CN108098760A - 一种新的双足机器人行走控制装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新的双足机器人行走控制装置及方法，所述装置包括：语音传感器模块、加速度传感器模块、信号采集模块、核心控制器STM32模块、舵机控制器模块及液晶显示模块；所述方法包括：S1，语音传感器模块采集、识别语音信号并与之前存储语音指令进行匹配，发送特定指令；S2，核心控制器STM32模块接收、转换并发送相应指令；S3，舵机控制器模块根据接收的指令控制机器人执行相应动作；S4，加速度传感器模块对运动机器人进行角度测试；S5，核心控制器STM32模块对角度测试数据进行采集、分析与处理，将其发送至液晶显示模块及舵机控制器模块；S6，根据质心轨迹，舵机控制器模块及时调整舵机运行状态，保证平稳运行，并实时监控机器人姿态。

Description

一种新的双足机器人行走控制装置及方法
技术领域
本发明属于人机交互，涉及一种新的双足机器人行走控制装置及方法。
背景技术
科学技术的发展日新月异，近百年来发展起来的机器人如今已风靡全球，并渗透到各行各业，时刻影响着我们的生活。
机器人由于具有良好的市场发展前景和重大的科学研究利用价值，使得全世界的国家都在这一热门领域中投入了大量的人力、物力以及财力。我国作为世界上第一大机器人消费市场，对这一智能化领域十分重视。
双足机器人是机器人研究中的一个热门方向，它模仿人类的行走方式，通过对自身的双脚进行类似运动从而达到行走的目的。该种机器人标志着人们对机器人的无限热情与期待，智能化时代已经到来，人类的明天会更加美好。
目前，大部分的双足机器人可有多种运行状态，但基本上都是提前设置好按键所代表的运行功能，再通过按下机器人或自带遥控器上的按键，执行相应的动作；而且，双足机器人在运动时也经常会出现倾斜甚至摔倒的情况。这些问题都对双足机器人的推广产生了负面的影响。
申请公布号为CN105608309A的发明专利申请公开了“一种双足机器人步行规划和控制方法”，该方法通过建立机器人的等效模型，确定符合等效模型的相变图，根据人体步态行走公示确定单步水平运动轨迹的相变图，即计算单步速度与单步步长/周期的关系，根据单步的水平运动轨迹计算的落脚点，并将计算的落脚点位置可控地转化为各关节完成运动的所需角度。该发明简化了单步步长/周期的计算，很好地对单步末速度进行预测，便于落脚点的实时计算与调整，但其仅实现了步行的规划，功能较单一。
申请公布号为CN105269577A的发明专利申请公开了一种“仿人双足机器人步态切换控制系统及控制方法”，该控制系统包括多个柔顺控制器，所述柔顺控制器包括磁流变单元、长度调节单元和反馈回路单元。该步态切换方法将事先规划好的走路(跑步)的末状态和跑步(走路)的初状态插值成连续光滑可导的曲线，同时，在线反复优化计算步态切换瞬间关节的运动轨迹，通过控制柔顺控制器活塞的往复运动，改变机器人杆件的质心位置、速度和加速度，当机器人有向前倾倒的趋势时，使前腿伸长，后腿缩短，机器人质心调后；当机器人有向后倾倒的趋势时，使前腿缩短，后腿伸长，机器人质心调前，控制机器人的稳定性，实现机器人走路、跑步间的自由切换，但该发明没有语音识别功能，无法实现语音控制，交互不友好。
发明内容
本发明目的在于提供一种新的双足机器人行走控制装置及方法，以STM32控制器为核心，采用三轴加速度传感器检测行走过程的质心轨迹信息，通过信息反馈及时矫正行走姿态；结合语音传感器实现对特定语音的识别，从而控制双足机器人实现多种运行状态；多传感器数据融合技术的应用，有效地提高了整个系统的可靠性，保证了双足机器人平稳的运行姿态。
为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：一种新的双足机器人行走控制装置及方法，其中，所述装置包括：语音传感器模块、加速度传感器模块、信号采集模块、核心控制器STM32模块、舵机控制器模块及液晶显示模块；其中，所述语音传感器模块通过串口与核心控制器STM32模块相连；所述加速度传感器模块与信号采集模块相连；所述信号采集模块与核心控制器STM32模块相连；所述核心控制器STM32模块通过串口与舵机控制器模块相连；所述液晶显示模块与核心控制器STM32模块相连。
进一步地，所述语音传感器模块用于对外界环境产生的语音信号进行采集、分析及识别。
进一步地，所述加速度传感器模块用于对运动中的机器人进行角度测试。
进一步地，所述舵机控制器模块用于根据语音指令执行指定运动并且及时调整舵机运行状态以保证机器人平稳运行。
进一步地，所述液晶显示模块用来对机器人姿态的实时监控。
所述控制方法包括：S1，语音传感器模块采集并识别特定语音信号，再与其内部人为存储的语音指令信息相匹配，匹配成功便发送该语音指令标志；S2，核心控制器STM32模块接收数据信息，分析判断后发送相应指令；S3，舵机控制器模块根据接收的指令控制机器人执行相应动作；S4，加速度传感器模块实现运动时机器人的角度测试；S5，核心控制器STM32模块对角度测试数据进行采集、分析与处理，将其质心轨迹以图形化的形式发送给液晶显示模块，并将相应的质心轨迹信息作为舵机控制的反馈信号；S6，根据质心轨迹的状态，舵机控制器模块及时调整舵机运行状态，保证机器人平稳运行，并实时监控机器人的姿态。
本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：
本发明方案以ARM处理器、三轴加速度传感器和舵机控制器为一体，通过对双足机器人的行走步伐进行规划并以质心轨迹为反馈信号来检测相应的行走状态，最终以人性化语音指令来控制双足机器人进行各种特定运动，有效地提高了整个系统的可靠性，保证了双足机器人平稳的运行姿态。
附图说明
图1是新的双足机器人行走控制系统的方案框图。
图2是语音采集器的语音识别流程图。
图3是加速度传感器的角度检测原理图。
图4是质心轨迹数据的显示流程图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明进行更加详细与完整的说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。
参照图1，本发明的一种新的双足机器人行走控制装置及方法，其中，所述装置包括：语音传感器模块、加速度传感器模块、信号采集模块、核心控制器STM32模块、舵机控制器模块及液晶显示模块；其中，所述语音传感器模块通过串口与核心控制器STM32模块相连；所述加速度传感器模块与信号采集模块相连；所述信号采集模块与核心控制器STM32模块相连；所述核心控制器STM32模块通过串口与舵机控制器模块相连；所述液晶显示模块与核心控制器STM32模块相连。
其中，所述语音传感器模块用于对外界环境产生的语音信号进行采集、分析及识别；所述加速度传感器模块用于对运动中的机器人进行角度测试；所述舵机控制器模块用于根据语音指令执行指定运动并且及时调整舵机运行状态以保证机器人平稳运行；所述液晶显示模块用来对机器人姿态的实时监控。
所述控制方法包括：
S1，语音传感器模块采用语音识别集成控制模块ASR M08-A，该模块具有体积小、操作简单、识别度较高及串口通信的优点。参照图2，首先将外部语音信号通过ADC进行采集，然后进行一系列的处理，通过线性预测(LPC)参数提取出其相应的特征，之后将提取的语音特征矢量参数与参考模式库中的模式进行相似性度量比较，并结合一定的判别规则和专家知识得出最终的识别结果，以呈现好的人机交互界面。
本发明专利通过ASR M08-A模块对外界环境产生的语音信号进行监控，当外界有“走路”、“跳舞”之类的特定语音信号产生时，模块就会接收这个语音信号并进行采集、特征提取、比较与匹配。其内部可以人为的存储一些语音指令信息，若该语音信号与初始设置的语音指令一致时，如“01”表示“走路”，则收到“走路”这条语音信息后，其自带的串口便发送数据“01”作为标志，提示用户外界的语音信息是“走路”。
S2，核心控制器STM32模块检测串口接收的数据信息，分析判断后发送相应指令。
S3，舵机控制器模块根据接收到的指令控制机器人做出相应的动作。
S4，加速度传感器模块实现运动时机器人的角度测试；本发明采用高精度三轴加速度传感器MMA7361L实现角度测试，其核心算法是建立输出电压和角度之间的函数映射关系。
以MMA7361L传感器X轴方向的倾角计算为例，取传感方向X轴与重力加速度g垂直时的状态为零倾斜角度，当倾角为θ时，X轴方向倾角测量原理参照图3，传感X轴方向的重力加速度分量g(θ)＝g·sin(θ)，当θ→0时，有：
从上式可以看出，当倾斜角θ为一个小角度时，其角度的变化率(即导数)越大并趋向于g时有助于提高小角度测量的分辨率。因此该零倾斜角度的选择方式有助于小角度的精确测量。由于传感器的加速度分量与其电压成正比，且精度是800V/g，因此倾角为：
因此，我们通过三轴加速度传感器可以对双足机器人的运动质心状态进行监控。
参照图4，
S5，核心控制器STM32模块对角度测试数据进行采集、分析与处理，将其质心轨迹以图形化的形式发送给液晶显示模块，并将相应的质心轨迹信息作为舵机控制的反馈信号；
S6，根据质心轨迹的状态，舵机控制器模块及时调整舵机运行状态，保证机器人平稳运行，并实时监控机器人的姿态。
首先通过ARM处理器对MMA7361L模块进行数据采集，然后将数据存储在ARM的内存中，并取多次平均值以保证其正确性，将结果代入公式(2)对角度进行换算，并将检验结果与最大质心偏离角对比，若大于该值，则让ARM发送矫正指令，使机器人停止运动，返回上一姿态，以保证其稳定性。与此同时，通过相应的变换将角度值变换为LCD坐标数据。因为LCD已提前建立以时间为X轴，偏离角为Y轴的坐标轴，将数据填充进去后，反复多次便可得到机器人行走过程中的质心轨迹图。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新的双足机器人行走控制装置，其特征在于，所述装置包括：语音传感器模块、加速度传感器模块、信号采集模块、核心控制器STM32模块、舵机控制器模块及液晶显示模块；其中，所述语音传感器模块通过串口与核心控制器STM32模块相连；所述加速度传感器模块与信号采集模块相连；所述信号采集模块与核心控制器STM32模块相连；所述核心控制器STM32模块通过串口与舵机控制器模块相连；所述液晶显示模块与核心控制器STM32模块相连。
2.根据权利要求1所述的一种新的双足机器人行走控制装置，其特征在于，所述语音传感器模块用于对外界环境产生的语音信号进行采集、分析及识别。
3.根据权利要求1所述的一种新的双足机器人行走控制装置，其特征在于，所述加速度传感器模块用于对运动中的机器人进行角度测试。
4.根据权利要求1所述的一种新的双足机器人行走控制装置，其特征在于，所述舵机控制器模块用于根据语音指令执行指定运动并且及时调整舵机运行状态以保证机器人平稳运行。
5.根据权利要求1所述的一种新的双足机器人行走控制装置，其特征在于，所述液晶显示模块用来对机器人姿态的实时监控。
6.一种应用权利要求1所述的一种新的双足机器人行走控制装置实现的控制方法，其特征在于，所述方法包括：S1，语音传感器模块采集并识别特定语音信号，再与其内部人为存储的语音指令信息相匹配，匹配成功便发送该语音指令标志；S2，核心控制器STM32模块接收数据信息，分析判断后发送相应指令；S3，舵机控制器模块根据接收的指令控制机器人执行相应动作；S4，加速度传感器模块实现运动时机器人的角度测试；S5，核心控制器STM32模块对角度测试数据进行采集、分析与处理，将其质心轨迹以图形化的形式发送给液晶显示模块，并将相应的质心轨迹信息作为舵机控制的反馈信号；S6，根据质心轨迹的状态，舵机控制器模块及时调整舵机运行状态，保证机器人平稳运行，并实时监控机器人的姿态。
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