于佳，劉凱

0 引言

仿人機器人模仿人類的雙腿行走方式，不同于輪式或者履帶式，雙足行走模式本質上是不穩(wěn)定的，因此一直是仿人機器人研究的主要內容之一。實際上若要使機器人行走時保持穩(wěn)定，不發(fā)生摔倒，主控制器必須得到機器人行走時的即時狀態(tài)信息，以便于為了維持身體穩(wěn)定做出必要的運動調整，這就需要各種傳感器獲得相應的傳感信息。參考文獻[1]利用傳感器在線測得機器人的全身重心（Center of Gravity，COG），計算它的一階和二階微分（分別對應速度與加速度），使它們滿足由機器人自身參數(shù)所決定的限定范圍，就可以實現(xiàn)機器人的穩(wěn)定行走[1]。另外機器人各個關節(jié)的實際轉角與腳底壓力中心（Center of Pressure，COP）也是非常重要的，有了這些參數(shù)，就可以分析機器人行走時實際的關節(jié)角度與腳底受力狀態(tài)，以便于步態(tài)規(guī)劃調試，最終實現(xiàn)穩(wěn)定行走。

明確了需要測量的參數(shù)，就要用傳感器系統(tǒng)來獲得相應的數(shù)據，傳統(tǒng)的機器人傳感器系統(tǒng)一般采用直連的方式，直接將各個傳感器接到主控制器上，主控制器也負責完成傳感器信號處理的任務，例如日本本田公司的P2機器人采用的是集中式的控制結構，控制器放在機器人的背部，直接與全身的各個傳感器、執(zhí)行器相連接，總共用了650根導線，這樣多的導線會使機器人的故障率大大提高，同時由于各種傳感器數(shù)據也都交給主控制器處理，也加重了主控制器的負擔。而其下一代P3機器人采用的是分布式控制結構，控制器分散在全身的各個部分中，再采用類似內部局域網的方式連接，連線的數(shù)量減少到30根，提高了機器人的可靠性[2]。

本文提出的基于CAN總線的仿人機器人傳感器系統(tǒng)，該系統(tǒng)獨立于主控制器，作為一個單獨的系統(tǒng)處理傳感數(shù)據，減少了主控制器的負擔；且該系統(tǒng)與主控制器通訊采用的是CAN總線，CAN總線實時性強，可靠性高，并且只需要兩根線，大大減少了機器人內部的連線數(shù)量，使得機器人的可靠性得到很大提高；傳感器方面，該系統(tǒng)利用片式壓力傳感器得到雙腳壓力數(shù)據并計算壓力中心，利用傾角傳感器得到的各個關節(jié)的傾角并計算全身重心，同時，傾角傳感器測得的各個關節(jié)相對于地面的傾角，可通過矩陣變換得到各個關節(jié)相對的角度，傳感器控制器DSP將這些數(shù)據打包，再通過CAN總線將這些數(shù)據傳給機器人的總控制器，便于機器人實現(xiàn)穩(wěn)定行走[3]。

1 基于CAN總線的仿人機器人傳感器系統(tǒng)

1.1 結構

從整個機器人的整體結構來講，傳感器系統(tǒng)所起的作用是讀取機器人實時的狀態(tài)信息，再將傳感數(shù)據進行分析處理，然后將得到的信息發(fā)給主控制器，主控制器根據這些信息將原給定的步態(tài)規(guī)劃數(shù)據進行修正[4]，從而使得機器人按照計劃準確且穩(wěn)定行走，其流程如圖1所示：

圖1 機器人控制結構圖

基于CAN總線的機器人傳感器系統(tǒng)是一個單獨的系統(tǒng)，各個傳感器通過傳感器接口板與該系統(tǒng)主控制芯片DSP相連，DSP將獲得的數(shù)據進行處理，然后通過CAN總線以數(shù)據包的形式發(fā)送給上位機。在硬件結構上，該系統(tǒng)主要由傳感器、傳感器接口板和主控制板MCU 3部分組成，如圖2所示：

圖2 基于CAN總線的傳感器系統(tǒng)

1.2 設計

1.2.1 主體結構

由于需要測得機器人腳底壓力信息與全身COG信息，可根據機器人的結構與DSP的系統(tǒng)資源，設計出相應的傳感器系統(tǒng)，如圖3所示[5]，從功能結構分，其主要有3個部分（由虛線分割）：DSP與壓力傳感器通訊、DSP與傾角傳感器通訊與DSP與主控制器的通訊。其中第一部分是利用壓力傳感器測得相應的壓力數(shù)據，經過傳感器處理板處理后變?yōu)镈SP可以接受的電壓信號，送于DSP處理；第二部分是傾角傳感器測得各個關節(jié)的傾角，然后通過SCI、SPI通訊協(xié)議的變換送于DSP處理；第三部分是DSP將處理好的數(shù)據腳底COP、全身COG等數(shù)據通過CAN總線協(xié)議發(fā)送給主控制器，便于主控制器根據這些數(shù)據進行步態(tài)規(guī)劃。

圖3 基于CAN總線的傳感器系統(tǒng)實際設計圖

1.2.2 壓力傳感器部分

壓力傳感器用于測量機器人腳底板所受的壓力狀況。如圖4所示，在每個腳底板安裝有4塊壓力傳感器，分別用于測量腳底板的各個部位受到的力，根據他們的分布狀況以及所受到的壓力值，可算出每只腳的壓力中心（具體步驟見本文1.3節(jié)），最后發(fā)送到主控制器。

圖4 腳底壓力傳感器分布

1.2.3 傾角傳感器部分

傾角傳感器主要測量機器人各個關節(jié)的傾角，然后反饋給主控制器，主控制器用這些數(shù)據來計算出各個關節(jié)的空間位置、速度等信息，再根據機器人的物理參數(shù)可以得到機器人的COG點（具體計算步驟見本文2.3節(jié)）。此處傳感器采用的是雙軸傾角傳感器，傳輸協(xié)議為RS232，在為其設計的接口轉換板上有RS232轉TTL電路、TTL 5V轉TTL 3V以及一路SPI擴展4路SCI電路。這樣一塊DSP可以通過SCIA、SCIB和SPI口控制6個傾角傳感器，左右腿各三個，安裝位置如圖5所示。

圖5 傾角傳感器安裝結構圖

1.3 機器人COP、COG的計算以及應用

1.3.1 腳底COP計算

腳底4路傳感器在機器人上具體的安裝圖如圖4所示，由幾何知識可知左右腳的總壓力分別為：

以機器人腿部與腳底的接觸中心為原點（如圖2中黑點O），則機器人左腳的壓力中心為

其中a代表傳感器（正方形）的邊長，l1,l2,w1,w2如圖2所示（l1>l2)，右腳計算方法相同。

1.3.2 機器人COG計算

根據參照文[1]中所述的兩關節(jié)COG計算方法，將其擴展為3關節(jié)，并加入上身的等效關節(jié)L3以及等效質量m3。如圖6所示，令qi表示第i個關節(jié)與垂直方向的夾角，由于傾角傳感器是帶有方向性的，所以在這里規(guī)定機器人某一關節(jié)與地面垂直線逆時針方向為正值，順時針方向為負值；令θi表示第i-1個關節(jié)的延長線與第i個關節(jié)的夾角，令

則有

其中θ 可作為各個關節(jié)電機運行時所轉角度的參考值，修正由電機編碼器計算關節(jié)角度值，構成閉環(huán)關節(jié)控制系統(tǒng)。

令mi表示各個關節(jié)的重量，ri表示各個關節(jié)自上到下等效質心的位置（r3是自下而上） ，由此可計算出機器人相對于坐標中心o的質心位置如下：

當兩只腳換位時計算方法相同，只需替換相應的參數(shù)，當行走時處于雙腳支撐期時，機器人的COG一般位于兩支撐腳之間，這里不再考慮。

圖6 機器人各關節(jié)等效圖

2 實際測試

2.1 DSP與主控制器的通訊設定

由于傾角傳感器和腳底壓力傳感器的檢測以及計算，都是在一塊DSP中完成的，并且它們的CAN數(shù)據傳輸格式類似，所以可統(tǒng)一設定DSP發(fā)送CAN數(shù)據的郵箱號，通過CAN的初始化以及自定義設定，當CAN緩沖區(qū)中有數(shù)據時，DSP便把這些數(shù)據發(fā)送到主控制器的CAN卡中。當主控制器接收到這些數(shù)據位時，便可以根據相應的通訊協(xié)議將數(shù)據解碼并使用。下面根據兩種傳感器所實現(xiàn)功能的不同分別進行測試，以說明傳感器系統(tǒng)測量和通訊部分均能正常工作。

2.2 腳底壓力中心測量測試

將機器人放置于某一穩(wěn)定狀態(tài)，接通DSP和腳底轉換電路的電源，打開Linux主控制器，待程序初始化完畢之后，DSP將通過CAN總線不斷發(fā)給主控制器數(shù)據，這里為了顯示的詳細清楚，將連接到DSP仿真器中的數(shù)據細節(jié)讀取如圖7：

圖7 腳底壓力傳感器數(shù)據

從其中的數(shù)據可以較清楚的看到DSP檢測以及計算的結果：Left_foot_sensor和Right_foot_sensor分別表示左、右邊兩邊壓力傳感器測得的數(shù)據，而Left_foot和Rigth_foot分別表示左右兩腳的總壓力和壓力中心。

2.3 傾角傳感器測試

同樣接通DSP以及傾角傳感器轉換電路的電源，開啟Linux主控制器程序，使能傾角傳感器數(shù)據發(fā)送，接收到一次的數(shù)據如表1：

表1 傾角傳感器數(shù)據

數(shù)據中提供了各個關節(jié)相對于地面的傾角以及計算所得的機器人COG，這些數(shù)據為主控制器控制系統(tǒng)實現(xiàn)機器人的穩(wěn)定行走提供了必要條件。

3 結論

本文針對傳統(tǒng)機器人傳感器系統(tǒng)連線多、復雜程度高的缺點，提出了基于CAN總線的仿人機器人傳感器系統(tǒng)，并根據實際情況提出了傳感器系統(tǒng)的軟硬件實現(xiàn)及測試：其中腳底壓力測量部分，可根據壓力傳感器的壓阻關系，測量并計算雙腳的總壓力和壓力中心；傾角測量部分，可根據傾角傳感器的數(shù)據計算機器人腿部各個關節(jié)的垂直傾角，也可以將這些角度與機器人的物理參數(shù)相聯(lián)系，求得機器人全身COG；由DSP控制的傳感器系統(tǒng)，還能將處理的數(shù)據通過CAN總線發(fā)送到機器人控制的主控制器，為機器人實現(xiàn)閉環(huán)關節(jié)運動控制以及動態(tài)穩(wěn)定行走提供了必要的數(shù)據；并且系統(tǒng)通訊所使用CAN總線，使得機器人內部的連線減少，大大提高了機器人工作的可靠性，降低了內部連線的復雜度。

[1]Fumiaki Takemori, Akira Kitamura and Daisuke Kushida.Constraint of Center of Gravity in a Biped Walking Robot[C].Intelligent Robots and systems.2004:1960-1961.

[2]申飛,吳仲城,錢敏.基于CAN總線的機器人腳力傳感器的設計及其應用[J].南京:傳感技術學報.2004:39-41.

[3]Jung-Hoon Kim, Jung-Yup Kim, Jun-Ho Oh. Adjustment of Home Posture of Biped Humanoid Robot Using Sensory Feedback Control[J],Springer Netherlands:Journal of Intelligent and Robotic Systems.2008:424-426.

[4]劉熹,肖南峰.基于ZMP和實時檢測的機器人步行研究[J].廣西南寧:裝備制造技術.2007:25.

[5]陳健,雷旭升,蘇劍波.基于智能體的仿人機器人分層控制系統(tǒng)[J].北京:高技術通訊.2007:586-590.