前言

機(jī)器人是近年來發(fā)展起來的一門綜合學(xué)科，它集中了機(jī)械工程、電子工程、計算機(jī)工程、仿生學(xué)、自動控制工程以及人工智能等眾多學(xué)科的最新科研成果，代表了機(jī)電一體化的最高成就，是目前科技發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。目前，機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)取得了很大的發(fā)展，產(chǎn)生了各種各樣的機(jī)器人，如工業(yè)機(jī)器人，爬壁機(jī)器人，排爆機(jī)器人，水下機(jī)器人，它們都已經(jīng)在生產(chǎn)和生活中得到了廣泛的應(yīng)用，發(fā)揮了巨大的作用。

智能步行機(jī)器人是機(jī)器人中科技水平最高的，隨著人工智能和自動控制等技術(shù)的不斷發(fā)展，有了許多成功地例子，如本田的P2，ASIMO，索尼的SDR-3X，SDR-4X等。它們在靈活性，穩(wěn)定性，步行速度等方面都得到了很大的改進(jìn)，已經(jīng)能夠行走和擺出各種動作，可以演奏樂曲，跳舞和踢球。盡管如此，這些步行機(jī)器人的用處還是十分的有限，在長距離行走、負(fù)重、成本以及在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)能力等方面存在許多的問題，還不能廣泛的應(yīng)用于人們的日常生活中，現(xiàn)在主要用于示教、展覽和禮儀接待。

CAN(ControllerAreaNetwork)總線最早是由德國Bosch公司推出，用于汽車內(nèi)部測量與執(zhí)行部件之間的數(shù)據(jù)通信協(xié)議。其總線規(guī)范已被ISO國際標(biāo)準(zhǔn)組織制定為國際標(biāo)準(zhǔn)，并且廣泛應(yīng)用于離散控制領(lǐng)域。它也是基于OSI模型，但進(jìn)行了優(yōu)化，采用了其中的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、應(yīng)用層，提高了實時性。其節(jié)點有優(yōu)先級設(shè)定，支持點對點、一點對多點、廣播模式通信。各節(jié)點可隨時發(fā)送消息。傳輸介質(zhì)為雙絞線，通信速率與總線長度有關(guān)。CAN總線采用短消息報文，每一幀有效字節(jié)數(shù)為8個；當(dāng)節(jié)點出錯時，可自動關(guān)閉，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高?；贑AN總線具有以上的特點，為工業(yè)控制系統(tǒng)高可靠性的數(shù)據(jù)傳輸提供了一種新的解決方案。CAN總線已成為最有發(fā)展前途的現(xiàn)場總線之一。

1 控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)是機(jī)器人的大腦，它的性能優(yōu)劣直接影響到機(jī)器人的先進(jìn)程度和功能強(qiáng)弱。助力行走機(jī)器人是一個機(jī)電一體化的設(shè)備，從控制系統(tǒng)觀點來看，整個系統(tǒng)可分為五部分：機(jī)器人結(jié)構(gòu)、控制器、傳感器、環(huán)境和佩戴者，其中的控制器、機(jī)器人結(jié)構(gòu)、傳感器等部分構(gòu)成了控制系統(tǒng)，各部分之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)相互關(guān)系

機(jī)器人控制器是根據(jù)傳感器信息并按照一定的控制算法控制機(jī)器人完成一定的動作或作業(yè)任務(wù)的裝置。機(jī)器人控制器有多種不同的控制策略：非伺服(開環(huán))控制、伺服控制、基于傳感信息的控制、最優(yōu)PID控制、非線性反饋的動態(tài)補(bǔ)償控制、自適應(yīng)控制、變結(jié)構(gòu)(滑模)控制、模糊控制等。

由于控制器功能的增多和速度的不斷提高，控制器的研究已經(jīng)由硬件過渡到軟件、由具體控制器過渡到通用開放式體系結(jié)構(gòu)、由單獨控制過渡到多機(jī)協(xié)調(diào)控制，開發(fā)“具有開放式結(jié)構(gòu)的模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)器人控制器”已成為機(jī)器人控制器發(fā)展的一個方向

2 CAN總線

控制器局域網(wǎng)CAN為串行通信協(xié)議，能有效地支持具有很高安全等級的分布實時控制。CAN已經(jīng)成為國際標(biāo)準(zhǔn)，并已被公認(rèn)為幾種最有前途的現(xiàn)場總線之一。

2.1CAN總線性能特點

CAN屬于總線式串行通信網(wǎng)絡(luò)，由于其采用了許多新技術(shù)及獨特的設(shè)計，與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點可概括如下：

1、CAN是采用國際標(biāo)準(zhǔn)(ISO-11898)的現(xiàn)場總線，協(xié)議規(guī)范為CAN2.0PARTA，PARTB。

2、CAN為多主方式工作，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動地向網(wǎng)絡(luò)上其它節(jié)點發(fā)送信息，通信方式靈活。

3、在報文標(biāo)識符上，CAN上的節(jié)點分成不同的優(yōu)先級，可滿足不同的實時要求，優(yōu)先級高的數(shù)據(jù)最多可在134μs內(nèi)得到傳輸。

4、CAN采用非破壞總線仲裁技術(shù)。當(dāng)多個節(jié)點同時向總線發(fā)送信息出現(xiàn)沖突時，優(yōu)先級較低的節(jié)點會主動地退出發(fā)送，而最高優(yōu)先級的節(jié)點可不受影響地繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，從而大大節(jié)省了總線沖突仲裁時間。尤其是在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載很重的情況下，也不會出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)癱瘓情況。

5、CAN節(jié)點只需對報文的標(biāo)識符濾波即可實現(xiàn)點對點，一對多及全局廣播等幾種方式傳送接收數(shù)據(jù)。

6、CAN的直接通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)10km(速率5kbps以下)；通信速率最高可達(dá)1Mbps(此時通信距離最長為40m)。

7、采用短幀結(jié)構(gòu)，一次傳送的字節(jié)為8個(CAN2.0A)，而擴(kuò)展標(biāo)準(zhǔn)(CAN2.0B)傳

送的字節(jié)數(shù)為64個。這樣傳輸時間短，受干擾概率低，具有良好的檢錯效果。

8、CAN總線具有較高的性能價格比。它結(jié)構(gòu)簡單，器件容易購置，每個節(jié)點的價

格較低，而且開發(fā)技術(shù)容易掌握，能充分利用現(xiàn)有的單片機(jī)開發(fā)工具。

2.2CAN總線分層結(jié)構(gòu)

CAN協(xié)議是建立在國際標(biāo)準(zhǔn)組織的開放系統(tǒng)互聯(lián)模型基礎(chǔ)上的，其模型結(jié)構(gòu)只有3層，如圖2所示，即只取OSI底層的物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應(yīng)用層。由于CAN的結(jié)構(gòu)簡單，又是范圍較小的局域網(wǎng)，一般不需要其他的中間層，應(yīng)用層數(shù)據(jù)直接取自數(shù)據(jù)鏈路層或直接向鏈路層寫數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)層次少，有利于系統(tǒng)中實時控制信號的傳送。

圖2 CAN總線OSI模型

數(shù)據(jù)鏈路層包括邏輯鏈路控制子層(LLC,LogicalLinkControl)，介質(zhì)訪問控制子層(MAC,MediumAccessControl)。

3 CAN總線的控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)上信息的接收和發(fā)送站，CAN總線系統(tǒng)中共有兩種類型的節(jié)點；不帶微處理器的非智能節(jié)點和帶微處理器的智能節(jié)點。本文所設(shè)計的行走機(jī)器人系統(tǒng)采用的是智能節(jié)點，通過各個智能節(jié)點采集信號和執(zhí)行上位機(jī)的指令。

圖3中所設(shè)計的控制網(wǎng)絡(luò)的主要通信單元組成，整個行走機(jī)器人主要有主控單元，信號采集單元，底層電機(jī)驅(qū)動單元三部分組成，三個部分通過CAN總線組成一個有機(jī)的整體，共同實現(xiàn)控制任務(wù)。其中的信號采集部分包括左右腳底的壓力信號采集單元和下肢主要肌群部位的壓力信號采集單元；底層電機(jī)驅(qū)動單元主要包括位于左右腿上髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)部位的智能驅(qū)動單元。

圖3 基于CAN總線的控制網(wǎng)絡(luò)

4 結(jié)論

本文主要介紹了步行機(jī)器人的發(fā)展?fàn)顩r，對CAN總線方式進(jìn)行分析研究。結(jié)合行走機(jī)器人的特點進(jìn)行控制系統(tǒng)和通信方式的選擇，設(shè)計了基于CAN總線的行走機(jī)器人控制網(wǎng)絡(luò)。本控制網(wǎng)絡(luò)的主要由通信單元組成，整個行走機(jī)器人主要有主控單元，信號采集單元，底層電機(jī)驅(qū)動單元三部分組成，三個部分通過CAN總線組成一個有機(jī)的整體，共同實現(xiàn)控制任務(wù)。