机器人智能传感器论文
仿人机器人姿态检测与倒地检测方案
仿人机器人是近年来发展起来的综合学科。运动功能是仿人机器人最基本的功能, 其中姿态检测方案准确可靠是进行机器人保持直立并进行各种动作的基本保障, 也是仿人机器人实用的前提条件。机器人的足部作为站立和行走过程中与外界唯一接触和受力的部位, 成为解决仿人机器人稳定行走的关键所在,同时机器人足部是机器人进行各种动作首要的执行机构以及姿态变化最为频繁的部位,因此感知机器人姿态的多数传感器安装在足部。
实际上, 人行走过程中, 足底的神经末梢可实现地面接触位置、地形、地面反作用力大小和方向等信息的实时感知, 并及时反馈到中枢神经系统, 使之能及时调整身体姿势。要想使机器人处于静态直立状态,就必须感知在静态条件下的受力情况,此时可采用六维力传感器,该传感器可把机器人在个方向的受力数据化以供控制所需。然而仿人机器人要实现适应人类生活、工作环境, 并进行动态动作仅仅依靠六维力信息远不能满足应用要求。因为机器人在进行行进、转弯以及上下运动时,单纯的力反馈远不能满足机器人对稳定控制的需要,躯干在行进过程中所具有的加速度、角加速度以及角速度都会对姿态的调整产生重要作用,为了控制的稳定性,机器人必须要获取其运动状态中的各种动态参数。此时可使用陀螺仪和加速度计对动态数据进行测量,二者统称为姿态传感器。姿态传感器用于检测X /Y /Z 三轴向的加速度和绕三个轴的角速度运动, 以获取惯性力和机器人姿态的信息。具体实现过程如下:当机器人足部静止时, 对采集的三轴加速度信息进行计算, 得到静态脚面倾角信息;当机器人足部非静止时, 对采集的三轴角速度信息进行计算, 得到角度变化值;对上述静态脚面倾角信息和角度变化值进行计算, 得到实时脚面倾角信息。在对加速度计所获得的静态量和陀螺仪获得的动态量可采用卡尔曼滤波器进行滤波处理以得到准确的姿态数据。尽管以获取机器人的姿态信息但还是不足以控制机器人的各种动作,因为仿人机器人体积较大、重心较高,足部的面积较大,较大的足部面积会导致机器人的受力不均匀,这可能使机器人处于不稳定状态,此时必须装有感受受力点的柔性力传感器阵列,该传感器可以准确感知机器人的受力点和受力方向,为姿态调整提供更准确的条件。当机器人摔倒后,机器人足部与地面处于脱离状态,此时柔性力传感器阵列无感知数据即可判断机器人摔倒。
综上所述,为了准确检测机器人的姿态必须采用多维力传感器、姿态传感器以及足部柔性力传感器的组合。多维力传感器感测受力大小信息、足部柔性力传感器感知受力方向信息、姿态传感器感知姿态调整过程中的动态变化信息,三者的有机结合提供了机器人姿态检测的准确性和完善性。
参考文献:
[1] 张占松, 蔡宣三. 开关电源的原理与设计[M ] . 北京: 电子工业出版社, 1998.
[2] 钱昌忠 姿态传感器在仿人机器人足部感知系统中的应用 . 合肥.