基于PVDF壓電傳感器機器人腿部平衡系統的設計

安徽理工大學電氣與信息工程學院 李國輝

基于PVDF壓電傳感器機器人腿部平衡系統的設計

安徽理工大學電氣與信息工程學院 李國輝

機器人開始于上世紀六十年代初，開始大多機器人都是基于單片機控制系統或其他單核控制系統，由于單片機控制或單核控制處理能力的局限性。使得其相關技術發展緩慢。隨著現代電子技術和信號處理能力的快速發展，很多研究機構提出雙核控制器，它有效的克服了以往單核控制的弊端，具有快速響應、快速抗干擾能力、穩定性更優等特點。針對上述思想及當下研究現狀，提出一種雙核控制器及靈敏度更高的新型壓電薄膜傳感器，意在解決直立行走機器人腿部平衡的問題。

直立機器人；ARM（STM32F407）和FPGA（A3P250）；A/D；D/A；PVDF壓電傳感器

1 引言

機器人技術自問世已有近六十年，其各項技術已經得到長足的發展，多種機器人不斷問世。例如，用于軍事的偵查無人機，用于服務的防人機器人、無人自動駕駛汽車、醫療機器人等。隨著現代科技的飛速發展，機器人技術將以快速的向實用性挺進并將飛速的走進千家萬戶，為這個社會的發展提供源源不斷的動力。

機器人開始于上世紀六十年代初，由于特殊的歷史原因，我國對于直立行走機器人的腿部平衡控制的研究較晚，因此提出一種高靈敏度的壓電薄膜傳感器和雙核控制器組成的系統以達到快速響應，快速矯正傾斜的機器人平衡問題，通過機器人足部安裝高靈敏度的PVDF壓電傳感器實時監測機器人重心位置信號，從而達到快速矯正機器人的平衡。

2 控制策略

本次設計目的主要是研究機器人在重心失去平衡時，由腿部各關節的舵機控制，使機器人自動的傾斜，已達到平衡的要求。

因實際需要，采用靈敏系數較高的壓電傳感器，來探測機器人重心的偏移量。將傳感器信號發送給雙核控制器并通過執行機構，實時調整機器人的姿態已達穩定，機 器人控制原理圖如圖1所示。

圖1 機器人控制原理圖

3 具體方案

3.1 機械結構部分

機器人下肢控制主要依賴于腳踝關節處舵機和膝關節處舵機控制，其中舵機主要由直流無刷伺服電機和減速齒輪組成的。

通過控制踝關節和膝關節處舵機內的電機進而控制齒輪的旋轉，使踝關節和膝關節快速響應轉動。而電機的轉速大約10000rpm，所以必須進行減速。我們選擇 3 個齒輪組合，使得減速比為 336：1，轉速降為 30rpm。

3.2 電器控制部分

通過對踝關節和膝關節的控制以改變機器人中心偏移角，使得機器人保持動態平衡整個系統由四部分組成：重心位置平衡監測、驅動控制信號計算、電機驅動和腿部運動反饋。

3．2．1 重心位置平衡檢測

重心位置平衡檢測是通過其足底的兩個壓電傳感器和計算電路得到。壓電傳感器由于其足部運動使得壓電片變形彎曲，由壓電效應產生電荷，經由電荷放大等電路轉換成電壓信號，因足部受力不同電荷不同，通過計算得到重心平衡位置。

3．2．2 驅動控制信號計算

重心位置平衡檢測電路的輸出電壓通過A/D轉換后的數字信號送入雙核控制器中，并與控制器內部平衡狀態時的電壓信號比較，計算出偏差信號， 通過計算得出補償值， 再通過D/A轉換后的模擬信號輸出給電機驅動電路。其中信號處理部分由雙核控制器中的ARM計算并通信給FPGA,使得FPGA從大量計算中解脫出來，以便FPGA能過更精確快速的控制舵機中電機的轉動。

3．2．3 電機驅動

首先通過傳感器將監測重心信號和反饋信號比較后傳入ARM中，經過信號處理后將處理后的信號發送給FPGA生成PWM信號驅動電機的轉動。

3.3 系統通信

由于整個系統包括了機器人腿部模塊、驅動電路板模塊、雙核控制器模塊，因此三者之間通過CAN總線進行通信聯接。

4 系統測試

將各模塊通信連接組成完整系統。對整個機器人進行調試。將機器人放置于預先選定的測試區域，此時機器人處于平衡位置，因此系統無反應動作，滿足系統功能要求。當外部對機器人施加一個擾動時，機器人的平衡被打破，機器人踝關節和膝關節舵機快速響應動作，機器人迅速再平衡。整個系統調試完成，各項參數符合功能要求。

5 結論

文中所提出的雙核控制系統能夠有效的控制機器人平衡問題，它克服了單核控制的缺陷，運用ARM+FPGA，其中ARM處理各種繁雜的信號，使得FPGA從繁雜的信號處理中解脫出來，進而有效的控制電機，實現了機器人控制系統的快速響應實時控制，增強了系統的魯棒性和抗干擾能力，使直立行走機器人腿部平衡控制系統得到進一步發展。

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