仿生机器人知识体系

仿生机器人最核心的是模仿行为。

机器人控制算法

PID控制(比例积分微分控制)

根据给定值和实际输出值构成控制偏差,将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量,对被控制对象进行控制。
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ZMP零力矩点

判定仿人机器人动态稳定运动的重要指标,ZMP落在脚掌范围内,则机器人可以稳定的行走

执行器设计

机械传动的主要传动连接方式有四种:直接连接、齿轮连接、输送带连接和丝杠传动连接。
步骤
1.选择传动连接形式,确定转动惯量(一个物体对于旋转运动的惯性,用于建立角动量、角速度、力矩和角加速度等数个量之间的关系。)
2.确定运动方程式和运动轨迹曲线
3.计算选择合适的电机和驱动功率单元

陀螺仪(角速度传感器)

质点对固定点的角动量对时间的微商,等于作用于该质点上的力对该点的力矩。
对一固定点,质点所受的合外力矩为零,则此质点的角动量矢量保持不变。

通俗的来讲,一个旋转物体的旋转轴所指的方向在不受外力影响时,是不会改变的。

单轴的角速度传感器只能测量单一方向的改变,一般的系统需要三轴传感器。

Inertial Measurement Unit

IMU惯性测量单元,用于测量角速度以及加速度

数字式传感器

数字式传感器能够直接将非电量转换为数字量,这样就不需要A/D转换,直接用数字显示。数字式传感器与模拟式传感器相比有以下优点:测量精度和分辨率高,稳定性好,抗干扰能力强,便于与微机接口,适宜远距离传输等。

应变式传感器

电阻应变传感器是以电阻应变片为转换元件的传感器。它是一种将应变转换为电阻变化的器件。电阻应变片粘贴在被测试件表面上,由于被测试件的变形使其表面产生应变,从而引起电阻应变片的阻值变化,阻值的变化即反映了应变的大小。只要能变为应变的相应变化,都可进行测量。

压缩机

将低压气体提升为高压气体的从动的流体机械。它从吸气管吸入低温低压的制冷剂气体,通过电机运转带动活塞对其进行压缩后,向排气管排出高温高压的制冷剂气体,从而实现压缩→冷凝(放热)→膨胀→蒸发(吸热)的制冷循环。

红外传感器

红外辐射的物理本质是热辐射,物体的温度越高,辐射出来的红外线越多,辐射的能力就越强。
红外传感器一般是由光学系统、探测器、信号调理电路及显示电路等组成。红外探测器是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射的。

热探测器

热探测器探测光辐射包括两个过程,一是吸收光辐射能量后,探测器的温度升高;二是把温度升高所引起的物理特性的变化转化成相应的电信号。

多足机器人

仿昆虫机器人从尺寸上分为重载大型六足机器人和小型六足机器人,重点研究仿生腿的优化设计、行走稳定、足端精确控制、足端脚力分配、步态规划等。
六足机器人可通过特殊步态来实现原地的旋转,以及重心的稳定。在不平整的路面上也可以依靠腿部上舵机角度的协调改变来保存平衡。
六足机器人较二足、四足机器人,具有控制结构相对简单、行走平稳等特点,最容易实现稳定行走,可适应于复杂地形。

六足昆虫的运动原理

昆虫有3对足,在前胸、中胸和后胸各有一对,相应地称为前足、中足和后足。 行走是以三条腿为一组进行的,即一侧的前、后足与另一侧的中足为一组。这样就形成了一个三角形支架结构,当这三条腿放在地面并向后蹬时,另外三条腿即抬起向前准备替换。前足用爪固定物体后拉动虫体向前,中足用来支持并举起所属一侧的身体,后足则推动虫体前进,同时使虫体转向。

为了保证机器人在陆地与水下运动的机动性,配置感知自身姿态的陀螺仪与检测水下深度的压力传感器。

步态

步态是行走系统抬腿和放腿的顺序。以怎样的方式行进,才能发挥多足机器人用点接触来行进的优势?

三角步态

六足昆虫最常使用的一种步态,也被誉为最快速有效的静态稳定步态。大部分六足机器人都是从仿生学的角度出发使用这一步态。昆虫三角步态的移动模式较简单,非常适合步行架构的机器人的直线行走,行进速度也比较快。

定点转向

转弯的过程实际就是抬腿与落地。

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STM32F103

微控制器中的定时器实际上是一个计数器,可以对内部脉冲/外部输入进行计数,不仅具有基本的计数/延时功能,还具有输入捕获、输出比较和PWN输出等高级功能。

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固件库开发模式

寄存器对于一款功能简单的芯片(如51单片机只有二三十个寄存器)开发起来比较容易。为了提高开发 效率,芯片制造商通常会设计一套完整的固件库,通过固件库来读写芯片中的寄存器。

GPIO

GPIO(General Purpose Input Output) 通用输入输出,简单来说就是STM32可以控制的引脚,基本功能是控制引脚输出高电平或者低电平。

脉冲宽度调制PWM

一种利用微控制器的数字输出来对模拟电路进行控制的非常有效的技术。

调试和下载电路

为了让微控制器按照程序员的设想真正跑起来,要事先将实现指定功能的程序烧写到微控制器片内ROM或RAM中进行反复调试。

仿生鸭子

模拟鸭子为水稻施肥、捉虫、清除杂草等行为。帮助稻农保护稻田,并清除稻田中的杂草。其底部设计有两个旋转的橡胶滚刷可以控制它的前进或后退,还可以用来仿生代替鸭子的双蹼,通过橡胶滚刷搅动水流来防止杂草生根并帮助水稻的根部更好的吸收肥料和氧气。

仿生蜻蜓

MAV(Micro Air Vehicle)可分为固定翼、旋翼、扑翼三种。其中,扑翼指通过扑动翅膀来获得升力和改变飞行方向。与固定翼和旋翼MAV相比,扑翼MAV能够在较小尺寸下产生更大的升力,并且飞行更具灵活性。由于扑翼飞行时的精准导航和控制特性,它对红外温度传感器的设计具有重要的指导意义。

仿生海胆

伺服系统

用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统,伺服系统使物体的位置、方位、状态等输出被控量能够跟随输入目标的任意变化的自动控制系统。
伺服系统主要由三部分组成:控制器、功率驱动装置、反馈装置和电动机。

舵机

舵机的旋转不像普通电机那样只是古板的转圈圈,它可以根据你的指令旋转到0至180度之间的任意角度然后精准地停下来。
对于舵机而言,位置检测器是它的输入传感器,舵机转动的位置一变,位置检测器的电阻值就会跟着变。通过控制电路读取该电阻值的大小,就能根据阻值适当调整电机的速度和方向,使电机向指定角度旋转。

复位电路

当微控制器上电时,电压不是直接跳变到微控制器可工作的范围,而是一个逐步上升的过程。此时,微控制器无法正常工作,会引起芯片内程序的无序执行。同样的情况也会发生在微控制器的供电电压波动不稳定时。因此,需要复位电路给它延时,使微控制器保存复位,暂不进入工作状态,直至电压稳定。

锂电池

锂电池芯过充到电压高于 4.2V 后,会开始产生副作用。3.0V 是一个理想的放电截止电压

2.4G无线通信

参考文献


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