基于CAN總線(xiàn)的仿人機器人力信息檢測系統

　　在國家863計劃支持下，國防科技大學(xué)機器人實(shí)驗室于2003年研制出一臺新型仿人機器人；同時(shí)與合肥智能機械研究所合作，在該機器人腳掌上安裝了可檢測地面反力信息的集成五維力/力矩傳感器。本文通過(guò)對仿人機器人運動(dòng)控制系統結構和傳感器電路結構的分析，提出了一種基于CAN總線(xiàn)的力信息檢測系統；通過(guò)實(shí)驗表明，該力信息檢測系統能夠滿(mǎn)足力信息采集的基本要求，為其他外部環(huán)境信息的采集建立了一定基礎。

　　仿人機器人控制結構分析與外部傳感信息采集結構

　　將仿人機器人控制系統的大開(kāi)環(huán)變成大閉環(huán)對控制系統的上位計算機處理能力、上下位機與傳感器信息之間的傳輸通道結構以及傳感器信息采集與處理提出了挑戰。它要求上位計算機具備實(shí)時(shí)多任務(wù)處理能力，控制系統具有便于擴展的多傳感器信息采集與處理通道。增加外部信息傳感器是控制結構改進(jìn)的最基本條件。

　　增加外部信息傳感器，首先要在現有控制系統硬件結構的基礎上，擴展外部信息采集與處理模塊，形成開(kāi)放的分層信息采集與處理結構。結構的底層節點(diǎn)由多個(gè)傳感器信息采集和預處理模塊(包括解耦和濾波等)構成，得到的處理信息通過(guò)合適的物理通道傳送到?jīng)Q策層計算機，形成一個(gè)從環(huán)境信息到機器人動(dòng)作序列產(chǎn)生的過(guò)程。

　　選擇實(shí)時(shí)性強且易于擴展的物理通道，可以增強控制系統的外部傳感擴展能力。在仿人機器人運動(dòng)控制系統中，上下位機之間通過(guò)PC/104總線(xiàn)和RS232串行總線(xiàn)交換信息。當系統需要擴展外部傳感器時(shí)，由于PC/104總線(xiàn)的有限驅動(dòng)能力，通過(guò)PC/104總線(xiàn)只能擴展相當有限的外部信息傳感器且擴展不便(涉及到地址的重新分配等問(wèn)題)；RS232串行總線(xiàn)不能滿(mǎn)足高速實(shí)時(shí)信息傳輸與處理要求，因此考慮采用現場(chǎng)總線(xiàn)方式，如CAN總線(xiàn)，作為外部信息傳輸通道，同時(shí)設計其與上位機的通信接口。理想信息采集結構如圖1所示。

　　
　　圖1　理想的信息采集網(wǎng)絡(luò )

　　圖1所示的信息采集結構，具有較強的易擴展性和較高容錯性能。每一個(gè)外部信息傳感器都可以獨立設計；在整個(gè)信息采集結構中，每個(gè)模塊都是對等的，之間可以點(diǎn)對點(diǎn)通信；上位機可對各個(gè)傳感器信息處理模塊的廣播，信息處理模塊的增減不會(huì )對整個(gè)信息傳輸通道產(chǎn)生影響，有利于傳感器及其處理模塊的擴展和維護。另外，從底層通信協(xié)議角度而言，這種采集結構亦具有較高容錯性能。

　　力/力矩傳感器的電路結構及工作原理

　　五維力/力矩傳感器的電路結構如圖2所示。傳感器基本采集處理原理：當傳感器受到外力或外力矩作用時(shí)，彈性體產(chǎn)生形變，導致全橋橋路中的應變片阻值發(fā)生改變，改變橋路輸出電壓；橋路輸出電壓通過(guò)前置濾波與放大進(jìn)入SoC，通過(guò)A/D變換得到的數字信號通過(guò)CAN總線(xiàn)或
RS232傳輸到上位機。

　　力/力矩傳感器與控制系統的電路接口設計方法

　　接口電路的基本功能
　　仿人機器人底層控制器與上位機接口采用PC/104總線(xiàn)方式，力/力矩傳感器信息傳輸采用CAN總線(xiàn)結構，因此需設計CAN總線(xiàn)與PC/104總線(xiàn)之間的接口，實(shí)現已有控制系統與傳感器之間的通信及對力/力矩信息的預處理，如圖3所示。

　　
　　圖2　傳感器電路原理

　　
　　圖3　接口電路基本功能和結構

　　接口電路的硬件結構與基本設計原理
　　綜合考慮接口電路對主處理器的要求，如對力/力矩信息的實(shí)時(shí)處理能力、外設擴展能力等，選用TMS320LF2407作為主處理器，通過(guò)對CAN總線(xiàn)和雙端口RAM的讀寫(xiě)控制，實(shí)現力信息的讀取、預處理和上傳。接口電路基本原理如圖4所示。