ADXL203型双轴加速计在机器人足部感知系统中的应用

摘  要： 仿人机器人要实现在复杂环境下稳定行走，仅仅依靠地面反力信息远不能满足应用要求，此时足部的倾角信息显得更为重要。脚面倾角可以反映地面倾斜状态，是仿人机器人稳定控制的一个重要依据。利用ADXL203双轴加速度传感器与DSP（TMS3202811）实现对倾角信息的实时高速采集与处理，并通过实验证明了倾角传感器在机器人足部感知系统中是可行的。
关键词： 仿人机器人；足部感知系统；倾角；加速度
       仿人机器人是近年来发展起来的综合学科。运动功能是仿人机器人最基本的功能，其中双足稳定可靠行走是进行作业的基本保障，也是仿人机器人实用的前提条件。目前仿人机器人的双足行走步态规划主要是基于零力矩点ZMP（Zero Moment Point）控制理论。实际上，人行走过程中，足底的神经末梢可实现地面接触位置、地形、地面反作用力大小和方向等信息的实时感知，并及时反馈到中枢神经系统，使之能及时调整身体姿势。仿人机器人要适应人类生活、工作环境，基于足部信息的仿人机器人稳定行走控制就显得尤为重要，特别是在不平整路面上步行、转弯、上下楼梯时，其足部姿态信息就显得更为重要。而足部姿态信息中的脚面倾角信息是仿人机器人稳定控制的重要依据[1]。它可以让仿人机器人感知脚面倾斜情况，在稳定着地时，脚面倾角还可以反映地面倾斜状态，是仿人机器人稳定控制的一个关键参数。
1 系统介绍
     本文研究基于本实验室研制的集成化仿人机器人足部感知系统[2-3]，以使仿人机器人能够感知复杂地面环境信息，目标是实现机器人行走过程中有效稳定支撑区域、ZMP轨迹、地形、地面反作用力等信息实时感知。
     仿人机器人足部感知系统是由六维力传感器、ADXL203双轴加速度传感器、柔性力传感器阵列、信号处理单元、电源单元、减震层和基板构成。其中，ADXL203双轴加速计即可测量动态加速度，又可以用来实现诸如重力加速度的静态测量，此时可以替代倾角传感器进行倾斜测量，得到静态脚面倾角信息。
     信号处理板的主要功能是采集倾角传感器(ADXL203)、六维力传感器、柔性力传感器阵列的信号，计算有效稳定支撑区域、ZMP轨迹、地形、地面反作用力等信息，并将上述信息输出给上位机。
2 利用ADXL203双轴加速计测量倾角的原理
     ADXL203是美国ADI公司推出的一种高精度、低功耗及单一的iMEMS型IC芯片双轴加速计。其原理为通过测量重力加速度g在敏感轴上的分量，通过计算将其转化成倾角，得到传感器相对于水平面的倾斜和俯仰角度[4-5]。
     以重力矢量作为基准，将它的X轴和Y轴水平放置定义为0°。此时加速度传感器ADXL203处于水平位置，参考面为水平面，Z轴为重力势方向，当绕X轴或Y轴转动时，有：

3 倾角信息获取
3.1 测量电路硬件设计
     考虑到系统中数据处理量很大，采用TI公司的32 bit的TMS320F2811作为处理器。TMS320F2811具有片内12 bit A/D转换器，快速转换时间为80 ns；最高传输速率为1 Mb/s的增强型CAN总线（eCAN），可以达到机器人足部感知系统实时数据采集、处理和传输的要求。
     ADXL203双轴加速度计XOUT和YOUT输出为模拟信号，直接由TMS3202811的片内A/D进行采样，ADXL203提供了电源接口、自检电压输出接口、XOUT和YOUT电压输出和公共地。其中电源的输入范围为3 V~6 V，DSP(TMS320F2811)的VDDA1输出3.3 V经过电感L2、0.1 μF和10μF电容滤除谐波，去除耦合为传感器供电。自检模式不使用，自检电压接口通过电阻接地。XOUT和YOUT 经过低通滤波，实现对信号的去锯齿和噪声削弱，XOUT 和YOUT选取的滤波电容为0.1 μF，此时带宽为50 Hz，RMS噪声为1 mg。TMS3202811通过ADCINA0和ADCINA1与ADXL203双轴加速计相连，连接图如图1所示。
   
   3.2 倾角测量软件设计
     对传感器的输出信息进行采集是本系统的最基本功能，系统的软件设计主要完成对加速度传感器信号的采集、处理和传输。
     仿人机器人足部感知系统需要同时采集和处理六维力传感器、倾角传感器和柔性力传感器阵列的数据。为了提高系统的效率，采用中断的方式实现。
     定时器的定时周期配置为10 ms，每10 ms进行一次数据采集A/D转换，当转换完成后，进行数据处理，不仅包括A/D转换结果的寄存器移位操作，本系统还使用了过采样技术，使A/D的转换精度更高，使A/D转换器由原来的12位提高到13位，分辨率更高。数据处理结束，使标志位置位，由主程序进行数据的发送，通过增强型CAN（eCAN）总线发送给上位机，上位机界面显示倾角信息。
     系统的软件流程如图2所示。
   
   4 实验结果
     为了验证ADXL203型双轴加速度传感器在机器人足部感知系统中的可行性，利用Visual C++ 开发了上位机的界面用于显示倾角的变化，实验数据由TMS3202811通过CAN接口发送。此外，由CAN-USB连接上位机，上位机将数据进一步处理，转化为机器人足部的倾角值。实验中，将机器人的足部脚板X、Y方向先置于0°，上位机显示界面打开，再模仿机器人起步将足部脚板置于障碍物上，此时，X方向仍为0°，Y方向倾斜约为45°，然后再模仿机器人足部落地将脚板重新置于0°，上位机界面可以实时显示机器人足部的倾角信息。显示界面如图3和图4所示。图3中，Y轴表示X轴方向倾角(pitch)大小，图4中Y轴表示Y轴方向倾角(roll)大小，X轴均表示正在显示当前的65个采样点的倾角值。由图可知，ADXL203双轴加速计可以实现对仿人机器人足部倾角信息的准确监测。