基于DSP的仿人機器人運動(dòng)控制器系統設計

傳統的機器人運動(dòng)控制器大部分是以嵌入式單片機為核心的,但其運算速度和處理能力遠不能滿(mǎn)足機器人控制系統飛速發(fā)展的需要,日益成為阻礙機器人技術(shù)進(jìn)步的瓶頸。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,尤其是高速度數字信號處理器DSP 的出現,從根本上解決了嵌入式系統運算能力不足的問(wèn)題,并為機器人運動(dòng)控制系統的改進(jìn)提供了新的途徑。該文正是從這一點(diǎn)出發(fā), 選用控制能力很強的DSP芯片TMS320LF2407A作為機器人運動(dòng)控制器的主處理器,設計出一種高性能機器人運動(dòng)控制器,顯著(zhù)地提高了整個(gè)機器人的運動(dòng)性能。

1 　控制系統結構

機器人的各種運動(dòng)由各個(gè)關(guān)節軸系完成,機器人控制本質(zhì)上是對各關(guān)節軸系的控制。每個(gè)軸系具有一個(gè)自由度,可以完成某一方向的轉動(dòng)任務(wù),所有軸系同時(shí)協(xié)調運動(dòng)就可以完成相對復雜的動(dòng)作。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仿人步行機器人,其內部各關(guān)節結構如圖1所示。

圖1 　機器人內部結構示意圖

此機器人共有36 個(gè)自由度,分布在下肢、上肢、頭部和手指等各關(guān)節。所有軸系均由PWM 脈沖信號驅動(dòng)控制,運動(dòng)控制系統的任務(wù)就是對這些關(guān)節軸系進(jìn)行控制,具體由各底層控制器實(shí)現。整個(gè)控制系統采用分布式控制,在結構上可分為3 個(gè)層次,如圖2 所示。

圖2 　運動(dòng)控制系統結構框圖

1.1 　主控計算機模塊
　　
主控計算機就是控制系統的“大腦”和司令部,負責整個(gè)系統的在線(xiàn)運動(dòng)規劃、動(dòng)作及運動(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。主控計算機要求體積小,運算速度快,滿(mǎn)足機器人實(shí)時(shí)控制的要求,通常采用高性能小板工業(yè)控制計算機。它通過(guò)CAN 總線(xiàn)接口卡連接到通信總線(xiàn)上,與各底層控制器相連并交互信息。

1.2 　通信模塊
　　
機器人控制的信息量大,對通信方面的要求很高,要保證各種信息在控制系統中及時(shí)準確的傳輸,通信工具的選擇十分重要,該文選用當前流行的CAN 總線(xiàn)作為通信標準。CAN (Controller Area Net-work) 總線(xiàn)是應用最為廣泛的一種現場(chǎng)總線(xiàn),也是目前為止惟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,可以滿(mǎn)足文中的設計要求。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,各底層控制器通過(guò)總線(xiàn)收發(fā)器掛接到總線(xiàn)上。只要所有器件都遵守相同的通信協(xié)議,就可以穩定可靠的進(jìn)行信息傳輸。

1.3 底層控制器模塊
　　
控制器處于整個(gè)控制系統的最底層,主要用來(lái)控制各運動(dòng)關(guān)節軸系的具體執行過(guò)程?？刂破鹘邮罩骺赜嬎銠C的控制命令對各關(guān)節執行軸系進(jìn)行控制,同時(shí)把底層信息反饋給主控計算機,實(shí)現大回路反饋,便于主控計算機協(xié)調規劃,統一管理?？刂破魇钦麄€(gè)控制系統的核心,也是該文研究的重點(diǎn),它的性能直接關(guān)系到機器人運動(dòng)能力。

2 　控制器詳細設計

基于DSP 的控制器具體結構如圖3 所示。整個(gè)控制器根據結構和功能可分為3 部分:主處理器與外圍器件單元、反饋與執行單元、通信單元,各部分如圖3 中虛線(xiàn)所示。

圖3 　DSP 控制器結構