仿人双足机器人控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及机器人控制领域，特别涉及一种基于ARM+DSP芯片的双足机器人控制系统。
【背景技术】
[0002]双足机器人技术集机械、电子、材料、计算机、自动化等多门学科于一体，具有非常复杂的机械结构和控制系统，相比其他机器人，双足机器人的行走更加灵活，能适应各种不同的路面情况。
[0003]目前国内外的许多高校和研究机构也正在进行双足机器人的研究，研究的难点在于双足机器人的控制。目前虽然已经出现了很多的机器人控制系统，但是还是存在很多不足:1)有的控制系统采用的关节电机控制器数量少于关节电机数量，这对于在复杂环境中行走的仿人双足机器人来说，难以实现对拥有大量反馈的计算，难以保证机器人控制的实时性；2)运用常规的PID控制方法对关节电机进行控制，这种控制算法存在电机超调、在负载变化和有电磁干扰时控制精度降低等问题；3)在电机反馈方面，只有对电机转速和位置信息的反馈，而没有考虑到关节角度可能与电机转动角度并不同步的情况以及关节角度由于累积误差而没有转动到规划角度的情况，没有同时对电机和关节角度信息的反馈，容易造成不良影响；4)在传感器反馈调理电路中，针对输出电压模拟量不同的传感器，需要设计相应的调理电路，过程比较繁复，设计难度较大。
【发明内容】
[0004]本发明为了克服现有技术的不足，提出了一种仿人双足机器人控制系统，能够对每一个关节电机进行单独的控制，并且控制精度高；能发现机器人关节与关节电机之间是否完全同步，进而防止出现不良影响；反馈电路能保证进入控制器的模拟量在ADC能采集的范围内，不会因为过大或者小于0而对控制器产生影响。
[0005]为了实现上述技术目的，本发明采用了如下技术方案:
一种仿人双足机器人控制系统，所述机器人包括两腿部共12个自由度，其中，左腿和右腿各包括髋关节三个自由度，膝关节一个自由度，踝关节两个自由度，每个自由度对应一个关节电机；所述控制系统包括安装于机器人身体上的主控制器，对应于每个关节电机的关节控制器、电机驱动电路、电机编码器、关节角度传感器、反馈调理电路，以及安装于机器人两只脚的脚底板上的足底压力传感器和足底陀螺仪；
所述电机驱动电路用于驱动所述关节电机，所述关节控制器接收来自所述电机编码器和关节角度传感器的反馈信号，并输出控制指令至所述电机驱动电路；
所述足底压力传感器用于测量机器人运动过程中足底受力情况，所述足底陀螺仪用于测量机器人运动过程中足底倾斜角度；
所述反馈调理电路包括压力传感器调理电路和陀螺仪反馈调理电路，用于调节所述足底压力传感器和足底陀螺仪的反馈信号。
[0006]优选的，所述压力传感器调理电路和陀螺仪反馈调理电路均包括串联的两级反向放大电路及钳位电路，其中，所述钳位电路为双二极管钳位电路，其钳位电压根据所述关节控制器的最大电压值进行设置。
[0007]优选的，所述电机驱动电路采用智能功率芯片进行电机的驱动，节省了复杂的外围电路。
[0008]优选的，所述电机编码器为与所述关节电机同轴安装的光电编码器。
[0009]优选的，所述主控制器通过CAN总线与各个关节控制器连接。
[0010]优选的，所述主控制器为ARM芯片，所述关节控制器为DSP芯片。
[0011]进一步的，所述ARM芯片接收所述足底压力传感器和足底陀螺仪反馈的信号，并且进行路径规划，将规划好的路径形成控制指令并通过CAN总线传输给各关节控制器。
[0012]进一步的，所述DSP芯片接收所述光电编码器和所述关节角度传感器的反馈信号，采用模糊自适应PID控制方法，输出控制指令到所述电机驱动电路，对关节电机进行精确控制。
[0013]进一步的，所述模糊自适应PID控制方法结合了模糊自适应方法与常规双闭环PID控制方法。
[0014]本发明的仿人双足机器人控制系统，所述足底压力传感器测量机器人运动过程中足底受力情况，所述足底陀螺仪测量运动过程中足底倾斜角度，将信号反馈给主控制器。主控制器接收反馈信息后，运用ZMP稳定理论，对机器人路径进行规划，并且将运动指令传送到机器人腿部的各关节控制器。各关节控制器向相应的关节电机驱动电路传输控制信号，对相应的关节电机进行控制，进而控制相应的腿部关节运动；同时，各关节控制器接收电机编码器反馈的电机速度、位置信息，同时接受相应的角度传感器反馈的角度信息，根据相应的反馈信息采用模糊自适应PID控制方法实现对伺服电机的精确控制，进而使机器人能够实时根据地面情况，稳定地进行行走。
[0015]本发明相对于现有技术，具有如下优点:
首先，机器人腿部的每一个关节电机，均有一个单独的控制器对其进行控制，该关节电机的速度、位置和关节角度信息均可以在该控制器中进行运算，运算速度快，控制性能好，实时性高。
[0016]其次，通过使用常规双闭环PID控制方法和模糊自适应方法相结合，同时具有了这两种控制方法的优点，不仅鲁棒性好、可靠性高，同时控制过程中电机超调量减少，电机稳态精度提尚。
[0017]再次，同时对电机位置和机器人关节角度位置信息进行反馈，能够检测机器人关节角度是否与电机转动角度同步以及关节角度的累积误差，从而能更好地对机器人行走进行反馈控制。
[0018]最后，反馈调理电路设计包括两个反向放大电路及末端的A/D输入端钳位电路，可以将传感器任意0~Vcc模拟信号转换成适合控制器ADC采集的电压信号，保证进入控制器芯片的模拟信号不会大于安全值而烧坏控制芯片，也不会小于0而对控制芯片产生影响，该电路结构简单，性能可靠。
【附图说明】
[0019]图1为本发明的仿人双足机器人控制系统的结构示意框图；
图2为本发明中反馈调理电路的电路示意图。
【具体实施方式】
[0020]为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
[0021]本发明提供了一种应用于仿人双足机器人的控制系统，所述的机器人包括两腿部共12个自由度，其中，左腿和右腿各包括髋关节三个自由度，膝关节一个自由度，踝关节两个自由度，每个自由度对应一个关节电机。
[0022]如附图1所示，本发明的控制系统主要包括安装于机器人身体上的主控制器，对应于每个关节电机的关节控制器、电机驱动