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一、引言

機器人研討是自動化范疇最龐大。最具挑戰(zhàn)性的課題，它集機器。電子。計算機。資料。傳感器?？刂萍夹g等多門學科于一體，是多學科高技術結(jié)果的集中體現(xiàn)。而仿人步行機器人技巧的研討更是處于機器人課題研討的前沿，它正在必然水平上代表了一個國度的高科技開展程度。運動控制系統(tǒng)是機器人控制技術的焦點，也是機器人研討范疇的關鍵技術之一，正在機器人節(jié)制中存在無足輕重的位置，是以，各研討機構(gòu)皆把對機器人運動控制系統(tǒng)的研討作為首要任務。

舉措調(diào)和。存在必然智能。能實現(xiàn)無線及時行走曾經(jīng)成為現(xiàn)今機器人開展的主題。跟著以電子計算機跟數(shù)字電子技巧為代表的古代高技術的不休開展，特殊是以DSP為代表的高速數(shù)字信號處理器跟大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷膹V泛應用，機器人運動控制系統(tǒng)也從之前單一的布局跟簡略的功用向著結(jié)構(gòu)化。標準化。模塊化跟高度集成化的標的目的開展，采取開放式體系結(jié)構(gòu)曾經(jīng)成為該技巧開展的一種必然趨勢。本文作者恰是適應這一趨向，計劃出一種多功能分布式仿人機器人運動控制系統(tǒng)。

兩、節(jié)制工具與要求

咱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討工具。該機器人高約1.55m，重約65kg，利用電池供電，無需中接電源跟節(jié)制信號線，可以實現(xiàn)無纜行走，借可以實現(xiàn)人的腿部。手部跟頭部的一些根本舉措，曾經(jīng)開端具有了人類的形狀特點。這臺新型仿人機器人一共存在36個自由度，此中上肢12個，下肢12個，頭部2個，手部10個；下肢各個樞紐有地位傳感器，足部有多維力/力矩傳感器；存在視覺傳感。語音控制系統(tǒng)和無線遙控模塊；全部控制系統(tǒng)。電源集成正在機器人本體上。為了使之真正存在“仿人”的特色，控制系統(tǒng)必需可能實現(xiàn)包羅運動節(jié)制與計劃。視覺感知處置懲罰。語音辨認跟別的情況感知在內(nèi)的多種功用。此中，運動節(jié)制是全部控制系統(tǒng)的要害，它必需可能知足以下要求：

體系集成度下。體積孝重量輕。功率年夜。效率高跟機載化。

各個模塊之間的毗鄰簡明，便于裝置跟保護。

控制器應存在優(yōu)越的靜態(tài)相應跟追隨特性，穩(wěn)態(tài)偏差跟靜態(tài)偏差校

系統(tǒng)集成正在機器人本體上，電磁干擾較強，必需存在較強的抗干擾能力。

各部門的數(shù)據(jù)交換必需及時無效跟精確靠得住。

三、動控制系統(tǒng)計劃

依據(jù)以上要求，咱們計劃了一種基于CAN現(xiàn)場總線的新型控制結(jié)構(gòu)。全部控制系統(tǒng)采取集中管理分散控制的方法，依照控制系統(tǒng)的布局跟功用分別為三層：組織層。調(diào)和層。執(zhí)行層。此中，組織層由機器人本體外的一臺工作站構(gòu)成，次要擔任實現(xiàn)人機交互。無線通訊。語音。視覺和宏指令天生等功用，屬于智能節(jié)制領域，本文沒有做深入探討；調(diào)和層跟執(zhí)行層皆集成正在機器人本體上，實現(xiàn)詳細的節(jié)制使命，屬于物理節(jié)制領域，是咱們平常意思上的控制系統(tǒng)，其詳細布局如圖3所示。

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主控計算機模塊

主控計算機要求體積孝運算速率快，平常采取小板工業(yè)節(jié)制計算機，同時裝備液晶顯示器跟克己公用功用鍵盤，次要實現(xiàn)在線運動計劃。舉措級運動節(jié)制。語音交互節(jié)制。視覺扶引節(jié)制和人機交互等功用。它接管當?shù)貍鞲衅鞯男畔ⅲ罁?jù)必然的控制算法跟使命要求，及時天生樞紐軸系的使命計劃數(shù)據(jù)并經(jīng)由過程數(shù)據(jù)傳輸總線送至各底層運動控制器。

通訊模塊

主控計算機跟各控制器之間采取CAN總線停止通訊。CAN（ControllerAreaNetwork）總線是使用最為普遍的一種現(xiàn)場總線，也是目前為止獨一有國際標準的現(xiàn)場總線。絕對于普通通訊總線，它的數(shù)據(jù)通信存在突出的可靠性。實時性跟靈活性。其特色次要有：

CAN總線為多主方法，收集上任一節(jié)點均可正在隨意率性時辰向別的節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。

CAN總線上的節(jié)點可以經(jīng)由過程標識符分紅分歧的優(yōu)先級，知足分歧的及時要求。

CAN總線采取非毀壞的總線仲裁技巧，低優(yōu)先級節(jié)點沒有影響下優(yōu)先級節(jié)點的發(fā)送。

CAN總線節(jié)點正在40m內(nèi)通訊速度最高可達1MBPS。

CAN總線上的節(jié)點數(shù)在尺度幀格局下可到達110個，擴展幀格局下簡直沒有受限制。

報文采取短幀格局，傳輸工夫短，出錯率極低。

CAN總線通訊介質(zhì)可選用雙絞線，其布局靈巧，毗鄰便利。

CAN總線的以上特色使之非常合用于機器人節(jié)制，鑒于此，本文選用CAN總線作為機器人控制系統(tǒng)的通訊對象。詳細毗鄰方法為：主控計算機經(jīng)由過程CAN總線接口卡毗鄰到總線上，各運動控制器也皆經(jīng)由過程總線收發(fā)器掛接到總線上，并且可以依據(jù)實際環(huán)境增減數(shù)量。因為CAN總線只用兩根線停止通訊，大大降低了體系連線的復雜程度，同時加強了體系的可靠性能。

執(zhí)行層模塊

執(zhí)行層處于全部控制系統(tǒng)的最底層，由分歧類型的控制器構(gòu)成，次要用來節(jié)制各運動樞紐軸系的詳細履行進程。因為各運動樞紐機電的型號分歧。承載的重量分歧，對控制精度的要求也分歧，咱們離別為之計劃了分歧的運動控制器。

①開環(huán)DSP運動控制器

頭部跟上肢背載重量較沉，是以采取開環(huán)DSP運動控制器去對頭部跟上肢各樞紐停止節(jié)制。這些控制器沒有須要采樣跟反應，間接吸收主控計算機發(fā)來的節(jié)制下令，然后天生響應的執(zhí)行命令發(fā)給各樞紐軸系，使之轉(zhuǎn)到響應角度。

②開環(huán)MCU運動控制器

手部各個樞紐體積跟質(zhì)量皆很小，故采取開環(huán)MCU運動控制器去停止節(jié)制。這些控制器采取MCS-51單片機作為處理器，可以間接嵌入到手掌內(nèi)，它們吸收主控計算機的節(jié)制下令，應用其IO引腳發(fā)生須要的多路脈沖節(jié)制旌旗燈號，節(jié)制手部各樞紐的運動。

③閉環(huán)DSP運動控制器

腿部一切軸系均由直流減速驅(qū)動型機電組成，帶零位檢測。碼盤跟電位計反應和多維力/力矩傳感器，結(jié)構(gòu)復雜。節(jié)制難度年夜。精度要求也下，故采取閉環(huán)DSP運動控制器。這部分是全部控制系統(tǒng)的要害，也是咱們研討的重點。

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控制系統(tǒng)流程

全部控制系統(tǒng)的詳細流程為：體系開始運行并實現(xiàn)初始化事情；主控計算機依據(jù)計劃跟計較向底層控制器發(fā)送節(jié)制下令，底層控制器接收到下令后，聯(lián)合各傳感器反應的信息，經(jīng)由過程必然的控制算法天生響應的執(zhí)行命令并發(fā)送給各樞紐履行軸系，同時把底層軸系的運轉(zhuǎn)環(huán)境上傳給主控計算機，主控計算機依據(jù)新的環(huán)境再發(fā)生新的下令發(fā)送給各控制器，如斯重復。那事實上是兩個閉環(huán)反應進程，底層控制器經(jīng)由過程傳感器與各樞紐軸系之間停止小輪回反應，主控計算機經(jīng)由過程各控制器與各樞紐軸系之間停止年夜回路反應，如許可以使機器人存在更多的“智能”，更好的停止離線實時控制。

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應一樣數(shù)量的數(shù)據(jù)，而CAN總線的最大通訊速度可以到達幾千幀/秒，完整可以知足節(jié)制的要求。

四、控制器具體計劃

節(jié)制下肢的閉環(huán)DSP控制器是全部控制系統(tǒng)的焦點部門，負擔著全部機器人的背載重量，輸出功率年夜，對節(jié)制的精度要求也下，是以它的機能間接關聯(lián)到機器人運動的實現(xiàn)。咱們專門為之計劃了基于單地位傳感器的閉環(huán)DSP控制器，其布局如圖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系列中的高級產(chǎn)物，十分合用于工業(yè)節(jié)制。它的兩個事宜管理器功用尤其壯大，完整是為機電節(jié)制計劃的，可應用多個PWM脈沖通道間接發(fā)生須要的PWM脈沖節(jié)制旌旗燈號；其CAN總線模塊可以間接與主控計算機停止通訊而沒有須要增長CAN總線控制器；內(nèi)部看門狗可以對控制器電壓停止監(jiān)控；內(nèi)部存儲器中寄存著控制算法所需的需要參數(shù)。

控制器的單地位傳感器由電壓輸出傳感器跟光電碼盤傳感器構(gòu)成。此中，電壓傳感器把軸系的地位信息轉(zhuǎn)換成電壓旌旗燈號，顛末縮小電路縮小，再顛末專門的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入DSP主處理器。不消TMS320LF2407A自帶的A/D轉(zhuǎn)換器而利用專門的A/D轉(zhuǎn)換芯片，這是為了進步轉(zhuǎn)換的精度，由于TMS320LF2407A的A/D轉(zhuǎn)換器所能接管的最高轉(zhuǎn)換電壓只有3.3V，而顛末功率放大后的電壓遠遠超越了此規(guī)模，以是利用了專門的A/D轉(zhuǎn)換芯片。這部分電路雖然增長了控制器的復雜程度，卻可以大大提高轉(zhuǎn)換精度，以是是非常值得的。碼盤傳感器把軸系的地位信息轉(zhuǎn)換成脈沖旌旗燈號，顛末光電斷絕器件斷絕后送入公用脈沖計數(shù)器，計數(shù)后的信息送入DSP主處理器。脈沖計數(shù)器選用現(xiàn)今風行的CPLD器件，其壯大的功用對進步控制器的機能有很大的資助，同時借可以作為譯碼電路為主處理器供給譯碼功用。

分揀機器人的出現(xiàn)

主處理器經(jīng)由過程對吸收到的傳感器旌旗燈號停止剖析跟計較之后發(fā)生響應的PWM脈沖節(jié)制旌旗燈號，顛末光電斷絕跟功率放大后送給底層軸系節(jié)制軸系的運轉(zhuǎn)。利用單傳感器可以大大提高反應的精度，兩路旌旗燈號可以同時思量，也可以一路為主，此外一路供給增補跟參考。

主處理器經(jīng)由過程CAN總線與主控計算機停止通訊，吸收主控計算機的下令并把底層信息反饋給主控計算機，實現(xiàn)更高一級的反應節(jié)制。主處理器經(jīng)由過程CAN總線收發(fā)器毗鄰到總線上，為進步精度，中央須要停止光電斷絕。

該控制器間接裝置正在仿人機器人的體內(nèi)，每一個控制器可以同時節(jié)制6個樞紐軸系，全部下肢只須要兩個控制器便可以實現(xiàn)其運動節(jié)制。

五、論斷

咱們正在充足接收現(xiàn)今相關學科高技術結(jié)果的根底上，計劃出一套速率快。穩(wěn)定性強。集成度下。布局靈巧。使用方便的仿人機器人運動控制系統(tǒng)。全部運動控制系統(tǒng)可間接嵌入到機器人本體內(nèi)，以便正在實際運轉(zhuǎn)中美滿天實現(xiàn)劃定的節(jié)制使命。同時，該控制系統(tǒng)另有很強的擴展功用，可以便利天移植到別的近似的節(jié)制機構(gòu)中來，是一種多功能通用型控制系統(tǒng)，存在廣漠的使用前景。

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