双足步行机器人嵌入式控制系统设计分析

摘" 要：双足步行机器人因其仿人类运动方式和优良的适应性，近年来成为机器人研究的热点。该文设计并实现一种基于嵌入式系统的双足步行机器人实时控制系统。通过引入滑模控制算法和自适应平衡模块，实现对机器人在不同环境下的稳定控制。实验结果表明，所设计的控制系统在跟踪领导者状态和同步控制左右两足运动方面表现出卓越的实时性和稳定性。该文的研究为双足步行机器人的智能化控制提供新的思路和方法。

关键词：双足步行机器人；嵌入式系统；实时控制；滑模控制；自适应平衡

中图分类号：TP242" " " 文献标志码：A" " " " " 文章编号：2095-2945（2024）32-0019-04

Abstract： Biped walking robots have become a research hotspot in robotics in recent years due to their human-like movement and excellent adaptability. This paper designs and implements a real-time control system for biped walking robots based on embedded systems. By introducing a sliding mode control algorithm and adaptive balance module， stable control of the robot in different environments is achieved. Experimental results show that the designed control system exhibits excellent real-time performance and stability in tracking the leader's state and synchronously controlling the movements of both legs. This research provides new ideas and methods for the intelligent control of biped walking robots.

Keywords： biped walking robot; embedded system; real-time control; sliding mode control; adaptive balance

在近年来，随着机器人技术的迅速发展，双足步行机器人作为一个重要的研究领域受到了广泛关注。相较于轮式或多足机器人，双足步行机器人具有更接近人类的运动方式和更强的适应性，因此在各种领域中具有广阔的应用前景，包括搜索救援、服务机器人和工业生产等[1]。然而，双足步行机器人的稳定行走是一个复杂且具有挑战性的问题，其在不同地形和环境下的行走稳定性、速度和效率仍然存在诸多问题需要解决。

传统的双足步行机器人控制方法通常基于预先设计的固定步态模型或规则，缺乏对环境变化和机器人自身状态的实时响应能力。而随着嵌入式系统技术的发展，将实时控制算法直接实现在硬件平台上已成为可能，为双足步行机器人的控制和感知提供了新的思路和方法。嵌入式系统具有高度集成、实时性强和功耗低等特点，能够满足双足步行机器人对于高效、稳定和实时控制的需求，因此成为双足步行机器人控制系统设计的重要方向之一。

本文旨在探索双足步行机器人嵌入式控制系统设计的关键技术和方法，重点关注嵌入式实时控制算法和传感器数据采集与处理2个方面。首先，通过设计适用于嵌入式系统的实时控制算法，实现双足步行机器人在不同环境和工作条件下的稳定行走。其次，利用各种传感器采集和处理技术，实现对机器人运动状态和外部环境的实时感知和响应。通过这些关键技术的研究和实现，将为双足步行机器人在实际应用中的稳定性、灵活性和智能化水平提供重要支持和保障。

1" 研究综述

在双足步行机器人领域的研究中，控制系统设计一直是一个备受关注的话题。传统的控制方法主要基于运动学或动力学模型，通过预先设计的步态模型或规则来控制机器人的运动[2]。然而，这些方法往往缺乏对环境变化和机器人自身状态的实时感知和调整能力，导致机器人在复杂环境中的稳定性和灵活性受到限制。

随着嵌入式系统技术的发展，越来越多的研究开始关注将实时控制算法直接实现在硬件平台上的可能性。嵌入式系统具有高度集成、实时性强和功耗低等特点[3]，能够满足双足步行机器人对于高效、稳定和实时控制的需求，因此在双足步行机器人领域具有重要的应用前景。例如，许多研究利用嵌入式系统实现了基于模型预测的鲁棒控制的实时步态生成和优化算法，取得了一定的研究成果。

然而，目前双足步行机器人嵌入式控制系统设计仍存在一些挑战和亟待解决的问题。首先，嵌入式系统的计算资源和存储空间有限，如何在有限的资源下实现高效的实时控制算法是一个需要解决的关键问题。其次，双足步行机器人的稳定行走不仅受到机械结构和控制算法的影响，还受到传感器数据的质量和实时性的影响，因此传感器数据采集与处理也是一个重要的研究方向。

综上所述，通过研究和分析现有的文献，本文旨在探讨双足步行机器人嵌入式控制系统设计的关键技术和方法，为双足步行机器人在实际应用中的稳定性、灵活性和智能化水平提供重要支持和保障。

2" 嵌入式实时控制算法设计

2.1" 鲁棒控制原理

鲁棒控制是一种控制理论方法，旨在设计出能够有效应对系统模型不确定性和外部干扰的控制系统。该方法在系统参数变化和外部扰动存在的情况下，仍能保证系统的性能和稳定性。鲁棒控制的核心思想是通过控制算法的设计，使得系统在模型误差和外部干扰的影响下仍能保持预期的性能。

在鲁棒控制的众多方法中，滑模控制（Sliding Mode Control， SMC）是一种具有代表性的技术。滑模控制通过设计一个滑模面，使系统状态在有限时间内达到该滑模面并沿其滑动，从而实现系统的稳定控制[4]。滑模控制的优点在于其对系统参数变化和外部干扰具有强大的鲁棒性，且控制律简单，易于实现。

在本文中，将滑模控制用于双足步行机器人的实时控制算法设计。下面是滑模控制的基本原理和相关数学模型。

考虑一个典型的双足步行机器人动力学模型，可以表示为

为了设计滑模控制器，首先定义滑模面

式中：e=q-qd是位置误差；qd是期望位置；λ是正数矩阵，代表控制系统的响应速度。

滑模控制的目标是使滑模面s趋于零。为此，设计控制律

式中：K是正定矩阵，代表滑模控制的增益。

为保证系统的稳定性，滑模控制引入了到达律（Reaching Law），确保系统状态能够在有限时间内到达滑模面

通过设计合适的η和K值，可以使系统在存在扰动的情况下仍能稳定控制，并且滑模控制器的鲁棒性可以有效应对模型不确定性和外部干扰。

2.2" 数学模型建立

本章建立机器人的运动学模型如下

该部分使用鲁棒算法，实现了双足步行机器人的抗干扰控制。同时为了保持双足步行机器人的协调性，上述的控制方法为对单只的控制，另一只的控制采用相同的控制方案，对其进行延时处理。

3" 嵌入式传感器数据采集与处理

3.1" 嵌入式系统模块组成

在本文所设计的双足步行机器人的嵌入式控制系统中，主要包括以下几个关键模块：微控制核心单元（MCU）、步进电机驱动模块、自适应平衡模块及其相应的电路连接结构。由这几部分组成的双足步行机器人模型[5]如图1所示。

3.1.1" 微控制核心单元（MCU）

MCU是整个控制系统的核心组件，负责处理来自各类传感器的数据并生成控制信号，以驱动步进电机执行相应的运动指令。MCU不仅需要具备高效的计算能力以实现复杂的控制算法，还需要良好的实时性和可靠性以应对双足步行机器人在不同环境下的动态变化。

3.1.2" 步进电机驱动模块

步进电机驱动模块依据MCU发送的控制信号，精确控制步进电机的旋转角度和速度，从而实现机器人的移动和姿态调整。该模块需要能够提供足够的电流和电压，以满足步进电机的功率需求，同时应具备保护电路以防止过流、过压等故障情况。

3.1.3" 自适应平衡模块

自适应平衡模块主要包括多种传感器，如陀螺仪、加速度计等。这些传感器实时检测机器人的运动状态（例如角速度、加速度）和环境条件（例如倾斜角度、地面情况），并将这些数据通过I/O接口传送至MCU。MCU基于这些传感器数据，实时计算出平衡控制信号，从而调整步进电机的驱动，以保持机器人的稳定行走。

3.2" 嵌入式电路架构

在电路连接方面，MCU通过I/O接口与步进电机驱动模块相连，发送脉冲信号和方向信号以控制步进电机的运行。同时，各类传感器通过I2C、SPI等通信协议接口与MCU连接，将实时采集到的数据传送给MCU进行处理。具体连接结构如图2所示。

MCU与步进电机驱动模块连接：MCU的数字I/O引脚通过电缆或PCB线路直接连接到步进电机驱动模块的输入端，以发送控制信号。这些信号包括步进脉冲信号、方向信号和使能信号等。

MCU与传感器模块连接：传感器通过I2C总线或SPI总线与MCU连接。I2C总线适用于多个传感器的连接，具有简单的双线结构（数据线SDA和时钟线SCL）。SPI总线则适用于高速数据传输，包含主输出从输入（MOSI）、主输入从输出（MISO）、时钟（SCK）和从设备选择（SS）4条信号线。每种传感器根据其数据传输速率和精度需求选择合适的通信接口。

电源管理模块：为保证各组件的正常运行，系统中还需要一个电源管理模块，提供稳定的电源电压和电流。该模块包括电池管理单元、DC-DC转换器和电源滤波器等，确保系统在不同工作模式下均能获得可靠的电能供应。

故障检测与保护模块：为提高系统的可靠性和安全性，还应设计故障检测与保护模块，包括过流保护、过压保护、短路保护等功能。一旦检测到异常情况，该模块能迅速采取措施，保护系统的各个组件免受损坏。

通过上述模块的有机结合，本文设计的嵌入式控制系统能够实现对双足步行机器人的实时控制与自适应平衡，确保其在各种环境下均能稳定、高效地行走。这种设计不仅提升了机器人的智能化水平，还为其在复杂环境中的应用提供了技术保障。

4" 实验与结果分析

通过上述的硬件与实时控制算法的结合，可导出如图3和图4所示的系统响应图。

在本文的实验结果中，通过对系统响应和领导者状态的实时跟踪效果进行分析，得到了显著的成果。图3展示了系统的响应与领导者状态之间的关系，结果表明二者在系统的波形上达到了完美的融合。这一现象证明了系统在实时状态下能够稳定地跟踪领导者的动态变化，进一步验证了所设计的控制算法的有效性和可靠性。

具体而言，图3中的数据表明，在整个跟踪过程中，系统响应迅速且准确地反映了领导者状态的变化。系统的实时跟踪能力使得其能够在各种动态条件下保持稳定的控制性能，避免了因延迟或误差导致的失稳现象。这一结果充分证明了嵌入式控制系统在处理实时数据和执行复杂控制算法方面的优势。

此外，图4展示了双足步行机器人左右两足的响应过程，进一步验证了系统的同步控制能力。实验数据显示，左足的响应过程具有显著的实时性，能够迅速对控制信号做出反应。而右足的响应过程则在延迟10 s后开始，并随后与左足的运动保持同步。尽管存在初始延迟，右足能够在达到同步状态后，保持与左足一致的运动模式。这一结果表明，即使在存在非线性干扰的情况下，系统仍然能够通过控制策略的调整，实现双足步行机器人的协调运动和同步控制。

通过对以上实验结果的详细分析，可以得出结论：所设计的嵌入式控制系统在双足步行机器人的控制过程中表现出卓越的实时性和稳定性。系统不仅能够准确跟踪领导者状态，保持实时稳定的响应，还能够在存在时间延迟的情况下，通过自适应调节实现双足的同步控制。这些成果为进一步提升双足步行机器人的智能化水平和应用范围提供了坚实的理论基础和实践依据。

5" 结束语

本文提出了一种基于嵌入式系统的双足步行机器人实时控制系统设计方案。通过采用滑模控制算法，结合自适应平衡模块，解决了双足步行机器人在复杂环境下的稳定性和实时控制问题。具体而言，嵌入式控制系统充分利用了传感器数据采集与处理技术，实现了对机器人运动状态和外部环境的实时感知和调整，确保机器人在不同地形和工作条件下的稳定行走。

实验结果验证了本文所设计的控制系统的有效性和可靠性。系统响应与领导者状态之间的完美融合，证明了实时跟踪算法的卓越性能。同时，双足步行机器人的左右两足在存在非线性干扰的情况下，仍然能够通过自适应调节实现双足的逐步至同步控制，这一结果表明所设计的控制系统在应对非线性干扰方面具有良好的鲁棒性。

参考文献：

[1] 丁宏钰，石照耀，岳会军，等.国内外双足人形机器人驱动器研究综述[J].哈尔滨工程大学学报，2021，42（7）：936-945.

[2] 王晓峰，李醒，王建辉.基于无模型自适应的外骨骼式上肢康复机器人主动交互训练控制方法[J].自动化学报，2016，42（12）：1899-1914.

[3] 徐济安.基于MEMS陀螺的微小型移动机器人嵌入式导航定位系统的研究[J].电子产品世界，2008（9）：162.

[4] 杨俊起，高煜欣，陈滟涛，等.基于干扰观测器的不确定非线性系统终端滑模控制器设计[J].控制与决策，2020，35（1）：155-160.

[5] 乔书杰，刘玲玲.被动动力式双足机器人仿生腿的设计与运动仿真研究[J].科技通报，2018，34（4）：222-226.