CN105446345A - 仿人双足机器人控制*** - Google Patents

仿人双足机器人控制*** Download PDF

Info

Publication number
CN105446345A
CN105446345A CN201510380333.6A CN201510380333A CN105446345A CN 105446345 A CN105446345 A CN 105446345A CN 201510380333 A CN201510380333 A CN 201510380333A CN 105446345 A CN105446345 A CN 105446345A
Authority
CN
China
Prior art keywords
joint
motor
robot
control system
feedback
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201510380333.6A
Other languages
English (en)
Inventor
杨世锡
查望华
甘春标
张志宏
曾桂容
郭梅
金鹏程
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang University ZJU
Original Assignee
Zhejiang University ZJU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang University ZJU filed Critical Zhejiang University ZJU
Priority to CN201510380333.6A priority Critical patent/CN105446345A/zh
Publication of CN105446345A publication Critical patent/CN105446345A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Manipulator (AREA)

Abstract

本发明提供了一种仿人双足机器人控制***,所述机器人包括两腿部共12个自由度,每个自由度对应一个关节电机,所述控制***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。本发明的控制***,主控制器接受脚底压力传感器和陀螺仪的信息反馈,对路径进行规划,并且将运动指令传送到各关节控制器。各关节控制器控制关节电机执行运动指令,并接收电机编码器和关节角度传感器反馈的信息,根据反馈信息采用模糊自适应PID控制方法实现对电机的精确控制,使机器人能够实时根据地面情况,精确地进行行走。

Description

仿人双足机器人控制***
技术领域
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***。
背景技术
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***,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。
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***,但是还是存在很多不足:1)有的控制***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
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***,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。
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***,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***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。
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。
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***电路。
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。
优选的,所述主控制器通过CAN总线与各个关节控制器连接。
优选的,所述主控制器为ARM芯片,所述关节控制器为DSP芯片。
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。
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。
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。
本发明的仿人双足机器人控制***,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。
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。
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,电机稳态精度提高。
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。
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
图1为本发明的仿人双足机器人控制***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
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。
本发明提供了一种应用于仿人双足机器人的控制***,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。
如附图1所示,本发明的控制***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。
其中,电机驱动电路用于驱动关节电机,关节控制器接收来自电机编码器和关节角度传感器的反馈信号,并输出控制指令至电机驱动电路;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,足底陀螺仪用于测量机器人运动过程中足底倾斜角度;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,用于调节足底压力传感器和足底陀螺仪的反馈信号。
主控制器、电机驱动电路、各关节控制器、反馈调理电路安装在机器人的髋关节之上,一方面是便于安装,另一反面是不影响机器人下肢关节的运动。各关节电机对应安装在机器人各关节上,电机编码器与电机主轴同轴安装,关节角度传感器与关节转动轴同轴安装。若干压力传感器均匀安装在机器人脚底板上,陀螺仪水平安装在脚底面,与脚底面平行。
工作时,主控制器首先根据脚底压力传感器和陀螺仪的反馈信息进行机器人步态规划,然后将规划路径转化为控制指令,然后同过CAN总线下发给腿部各关节控制器。
机器人的腿部各关节控制器控制相应腿部关节电机,同时,其对应的关节电机编码器和关节角度传感器将该电机的转速、位置和对应关节角度信息反馈给该腿部关节控制器,该腿部关节控制器应用模糊自适应PID控制方法,形成实时的关节角度控制指令,然后通过相应腿部关节电机驱动电路驱动相应腿部关节运动。
各传感器采集相应的信息,基本上为0~Vcc的模拟电压量,这种模拟量的值需要经过调理电路才能经控制器的ADC采集。首先,传感器的模拟量经过第一级反向运算放大电路,调节可调电阻Rf1和电阻R′1可将任意0~Vcc电压转换成绝对值在ADC可采集的电压范围内的负电压,然后经过第二级反向运算放大电路将电压值取反进而变成控制器ADC可采集的电压信息,最后,一个双二极管钳位电路保证控制器ADC的安全。这样,经过两级运算放大电路和钳位电路,可以将传感器任意0~Vcc的模拟量转换成适合控制器ADC采集的电压信号,然后控制器ADC进行采集计算,即可得到机器人的电机信息和角度信息。
机器人在运动的过程中,两条腿与地面接触的压力由足底压力传感器测得,脚底面的倾斜度由脚底陀螺仪测得,关节角度由对应的角度传感器测得,电机信息由编码器测得,如果发现关节角度传感器与电机角度不一致,则需要重新对机器人关机电机进行安装校正。
腿部各个关节控制器结合反馈的电机状态信息和角度传感器信息,并采用模糊自适应PID控制算法,优化对各个关节电机的控制,使得各关节电机能够精确控制,快速响应。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以对本发明进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种仿人双足机器人控制***,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,其特征在于:
所述控制***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。
2.如权利要求1所述的仿人双足机器人控制***,其特征在于: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。
3.如权利要求1所述的仿人双足机器人控制***,其特征在于:所述电机
驱动电路采用智能功率芯片进行电机的驱动。
4.如权利要求1所述的仿人双足机器人控制***,其特征在于: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。
5.如权利要求1-4任一项所述的仿人双足机器人控制***,其特征在于:所述主控制器通过CAN总线与各个关节控制器连接。
6.如权利要求5所述的仿人双足机器人控制***,其特征在于:所述主控制器为ARM芯片,所述关节控制器为DSP芯片。
7.如权利要求6所述的仿人双足机器人控制***,其特征在于: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,运用ZMP稳定理论对机器人路径进行规划,并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。
8.如权利要求6所述的仿人双足机器人控制***,其特征在于: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。
9.如权利要求8所述的仿人双足机器人控制***,其特征在于: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。
CN201510380333.6A 2015-07-02 2015-07-02 仿人双足机器人控制*** Pending CN105446345A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510380333.6A CN105446345A (zh) 2015-07-02 2015-07-02 仿人双足机器人控制***

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510380333.6A CN105446345A (zh) 2015-07-02 2015-07-02 仿人双足机器人控制***

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN105446345A true CN105446345A (zh) 2016-03-30

Family

ID=55556665

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510380333.6A Pending CN105446345A (zh) 2015-07-02 2015-07-02 仿人双足机器人控制***

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN105446345A (zh)

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106005079A (zh) * 2016-05-24 2016-10-12 浙江大学 带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构
CN106073896A (zh) * 2016-06-15 2016-11-09 重庆金山科技(集团)有限公司 一种用于手术机器人的电机控制网络及方法
CN106168802A (zh) * 2016-04-18 2016-11-30 深圳众为兴技术股份有限公司 一种用于移动机器人的位置感知装置
CN106214427A (zh) * 2016-08-11 2016-12-14 上海交通大学 受试者主导的下肢康复外骨骼控制***及方法
CN106647334A (zh) * 2017-01-18 2017-05-10 浙江大学 一种仿人腿的膝踝刚度匹配方法
CN106990783A (zh) * 2017-04-21 2017-07-28 歌尔科技有限公司 一种控制双轮机器人直线行走的方法和***
WO2017181319A1 (zh) * 2016-04-18 2017-10-26 江南大学 基于粒子群优化和强化学习算法的仿生双足机器人动态行走控制***
CN107650150A (zh) * 2017-09-28 2018-02-02 深圳市行者机器人技术有限公司 一种双足机器人的2d行走稳定结构
CN107803832A (zh) * 2017-09-28 2018-03-16 深圳市行者机器人技术有限公司 一种机器人腿部拉线结构的控制***
CN108983660A (zh) * 2018-07-19 2018-12-11 浙江大学 一种双足机器人控制***及双足机器人
CN109571465A (zh) * 2018-11-19 2019-04-05 东莞深圳清华大学研究院创新中心 智能仿人机器人决策控制模块及仿人机器人运动控制算法
CN109774811A (zh) * 2018-12-31 2019-05-21 南京工程学院 一种无刷直流电机驱动的小型双足机器人及其控制方法
CN111015653A (zh) * 2019-12-13 2020-04-17 深圳市优必选科技股份有限公司 机器人控制方法、装置、计算机可读存储介质及机器人
CN112882485A (zh) * 2021-01-25 2021-06-01 河南大学 一种双足机器人逆运动学的几何计算方法
CN114877164A (zh) * 2022-05-11 2022-08-09 林炎龙 一种自适应智能探测***
WO2024032578A1 (zh) * 2022-08-09 2024-02-15 深圳忆海原识科技有限公司 控制模组、控制装置及机器人

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1606488A (zh) * 2001-12-19 2005-04-13 独立行政法人科学技术振兴机构 双足步行式移动装置、其步行控制器及步行控制方法
CN1901338A (zh) * 2006-07-03 2007-01-24 东北电力大学 背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器
CN101565064A (zh) * 2008-04-24 2009-10-28 上海电气集团股份有限公司 一种双足机器人步行机构
US20110172817A1 (en) * 2010-01-11 2011-07-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Walking robot and method of controlling balance thereof
US20110178639A1 (en) * 2010-01-18 2011-07-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Humanoid robot and walking control method thereof
CN103722550A (zh) * 2014-01-17 2014-04-16 上海交通大学 外骨骼机器人的嵌入式***

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1606488A (zh) * 2001-12-19 2005-04-13 独立行政法人科学技术振兴机构 双足步行式移动装置、其步行控制器及步行控制方法
CN1901338A (zh) * 2006-07-03 2007-01-24 东北电力大学 背靠背结构电压型变流装置的双脉冲宽度调制控制器
CN101565064A (zh) * 2008-04-24 2009-10-28 上海电气集团股份有限公司 一种双足机器人步行机构
US20110172817A1 (en) * 2010-01-11 2011-07-14 Samsung Electronics Co., Ltd. Walking robot and method of controlling balance thereof
US20110178639A1 (en) * 2010-01-18 2011-07-21 Samsung Electronics Co., Ltd. Humanoid robot and walking control method thereof
CN103722550A (zh) * 2014-01-17 2014-04-16 上海交通大学 外骨骼机器人的嵌入式***

Cited By (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106168802A (zh) * 2016-04-18 2016-11-30 深圳众为兴技术股份有限公司 一种用于移动机器人的位置感知装置
WO2017181319A1 (zh) * 2016-04-18 2017-10-26 江南大学 基于粒子群优化和强化学习算法的仿生双足机器人动态行走控制***
CN106005079A (zh) * 2016-05-24 2016-10-12 浙江大学 带主动脚踝关节与仿生足部的单腿机器人跳跃机构
CN106073896A (zh) * 2016-06-15 2016-11-09 重庆金山科技(集团)有限公司 一种用于手术机器人的电机控制网络及方法
CN106214427A (zh) * 2016-08-11 2016-12-14 上海交通大学 受试者主导的下肢康复外骨骼控制***及方法
CN106647334A (zh) * 2017-01-18 2017-05-10 浙江大学 一种仿人腿的膝踝刚度匹配方法
CN106990783A (zh) * 2017-04-21 2017-07-28 歌尔科技有限公司 一种控制双轮机器人直线行走的方法和***
CN106990783B (zh) * 2017-04-21 2023-09-01 歌尔科技有限公司 一种控制双轮机器人直线行走的方法和***
CN107803832A (zh) * 2017-09-28 2018-03-16 深圳市行者机器人技术有限公司 一种机器人腿部拉线结构的控制***
CN107650150A (zh) * 2017-09-28 2018-02-02 深圳市行者机器人技术有限公司 一种双足机器人的2d行走稳定结构
CN108983660A (zh) * 2018-07-19 2018-12-11 浙江大学 一种双足机器人控制***及双足机器人
CN109571465A (zh) * 2018-11-19 2019-04-05 东莞深圳清华大学研究院创新中心 智能仿人机器人决策控制模块及仿人机器人运动控制算法
CN109571465B (zh) * 2018-11-19 2019-11-12 东莞深圳清华大学研究院创新中心 智能仿人机器人决策控制模块及仿人机器人运动控制算法
CN109774811A (zh) * 2018-12-31 2019-05-21 南京工程学院 一种无刷直流电机驱动的小型双足机器人及其控制方法
CN111015653A (zh) * 2019-12-13 2020-04-17 深圳市优必选科技股份有限公司 机器人控制方法、装置、计算机可读存储介质及机器人
CN111015653B (zh) * 2019-12-13 2021-06-04 深圳市优必选科技股份有限公司 机器人控制方法、装置、计算机可读存储介质及机器人
CN112882485A (zh) * 2021-01-25 2021-06-01 河南大学 一种双足机器人逆运动学的几何计算方法
CN114877164A (zh) * 2022-05-11 2022-08-09 林炎龙 一种自适应智能探测***
WO2024032578A1 (zh) * 2022-08-09 2024-02-15 深圳忆海原识科技有限公司 控制模组、控制装置及机器人

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105446345A (zh) 仿人双足机器人控制***
EP0406018B1 (en) Legged walking robot and system for controlling the same
CN101673116B (zh) 仿人机器人初始位置精确复位***
CN106584093A (zh) 工业机器人自我装配***及方法
US20040172165A1 (en) Legged mobile robot
US20120158182A1 (en) Walking control apparatus and method of robot
CN105082161A (zh) 双目立体摄像机机器人视觉伺服控制装置及其使用方法
KR20120035518A (ko) 보행 로봇 및 그 제어방법
CN107538494A (zh) 一种基于转矩传感器和编码器的机器人控制方法及***
US20120059518A1 (en) Walking robot and control method thereof
CN105751203A (zh) 一种机械臂及运动控制卡
CN101414189A (zh) 仿人机器人稳定行走的上身姿态控制的方法和装置
CN107030307A (zh) 基于六自由度并联机器人的智能钻床
CN115793683A (zh) 一种重心控制方法、调整机构及足式机器人
CN205721372U (zh) 一种仿人机器人步态实时控制***
CN102582360A (zh) 一种具有主动驱动装置的万向脚轮
CN107703762A (zh) 康复步行训练机器人的人机互作用力辨识及控制方法
CN113433943A (zh) 基于极值点插值处理与轨迹跟踪的四足机器人控制方法
CN110802593B (zh) 一种仿人机器人下肢关节零位标定方法
CN209615524U (zh) 一种液压驱动双足式机器人液压伺服控制器
CN107650150A (zh) 一种双足机器人的2d行走稳定结构
CN206906829U (zh) 一种机器人的监控***及实时监测仪
CN207224010U (zh) 一种运动灵活稳定的机器人关节及具有该关节的机器人
CN109895120A (zh) 一种双足行走机器人的控制***
CN208623572U (zh) 一种自闭环电机驱动器

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20160330

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication