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基于CAN總線(xiàn)和雙傳感器的仿人機器人運動(dòng)控制系統研究
作者：
時(shí)間：2012-02-24
來(lái)源：網(wǎng)絡(luò )
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一、引言
機器人研究是自動(dòng)化領(lǐng)域最復雜、最具挑戰性的課題，它集機械、電子、計算機、材料、傳感器、控制技術(shù)等多門(mén)學(xué)科于一體，是多學(xué)科高技術(shù)成果的集中體現。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(gè)國家的高科技發(fā)展水平。運動(dòng)控制系統是機器人控制技術(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，各研究機構都把對機器人運動(dòng)控制系統的研究作為首要任務(wù)。
動(dòng)作協(xié)調、具有一定智能、能實(shí)現無(wú)線(xiàn)實(shí)時(shí)行走已經(jīng)成為當今機器人發(fā)展的主題。隨著(zhù)以電子計算機和數字電子技術(shù)為代表的現代高技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是以DSP為代表的高速數字信號處理器和大規?？删幊踢壿嬈骷–PLD 和FPGA為代表）的廣泛應用，機器人運動(dòng)控制系統也從以前單一的結構和簡(jiǎn)單的功能向著(zhù)結構化、標準化、模塊化和高度集成化的方向發(fā)展，采用開(kāi)放式體系結構已經(jīng)成為該技術(shù)發(fā)展的一種必然趨勢。本文作者正是順應這一趨勢，設計出一種多功能分布式仿人機器人運動(dòng)控制系統。
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(dòng)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。該機器人高約1.55m，重約65kg，使用電池供電，無(wú)需外接電源和控制信號線(xiàn)，可以實(shí)現無(wú)纜行走，還可以完成人的腿部、手部和頭部的一些基本動(dòng)作，已經(jīng)初步具備了人類(lèi)的外形特征。
這臺新型仿人機器人一共具有36個(gè)自由度（如圖2所示），其中上肢12個(gè)，下肢12個(gè)，頭部2個(gè)，手部10個(gè)；下肢各個(gè)關(guān)節有位置傳感器，足部有多維力矩傳感器；具有視覺(jué)傳感、語(yǔ)音控制系統以及無(wú)線(xiàn)遙控模塊；整個(gè)控制系統、電源集成在機器人本體上。為了使之真正具有“仿人”的特點(diǎn)，控制系統必須能夠完成包括運動(dòng)控制與規劃、視覺(jué)感知處理、語(yǔ)音識別和其它環(huán)境感知在內的多種功能。其中，運動(dòng)控制是整個(gè)控制系統的關(guān)鍵，它必須能夠滿(mǎn)足以下要求：
（1）系統集成度高、體積小、重量輕、功率大、效率高和機載化。
（2）各個(gè)模塊之間的連接簡(jiǎn)潔，便于安裝和維護。
（3）控制器應具有良好的動(dòng)態(tài)響應和跟隨特性，穩態(tài)誤差和靜態(tài)誤差小。
（4）系統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）各部分的數據交換必須實(shí)時(shí)有效和準確可靠。
三、動(dòng)控制系統設計
根據以上要求，我們設計了一種基于CAN現場(chǎng)總線(xiàn)的新型控制結構。整個(gè)控制系統采用集中管理分散控制的方式，按照控制系統的結構和功能劃分為三層：組織層、協(xié)調層、執行層。其中，組織層由機器人本體外的一臺工作站組成，主要負責實(shí)現人機交互、無(wú)線(xiàn)通訊、語(yǔ)音、視覺(jué)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)調層和執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，其具體結構如圖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(shí)配備液晶顯示器和自制專(zhuān)用功能鍵盤(pán)，主要完成在線(xiàn)運動(dòng)規劃、動(dòng)作級運動(dòng)控制、語(yǔ)音交互控制、視覺(jué)導引控制以及人機交互等功能。它接受本地傳感器的信息，根據一定的控制算法和任務(wù)要求，實(shí)時(shí)生成關(guān)節軸系的任務(wù)規劃數據并通過(guò)數據傳輸總線(xiàn)送至各底層運動(dòng)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(xiàn)進(jìn)行通信。CAN（Controller AreaNetwork）總線(xiàn)是應用最為廣泛的一種現場(chǎng)總線(xiàn)，也是目前為止唯一有國際標準的現場(chǎng)總線(xiàn)。相對于一般通信總線(xiàn)，它的數據通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其特點(diǎn)主要有：
（1）CAN總線(xiàn)為多主方式，網(wǎng)絡(luò )上任一節點(diǎn)均可在任意時(shí)刻向其它節點(diǎn)發(fā)送數據。
（2）CAN總線(xiàn)上的節點(diǎn)可以通過(guò)標識符分成不同的優(yōu)先級，滿(mǎn)足不同的實(shí)時(shí)要求。
（3）CAN 總線(xiàn)采用非破壞的總線(xiàn)仲裁技術(shù)，低優(yōu)先級節點(diǎn)不影響高優(yōu)先級節點(diǎn)的發(fā)送。
（4）CAN總線(xiàn)節點(diǎn)在40m內通信速率最高可達1MBPS。
（5）CAN總線(xiàn)上的節點(diǎn)數在標準幀格式下可達到110個(gè)，擴展幀格式下幾乎不受限制。
（6）報文采用短幀格式，傳輸時(shí)間短，出錯率極低。
（7）CAN總線(xiàn)通信介質(zhì)可選用雙絞線(xiàn)，其結構靈活，連接方便。
CAN總線(xiàn)的以上特點(diǎn)使之十分適用于機器人控制，鑒于此，本文選用CAN總線(xiàn)作為機器人控制系統的通信工具。具體連接方式為：主控計算機通過(guò)CAN總線(xiàn)接口卡連接到總線(xiàn)上，各運動(dòng)控制器也都通過(guò)總線(xiàn)收發(fā)器掛接到總線(xiàn)上，而且可以根據實(shí)際情況增減數目。由于CAN總線(xiàn)只用兩根線(xiàn)進(jìn)行通信，大大降低了系統連線(xiàn)的復雜程度，同時(shí)增強了系統的可靠性能。
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