基于PC／104與單片機的仿人機器人控制系統設計

摘 要：為了簡(jiǎn)化仿人機器人控制系統結構，增強機器人系統的功能。采用PC／104嵌入式系統作為仿人機器的主控計算機，完成圖像處理，做出控制決策，計算并生成運動(dòng)序列。關(guān)節控制器選用C8051F310單片機，采用串口與主控計算機通信，接收來(lái)自主控計算機的運動(dòng)序列指令，產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過(guò)放大電路，實(shí)現21路電機的控制。經(jīng)過(guò)實(shí)驗，得到圖像采集分析結果和仿人機器人穩態(tài)步行。實(shí)驗表明，這種控制系統能夠實(shí)現仿人機器人的控制。
關(guān)鍵詞：仿人機器人；主控制計算機；關(guān)節控制器；PWM波

0 引 言
機器人作為一個(gè)各學(xué)科交叉的復雜系統，越來(lái)越多的科研者采用機器人作為實(shí)驗平臺，因為它包括機械結構的設計，控制系統的構建，信息的采集與處理，運動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，人工智能等多方面知識的融合。仿人機器人從最初簡(jiǎn)單模擬人的外形、動(dòng)作、行走等，逐漸向人的思維、視覺(jué)、觸覺(jué)、智能等方面轉變，這就對機器人整個(gè)系統提出了更高的要求，不但要進(jìn)一步完善機器人的機械結構和安裝，而且要增強控制系統的功能和處理能力。
對于控制系統而言，目前在仿人機器人上常用的控制芯片有DSP，ARM或其他一些單片機等，為了進(jìn)一步增強機器人的可擴展性，這里采用嵌入式系統PC／104作為機器人的主控制計算機，它具有實(shí)時(shí)性好，成本低，小型化的優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統的基于單片機控制系統功能不足和基于PC控制系統非實(shí)時(shí)性的缺點(diǎn)，在仿人機器人應用中具有廣泛前景。

l 仿人機器人結構及控制系統
該機器人共有21個(gè)自由度，其中頭部2個(gè)自由度，可以實(shí)現頭部的俯仰和左右偏轉，在頭上裝有一個(gè)CCD攝像機，并且帶有視覺(jué)采集卡以及視覺(jué)處理計算機，能夠實(shí)現目標的識別和定位，為主控計算機直接提供目標信息。每個(gè)手臂3個(gè)自由度，能夠完成伸展和彎曲等動(dòng)作，在機器人摔倒后可以提供支撐力，讓機器人可以自行起立。腰上1個(gè)自由度，實(shí)現仿人機器人軀干的前傾和后仰，便于機器人在行走或執行手上動(dòng)作時(shí)重心的調節，增強機器人的可控性和穩定性。下肢6個(gè)自由度，其中踝關(guān)節處2個(gè)自由度，髖關(guān)節處3個(gè)自由度，與人的腿部結構相似，能夠靈活的完成下肢的各種動(dòng)作。仿人機器人的整個(gè)結構采用框架式結構，有利于減輕機器人結構上的重量，提高機器人的承載能力，為機器人控制系統的改進(jìn)提供了更大的空間。如圖1所示為仿人機器人實(shí)物圖。

仿人機器人控制系統以ACS一4051VEPC／104主板模塊作為主控制器，通過(guò)USB直接連接攝像頭，一個(gè)RS 232串行口與關(guān)節控制器相連，實(shí)現主控制計算機與關(guān)節控制器的通信。驅動(dòng)模塊和關(guān)節控制器集成在一個(gè)PC板上，主要實(shí)現PWM波的產(chǎn)生，驅動(dòng)電機轉動(dòng)。ACS一4051VE主板集成了Intel 82559ERl0／100 Mb／s以太網(wǎng)卡，外接一個(gè)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡可以實(shí)現與外部無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的通信。仿人機器人控制系統總體上主要分為2個(gè)部分：主控制器模塊和關(guān)節控制器模塊。它的總體結構實(shí)物圖如圖2所示。