一、引言

機器人研究是自動化領域最復雜、最具挑戰(zhàn)性的課題,它集機械、電子、計算機、材料、傳感器、控制技術等多門學科于一體,是多學科高技術成果的集中體現(xiàn)。而仿人步行機器人技術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國家的高科技發(fā)展水平。運動控制系統(tǒng)是機器人控制技術的核心,也是機器人研究領域的關鍵技術之一,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控制系統(tǒng)的研究作為首要任務。

動作協(xié)調、具有一定智能、能實現(xiàn)無線實時行走已經(jīng)成為當今機器人發(fā)展的主題。隨著以電子計算機和數(shù)字電子技術為代表的現(xiàn)代高技術的不斷發(fā)展,特別是以DSP為代表的高速數(shù)字信號處理器和大規(guī)模可編程邏輯器件（以CPLD和FPGA為代表）的廣泛應用,機器人運動控制系統(tǒng)也從以前單一的結構和簡單的功能向著結構化、標準化、模塊化和高度集成化的方向發(fā)展,采用開放式體系結構已經(jīng)成為該技術發(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控制系統(tǒng)。

二、控制對象與要求

我們以國防科技大學機電工程與自動化學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,無需外接電源和控制信號線,可以實現(xiàn)無纜行走,還可以完成人的腿部、手部和頭部的一些基本動作,已經(jīng)初步具備了人類的外形特征。

這臺新型仿人機器人一共具有36個自由度（如圖2所示）,其中上肢12個,下肢12個,頭部2個,手部10個;下肢各個關節(jié)有位置傳感器,足部有多維力/力矩傳感器;具有視覺傳感、語音控制系統(tǒng)以及無線遙控模塊;整個控制系統(tǒng)、電源集成在機器人本體上。為了使之真正具有“仿人”的特點,控制系統(tǒng)必須能夠完成包括運動控制與規(guī)劃、視覺感知處理、語音識別和其它環(huán)境感知在內的多種功能。其中,運動控制是整個控制系統(tǒng)的關鍵,它必須能夠滿足以下要求：

（1）系統(tǒng)集成度高、體積小、重量輕、功率大、效率高和機載化。
（2）各個模塊之間的連接簡潔,便于安裝和維護。
（3）控制器應具有良好的動態(tài)響應和跟隨特性,穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差小。
（4）系統(tǒng)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(shù)據(jù)交換必須實時有效和準確可靠。

三、動控制系統(tǒng)設計

根據(jù)以上要求,我們設計了一種基于CAN現(xiàn)場總線的新型控制結構。整個控制系統(tǒng)采用集中管理分散控制的方式,按照控制系統(tǒng)的結構和功能劃分為三層：組織層、協(xié)調層、執(zhí)行層。其中,組織層由機器人本體外的一臺工作站組成,主要負責實現(xiàn)人機交互、無線通訊、語音、視覺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(zhí)行層都集成在機器人本體上,完成具體的控制任務,屬于物理控制范疇,是我們通常意義上的控制系統(tǒng),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,同時配備液晶顯示器和自制專用功能鍵盤,主要完成在線運動規(guī)劃、動作級運動控制、語音交互控制、視覺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(jù)一定的控制算法和任務要求,實時生成關節(jié)軸系的任務規(guī)劃數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)傳輸總線送至各底層運動控制器。

2、通信模塊



主控計算機和各控制器之間采用CAN總線進行通信。CAN（Controller Area Network）總線是應用最為廣泛的一種現(xiàn)場總線,也是目前為止唯一有國際標準的現(xiàn)場總線。相對于一般通信總線,它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點主要有：
（1）CAN總線為多主方式,網(wǎng)絡上任一節(jié)點均可在任意時刻向其它節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。
（2）CAN總線上的節(jié)點可以通過標識符分成不同的優(yōu)先級,滿足不同的實時要求。
（3）CAN總線采用非破壞的總線仲裁技術,低優(yōu)先級節(jié)點不影響高優(yōu)先級節(jié)點的發(fā)送。
（4）CAN總線節(jié)點在40m內通信速率最高可達1MBPS。
（5）CAN總線上的節(jié)點數(shù)在標準幀格式下可達到110個,擴展幀格式下幾乎不受限制。
（6）報文采用短幀格式,傳輸時間短,出錯率極低。
（7）CAN總線通信介質可選用雙絞線,其結構靈活,連接方便。

CAN總線的以上特點使之十分適用于機器人控制,鑒于此,本文選用CAN總線作為機器人控制系統(tǒng)的通信工具。具體連接方式為：主控計算機通過CAN總線接口卡連接到總線上,各運動控制器也都通過總線收發(fā)器掛接到總線上,而且可以根據(jù)實際情況增減數(shù)目。由于CAN總線只用兩根線進行通信,大大降低了系統(tǒng)連線的復雜程度,同時增強了系統(tǒng)的可靠性能。
（3）執(zhí)行層模塊

執(zhí)行層處于整個控制系統(tǒng)的最底層,由不同類型的控制器組成,主要用來控制各運動關節(jié)軸系的具體執(zhí)行過程。由于各運動關節(jié)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控制器。

①開環(huán)DSP運動控制器
頭部和上肢負載重量較輕,因此采用開環(huán)DSP運動控制器來對頭部和上肢各關節(jié)進行控制。這些控制器不需要采樣和反饋,直接接收主控計算機發(fā)來的控制命令,然后生成相應的執(zhí)行命令發(fā)給各關節(jié)軸系,使之轉到相應角度。

②開環(huán)MCU運動控制器
手部各個關節(jié)體積和質量都很小,故采用開環(huán)MCU運動控制器來進行控制。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,控制手部各關節(jié)的運動。

③閉環(huán)DSP運動控制器
腿部所有軸系均由直流減速驅動型電機構成,帶零位檢測、碼盤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運動控制器。這部分是整個控制系統(tǒng)的關鍵,也是我們研究的重點。

（4）控制系統(tǒng)流程

整個控制系統(tǒng)的具體流程為：系統(tǒng)開始運行并完成初始化工作;主控計算機根據(jù)規(guī)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,通過一定的控制算法生成相應的執(zhí)行命令并發(fā)送給各關節(jié)執(zhí)行軸系,同時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(jù)新的情況再產(chǎn)生新的命令發(fā)送給各控制器,如此反復。這事實上是兩個閉環(huán)反饋過程,底層控制器通過傳感器與各關節(jié)軸系之間進行小循環(huán)反饋,主控計算機通過各控制器與各關節(jié)軸系之間進行大回路反饋,這樣可以使機器人具有更多的“智能”,更好的進行離線實時控制。

主控計算機每秒鐘向底層控制器發(fā)送200組數(shù)據(jù),底層控制器向主控計算機反饋同樣數(shù)目的數(shù)據(jù),而CAN總線的最大通信速率可以達到幾千幀/秒,完全可以滿足控制的要求。

四、控制器詳細設計

控制下肢的閉環(huán)DSP控制器是整個控制系統(tǒng)的核心部分,承擔著整個機器人的負載重量,輸出功率大,對控制的精度要求也高,因此它的性能直接關系到機器人運動的實現(xiàn)。我們專門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PWM脈沖通道直接產(chǎn)生需要的PWM脈沖控制信號;其CAN總線模塊可以直接與主控計算機進行通信而不需要增加CAN總線控制器;外部看門狗可以對控制器電壓進行監(jiān)控;外部存儲器中存放著控制算法所需的必要參數(shù)。

控制器的雙位置傳感器由電壓輸出傳感器和光電碼盤傳感器組成。其中,電壓傳感器把軸系的位置信息轉換成電壓信號,經(jīng)過放大電路放大,再經(jīng)過專門的A/D轉換器轉換成數(shù)字信號送入DSP主處理器。不用TMS320LF2407A自帶的A/D轉換器而使用專門的A/D轉換芯片,這是為了提高轉換的精度,因為TMS320LF2407A的A/D轉換器所能接受的最高轉換電壓只有3.3V,而經(jīng)過功率放大后的電壓遠遠超出了此范圍,所以使用了專門的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。碼盤傳感器把軸系的位置信息轉換成脈沖信號,經(jīng)過光電隔離器件隔離后送入專用脈沖計數(shù)器,計數(shù)后的信息送入DSP主處理器。脈沖計數(shù)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。

主處理器通過對接收到的傳感器信號進行分析和計算之后產(chǎn)生相應的PWM脈沖控制信號,經(jīng)過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CAN總線與主控計算機進行通信,接收主控計算機的命令并把底層信息反饋給主控計算機,實現(xiàn)更高一級的反饋控制。主處理器通過CAN總線收發(fā)器連接到總線上,為提高精度,中間需要進行光電隔離。
該控制器直接安裝在仿人機器人的體內,每個控制器可以同時控制6個關節(jié)軸系,整個下肢只需要兩個控制器就可以實現(xiàn)其運動控制。

五、結論

我們在充分吸收當今相關學科高技術成果的基礎上,設計出一套速度快、穩(wěn)定性強、集成度高、結構靈活、使用方便的仿人機器人運動控制系統(tǒng)。整個運動控制系統(tǒng)可直接嵌入到機器人本體內,以便在實際運行中圓滿地完成規(guī)定的控制任務。同時,該控制系統(tǒng)還有很強的擴展功能,可以方便地移植到其它類似的控制機構中去,是一種多功能通用型控制系統(tǒng),具有廣闊的應用前景。