机器人创新设计课程论文

1、机器人创新设计课程论文基于MEMS惯性传感器的机器人姿态识别系统22010334 黄杰在机器人的运动过程中要不断的检测机器人的运动状态和姿态，以实现对机器人的精确控制。本文研究基于MEMS惯性传感器（加速度计和陀螺仪）的仿人机器人姿态检测系统， 用于识别仿人机器人运动时姿态，以控制机器人的平衡，并检测机器人是否摔倒。1、MEMS惯性传感器初识MEMS是微机电系统的缩写。 MEMS主要包括微型机构、微型传感器、微型执行器和 相应的处理电路等几部分。 MEMS是随着半导体集成电路微细加工技术和超精密机械加工 技术的发展而发展起来的。惯性传感器是检测和测量加速度、倾斜、冲击、振动、旋转和多自由度运动

2、的传感器。 惯性传感器包括加速度计和角速度陀螺以及它们的单、双、三轴组合IMU （惯性测量单元）。由于MEMS惯性传感器具有加速度测量、倾斜测量、振动测量甚至转动测量等基本测 量功能，故应用于机器人，可识别机器人姿态，并检测机器人是否摔倒。1.1加速度计MEMS加速度计是利用传感质量的惯性力测量加速度的传感器，通常由检测质量、支 承、电位器、弹簧、阻尼器和壳体组成。检测质量受支承的约束只能沿一条轴线移动，这个41 t di轴常称为输入轴或敏感轴。当仪表壳体随着运载体沿敏感轴 方向作加速运动时，根据牛顿定律，具有一定惯性的检测质 量力图保持其原来的运动状态不变。它与壳体之间将产生相 对运动，使弹

3、簧变形，于是检测质量在弹簧力的作用下随之 加速运动。当弹簧力与检测质量加速运动时产生的惯性力相 平衡时，检测质量与壳体之间便不再有相对运动，这时弹簧 的变形反映被测加速度的大小。电位器作为位移传感元件把 加速度信号转换为电信号，以供输出。大多数加速度计只测量加速度，而不测量速度。但是， 许多类型的加速度计对重力也敏感，因而我们可以在任何给定时刻用加速度计测量机器人的倾斜角，也就是说作用于传感器上的重力变化可以用倾斜角表示。加速度计的输出可以是交流或直流电压，或者是更方便直观的数字脉冲。1.2陀螺仪绕一个支点高速转动的刚体称为陀螺。通常所说的陀螺是特指对称陀螺，它是一个质量均匀分布的、具有轴对称

4、形状的刚体，其几何对称轴就是它的自转轴。在一定的初始条件和一定的外在力矩作用下，陀螺会在不停自转的同时，环绕着另一个固定的转轴不停地旋转。 人们利用陀螺的力学性质所制成的角运动检测装置称为陀螺仪。陀螺仪有两个基本特性：定轴性和进动性。当陀螺转子以高速旋转时，在没有任何外力矩作用在陀螺仪上时，陀螺仪的自转轴在 惯性空间中的指向保持稳定不变，即指向一个固定的方向；同时反抗任何改变转子轴向的力量。这种物理现象称为陀螺仪的定轴性或稳定性。当转子高速旋转时，若外力矩作用于外环轴，陀螺仪将绕内环轴转动；若外力矩作用 于内环轴，陀螺仪将绕外环轴转动。其转动角速度方向与外力矩作用方向互相垂直。这种特性叫做陀螺

5、仪的进动性。陀螺仪器不仅可以作为指示仪表，而更重要的是它可以作为自动控制系统中的一个敏感元件。根据需要，陀螺仪器能提供准确的方位、水平、位置、速度和加速度等信号。2、机器人摔倒检测（加速度计）人体的平衡感融合了身体的角度信息和运动信息，至少有平衡感来自于人对重力的感觉。如果要给机器人感知重力的能力，给机器人提供平衡感，最普通的方式就是使用倾斜传感器或倾斜开关。倾斜传感器或倾斜开关测量机器人与地心引力方向的相对角度。如果机器人翻到了，则传感器测量的角度就会变化，这个变化产生一些列电信号，机器人的控制电路可以接受处理这些电信号。2.1加速度计测倾角一种精确又便宜的测量倾斜角的方法就是是用加速度计。

6、要测量机器人的倾斜角， 加速度计安装位置平行于机器人的行走平面。当机器人在水平平面静止时，加速度计不会探测到任何加速信息。当机器人有倾斜的时候，由于重力引起的加速度就会被加速度计感知，它的大小可以通过下式得到：重力引起的倾斜加速度 =9.9m/s2*sin （倾斜角）基本的加速度计是单轴的，只能检测一个坐标轴上的速度变化，但这并不影响它作为高性能的检测俯仰和运动的传感器使用。双轴加速度计能检测x和y两个方向的加速度。ADXL202是双轴加速度计，测量范围2个g（如果需要更大的测量范围， 可以选用ADXL210， 其范围为10个g）。ADXL202提供简单的数字输出，当加速度改变时，ADXL20

7、2的输出脉冲宽度也发生改变。这个改变被PC机或微控制器捕获后，通过软件进行处理。倾斜传感器其实就是是运用惯性原理的一种加速度传感器。当倾角传感器静止时也就是侧面和垂直方向没有加速度作用，那么作用在它上面的只有重力加速度。重力垂直轴与加速度传感器灵敏轴之间的夹角就是倾斜角了。当倾斜角为90度时，重力引起的倾斜加速度就是重力加速度，此时可以判断机器人摔倒。2.2加速度计的其他应用除了测量俯仰角和倾斜角，重力加速度计还可以完成以下功能：（1）冲击和振动检测。如果机器人撞上其他物体，加速度计会伴随一个峰值出现。因为加速度计的输出和碰撞能量大小成正比，机器人碰撞越剧烈，加速度计输出的峰值电压越大。而且加

8、速度计可以检测来自各个方向上的碰撞。（2）运动方向检测。如果机器人意外地产生运动或停止，其体现是速度发生改变，从 而加速度计会检测到该变化。这对必须在不平坦或未知地形中移动的机器人非常有用。3、机器人姿态识别（陀螺仪）陀螺仪是一种运动姿态传感器，它固定安装在机器人上面， 可以测量机器人运动过程中旋转的角速度。把测量到的角速度在计算机算法上进行积分，得到的是机器人运动旋转过程中转过的角度，这个角度很重要，通过角度，我们可以对机器人的动作进行控制。当仿人型机器人的手臂举起或放下、挺胸或曲背，手臂内的陀螺仪、 躯干内的陀螺仪转过的角度都不一样。将角速度的变化通过转换元件输出一个电信号，该电信号再由微

9、处理器CPU识别比进行相应处理，再反馈控制机器人。选用ADXRS150型微机械陀螺。它是一个功能完整的、低成本的、在一个芯片上集成 了所必须的电子元件的角速度传感器（陀螺）。它的输出信号是一个与电压成比例的角加速度信号。两个数字自我测试输入能让传感器测试传感器和信号调理电路的运作情况。4、电路设计对于这个姿态检测系统，其检测电路分为两个部分：陀螺仪信号采集和加速度计信号采 集。陀螺仪输出模拟信号，加速度计输出的是脉冲信号。系统框架如图1。图1系统框架图4.1加速度计的电路设计加速度计电路主要由 ADXL202构成，并辅助以一些滤波及调节电路；通过系统控制电路处理ADXL202产生的占空比调制信

10、号；采样电路中滤波电容选择Cx、Cy为O.luF，滤波带宽为50Hz，选择的周期T2的电阻为130k, T2=1.04ms。禾U用加速度计可以实现倾角传 感器。ADXL202的原理图如图2所示。图2 ADXL202原理图4.2陀螺仪的电路设计ADXRS150型微机械陀螺属于芯片级微机械陀螺，陀螺仪本身容易受到高频信号及其他外在因素的影响，导致其信号输出的不稳定。 为了有效滤除陀螺仪的高频信号， 在陀螺仪 的输出上增加But-terworth低通滤波电路。经过滤波电路再连接到单片机的 A/D端，从而减 少了数据处理的干扰，提高了检测精度。滤波电路如图3所示。5、信号处理及软件设计供静态的角度，但

11、是它容易受到噪声的干扰， 卡尔曼滤波来对信号进行数据融合。单独使用陀螺仪或者加速度计， 陀螺仪能够提供瞬间的动态角度变化， 它会随着工作时间的延长产生漂移误差。 使得数据变化较大。5.1卡尔曼滤波处理对于姿态检测系统而言，信息来保持机器人的平衡。性温度及积分过程的影响，都不能提供有效的而且可靠的 但是由于其本身的固有特 加速度计能够准确地提 为了克服这些问题，禾U用经过卡尔曼滤波的处理， 用加速度计的实现测量的倾斜角度来消除陀螺仪的漂移，在这个过程中，有害的噪声也被最小化了， 从而得到精确的角度估计。 通过卡尔曼滤波方法去跟 踪机器人的倾斜角度与陀螺仪的偏差，来完成机器人的姿态检测工作。5.2

12、软件设计对于姿态检测系统的软件设计包括以下几个部分：系统的初始化与自校准系统的中断处理程序，系统数据处理程序和数据通讯模块的设计。程序设计采用模块化思想，以便以后的功能扩展。对于姿态检测每次系统开启的时候，都有一个校准的过程， 这样是为了能够提高控制的精度。而在数据处理程序模块中，包括了数据的分类、滤波处理和自校准。计算得到的角度值通过数据通讯模块发送到相关的系统中同时也可以接受命令来对姿态检测系统进 行控制。6、总结通过MEMS惯性传感器（加速度计和陀螺仪）对仿人机器人姿态进行检测，通过卡尔 曼滤波来对信号进行数据融合，大大减小有害噪声，提高精确度；传感器将信息反馈给微处理器后，微处理器再根据检测到的信息对机器人实施相应控制。整个系统完美体现了测控技术的设计理念和完整流程。 虽然论文中大多引用文献，且许多内容尚未明了， 但整个系统的框架和基本工作原理已了然于胸。7、参考文献机器人设计与实现【美】Gordon McComb, Myke Predkohttp:/baike.baidu.c