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基于大数据聚类的机器人步态控制系统设计 ...
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[智能机器人资料]
基于大数据聚类的机器人步态控制系统设计
sichuguancha
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sichuguancha
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发表于 2022-4-15 17:20:34
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来自
广东省深圳市
摘要:为提高机器人关节的运动灵活性,使其具有更快、更稳的步行能力,设计基于大数据聚类的机器人步态控制系统;通过传感器设备为主处理器元件、舵机控制板提供足量的传输电信号,完成机器人步态控制系统
硬件设计
;定义关键的关节点,通过建立适应度函数的方式,实现基于大数据聚类的步态节点安排;分别从支撑腿运动规划、摆动腿运动规划两方面着手,收集大量的步态运动信息,再联合已知函数条件,对机器人关节角度进行求解,完成机器人行进步态的规划与处理,实现基于大数据聚类机器人步态控制系统的应用;实验将所得关节弯曲次数、角度值与理想数值对比可知,所设计系统位姿标定情况下关节弯曲次数值大、角度值小,机器人关节的运动灵活性水平高,具有相对稳定的步行运动能力。
针对于定向性信息来说,大数据具有快速增长的变化能力,且其从属复杂度也会随网络环境的改变而产生变化。大数据可以看作是当数据规模扩大到一定程度后而产生的信息量质变行为,同时包含多种数据信息类型,不但涉及文字、图像等传统的结构化信息,也包含声音、视频等连续的新型非结构化信息,且与其他类型的数据参量相比,大数据在传输时间方面的应用要求更高0-21。从范围空间的角度来看,大数据信息以整个互联网空间作为提取背景,特别是针对运动学等应用问题来说,大数据参量所能提供的参考信息更多,不仅能够保障相关函数公式定义的运算有效性,也可实现对数据统计环境的较好完善。
传统机器人步态控制系统已经应用于实际工作中,例如文献【4】提出逆运动学控制系统,在硬件方面采用
TMS320
VC5509A设备作为设计核心,结合测距传感器、
压力传感器
、惯性传感器等元件对步态数据的采集时序进行实时控制,再通过姿态解算的方式,确定运动过程中的角度与速度数值。然而此系统所标定的机器人行为位姿角度过大,易使其关节灵活性受到影响,从而使得机器人步行能力受到影响。文献【5】提出基于电容式触觉传感器的机器人步态控制系统,利用电容式触觉传感器采集测量参数,包括机器人运动峰值法向力的大小和时间,以及腿部旋转速度,当机器人穿越不同类型的地形时,传感器会测量接触力,基于步态性能研究,通过实时地形分类实现了基于地形的步态控制。该系统位姿标定较为准确,但机器人步态控制的运动灵活性水平较差。
针对此问题,引入大数据聚类思想,设计新型的机器人步态控制系统,利用舵机控制板、传感器电路等设备元件,规划机器人支撑腿、摆动腿的瞬时运动行为,再结合聚类算法的适应度函数条件,实现对关节角度的计算与求解。
1 、机器人步态控制系统总体设计方案
机器人步态控制系统的总体设计应从传感器设备、主处理器元件、舵机控制板3个角度同时进行,具体操作方法如下。
1.1 传感器设备
为了完成对机器人行走步态位姿的实时修正与控制,需要不断获取机器人行为及其所处周围环境的具体信息,在此过程中,传感器设备起到了至关重要的调节作用,且只有在多级传感器元件的共同配合之下,才能实现对机器人步态信息的按需处理。利用九轴传感器采集机器人步态位姿信息,结合压力元件了解足底与地面之间的接触情况,再通过大数据聚类算法将已获取的信息发送给下级舵机控制板设备。
1)九轴传感器
MPU9250是九轴传感器的核心组成元件,如图1所示,由两部分应用结构共同组成。其中一组为单独的3轴磁力计,另一组为3轴加速度计与陀螺仪的连接组合。这种传感设备的物理体积较为小巧,拥有SPI、IIC两种最基本的数据通信方式。
传感器内部具有完整的16位ADC,对于数据型电量输出信号来说,元件结构为其匹配的可测参量范围相对较为广泛。机器人步态控制系统利用IIC总线读取MPU9250中的存储数据信息。
2)红外测距传感器
红外测距传感器安装于机器人头部舵机中,可通过舵机的转动自测来判断机器人前方运动范围内是否具有障碍物*71。传感器元件的应用遵循三角测量原理,根据障碍物所处位置的不同,所发出测距信号的返回接收位置也有所不同。
3)压力传感器
压力传感器外附着一层电阻式薄膜,可用来判断机器人在运动过程中脚底是否与地面接触,具有重量级轻、体积小的应用优点。
1.2 主处理器元件
考虑到机器人步态控制系统的响应与集成要求,应选择TMS320VC5509A作为主处理器元件的核心应用
芯片
,如图1所示。TMS320VC5509A芯片可将信息转化为数字传输信号,并对其进行后续的传递与处理,具有相对高速的应用特点。External Memory Interface 主操控结构可通过片选信号的方式,对隶属于芯片外部的存储空间进行选用,且由于GPIO、EHPI、Syspem、McBSP、RTC等多个接口的同时存在,控制系统主处理器元件可直接将舵机控制板由同步状态调制至异步状态,也可实现反向调制。
从宏观性角度来看,主处理器元件的应用优点主要表现在如下几个方面。
1)集成性能良好主处理器元件内集成了多组信号通讯模块,可在主电源支持下,实现由机器人步态控制数据到控制信号的转换。
2)运行速度较快∶C55 DSP Core芯片可快速采集机器人步态行进指令,且大多数指令都可在同一信号处理周期内完成调整,因此主处理器元件可对机器人前进行为进行有效的中断控制。
3)稳定能力强、运算精度高∶在主处理器元件中,TMS320VC5509A芯片通常都拥有独立的高精度并行乘法器设备与之配套,且所有与机器人步态行为相关的指令都是针对该模块专门设计的。
4)接口覆盖量大为便于与下级控制设备建立稳定的连接关系,主处理器元件设置6-Chan DMA、INT、JTAG 等多个接口组织,在机器人运行过程中,这些接口同时接受C55 DSP Core 主芯片的调度,因此其应用能力始终保持高度的一致性。
1.3 舵机控制板
单纯的TMS320VC5509A芯片在机器人步态控制方面的应用能力较为薄弱,若将其直接与19路舵机关联起来,则会显得机器人的前进步态过于不稳定D1。因此,在新型机器人步态控制系统中,将驱动舵机的任务分配给了应用级别更高的舵机控制板元件,当使用DSP指令发送模式时,舵机板可代替独立的19 路舵机对信号传输行为进行控制,从而形成一种完整的“两级”连接结构,其电路原理图如图2所示。
SSC-32U以ATmega328作为主控元件,在接收到上位机控制指令后,可以对下级舵机设备进行同步驱动,与TMS320VC5509A芯片相比,其负载能力更强,在作用过程中,不限制舵机设备的实际连接形式。由于ATmega328 元件的存在,整个SSC-32U芯片外部的驱动电压始终保持为稳定数值【1】。针对于机器人步行运动来说,SSC-32U型舵机控制板输出的信号数据同时包含舵机角度、转动时间的物理信息。一般情况下,各个关节的运动与停止能够保持高度统一的状态,但若仅改变一个关节的运动角度数值,通过操作舵机控制板也是可以直接实现的。
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chenghui
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chenghui
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资料很有参考价值,值得下载~
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