樊启润;唐彪;孙开鑫;万美琳;卢仕
点胶机密封圈【摘 要】所述六足仿生机器人基于SoC FPGA平台实现,结合了机械结构设计、六足步态控制、蓝牙传输技术、弯曲传感器、OpenCL图像处理加速、VR显示等诸多技术;ARM部分作为主控,存储摄像头视频图像,并调用FPGA模块对图像处理加速,通过路由器架设的局域网向VR眼镜输出视频流信息;FPGA部分用于接收蓝牙信号,驱动机器人手臂运动,摄像头拍摄角度切换以及六足行进;实际操作时操作者需佩戴自制的数据手套和VR眼镜;操作数据手套上的方向按键可控制机器人移动;数据手套的每个手指上安装有弯曲传感器,用于控制机械手臂跟随人手实时运动;VR眼镜中放置一个智能手机作为显示终端,实时显示机器人摄像头获取的画面;经过多次实际测试,操作者佩戴VR眼镜及数据手套均可远程操控机器人抓取置于复杂地形中的水瓶. 【期刊名称】《计算机测量与控制》
【年(卷),期】2019(027)005
【总页数】7页(P245-250,270)
【关键词】六足仿生机器人;SoC FPGA;OpenCL图像处理加速;VR显示
【作 者】樊启润;唐彪;孙开鑫;万美琳;卢仕
【作者单位】湖北大学物理与电子科学学院,武汉430062;湖北大学物理与电子科学学院,武汉430062;湖北大学物理与电子科学学院,武汉430062;湖北大学物理与电子科学学院,武汉430062;湖北大学物理与电子科学学院,武汉430062
【正文语种】中 文
【中图分类】TP274
0 引言
近年来，用机器人替代人类进入条件恶劣或者高度危险的区域工作已经成为一种趋势。例如机器人进行水下作业、无人机进行侦查勘测、机器人在废墟中探测生命迹象等。然而许多在路面作业的轮式或履带式机器人在遇到复杂地形时，因地形原因将无法正常工作。其
次大多数的机械臂无法像人手一般灵活，在特殊环境下增加了控制者的操作难度为解决以上问题，本项目基于SOC-FPGA平台设计实现了一种可在复杂地形行动，机械臂可跟随人手实时作业，可运用VR眼镜实时观察行径中的全景图像的六足仿生机器人。
1 系统框架设计
系统框图如图1所示，主要由视频成像设备、仿生机器人主体、远程控制设备三部分构成。其中视频成像设备是戴在操作者头部的VR眼镜，远程控制设备是穿戴在操作者手上的数据采集手套。
图1 系统整体框架
1.1 机器人主体设计
meno21.1.1 外部结构设计
机器人主体实物如图2所示，由六足底座、DE1-SOC开发板、仿生手臂、USB摄像头、无线路由器及两个蓝牙模块组成。DE1-SoC开发平台作为机器人的信息处理中心，是基于台
湾友晶公司设计生产的Intel SoC FPGA硬件设计平台，具备强大的双核Cortex-A9处理器和行业领先的可编程逻辑器件[1]。高清USB摄像头作为机器人的视频输入设备，同时配备两个舵机控制其拍摄角度。无线路由器用于构建局域网，实现机器人到视频成像设备的视频实时传输。蓝牙A、蓝牙B两个蓝牙传输模块，分别用于操作者头部运动信息和远程控制设备信息的接收。 全自动保管箱如图3所示，机器人的运动部件为对称的六脚蜘蛛结构的底座，六足支撑状态站立时，底座尺寸为长：48 cm；宽：43.5 cm；净高：9 cm；包含开发平台及摄像头主体高度：48.7 cm。
图2 机器人主体实物图 图3 六足底座模型
机器人单足尺寸为：宽5.5 cm；伸直状态下，足长：23 cm。且第一关节长：14 cm；第二关节长：9 cm；第三关节长：5 cm。每只脚均装配有三个舵机，如图4所示，实现了三个自由度运动的控制。1号舵机控制“足”在XY平面的旋转；2、3号舵机控制“足”的两个不同关节在垂直于XY平面方向的伸缩。舵机主要参数如表1所示。
图4 足部舵机分布图表1 六足底座舵机参数
舵机型号重量尺寸LD-201560g40∗20∗40.5mm速度堵转扭矩工作电压0.16sec/60°15-17kg/cm6-7.4V
如图5所示，仿生手臂及手指采用3D打印制作，手臂截面直径最大为10.5 cm，手掌张开手臂全长为42.5 cm，内部安装有5个MG995型号舵机，具体参数如表2所示。用5条高强度编织绳将其与手指连接。通过舵机来牵扯编织绳，实现对手指弯曲程度的控制。
图5 仿生手臂内部结构
1.1.2 控制逻辑设计
控制逻辑分为三个部分，分别是陀螺仪的数据收集与脂肪酸酰胺
表2 手臂内部舵机参数舵机型号重量尺寸MG99562g40∗20∗36.5mm速度堵转扭矩工作电压0.13-0.17sec/60°13kg/cm3-7.2V
处理；弯曲传感器信号接收与处理；方向控制指令的接收与处理。
陀螺仪数据收集与处理模块，细分为如下子模块：蓝牙连接指令存储模块，串口数据发送
模块，串口数据接收模块，数据处理模块，算法模块，舵机控制模块。蓝牙信号传输工作波特率数值设置为1 200。其工作逻辑为，串口数据发送模块发送连接指令，连接成功后串口接收模块接收数据。数据经数据处理模块提取出有效数据，如陀螺仪的滚转角、俯仰角、偏航角。有效数据输出至算法模块，转换为摄像头舵机的控制信号。最后将控制信息发送至舵机控制模块，实现对摄像头拍摄角度的控制。
在弯曲传感器信号接收与处理模块中，其蓝牙信号传输部分波特率数值设置为9 600，原理与陀螺仪信号接收相同。在数据接收后传入数据处理模块进行解码操作，输出预置的控制信号给舵机控制模块，实现对机械臂的控制。
方向控制指令的接收与处理模块包含指令接收，指令发送以及解码模块。蓝牙传输波特率数值设置为115 200，经指令发送模块发送握手信号，连接成功后，接收模块接收蓝牙数据。经解码模块将其与预置数据进行比对。得出相应的控制信号，将其发送至舵机控制模块，从而驱动底座运动。
耳包1.2 远程控制设备设计
青花瓷首饰远程控制设备为一个自制的数据手套，如图6所示，由六片应变传感器、方向控制板以及蓝牙模块组成。应变传感器获取操作者五个手指和手臂的弯曲程度[2]，转换成数据信号后连同控制板输出的方向信号一起通过蓝牙模块发送至仿生机器人主体，实现对六足底座和仿生手臂的控制。
图6 远程控制设备实物图
1.3 视频成像端设计
视频成像端实物如图7所示，主体为一个VR头盔，内部放置一部安卓手机，陀螺仪，锂电池以及蓝牙模块。陀螺仪采集操作者头部运动信息，通过蓝牙模块发送至仿生机器人主体，信号经处理后用于控制机器人摄像头的拍摄角度，将眼镜盒中的智能手机连入由路由器所构建的局域网中。打开我们自行编写的APP，即可将机器人传输过来的图像实时显示在屏幕上，调焦旋钮用于调整手机到VR目镜的距离。
图7 远程控制端实物图
2 功能实现方案
2.1 六足步态设计
机器人六足步态设计分为前进后退步态设计与旋转步态设计。其中步态设计分为六足整体行进步态和单足摆动步态设计。并在仿生机器人行进过程中采用PID控制器以调整行走幅度[3]。
2.1.1 前后行走步态设计
六足的编号以及分布位置如图8所示，为使机器人可以克服复杂地形并平稳行走，参考蜘蛛的行走方式，规划出仿生机器人行走的步态。根据步态规划得出一个机器人前进过程中六足分时摆动的动作顺序图，如图9所示。为保证仿生机器人在运动过程中重心不会出现大幅度晃动，在机器人的行进步态中加入两个六足支撑阶段以稳定重心。从图中可以看出运动的一个周期中含有足摆动阶段和六足支撑阶段。第一阶段与第五阶段六足均不运动，六足全部触地调整重心。在其他阶段中足的运动顺序为：6号足、4号足、2号足、5号足、3号足、1号足。此动作顺序可有效避免机器人在前进的过程中重心后摇或者主体大幅度摆动[4]。该过程称为一个运动周期，如此反复以实现仿生机器人的前进行驶。
图8 六足编号与分布
控制单个足摆动的步骤分为垂直上升阶段、向前摆动阶段、垂直下降阶段[5]。设置垂直上升阶段和垂直下降阶段的目的是为了避免足在运动的多个阶段中多次碰到障碍物而影响步态节奏以及减小足在运动过程中的行进阻力，加快行进速度。设定上升阶段与下降阶段的高度均为25 cm，以克服常见的不平整路面。在水平摆动阶段中，主要工作的设备是每只足的一号舵机，假设在一次水平摆动的过程中，足没有触碰任何障碍物，则足在XY平面水平转动15°。如果有障碍物阻挡足的水平摆动，且此时舵机旋转角度为θ1。足会顺势下落重新执行垂直上升阶段，二次水平旋转的角度由第一次旋转角度的大小决定。二次水平旋转的角度θ2=15°-θ1，以弥补一次旋转过程中所缺省的行进路程。
图9 前进步态
对六足输入PWM控制方波的过程中，如图10所示采用PID控制器来对关节角度进行调整。以现态的关节输出量作为系统反馈信号与期望的关节角度进行积分运算，输入PID控制单元，将调整后的控制量再次输入关节，形成一个闭环控制系统。一旦控制量进入饱和区，将削弱积分项的运算，从而减小次态中对关节的输入量，起到饱和抑制的作用。
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