自平衡人形機器人動(dòng)作控制器的設計

自平衡人形機器人的多關(guān)節協(xié)調控制一直是機器人學(xué)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，目前采用的最多的是在大的反饋控制環(huán)路中對機器人進(jìn)行關(guān)節空間的控制，這種控制方式結構緊湊，實(shí)時(shí)性強，但在以控制器為核心的輻射式控制鏈路上，所有信息的交換都集中在機器人主控制器上，當機器人處于復雜的環(huán)境中時(shí)，可能會(huì )有過(guò)多的信息需要處理，這種復雜程度往往是不可預知的，因此機器人的穩定性也不能保證。
機器人主控制器是機器人的核心處理器，是提高人形機器人的信息處理能力的主要部件。其主要任務(wù)是控制機器人在空間的運動(dòng)位置、姿態(tài)、軌跡、操作順序和操作時(shí)間，因此必須保證主控制器能夠為解決復雜信息處理而穩定可靠地工作。機器人動(dòng)作控制器是為解決機器人動(dòng)作控制而設計的，它將主處理器發(fā)出任務(wù)處理命令分配到3個(gè)16位超低功耗單片機(MSP430F149)上去執行，實(shí)現多層次的控制管理。該人形機器人具有多關(guān)節，多自由度，自平衡的控制需求，需要動(dòng)作控制器在機器人系統控制中起到關(guān)鍵性的作用。

1 動(dòng)作控制器的設計
1．1 體系結構
自平衡人形機器人需要獲取不可預知的環(huán)境信息以及自身姿態(tài)信息進(jìn)行綜合運算并及時(shí)進(jìn)行自身姿態(tài)的調整。機器人的這種行為特點(diǎn)決定了機器人的整體控制結構要采用反饋控制。如圖1所示，描述了這種反饋控制結構的硬件實(shí)現。
同時(shí)，在圖1中可見(jiàn)從機器人主控制器到執行元件(舵機)之間，有一層動(dòng)作控制器的結構。這一層結構的任務(wù)是實(shí)現控制命令到舵機控制信號之間的功能轉換，這種體系結構的設計，就是借鑒計算機系統結構中的分層結構體系思想。采用這種分層的結構，實(shí)現了軟件和硬件、命令和動(dòng)作的相對隔離。其突出的優(yōu)點(diǎn)體現在能夠使主控制器專(zhuān)注于數據的處理，而對下行設備只負責發(fā)送指令，對于硬件的復雜的操作時(shí)序，由動(dòng)作控制器負責產(chǎn)生。

1．2 實(shí)現過(guò)程
1．2．1 硬件實(shí)現
為滿(mǎn)足機器人整體控制體系結構中指令到執行的層次性要求，動(dòng)作控制器需要完成命令解析，信號驅動(dòng)等任務(wù)。如圖2描述了動(dòng)作控制器內部的結構，其主要由串行總線(xiàn)、3個(gè)可并行工作的16位單片機、信號驅動(dòng)部分構成。這種結構能夠從總線(xiàn)接收命令，單片機進(jìn)行指令解析并輸出控制電信號，外部電路對控制信號驅動(dòng)放大，從而分別實(shí)現對執行舵機的控制。圖3為動(dòng)作控制器中一個(gè)單片機工作模塊的硬件原理圖。