基于CAN總線(xiàn)的仿人機器人運動(dòng)控制系統研究

　　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?？刂萍夹g(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?以CPLD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?？刂茖ο笈c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(其外形如圖1所示)。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/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。體積孝重量輕。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)誤差校

　　(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孝運算速度快，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 Area Network)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。

　　(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。

　?、匍_(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。

　?、陂_(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)。

　?、坶]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?？刂齐y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?？刂破髟敿氃O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。

　　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。