ADXL203型雙軸加速計在機器人足部感知系統中的應用

申海義 ，吳寶元 ，任 陽 ，申 飛 ，吳仲城

（1.中國科學技術大學 自動化系，安徽 合肥 230026；2.中國科學院合肥智能機械研究所，安徽 合肥 230031；3.中國科學院強磁場科學中心，安徽 合肥 230031）

仿人機器人是近年來發展起來的綜合學科。運動功能是仿人機器人最基本的功能，其中雙足穩定可靠行走是進行作業的基本保障，也是仿人機器人實用的前提條件。目前仿人機器人的雙足行走步態規劃主要是基于零力矩點ZMP（Zero Moment Point）控制理論。實際上，人行走過程中，足底的神經末梢可實現地面接觸位置、地形、地面反作用力大小和方向等信息的實時感知，并及時反饋到中樞神經系統，使之能及時調整身體姿勢。仿人機器人要適應人類生活、工作環境，基于足部信息的仿人機器人穩定行走控制就顯得尤為重要，特別是在不平整路面上步行、轉彎、上下樓梯時，其足部姿態信息就顯得更為重要。而足部姿態信息中的腳面傾角信息是仿人機器人穩定控制的重要依據[1]。它可以讓仿人機器人感知腳面傾斜情況，在穩定著地時，腳面傾角還可以反映地面傾斜狀態，是仿人機器人穩定控制的一個關鍵參數。

1 系統介紹

本文研究基于本實驗室研制的集成化仿人機器人足部感知系統[2-3]，以使仿人機器人能夠感知復雜地面環境信息，目標是實現機器人行走過程中有效穩定支撐區域、ZMP軌跡、地形、地面反作用力等信息實時感知。

仿人機器人足部感知系統是由六維力傳感器、ADXL203雙軸加速度傳感器、柔性力傳感器陣列、信號處理單元、電源單元、減震層和基板構成。其中，ADXL203雙軸加速計即可測量動態加速度，又可以用來實現諸如重力加速度的靜態測量，此時可以替代傾角傳感器進行傾斜測量，得到靜態腳面傾角信息。

信號處理板的主要功能是采集傾角傳感器(A六維力傳感器、柔性力傳感器陣列的信號，計算有效穩定支撐區域、ZMP軌跡、地形、地面反作用力等信息，并將上述信息輸出給上位機。

2 利用ADXL203雙軸加速計測量傾角的原理

ADXL203是美國ADI公司推出的一種高精度、低功耗及單一的iMEMS型IC芯片雙軸加速計。其原理為通過測量重力加速度g在敏感軸上的分量，通過計算將其轉化成傾角，得到傳感器相對于水平面的傾斜和俯仰角度[4-5]。

以重力矢量作為基準，將它的X軸和Y軸水平放置定義為0°。此時加速度傳感器ADXL203處于水平位置，參考面為水平面，Z軸為重力勢方向，當繞X軸或Y軸轉動時，有：式中：AX、AY為加速度傳感器X敏感軸和Y敏感軸的輸出，即g在X敏感軸和Y敏感軸上的分量；g為重力加速度值；pitch、roll為加速度傳感器平面與坐標系水平面X軸和Y軸的傾斜角度[6]。

將ADXL203加速度傳感器的XOUT和YOUT輸出的模擬電壓信號 VX、VY換算成對應的敏感軸上輸出 AX、AY為：

將 AX、AY代入（1）式即可得到 X、Y軸的傾斜角度pitch 和 roll。

3 傾角信息獲取

3.1 測量電路硬件設計

考慮到系統中數據處理量很大，采用TI公司的32 bit的TMS320F2811作為處理器。TMS320F2811具有片內12 bit A/D轉換器，快速轉換時間為 80 ns；最高傳輸速率為1 Mb/s的增強型 CAN總線（eCAN），可以達到機器人足部感知系統實時數據采集、處理和傳輸的要求。

ADXL203雙軸加速度計XOUT和YOUT輸出為模擬信號，直接由TMS3202811的片內A/D進行采樣，ADXL203提供了電源接口、自檢電壓輸出接口、XOUT和YOUT電壓輸出和公共地。其中電源的輸入范圍為3 V～6 V，DSP(TMS320F2811)的 VDDA1輸出 3.3 V 經過電感 L2、0.1 μF和10 μF電容濾除諧波，去除耦合為傳感器供電。自檢模式不使用，自檢電壓接口通過電阻接地。XOUT和YOUT經過低通濾波，實現對信號的去鋸齒和噪聲削弱，XOUT和 YOUT選取的濾波電容為 0.1 μF，此時帶寬為 50 Hz，RMS噪聲為1 mg。TMS3202811通過ADCINA0和ADCINA1與ADXL203雙軸加速計相連，連接圖如圖1所示。

圖1 ADXL203與TMS3202811連接方式

3.2 傾角測量軟件設計

對傳感器的輸出信息進行采集是本系統的最基本功能，系統的軟件設計主要完成對加速度傳感器信號的采集、處理和傳輸。

仿人機器人足部感知系統需要同時采集和處理六維力傳感器、傾角傳感器和柔性力傳感器陣列的數據。為了提高系統的效率，采用中斷的方式實現。

定時器的定時周期配置為10 ms，每10 ms進行一次數據采集A/D轉換，當轉換完成后，進行數據處理，不僅包括A/D轉換結果的寄存器移位操作，本系統還使用了過采樣技術，使A/D的轉換精度更高，使A/D轉換器由原來的12位提高到13位，分辨率更高。數據處理結束，使標志位置位，由主程序進行數據的發送，通過增強型CAN（eCAN）總線發送給上位機，上位機界面顯示傾角信息。

系統的軟件流程如圖2所示。

4 實驗結果

為了驗證ADXL203型雙軸加速度傳感器在機器人足部感知系統中的可行性，利用Visual C++開發了上位機的界面用于顯示傾角的變化，實驗數據由TMS3202811通過CAN接口發送。此外，由CAN—USB連接上位機，上位機將數據進一步處理，轉化為機器人足部的傾角值。實驗中，將機器人的足部腳板X、Y方向先置于0°，上位機顯示界面打開，再模仿機器人起步將足部腳板置于障礙物上，此時，X方向仍為0°，Y方向傾斜約為45°，然后再模仿機器人足部落地將腳板重新置于0°，上位機界面可以實時顯示機器人足部的傾角信息。顯示界面如圖3和圖4所示。圖3中，Y軸表示X軸方向傾角(pitch)大小，圖4中Y軸表示Y軸方向傾角(roll)大小，X軸均表示正在顯示當前的65個采樣點的傾角值。由圖可知，ADXL203雙軸加速計可以實現對仿人機器人足部傾角信息的準確監測。

圖2 傾角傳感器數據采集和處理流程圖

ADXL203是晶體硅固體結構的加速計，它受溫度的影響極小，保證了系統的穩定性。以TMS3202811和ADXL203為核心來測量機器人足部感知系統的傾角信息，測量精度高、功耗低、成本低，可同時實現雙軸輸出，能夠實現對仿人機器人的足部靜態傾角信息實時監測，對于仿人機器人在復雜環境中的穩定控制，實現穩定行走提供了重要保證。但ADXL203雙軸加速計只能夠實現對靜態腳面傾斜信息的監測，下一步準備引入角速度傳感器，與ADXL203配合實現對腳面動態傾角信息的監測，將會為仿人機器人穩定行走提供更全面的姿態信息。

[1]李建璽，黃強，張偉民，等.仿人機器人足部姿態實時感知系統[J].微計算機息，2009，25(8)：168-170.

[2]Wu Baoyuan，Luo Jianfei.Optimum design method of multiaxis force sensor integrated in humanoid robot foot system[J].Elsevier，2011，44(9)：1651-1660.

[3]錢昌忠，吳仲城.姿態傳感器在仿人機器人足部感知系統中的應用[J].儀表技術，2010(9)：68-70.

[4]曾勇，楊濤，岳高銘.基于 MEMS為微加速度的振動測試儀[J].傳感器與微系統，2007，26(6)：75-77.

[5]彭濤，姚伯威.基于DSP的數字式MEMS加速度傳感器ADXL203的設計與應用[J].微計算機信息，2006，22(10)：308-309.

[6]趙命，邱錦波.基于重力加速度檢測的礦用傾角傳感器分析設計[J].煤礦機電，2008(1)：62-64.