基于PVDF压电传感器机器人腿部平衡系统的设计

安徽理工大学电气与信息工程学院 李国辉

基于PVDF压电传感器机器人腿部平衡系统的设计

安徽理工大学电气与信息工程学院 李国辉

机器人开始于上世纪六十年代初，开始大多机器人都是基于单片机控制系统或其他单核控制系统，由于单片机控制或单核控制处理能力的局限性。使得其相关技术发展缓慢。随着现代电子技术和信号处理能力的快速发展，很多研究机构提出双核控制器，它有效的克服了以往单核控制的弊端，具有快速响应、快速抗干扰能力、稳定性更优等特点。针对上述思想及当下研究现状，提出一种双核控制器及灵敏度更高的新型压电薄膜传感器，意在解决直立行走机器人腿部平衡的问题。

直立机器人；ARM（STM32F407）和FPGA（A3P250）；A/D；D/A；PVDF压电传感器

1 引言

机器人技术自问世已有近六十年，其各项技术已经得到长足的发展，多种机器人不断问世。例如，用于军事的侦查无人机，用于服务的防人机器人、无人自动驾驶汽车、医疗机器人等。随着现代科技的飞速发展，机器人技术将以快速的向实用性挺进并将飞速的走进千家万户，为这个社会的发展提供源源不断的动力。

机器人开始于上世纪六十年代初，由于特殊的历史原因，我国对于直立行走机器人的腿部平衡控制的研究较晚，因此提出一种高灵敏度的压电薄膜传感器和双核控制器组成的系统以达到快速响应，快速矫正倾斜的机器人平衡问题，通过机器人足部安装高灵敏度的PVDF压电传感器实时监测机器人重心位置信号，从而达到快速矫正机器人的平衡。

2 控制策略

本次设计目的主要是研究机器人在重心失去平衡时，由腿部各关节的舵机控制，使机器人自动的倾斜，已达到平衡的要求。

因实际需要，采用灵敏系数较高的压电传感器，来探测机器人重心的偏移量。将传感器信号发送给双核控制器并通过执行机构，实时调整机器人的姿态已达稳定，机 器人控制原理图如图1所示。

图1 机器人控制原理图

3 具体方案

3.1 机械结构部分

机器人下肢控制主要依赖于脚踝关节处舵机和膝关节处舵机控制，其中舵机主要由直流无刷伺服电机和减速齿轮组成的。

通过控制踝关节和膝关节处舵机内的电机进而控制齿轮的旋转，使踝关节和膝关节快速响应转动。而电机的转速大约10000rpm，所以必须进行减速。我们选择 3 个齿轮组合，使得减速比为 336：1，转速降为 30rpm。

3.2 电器控制部分

通过对踝关节和膝关节的控制以改变机器人中心偏移角，使得机器人保持动态平衡整个系统由四部分组成：重心位置平衡监测、驱动控制信号计算、电机驱动和腿部运动反馈。

3．2．1 重心位置平衡检测

重心位置平衡检测是通过其足底的两个压电传感器和计算电路得到。压电传感器由于其足部运动使得压电片变形弯曲，由压电效应产生电荷，经由电荷放大等电路转换成电压信号，因足部受力不同电荷不同，通过计算得到重心平衡位置。

3．2．2 驱动控制信号计算

重心位置平衡检测电路的输出电压通过A/D转换后的数字信号送入双核控制器中，并与控制器内部平衡状态时的电压信号比较，计算出偏差信号， 通过计算得出补偿值， 再通过D/A转换后的模拟信号输出给电机驱动电路。其中信号处理部分由双核控制器中的ARM计算并通信给FPGA,使得FPGA从大量计算中解脱出来，以便FPGA能过更精确快速的控制舵机中电机的转动。

3．2．3 电机驱动

首先通过传感器将监测重心信号和反馈信号比较后传入ARM中，经过信号处理后将处理后的信号发送给FPGA生成PWM信号驱动电机的转动。

3.3 系统通信

由于整个系统包括了机器人腿部模块、驱动电路板模块、双核控制器模块，因此三者之间通过CAN总线进行通信联接。

4 系统测试

将各模块通信连接组成完整系统。对整个机器人进行调试。将机器人放置于预先选定的测试区域，此时机器人处于平衡位置，因此系统无反应动作，满足系统功能要求。当外部对机器人施加一个扰动时，机器人的平衡被打破，机器人踝关节和膝关节舵机快速响应动作，机器人迅速再平衡。整个系统调试完成，各项参数符合功能要求。

5 结论

文中所提出的双核控制系统能够有效的控制机器人平衡问题，它克服了单核控制的缺陷，运用ARM+FPGA，其中ARM处理各种繁杂的信号，使得FPGA从繁杂的信号处理中解脱出来，进而有效的控制电机，实现了机器人控制系统的快速响应实时控制，增强了系统的鲁棒性和抗干扰能力，使直立行走机器人腿部平衡控制系统得到进一步发展。

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