自平衡人形机器人：控制系统设计与实现策略

本文档主要探讨了一种自平衡人形机器人的动作控制器的设计与实现。移动式机器人因其结构简单、可控性强和成本效益高，在现代工业、医疗、娱乐等领域有着广泛应用，其中轮式自平衡机器人作为一类特殊的移动机器人，因其独特的动态平衡特性而备受关注。自平衡机器人通过水平配置的两个轮子，利用自身的不稳定性和灵活性，需要精确的控制策略来维持动态平衡。 在静止时，机器人会因为物理特性而自然倾向一边，但在运动过程中，姿态传感器扮演关键角色，实时监测车体的倾倒角度和倾倒角速度。根据这些数据，动作控制器通过控制伺服电机的电压转向和转速，确保机器人能够稳定地行走。然而，现有的自平衡机器人往往存在成本较高的问题，限制了其大规模应用。 为了改进这一情况，本文提出了一种创新的动作控制器设计方案。这个控制器采用了多层次的控制管理，将主处理器的任务处理命令分配到三个16位超低功耗单片机（MSP430F149）上，实现了高效且节能的控制架构。这样做的好处在于，一方面可以降低能耗，提高系统效率，另一方面也确保了对机器人多关节和多自由度的精细动作控制，包括自平衡控制，使其在复杂环境中表现出更好的适应性和稳定性。 动作控制器的核心设计包括反馈控制系统，如图1所示，它确保机器人能够基于实时的环境和自身状态信息做出反应。控制器与执行元件（如舵机）之间的接口设计也是关键，它负责将主控制器的指令转化为适合执行机构的实际操作信号。这种设计考虑到了机器人动作的实时性和精确性，使得动作控制器在自平衡人形机器人系统中扮演了至关重要的角色，为机器人提供了强大的动态性能和成本效益优化。