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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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圖3 運動(dòng)控制系統結構框圖
3 執行層模塊
執行層處于整個(gè)控制系統的最底層，由不同類(lèi)型的控制器組成，主要用來(lái)控制各運動(dòng)關(guān)節軸系的具體執行過(guò)程。由于各運動(dòng)關(guān)節電機的型號不同、承載的重量不同，對控制精度的要求也不同，我們分別為之設計了不同的運動(dòng)控制器。
①開(kāi)環(huán)DSP運動(dòng)控制器
頭部和上肢負載重量較輕，因此采用開(kāi)環(huán)DSP運動(dòng)控制器來(lái)對頭部和上肢各關(guān)節進(jìn)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(lái)的控制命令，然后生成相應的執行命令發(fā)給各關(guān)節軸系，使之轉到相應角度。
②開(kāi)環(huán)MCU運動(dòng)控制
器手部各個(gè)關(guān)節體積和質(zhì)量都很小，故采用開(kāi)環(huán)MCU運動(dòng)控制器來(lái)進(jìn)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，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)節的運動(dòng)。
③閉環(huán)DSP運動(dòng)控制器
腿部所有軸系均由直流減速驅動(dòng)型電機構成，帶零位檢測、碼盤(pán)和電位計反饋以及多維力/力矩傳感器，結構復雜、控制難度大、精度要求也高，故采用閉環(huán)DSP運動(dòng)控制器。這部分是整個(gè)控制系統的關(guān)鍵，也是我們研究的重點(diǎn)。
4控制系統流程
整個(gè)控制系統的具體流程為：系統開(kāi)始運行并完成初始化工作；主控計算機根據規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，結合各傳感器反饋的信息，通過(guò)一定的控制算法生成相應的執行命令并發(fā)送給各關(guān)節執行軸系，同時(shí)把底層軸系的運行情況上傳給主控計算機，主控計算機根據新的情況再產(chǎn)生新的命令發(fā)送給各控制器，如此反復。這事實(shí)上是兩個(gè)閉環(huán)反饋過(guò)程，底層控制器通過(guò)傳感器與各關(guān)節軸系之間進(jìn)行小循環(huán)反饋，主控計算機通過(guò)各控制器與各關(guān)節軸系之間進(jìn)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(jìn)行離線(xiàn)實(shí)時(shí)控制。
主控計算機每秒鐘向底層控制器發(fā)送200組數據，底層控制器向主控計算機反饋同樣數目的數據，而CAN總線(xiàn)的最大通信速率可以達到幾千幀/秒，完全可以滿(mǎn)足控制的要求。
四、控制器詳細設計
控制下肢的閉環(huán)DSP 控制器是整個(gè)控制系統的核心部分，承擔著(zhù)整個(gè)機器人的負載重量，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(dòng)的實(shí)現。我們專(zhuān)門(mén)為之設計了基于雙位置傳感器的閉環(huán)DSP控制器，其結構如圖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(gè)事件管理器功能尤為強大，完全是為電機控制設計的，可利用多個(gè)PWM脈沖通道直接產(chǎn)生需要的PWM脈沖控制信號；其CAN總線(xiàn)模塊可以直接與主控計算機進(jìn)行通信而不需要增加CAN總線(xiàn)控制器；外部看門(mén)狗可以對控制器電壓進(jìn)行監控；外部存儲器中存放著(zhù)控制算法所需的必要參數。
控制器的雙位置傳感器由電壓輸出傳感器和光電碼盤(pán)傳感器組成。其中，電壓傳感器把軸系的位置信息轉換成電壓信號，經(jīng)過(guò)放大電路放大，再經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)的A/D轉換器轉換成數字信號送入DSP主處理器。不用TMS320LF2407A自帶的A/D轉換器而使用專(zhuān)門(mén)的A/D轉換芯片，這是為了提高轉換的精度，因為T(mén)MS320LF2407A 的A/D轉換器所能接受的最高轉換電壓只有3.3V，而經(jīng)過(guò)功率放大后的電壓遠遠超出了此范圍，所以使用了專(zhuān)門(mén)的A/D轉換芯片。這部分電路雖然增加了控制器的復雜程度，卻可以大大提高轉換精度，所以是十分值得的。
碼盤(pán)傳感器把軸系的位置信息轉換成脈沖信號，經(jīng)過(guò)光電隔離器件隔離后送入專(zhuān)用脈沖計數器，計數后的信息送入DSP主處理器。脈沖計數器選用當今流行的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(shí)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(guò)對接收到的傳感器信號進(jìn)行分析和計算之后產(chǎn)生相應的PWM脈沖控制信號，經(jīng)過(guò)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(shí)考慮，也可以一路為主，另外一路提供補充和參考。
圖4 閉環(huán)DSP控制器結構圖
主處理器通過(guò)CAN總線(xiàn)與主控計算機進(jìn)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(shí)現更高一級的反饋控制。主處理器通過(guò)CAN總線(xiàn)收發(fā)器連接到總線(xiàn)上，為提高精度，中間需要進(jìn)行光電隔離。該控制器直接安裝在仿人機器人的體內，每個(gè)控制器可以同時(shí)控制6 個(gè)關(guān)節軸系，整個(gè)下肢只需要兩個(gè)控制器就可以實(shí)現其運動(dòng)控制。
五、結論
我們在充分吸收當今相關(guān)學(xué)科高技術(shù)成果的基礎上，設計出一套速度快、穩定性強、集成度高、結構靈活、使用方便的仿人機器人運動(dòng)控制系統。整個(gè)運動(dòng)控制系統可直接嵌入到機器人本體內，以便在實(shí)際運行中圓滿(mǎn)地完成規定的控制任務(wù)。同時(shí)，該控制系統還有很強的擴展功能，可以方便地移植到其它類(lèi)似的控制機構中去，是一種多功能通用型控制系統，具有廣闊的應用前景。
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