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【知识】仿人机器人相关知识大汇集

导读: 中国科技大学陈小平教授介绍,机器人一般根据不同应用需求被设计成不同形状,如运用于工业的机械臂、轮椅机器人、步行机器人等。而仿人机器人研究集机械,电子,计算机,材料,传感器,控制技术等多门科学于一体,代表着一个国家的高科技发展水平。

  模仿人的形态和行为而设计制造的机器人就是仿人机器人,一般分别或同时具有仿人的四肢和头部。中国科技大学陈小平教授介绍,机器人一般根据不同应用需求被设计成不同形状,如运用于工业的机械臂、轮椅机器人、步行机器人等。而仿人机器人研究集机械,电子,计算机,材料,传感器,控制技术等多门科学于一体,代表着一个国家的高科技发展水平。从机器人技术和人工智能的研究现状来看,要完全实现高智能,高灵活性的仿人机器人还有很长的路要走,而且,人类对自身也没有彻底地了解,这些都限制了仿人机器人的发展。

  一、基于ARM9的嵌入式仿人机器人传感器系统设计

  传感器技术是仿人机器人研究的关键技术之一。仿人机器人之所以能在已知或未知的环境中完成一定的作业功能,是因为它能够通过传感器感知外部环境信息和自身状态,获得反馈信息,实现系统的闭环控制。目前在仿人机器人中应用的传感器种类繁多,例如视觉传感器、电子罗盘、加速度计和超声波传感器等都是仿人机器人中常用的传感器。

  DF-1机器人是我院自主研制的一款仿人机器人。本文首先对DF-1机器人总系统进行了介绍,然后根据DF-1机器人需要实现的功能,设计DF-1机器人的传感器系统,然后实现传感器系统的具体工作电路,利用ARM9实现了传感器系统信息的采集,最后对传感器系统的效果进行了试验验证。

  1.DF-1仿人机器人简介

  DF-1机器人模仿人体外形结构,利用舵机结构实现人类关节的功能,如图1所示。DF-1身长45cm,共设有17个自由度,具体分配为:踝关节2×2=4个自由度,膝关节2×1=2个自由度,胯关节2×2=4个自由度,肩关节2×2=4个自由度,肘关节2×1=2个自由度,头部1个自由度。DF-1机器人内部采用ARM9微处理器,主要用来完成信息的融合、决策和规划等任务。DF-1机器人已经能够实现的功能有步行、做俯卧撑、上楼梯、打太极拳,这些功能的实现是建立在:DF-1机器人具有良好机械结构基础上的,通过人工调试,设定具体程序完成的。为提高机器人动作的稳定性,实现DF-1机器人的智能控制,需要对机器人配置传感器系统,使机器人能够感知自身状态和外界环境。

  2 传感器系统设计

  DF-1机器人的胸腔部位安装了三个超声传感器,分别用来测量机器人正前、左前和右前方向的障碍物。在该传感器系统中,采用了ARM9微处理器作为信息的采集、数据预处理和通信单元。由于超声波传感器存在多次反射问题,在超声波相对应的位置安装了三个红外测距传感器用来解决这一问题。传感器系统获取的信息采用定长字节格式通过RS232接口传送给上位机。传感器系统的基本结构如图1所示。

  2.1加速度计传感器

  判定机器人姿态的传感器有陀螺仪和加速度计等传感器,由于陀螺成本较高,而DF-1机器人在运动变化上较为缓慢,故本文采用了成本较低的加速度计来感知机器人的姿态。加速度计是物体运动测试中的重要元件,它的输出与物体的加速度成比例。传感器系统所采用加速度计的具体型号为AD公司生产的双轴加速度计ADXL202。ADXL202具有两种输出,一种是从XFILT和YFILT引脚输出模拟信号;另一种是直接从XOUT和YOUT引脚输出经调制后的DCM信号。在具体使用中,选用了加速度计的DCM信号输出,这样就可省去使用模拟信号需要引入的A/D转换环节,简化了电路设计难度。

  2.2超声传感器

  用来测距的传感器主要有红外传感器、超声波传感器、激光测距仪等,为了能在测量距离的同时判断出物体的大致形状,应设计成多传感器测距系统。考虑到机器人的安装空间以及成本问题,主要选用了超声波传感器进行距离的测量。

  超声波传感器主要用来完成机器人到周围障碍距离信息的测量,超声波在测距过程中存在多次反射问题,即超声波遇到障碍物体时,没有沿着原路返回发射接收点,而是经过多次反射后才返回发射接收点,这样测量到的距离信息不再真实,情况严重时会“丢失”目标。本文选用DEVANTECH公司生产的SFR05。SFR05的体积小,信号稳定,便于在机器人中安装,而且SFR05的测量距离为1cm~4m,在最小测量距离上可认为该传感器不存在盲区。

  2.3 红外传感器

  为了弥补超声传感器在测距中多次反射的问题,在超声波相对应的位置安装了三个红外测距传感器。当超声波传感器测量的距离远远大于同方向上红外传感器测量的距离时,可以据此推断出超声波已经进行了多次反射,并用红外传感器测量的距离信息来取代超声波传感器的信息。本文使用的红外传感器为SHARP公司生产的GP2D12,可测距离为10~80cm。GP2D12加上电源就可工作,输出电压为0.3~2.8V。GP2D12传感器在测量距离时受外界光强度、物体外表反射率及物体颜色的影响较小。

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