《電子技術(shù)應(yīng)用》
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ADXL203型雙軸加速計(jì)在機(jī)器人足部感知系統(tǒng)中的應(yīng)用
來(lái)源：電子技術(shù)應(yīng)用2012年第5期
申海義1，2，吳寶元2，任 陽(yáng)1，2，申 飛3，吳仲城3
1．中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 自動(dòng)化系，安徽 合肥230026； 2．中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所，安徽 合肥230031； 3．中國(guó)科學(xué)院強(qiáng)磁場(chǎng)科學(xué)中心，安徽 合肥230031
摘要： 仿人機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下穩(wěn)定行走，僅僅依靠地面反力信息遠(yuǎn)不能滿足應(yīng)用要求，此時(shí)足部的傾角信息顯得更為重要。腳面傾角可以反映地面傾斜狀態(tài)，是仿人機(jī)器人穩(wěn)定控制的一個(gè)重要依據(jù)。利用ADXL203雙軸加速度傳感器與DSP（TMS3202811）實(shí)現(xiàn)對(duì)傾角信息的實(shí)時(shí)高速采集與處理，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了傾角傳感器在機(jī)器人足部感知系統(tǒng)中是可行的。
中圖分類號(hào)： TP212
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
文章編號(hào)： 0258-7998(2012)05-0059-03
Application of dual-axis accelerometer ADXL203 in perceptual foot system of humanoid robot
Shen Haiyi1，2，Wu Baoyuan2，Ren Yang1，2，Shen Fei3，Wu Zhongcheng3
1．University of Science and Technology of China, Hefei 230026，China； 2．Insititute of Intelligent Machines,CAS, Hefei 230031，China； 3．High Magnetic Field Laboratory, CAS, Hefei 230031，China
Abstract： In complex environments, ground reaction force can not meet the demand of walking stably for humanoid robot, then angle information of foot is more important in this application. The feet dip angle can reflect the sloping ground state, it is an important basis of the humanoid robot stability control.The high-speed real-time collection and processing of angle information is realized by using ADXL203 dual axle acceleration sensor and DSP(TMS3202811), and through the experiment proof that the tilt sensors in the robot foot perception system is feasible.
Key words : humanoid robot；foot sensing system；dip angle；acceleration

    仿人機(jī)器人是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的綜合學(xué)科。運(yùn)動(dòng)功能是仿人機(jī)器人最基本的功能，其中雙足穩(wěn)定可靠行走是進(jìn)行作業(yè)的基本保障，也是仿人機(jī)器人實(shí)用的前提條件。目前仿人機(jī)器人的雙足行走步態(tài)規(guī)劃主要是基于零力矩點(diǎn)ZMP（Zero Moment Point）控制理論。實(shí)際上，人行走過(guò)程中，足底的神經(jīng)末梢可實(shí)現(xiàn)地面接觸位置、地形、地面反作用力大小和方向等信息的實(shí)時(shí)感知，并及時(shí)反饋到中樞神經(jīng)系統(tǒng)，使之能及時(shí)調(diào)整身體姿勢(shì)。仿人機(jī)器人要適應(yīng)人類生活、工作環(huán)境，基于足部信息的仿人機(jī)器人穩(wěn)定行走控制就顯得尤為重要，特別是在不平整路面上步行、轉(zhuǎn)彎、上下樓梯時(shí)，其足部姿態(tài)信息就顯得更為重要。而足部姿態(tài)信息中的腳面傾角信息是仿人機(jī)器人穩(wěn)定控制的重要依據(jù)[1]。它可以讓仿人機(jī)器人感知腳面傾斜情況，在穩(wěn)定著地時(shí)，腳面傾角還可以反映地面傾斜狀態(tài)，是仿人機(jī)器人穩(wěn)定控制的一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。

1 系統(tǒng)介紹
    本文研究基于本實(shí)驗(yàn)室研制的集成化仿人機(jī)器人足部感知系統(tǒng)[2-3]，以使仿人機(jī)器人能夠感知復(fù)雜地面環(huán)境信息，目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走過(guò)程中有效穩(wěn)定支撐區(qū)域、ZMP軌跡、地形、地面反作用力等信息實(shí)時(shí)感知。
    仿人機(jī)器人足部感知系統(tǒng)是由六維力傳感器、ADXL203雙軸加速度傳感器、柔性力傳感器陣列、信號(hào)處理單元、電源單元、減震層和基板構(gòu)成。其中，ADXL203雙軸加速計(jì)即可測(cè)量動(dòng)態(tài)加速度，又可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)諸如重力加速度的靜態(tài)測(cè)量，此時(shí)可以替代傾角傳感器進(jìn)行傾斜測(cè)量，得到靜態(tài)腳面傾角信息。
    信號(hào)處理板的主要功能是采集傾角傳感器(ADXL203)、六維力傳感器、柔性力傳感器陣列的信號(hào)，計(jì)算有效穩(wěn)定支撐區(qū)域、ZMP軌跡、地形、地面反作用力等信息，并將上述信息輸出給上位機(jī)。
2 利用ADXL203雙軸加速計(jì)測(cè)量?jī)A角的原理
    ADXL203是美國(guó)ADI公司推出的一種高精度、低功耗及單一的iMEMS型IC芯片雙軸加速計(jì)。其原理為通過(guò)測(cè)量重力加速度g在敏感軸上的分量，通過(guò)計(jì)算將其轉(zhuǎn)化成傾角，得到傳感器相對(duì)于水平面的傾斜和俯仰角度[4-5]。
    以重力矢量作為基準(zhǔn)，將它的X軸和Y軸水平放置定義為0°。此時(shí)加速度傳感器ADXL203處于水平位置，參考面為水平面，Z軸為重力勢(shì)方向，當(dāng)繞X軸或Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，有：

3 傾角信息獲取
3.1 測(cè)量電路硬件設(shè)計(jì)
    考慮到系統(tǒng)中數(shù)據(jù)處理量很大，采用TI公司的32 bit的TMS320F2811作為處理器。TMS320F2811具有片內(nèi)12 bit A/D轉(zhuǎn)換器，快速轉(zhuǎn)換時(shí)間為80 ns；最高傳輸速率為1 Mb/s的增強(qiáng)型CAN總線（eCAN），可以達(dá)到機(jī)器人足部感知系統(tǒng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、處理和傳輸?shù)囊蟆?br/>     ADXL203雙軸加速度計(jì)XOUT和YOUT輸出為模擬信號(hào)，直接由TMS3202811的片內(nèi)A/D進(jìn)行采樣，ADXL203提供了電源接口、自檢電壓輸出接口、XOUT和YOUT電壓輸出和公共地。其中電源的輸入范圍為3 V~6 V，DSP(TMS320F2811)的VDDA1輸出3.3 V經(jīng)過(guò)電感L2、0.1 μF和10μF電容濾除諧波，去除耦合為傳感器供電。自檢模式不使用，自檢電壓接口通過(guò)電阻接地。XOUT和YOUT 經(jīng)過(guò)低通濾波，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的去鋸齒和噪聲削弱，XOUT 和YOUT選取的濾波電容為0.1 μF，此時(shí)帶寬為50 Hz，RMS噪聲為1 mg。TMS3202811通過(guò)ADCINA0和ADCINA1與ADXL203雙軸加速計(jì)相連，連接圖如圖1所示。

3.2 傾角測(cè)量軟件設(shè)計(jì)
    對(duì)傳感器的輸出信息進(jìn)行采集是本系統(tǒng)的最基本功能，系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要完成對(duì)加速度傳感器信號(hào)的采集、處理和傳輸。
    仿人機(jī)器人足部感知系統(tǒng)需要同時(shí)采集和處理六維力傳感器、傾角傳感器和柔性力傳感器陣列的數(shù)據(jù)。為了提高系統(tǒng)的效率，采用中斷的方式實(shí)現(xiàn)。
    定時(shí)器的定時(shí)周期配置為10 ms，每10 ms進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集A/D轉(zhuǎn)換，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成后，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，不僅包括A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果的寄存器移位操作，本系統(tǒng)還使用了過(guò)采樣技術(shù)，使A/D的轉(zhuǎn)換精度更高，使A/D轉(zhuǎn)換器由原來(lái)的12位提高到13位，分辨率更高。數(shù)據(jù)處理結(jié)束，使標(biāo)志位置位，由主程序進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送，通過(guò)增強(qiáng)型CAN（eCAN）總線發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)界面顯示傾角信息。
    系統(tǒng)的軟件流程如圖2所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    為了驗(yàn)證ADXL203型雙軸加速度傳感器在機(jī)器人足部感知系統(tǒng)中的可行性，利用Visual C++ 開發(fā)了上位機(jī)的界面用于顯示傾角的變化，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由TMS3202811通過(guò)CAN接口發(fā)送。此外，由CAN—USB連接上位機(jī)，上位機(jī)將數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理，轉(zhuǎn)化為機(jī)器人足部的傾角值。實(shí)驗(yàn)中，將機(jī)器人的足部腳板X、Y方向先置于0°，上位機(jī)顯示界面打開，再模仿機(jī)器人起步將足部腳板置于障礙物上，此時(shí)，X方向仍為0°，Y方向傾斜約為45°，然后再模仿機(jī)器人足部落地將腳板重新置于0°，上位機(jī)界面可以實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人足部的傾角信息。顯示界面如圖3和圖4所示。圖3中，Y軸表示X軸方向傾角(pitch)大小，圖4中Y軸表示Y軸方向傾角(roll)大小，X軸均表示正在顯示當(dāng)前的65個(gè)采樣點(diǎn)的傾角值。由圖可知，ADXL203雙軸加速計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)仿人機(jī)器人足部?jī)A角信息的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。

 

 

    ADXL203是晶體硅固體結(jié)構(gòu)的加速計(jì)，它受溫度的影響極小，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以TMS3202811和ADXL203為核心來(lái)測(cè)量機(jī)器人足部感知系統(tǒng)的傾角信息，測(cè)量精度高、功耗低、成本低，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙軸輸出，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)仿人機(jī)器人的足部靜態(tài)傾角信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)于仿人機(jī)器人在復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定控制，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行走提供了重要保證。但ADXL203雙軸加速計(jì)只能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)靜態(tài)腳面傾斜信息的監(jiān)測(cè)，下一步準(zhǔn)備引入角速度傳感器，與ADXL203配合實(shí)現(xiàn)對(duì)腳面動(dòng)態(tài)傾角信息的監(jiān)測(cè)，將會(huì)為仿人機(jī)器人穩(wěn)定行走提供更全面的姿態(tài)信息。
參考文獻(xiàn)
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