。5.如權(quán)利要求1-4任一項所述的仿人雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于:所述主控制器通過CAN總線與各個關(guān)節(jié)控制器連接。6.如權(quán)利要求5所述的仿人雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于:所述主控制器為ARM芯片，所述關(guān)節(jié)控制器為DSP芯片。7.如權(quán)利要求6所述的仿人雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于: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，運(yùn)用ZMP穩(wěn)定理論對機(jī)器人路徑進(jìn)行規(guī)劃，并將規(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。8.如權(quán)利要求6所述的仿人雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于: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)動電路，對關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行精確控制。9.如權(quán)利要求8所述的仿人雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)，其特征在于: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。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種仿人雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)，所述機(jī)器人包括兩腿部共12個自由度，每個自由度對應(yīng)一個關(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)于每個關(guān)節(jié)電機(jī)的關(guān)節(jié)控制器、電機(jī)驅(qū)動電路、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。本發(fā)明的控制系統(tǒng)，主控制器接受腳底壓力傳感器和陀螺儀的信息反饋，對路徑進(jìn)行規(guī)劃，并且將運(yùn)動指令傳送到各關(guān)節(jié)控制器。各關(guān)節(jié)控制器控制關(guān)節(jié)電機(jī)執(zhí)行運(yùn)動指令，并接收電機(jī)編碼器和關(guān)節(jié)角度傳感器反饋的信息，根據(jù)反饋信息采用模糊自適應(yīng)PID控制方法實現(xiàn)對電機(jī)的精確控制，使機(jī)器人能夠?qū)崟r根據(jù)地面情況，精確地進(jìn)行行走。
【IPC分類】G05D1/02, G05B13/02, G05D1/08
【公開號】CN105446345
【申請?zhí)枴緾N201510380333
【發(fā)明人】楊世錫, 查望華, 甘春標(biāo), 張志宏, 曾桂容, 郭梅, 金鵬程
【申請人】浙江大學(xué)
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年7月2日