仿生爬壁机器人的四足对角启动控制

仿生爬壁机器人的四足对角启动控制

0移动机器人的移动方式在科学和技术领域，机器人可以帮助人类完成无法执行的任务，并具有广阔的应用前景。机器人技术作为先进制造技术领域的重点,其发展对于人类有重大意义。目前移动机器人的移动方式还存在一些不足之处。履带式机器人运动速度快,实现了对壁面的吸附能力,是应用最多的爬行机器人,但其普遍存在转向不灵敏、越障爬行能力差等不足。足式爬行机器人负载能力强,可实现多方位移动,被认为是应用前景较好的爬壁机器人,综合分析现有足式爬行机器人,控制系统复杂是影响机器人运动稳定性和抗干扰能力的主要因素。本文讨论了一种基于壁虎等小型爬行动物的四足式机器人,主要针对多个电机的速度、时序的复杂控制提出了一种简单易实现的方法。1纤维驱动来源机器人本体结构示意图如图1所示,整个本体是一个四连杆机构,执行各个关节的运动主要由舵机控制实现。舵机是一种微型伺服电机,因其体积小、质量轻、输出轴固定等特点,选用它作为底层控制的驱动来源。舵机的主要控制信号,是周期为20ms的PWM信号,利用占空比的变化控制舵机的舵臂转动,脉冲的高电平范围为0.5ms～2.5ms,分别对应舵臂转动的角度为0～180°。2控制方法和实现2.1采用占空比渐变方法改善土地转动速度控制系统基于对称步态法,对角线上的两只脚运动步态一致,六个舵机分别控制机器人的四只脚,前肢和后肢,如图1所示。其中四个舵机控制脚关节的抬起和落下,两个舵机控制机器人的前肢和后肢,具体步态运动规律如图2所示。第1步:四只脚落下状态;第2步:对角线上的脚2和脚3抬起,另两只脚保持落下状态,支撑身体;第3步:前后肢对称的扭动一定角度,驱使脚2和脚3前移,整个身体前移;第4步:脚2和脚3落下,恢复到初始状态;第5步:另外对称的两只脚,脚1和脚4抬起;第6步:前后肢对称的扭动相反角度,驱使脚1和脚4前移,整个身体前移,恢复到第一步。为了解决由于舵机转动速度过快而引起的本体振颤问题,要求躯干的扭动速度远小于舵机本身的转动速度。而舵机速度是由它本身内部的直流马达和变速齿轮组的配合决定的,恒定电压驱动下数值唯一,所以只能通过分段停顿的控制方法改变其平均转动速度,即采用占空比渐变方法减小舵机的转动速度,通过软件进行调节。占空比渐变方法可以保证舵臂的平滑转动,不会发生停顿振颤现象,提高机器人的爬行稳定性。以PWM波周期为基准来控制舵机转动一定角度所用的时间,从而控制舵机的速度。设舵机转动的角度变化量为Δθ,对应的定时器初值变化量为Δμ,设置高电平时间对应的定时器初值增量为ε,则得到舵机转动的平均速度为v如下:2.2整体姿态控制流程控制系统的执行模块由舵机驱动器完成。驱动机器人的舵机分布如图1所示,控制四个脚的舵机标号从上到下从左到右依次是1,2,3,4,控制躯干的舵机从上到下依次是5和6,机器人的整体步态控制流程图如图3所示。其中机器人的初始状态是四个脚保持落下状态,躯干舵机5和6保持中位状态。机器人静止状态保持初始状态,开启电源,舵机2和3转动驱动机器人对应脚抬起,2s后舵机5驱动前肢左转,同时舵机6驱动后肢右转,实现机器人前进运动,1s后舵机2和3反转驱动脚落下,2s后舵机1和4转动相同角度驱动相应的脚抬起,2s后舵机5和6驱动前后肢转动,1s后舵机1和4驱动脚落下,这个过程实现了机器人的一个步态运动,以此循环实现机器人前向爬行。3系统工作硬件电路设计小型爬行机器人体积小和生活环境不确定性要求在设计硬件系统时考虑器件的质量大小以及布局等因素。为此,选用体积小,质量轻的C8051F021单片机为核心控制器。控制系统的硬件结构如图4所示,主要包括稳压模块、串口通信、JTAG在线下载、复位电路、信号输出、电源开关以及去耦电路。稳压模块采用TexasInstruments公司的TPS76333芯片实现电压转换,该芯片输出3.3V电压需要的最小输入电压是4.3V,因此整个系统只要外接一个4.8V的电压就能满足要求;另接发光二极管显示电源正常接入和程序的正常运行。串口模块实现系统与上位机的通信,采用Sipex公司的SP3223E实现电平转换,SP3223E内部有高效电荷泵,可以在3.3V电压下工作。JTAG通过仿真器与上位机连接,实现下载程序,在线仿真和调试功能。采用手动复位,并采用上拉电阻和去耦电路防止强噪声干扰。4实时新型控制律设计为了实现对舵机转速的控制,要求PWM波的精度较高,因此在软件设计时必须尽量做到指令精简且易实现,提高工作效率。C8051F内核采用高速内核CIP-51,70%指令的执行时间是一个或两个时钟周期。本系统采用时钟频率2MHz,而一个指令周期是1～2个机器周期,则一条指令需要的最长时间是1μs,因此把对各路PWM波的控制程序放在中断服务程序内,主程序只完成系统的初始化工作,从而提高系统效率。定时器采用16位计数模式,输出16位的高精度PWM波。控制系统的软件采用C语言实现,利用判断变量值的变化实现不同占空比PWM的循环输出,其中包括主程序和定时器服务子程序。主程序主要实现端口和定时器的初始化;服务子程序是关键,实现PWM的脉宽变化控制。其中机器人的四脚上的舵机控制主要由图5的设计流程实现,在主程序中给变量i赋值,j和k赋值为0,利用变量值的变化实现不同占空比PWM的循环输出。躯干上的舵机控制采用舵臂慢转形式,主要由占空比渐变式的PWM来实现,图6所示是实现一种角度的渐变功能,其他角度以此类推。端口初始化程序中设置端口输出高电平。定时器0控制PWM的周期,在终端服务程序中开启另外的定时器1,2,3,4控制高电平的时间变化。定时器0初值设置为周期时间的计数初值,且设置PWM波输出端口电平翻转,并开启定时器1,2,3,4,这四个定时器分别控制两对脚的抬起和落下,躯干上舵机5和6的转动,时间设置为需要的脉冲的高电平的时间,并在中断时输出端口电平翻转,由于高电平时间远远小于周期时间,所以到达高电平时间时端口电平翻转为低电平,T0发生中断后,端口输出电平翻转,输出高电平,依次循环执行。这五个定时器同时开启,由于优先级的高低产生的误差只有几微秒,可忽略不计,输出的PWM波精度高,达到精确控制舵机的效果。5机器人的直线性检验在Keil环境下编译程序,并在实验环境下调试程序,输出四路周期固定20ms的PWM波,示波器导出图如图7,并且通过示波器观察到占空比渐变的过程。这四路PWM波分别是脚2、3起落,脚1、4的起落,前肢和后肢扭动的控制信号由机器人本体的前后肢转度角度是否一致,可以判断机器人是否直线运动。设前肢转动角度为θ2,后肢转动角度为θ1,躯干转动角度为θ3,如图8所示,前肢角度和躯干角度对于后肢角度的关系曲线图如图9所示。其中“o”曲线和“*”曲线代表前肢角度对于后肢角度的关系,“o”曲线是根据机械模型仿真得到,“*”曲线是由实验数据采用插值法拟合得到,“--”曲线代表躯干角度对于后肢角度的关系。由图可以看出,在机器人爬行过程中,当后肢转动角度小于30°时前后肢转动角度基本相同,而且躯干扭动角度小于10°,此时机器人前后肢角度保持一致,可以达到直线爬行。实验证明,在前后肢转动角度达30°时,机器人直线爬行速