基于仿人機(jī)器人的多功能通用型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

作者：馮金光，周華平，馬宏緒 來(lái)源：傳感器世界

一、引言

機(jī)器人研究是自動(dòng)化領(lǐng)域最復(fù)雜。最具挑戰(zhàn)性的課題，它集機(jī)械。電子。計(jì)算機(jī)。材料。傳感器?？刂萍夹g(shù)等多門學(xué)科于一體，是多學(xué)科高技術(shù)成果的集中體現(xiàn)。而仿人步行機(jī)器人技術(shù)的研究更是處于機(jī)器人課題研究的前沿，它在一定程度上代表了一個(gè)國(guó)家的高科技發(fā)展水平。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是機(jī)器人控制技術(shù)的核心，也是機(jī)器人研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，在機(jī)器人控制中具有舉足輕重的地位，因此，各研究機(jī)構(gòu)都把對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究作為首要任務(wù)。

動(dòng)作協(xié)調(diào)。具有一定智能。能實(shí)現(xiàn)無(wú)線實(shí)時(shí)行走已經(jīng)成為當(dāng)今機(jī)器人發(fā)展的主題。隨著以電子計(jì)算機(jī)和數(shù)字電子技術(shù)為代表的現(xiàn)代高技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是以DSP為代表的高速數(shù)字信號(hào)處理器和大規(guī)模可編程邏輯器件（以CPLD和FPGA為代表）的廣泛應(yīng)用，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也從以前單一的結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)單的功能向著結(jié)構(gòu)化。標(biāo)準(zhǔn)化。模塊化和高度集成化的方向發(fā)展，采用開放式體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為該技術(shù)發(fā)展的一種必然趨勢(shì)。本文作者正是順應(yīng)這一趨勢(shì)，設(shè)計(jì)出一種多功能分布式仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

二、控制對(duì)象與要求

我們以國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院機(jī)器人教研室最新研制的新一代仿人步行機(jī)器人為研究對(duì)象（其外形如圖1所示）。該機(jī)器人高約1.55m，重約65kg，使用電池供電，無(wú)需外接電源和控制信號(hào)線，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)纜行走，還可以完成人的腿部。手部和頭部的一些基本動(dòng)作，已經(jīng)初步具備了人類的外形特征。這臺(tái)新型仿人機(jī)器人一共具有36個(gè)自由度（如圖2所示），其中上肢12個(gè)，下肢12個(gè)，頭部2個(gè)，手部10個(gè)；下肢各個(gè)關(guān)節(jié)有位置傳感器，足部有多維力/力矩傳感器；具有視覺傳感。語(yǔ)音控制系統(tǒng)以及無(wú)線遙控模塊；整個(gè)控制系統(tǒng)。電源集成在機(jī)器人本體上。為了使之真正具有“仿人”的特點(diǎn)，控制系統(tǒng)必須能夠完成包括運(yùn)動(dòng)控制與規(guī)劃。視覺感知處理。語(yǔ)音識(shí)別和其它環(huán)境感知在內(nèi)的多種功能。其中，運(yùn)動(dòng)控制是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，它必須能夠滿足以下要求：

（1）系統(tǒng)集成度高。體積孝重量輕。功率大。效率高和機(jī)載化。

（2）各個(gè)模塊之間的連接簡(jiǎn)潔，便于安裝和維護(hù)。

（3）控制器應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和跟隨特性，穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差校

（4）系統(tǒng)集成在機(jī)器人本體上，電磁干擾較強(qiáng)，必須具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

（5）各部分的數(shù)據(jù)交換必須實(shí)時(shí)有效和準(zhǔn)確可靠。

三、動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的新型控制結(jié)構(gòu)。整個(gè)控制系統(tǒng)采用集中管理分散控制的方式，按照控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能劃分為三層：組織層。協(xié)調(diào)層。執(zhí)行層。其中，組織層由機(jī)器人本體外的一臺(tái)工作站組成，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。無(wú)線通訊。語(yǔ)音。視覺以及宏指令生成等功能，屬于智能控制范疇，本文不做深入探討；協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層都集成在機(jī)器人本體上，完成具體的控制任務(wù)，屬于物理控制范疇，是我們通常意義上的控制系統(tǒng)，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

（1）主控計(jì)算機(jī)模塊

主控計(jì)算機(jī)要求體積孝運(yùn)算速度快，通常采用小板工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，同時(shí)配備液晶顯示器和自制專用功能鍵盤，主要完成在線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃。動(dòng)作級(jí)運(yùn)動(dòng)控制。語(yǔ)音交互控制。視覺導(dǎo)引控制以及人機(jī)交互等功能。它接受本地傳感器的信息，根據(jù)一定的控制算法和任務(wù)要求，實(shí)時(shí)生成關(guān)節(jié)軸系的任務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸總線送至各底層運(yùn)動(dòng)控制器。

（2）通信模塊

主控計(jì)算機(jī)和各控制器之間采用CAN總線進(jìn)行通信。CAN（Controller Area Network）總線是應(yīng)用最為廣泛的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，也是目前為止唯一有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。相對(duì)于一般通信總線，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性。實(shí)時(shí)性和靈活性。其特點(diǎn)主要有：

（1）CAN總線為多主方式，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。

（2）CAN總線上的節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)標(biāo)識(shí)符分成不同的優(yōu)先級(jí)，滿足不同的實(shí)時(shí)要求。

（3）CAN總線采用非破壞的總線仲裁技術(shù)，低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)不影響高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送。

（4）CAN總線節(jié)點(diǎn)在40m內(nèi)通信速率最高可達(dá)1MBPS。

（5）CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)幀格式下可達(dá)到110個(gè)，擴(kuò)展幀格式下幾乎不受限制。

（6）報(bào)文采用短幀格式，傳輸時(shí)間短，出錯(cuò)率極低。

（7）CAN總線通信介質(zhì)可選用雙絞線，其結(jié)構(gòu)靈活，連接方便。

CAN總線的以上特點(diǎn)使之十分適用于機(jī)器人控制，鑒于此，本文選用CAN總線作為機(jī)器人控制系統(tǒng)的通信工具。具體連接方式為：主控計(jì)算機(jī)通過(guò)CAN總線接口卡連接到總線上，各運(yùn)動(dòng)控制器也都通過(guò)總線收發(fā)器掛接到總線上，而且可以根據(jù)實(shí)際情況增減數(shù)目。由于CAN總線只用兩根線進(jìn)行通信，大大降低了系統(tǒng)連線的復(fù)雜程度，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性能。

（3）執(zhí)行層模塊

執(zhí)行層處于整個(gè)控制系統(tǒng)的最底層，由不同類型的控制器組成，主要用來(lái)控制各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸系的具體執(zhí)行過(guò)程。由于各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)的型號(hào)不同。承載的重量不同，對(duì)控制精度的要求也不同，我們分別為之設(shè)計(jì)了不同的運(yùn)動(dòng)控制器。

①開環(huán)DSP運(yùn)動(dòng)控制器

頭部和上肢負(fù)載重量較輕，因此采用開環(huán)DSP運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)對(duì)頭部和上肢各關(guān)節(jié)進(jìn)行控制。這些控制器不需要采樣和反饋，直接接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的控制命令，然后生成相應(yīng)的執(zhí)行命令發(fā)給各關(guān)節(jié)軸系，使之轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度。

②開環(huán)MCU運(yùn)動(dòng)控制器

手部各個(gè)關(guān)節(jié)體積和質(zhì)量都很小，故采用開環(huán)MCU運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)進(jìn)行控制。這些控制器采用MCS-51單片機(jī)作為處理器，可以直接嵌入到手掌內(nèi)，它們接收主控計(jì)算機(jī)的控制命令，利用其IO引腳產(chǎn)生需要的多路脈沖控制信號(hào)，控制手部各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。

③閉環(huán)DSP運(yùn)動(dòng)控制器

腿部所有軸系均由直流減速驅(qū)動(dòng)型電機(jī)構(gòu)成，帶零位檢測(cè)。碼盤和電位計(jì)反饋以及多維力/力矩傳感器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。控制難度大。精度要求也高，故采用閉環(huán)DSP運(yùn)動(dòng)控制器。這部分是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是我們研究的重點(diǎn)。

（4）控制系統(tǒng)流程

整個(gè)控制系統(tǒng)的具體流程為：系統(tǒng)開始運(yùn)行并完成初始化工作；主控計(jì)算機(jī)根據(jù)規(guī)劃和計(jì)算向底層控制器發(fā)送控制命令，底層控制器接收到命令后，結(jié)合各傳感器反饋的信息，通過(guò)一定的控制算法生成相應(yīng)的執(zhí)行命令并發(fā)送給各關(guān)節(jié)執(zhí)行軸系，同時(shí)把底層軸系的運(yùn)行情況上傳給主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)根據(jù)新的情況再產(chǎn)生新的命令發(fā)送給各控制器，如此反復(fù)。這事實(shí)上是兩個(gè)閉環(huán)反饋過(guò)程，底層控制器通過(guò)傳感器與各關(guān)節(jié)軸系之間進(jìn)行小循環(huán)反饋，主控計(jì)算機(jī)通過(guò)各控制器與各關(guān)節(jié)軸系之間進(jìn)行大回路反饋，這樣可以使機(jī)器人具有更多的“智能”，更好的進(jìn)行離線實(shí)時(shí)控制。

主控計(jì)算機(jī)每秒鐘向底層控制器發(fā)送200組數(shù)據(jù)，底層控制器向主控計(jì)算機(jī)反饋同樣數(shù)目的數(shù)據(jù)，而CAN總線的最大通信速率可以達(dá)到幾千幀/秒，完全可以滿足控制的要求。

四、控制器詳細(xì)設(shè)計(jì)

控制下肢的閉環(huán)DSP控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，承擔(dān)著整個(gè)機(jī)器人的負(fù)載重量，輸出功率大，對(duì)控制的精度要求也高，因此它的性能直接關(guān)系到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。我們專門為之設(shè)計(jì)了基于雙位置傳感器的閉環(huán)DSP控制器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

DSP主處理器選用的是TI公司的TMS320LF2407A芯片，它是TI家族C2000系列中的高檔產(chǎn)品，非常適用于工業(yè)控制。它的兩個(gè)事件管理器功能尤為強(qiáng)大，完全是為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的，可利用多個(gè)PWM脈沖通道直接產(chǎn)生需要的PWM脈沖控制信號(hào)；其CAN總線模塊可以直接與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信而不需要增加CAN總線控制器；外部看門狗可以對(duì)控制器電壓進(jìn)行監(jiān)控；外部存儲(chǔ)器中存放著控制算法所需的必要參數(shù)。

控制器的雙位置傳感器由電壓輸出傳感器和光電碼盤傳感器組成。其中，電壓傳感器把軸系的位置信息轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大電路放大，再經(jīng)過(guò)專門的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送入DSP主處理器。不用TMS320LF2407A自帶的A/D轉(zhuǎn)換器而使用專門的A/D轉(zhuǎn)換芯片，這是為了提高轉(zhuǎn)換的精度，因?yàn)門MS320LF2407A的A/D轉(zhuǎn)換器所能接受的最高轉(zhuǎn)換電壓只有3.3V，而經(jīng)過(guò)功率放大后的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了此范圍，所以使用了專門的A/D轉(zhuǎn)換芯片。這部分電路雖然增加了控制器的復(fù)雜程度，卻可以大大提高轉(zhuǎn)換精度，所以是十分值得的。碼盤傳感器把軸系的位置信息轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電隔離器件隔離后送入專用脈沖計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)后的信息送入DSP主處理器。脈沖計(jì)數(shù)器選用當(dāng)今流行的CPLD器件，其強(qiáng)大的功能對(duì)提高控制器的性能有很大的幫助，同時(shí)還可以作為譯碼電路為主處理器提供譯碼功能。

主處理器通過(guò)對(duì)接收到的傳感器信號(hào)進(jìn)行分析和計(jì)算之后產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈沖控制信號(hào)，經(jīng)過(guò)光電隔離和功率放大后送給底層軸系控制軸系的運(yùn)行。使用雙傳感器可以大大提高反饋的精度，兩路信號(hào)可以同時(shí)考慮，也可以一路為主，另外一路提供補(bǔ)充和參考。

主處理器通過(guò)CAN總線與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，接收主控計(jì)算機(jī)的命令并把底層信息反饋給主控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)更高一級(jí)的反饋控制。主處理器通過(guò)CAN總線收發(fā)器連接到總線上，為提高精度，中間需要進(jìn)行光電隔離。

該控制器直接安裝在仿人機(jī)器人的體內(nèi)，每個(gè)控制器可以同時(shí)控制6個(gè)關(guān)節(jié)軸系，整個(gè)下肢只需要兩個(gè)控制器就可以實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)控制。

五、結(jié)論

我們?cè)诔浞治债?dāng)今相關(guān)學(xué)科高技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一套速度快。穩(wěn)定性強(qiáng)。集成度高。結(jié)構(gòu)靈活。使用方便的仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可直接嵌入到機(jī)器人本體內(nèi)，以便在實(shí)際運(yùn)行中圓滿地完成規(guī)定的控制任務(wù)。同時(shí)，該控制系統(tǒng)還有很強(qiáng)的擴(kuò)展功能，可以方便地移植到其它類似的控制機(jī)構(gòu)中去，是一種多功能通用型控制系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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