摘要：提出了一種以CAN總線為通信工具,DSP 芯片為控制器的主處理器和雙位置傳感器的反饋結(jié)構(gòu),配合主控計算機和底層控制器雙層反饋的控制方式,適合于仿人步行機器人的分布式運動控制系統(tǒng)。整個控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活、功能強大、工作穩(wěn)定可靠,可以顯著提高仿人機器人的運動性能。 關(guān)鍵詞：仿人機器人;運動控制器;CAN總線;DSP 一、引言 機器人研究是自動化領(lǐng)域最復(fù)雜、最具挑戰(zhàn)性的課題,它集機械、電子、計算機、材料、傳感器、控制技術(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)。而仿人步行機器人技術(shù)的研究更是處于機器人課題研究的前沿,它在一定程度上代表了一個國家的高科技發(fā)展水平。運動控制系統(tǒng)是機器人控制技術(shù)的核心,也是機器人研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一,在機器人控制中具有舉足輕重的地位,因此,各研究機構(gòu)都把對機器人運動控制系統(tǒng)的研究作為首要任務(wù)。 動作協(xié)調(diào)、具有一定智能、能實現(xiàn)無線實時行走已經(jīng)成為當(dāng)今機器人發(fā)展的主題。隨著以電子計算機和數(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)字信號處理器和大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷ㄒ訡PLD和FPGA為代表）的廣泛應(yīng)用,機器人運動控制系統(tǒng)也從以前單一的結(jié)構(gòu)和簡單的功能向著結(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。本文作者正是順應(yīng)這一趨勢,設(shè)計出一種多功能分布式仿人機器人運動控制系統(tǒng)。 二、控制對象與要求 我們以國防科技大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院機器人教研室最新研制的新一代仿人步行機器人為研究對象（其外形如圖1所示）。該機器人高約1.55m,重約65kg,使用電池供電,無需外接電源和控制信號線,可以實現(xiàn)無纜行走,還可以完成人的腿部、手部和頭部的一些基本動作,已經(jīng)初步具備了人類的外形特征。 這臺新型仿人機器人一共具有36個自由度（如圖2所示）,其中上肢12個,下肢12個,頭部2個,手部10個;下肢各個關(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、語音控制系統(tǒng)以及無線遙控模塊;整個控制系統(tǒng)、電源集成在機器人本體上。為了使之真正具有“仿人”的特點,控制系統(tǒng)必須能夠完成包括運動控制與規(guī)劃、視覺感知處理、語音識別和其它環(huán)境感知在內(nèi)的多種功能。其中,運動控制是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵,它必須能夠滿足以下要求： （1）系統(tǒng)集成度高、體積小、重量輕、功率大、效率高和機載化。 （2）各個模塊之間的連接簡潔,便于安裝和維護。 （3）控制器應(yīng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)和跟隨特性,穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差小。 （4）系統(tǒng)集成在機器人本體上,電磁干擾較強,必須具有較強的抗干擾能力。 （5）各部分的數(shù)據(jù)交換必須實時有效和準(zhǔn)確可靠。 三、動控制系統(tǒng)設(shè)計 根據(jù)以上要求,我們設(shè)計了一種基于CAN現(xiàn)場總線的新型控制結(jié)構(gòu)。整個控制系統(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,組織層由機器人本體外的一臺工作站組成,主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)人機交互、無線通訊、語音、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、主控計算機模塊 主控計算機要求體積小、運算速度快,通常采用小板工業(yè)控制計算機,同時配備液晶顯示器和自制專用功能鍵盤,主要完成在線運動規(guī)劃、動作級運動控制、語音交互控制、視覺導(dǎo)引控制以及人機交互等功能。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,實時生成關(guān)節(jié)軸系的任務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)傳輸總線送至各底層運動控制器。 2、通信模塊 主控計算機和各控制器之間采用CAN總線進行通信。CAN（Controller Area Network）總線是應(yīng)用最為廣泛的一種現(xiàn)場總線,也是目前為止唯一有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。相對于一般通信總線,它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點主要有： （1）CAN總線為多主方式,網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻向其它節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。 （2）CAN總線上的節(jié)點可以通過標(biāo)識符分成不同的優(yōu)先級,滿足不同的實時要求。 （3）CAN總線采用非破壞的總線仲裁技術(shù),低優(yōu)先級節(jié)點不影響高優(yōu)先級節(jié)點的發(fā)送。 （4）CAN總線節(jié)點在40m內(nèi)通信速率最高可達1MBPS。 （5）CAN總線上的節(jié)點數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)幀格式下可達到110個,擴展幀格式下幾乎不受限制。 （6）報文采用短幀格式,傳輸時間短,出錯率極低。 （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總線的以上特點使之十分適用于機器人控制,鑒于此,本文選用CAN總線作為機器人控制系統(tǒng)的通信工具。具體連接方式為：主控計算機通過CAN總線接口卡連接到總線上,各運動控制器也都通過總線收發(fā)器掛接到總線上,而且可以根據(jù)實際情況增減數(shù)目。由于CAN總線只用兩根線進行通信,大大降低了系統(tǒng)連線的復(fù)雜程度,同時增強了系統(tǒng)的可靠性能。 （3）執(zhí)行層模塊 執(zhí)行層處于整個控制系統(tǒng)的最底層,由不同類型的控制器組成,主要用來控制各運動關(guān)節(jié)軸系的具體執(zhí)行過程。由于各運動關(guān)節(jié)電機的型號不同、承載的重量不同,對控制精度的要求也不同,我們分別為之設(shè)計了不同的運動控制器。 ①開環(huán)DSP運動控制器 頭部和上肢負(fù)載重量較輕,因此采用開環(huán)DSP運動控制器來對頭部和上肢各關(guān)節(jié)進行控制。這些控制器不需要采樣和反饋,直接接收主控計算機發(fā)來的控制命令,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運動控制器 手部各個關(guān)節(jié)體積和質(zhì)量都很小,故采用開環(huán)MCU運動控制器來進行控制。這些控制器采用MCS-51單片機作為處理器,可以直接嵌入到手掌內(nèi),它們接收主控計算機的控制命令,利用其IO引腳產(chǎn)生需要的多路脈沖控制信號,控制手部各關(guān)節(jié)的運動。 ③閉環(huán)DSP運動控制器 腿部所有軸系均由直流減速驅(qū)動型電機構(gòu)成,帶零位檢測、碼盤和電位計反饋以及多維力/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運動控制器。這部分是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵,也是我們研究的重點。 （4）控制系統(tǒng)流程 整個控制系統(tǒng)的具體流程為：系統(tǒng)開始運行并完成初始化工作;主控計算機根據(jù)規(guī)劃和計算向底層控制器發(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,同時把底層軸系的運行情況上傳給主控計算機,主控計算機根據(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)。這事實上是兩個閉環(huán)反饋過程,底層控制器通過傳感器與各關(guān)節(jié)軸系之間進行小循環(huán)反饋,主控計算機通過各控制器與各關(guān)節(jié)軸系之間進行大回路反饋,這樣可以使機器人具有更多的“智能”,更好的進行離線實時控制。 主控計算機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算機反饋同樣數(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 控制下肢的閉環(huán)DSP控制器是整個控制系統(tǒng)的核心部分,承擔(dān)著整個機器人的負(fù)載重量,輸出功率大,對控制的精度要求也高,因此它的性能直接關(guān)系到機器人運動的實現(xiàn)。我們專門為之設(shè)計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。它的兩個事件管理器功能尤為強大,完全是為電機控制設(shè)計的,可利用多個PWM脈沖通道直接產(chǎn)生需要的PWM脈沖控制信號;其CAN總線模塊可以直接與主控計算機進行通信而不需要增加CAN總線控制器;外部看門狗可以對控制器電壓進行監(jiān)控;外部存儲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,經(jīng)過放大電路放大,再經(jīng)過專門的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入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,因為TMS320LF2407A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,經(jīng)過光電隔離器件隔離后送入專用脈沖計數(shù)器,計數(shù)后的信息送入DSP主處理器。脈沖計數(shù)器選用當(dāng)今流行的CPLD器件,其強大的功能對提高控制器的性能有很大的幫助,同時還可以作為譯碼電路為主處理器提供譯碼功能。 主處理器通過對接收到的傳感器信號進行分析和計算之后產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈沖控制信號,經(jīng)過光電隔離和功率放大后送給底層軸系控制軸系的運行。使用雙傳感器可以大大提高反饋的精度,兩路信號可以同時考慮,也可以一路為主,另外一路提供補充和參考。 主處理器通過CAN總線與主控計算機進行通信,接收主控計算機的命令并把底層信息反饋給主控計算機,實現(xiàn)更高一級的反饋控制。主處理器通過CAN總線收發(fā)器連接到總線上,為提高精度,中間需要進行光電隔離。 該控制器直接安裝在仿人機器人的體內(nèi),每個控制器可以同時控制6個關(guān)節(jié)軸系,整個下肢只需要兩個控制器就可以實現(xiàn)其運動控制。 五、結(jié)論 我們在充分吸收當(dāng)今相關(guān)學(xué)科高技術(shù)成果的基礎(chǔ)上,設(shè)計出一套速度快、穩(wěn)定性強、集成度高、結(jié)構(gòu)靈活、使用方便的仿人機器人運動控制系統(tǒng)。整個運動控制系統(tǒng)可直接嵌入到機器人本體內(nèi),以便在實際運行中圓滿地完成規(guī)定的控制任務(wù)。同時,該控制系統(tǒng)還有很強的擴展功能,可以方便地移植到其它類似的控制機構(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。 參考文獻： [1] Kazuo Hirai．The Honda Humanoid Robot：Development and Futrue Perspective[J]．Induatrial Robot：An International Journal, 1999,26（4） [2] Cen Young and Draig G．Pickin．Ａccuracy assessment of the modern industrial robot[J]．Industrial Robot,2000,27（6） [3] Tarun Kanti Podder,Nilanjan Sarkar．Fault-tolerant control of an autonomous underwater vehicle under thruster redundancy[J]．Robotics and Autonomous Systems,2001,34 [4] 方海軍等．基于CAN總線的自主式仿人型機器人控制系統(tǒng)[J]．機器人,2002,24（１） [5] 曹禺．仿人步行機器人機載運動控制器的設(shè)計與應(yīng)用[C]．長沙：國防科技大學(xué)機電工程與自動化學(xué)院檔案室（內(nèi)部資料）,2002 [6] 石宗英等．基于現(xiàn)場總線的仿人型機器人控制系統(tǒng)[J]．工程與應(yīng)用,2002,（2） [7] 鄔寬明. 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