基于CAN總線的仿人機器人運動控制系統(tǒng)研究

1、基于can總線的仿人機器人運動控制系統(tǒng)研究機器人教研室最新研制的新一代仿人步行機器人為討論對象(其形狀1所示)。該機器人高約1.55m,重約65kg,用法電池供電，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)初步具備了人類的形狀特征。這臺新型仿人機器人一共具有36個自由度(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(guān)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；囫圇控制系統(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)必需能夠完成包括運動控制與規(guī)劃。視覺感知處

2、理。語音識別和其它環(huán)境感知在內(nèi)的多種功能。其中，運動控制是囫圇控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，它必需能夠滿足以下要求：(1)系統(tǒng)集成度高。體積孝分量輕。功率大。效率高和機載化。(2)各個模塊之間的銜接簡潔，便于安裝和維護。(3)控制器應(yīng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)和尾隨特性，穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差校(4)系統(tǒng)集成在機器人本體上，電磁干擾較強，必需具有較強的抗干擾能力。(5)各部分的數(shù)據(jù)交換必需實時有效和精確牢靠。三。動控制系統(tǒng)設(shè)計按照以上要求，我們設(shè)計了一種基于can現(xiàn)場的新型控制結(jié)構(gòu)。囫圇控制系統(tǒng)采納集中管理簇擁控制的方式，根據(jù)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能劃分為三層：組織層。協(xié)調(diào)層。執(zhí)行層。其中，組織層由機器人本體外的一臺工作站

3、組成，主要負責實現(xiàn)人機交互。無線通訊。語音。視覺以及宏命令生成等功能，屬于智能控制范疇，本文不做深化探討；協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層都集成在機器人本體上，完成詳細的控制任務(wù)，屬于物理控制范疇，是我們通常意義上的控制系統(tǒng)，其詳細結(jié)構(gòu)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，通常采納小板工業(yè)控制計算機，同時配備液晶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(dǎo)引控制以及人機交互等功能。它接受本地傳感器的信息，按照一定的控制算法和任務(wù)要求，實時生成關(guān)節(jié)軸系的任務(wù)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納舉行通信。c

4、an(controller area network)總線是應(yīng)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。相對于普通通信總線，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的牢靠性。實時性和靈便性。其特點主要有：(1)can總線為多主方式，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在隨意時刻向其它節(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總線采納非破壞的總線仲裁技術(shù)，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(nèi)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)報文采納短幀格式

5、，傳輸時光短，出錯率極低。(7)can總線通信介質(zhì)可選用雙絞線，其結(jié)構(gòu)靈便，銜接便利。can總線的以上特點使之非常適用于機器人控制，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。詳細銜接方式為：主控計算機通過can總線接口卡銜接到總線上，各運動控制器也都通過總線掛接到總線上，而且可以按照實際狀況增減數(shù)目。因為can總線只用兩根線舉行通信，大大降低了系統(tǒng)連線的復(fù)雜程度，同時增加了系統(tǒng)的牢靠性能。(3)執(zhí)行層模塊執(zhí)行層處于囫圇控制系統(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(guān)節(jié)軸系的詳細執(zhí)行過程。因為各運動關(guān)節(jié)電機的型號不同。承載的分量不同，對控制精度的要求也不同，我們分離為

6、之設(shè)計了不同的運動控制器。開環(huán)dsp運動控制器頭部和上肢負載分量較輕，因此采納開環(huán)dsp運動控制器來對頭部和上肢各關(guān)節(jié)舉行控制。這些控制器不需要采樣和反饋，挺直接收主控計算機發(fā)來的控制指令，然后生成相應(yīng)的執(zhí)行指令發(fā)給各關(guān)節(jié)軸系，使之轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度。開環(huán)運動控制器手部各個關(guān)節(jié)體積和質(zhì)量都很小，故采納開環(huán)mcu運動控制器來舉行控制。這些控制器采納mcs-51作為處理器，可以挺直嵌入到手掌內(nèi)，它們接收主控計算機的控制指令，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(jié)的運動。閉環(huán)dsp運動控制器腿部全部軸系均由直流減速驅(qū)動型電機構(gòu)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(jié)構(gòu)復(fù)

7、雜?？刂齐y度大。精度要求也高，故采納閉環(huán)dsp運動控制器。這部分是囫圇控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是我們討論的重點。(4)控制系統(tǒng)流程囫圇控制系統(tǒng)的詳細流程為：系統(tǒng)開頭運行并完成初始化工作；主控計算機按照規(guī)劃和計算向底層控制器發(fā)送控制指令，底層控制器接收到指令后，結(jié)合各傳感器反饋的信息，通過一定的控制算法生成相應(yīng)的執(zhí)行指令并發(fā)送給各關(guān)節(jié)執(zhí)行軸系，同時把底層軸系的運行狀況上傳給主控計算機，主控計算機按照新的狀況再產(chǎn)生新的指令發(fā)送給各控制器，如此反復(fù)。這實際上是兩個閉環(huán)反饋過程，底層控制器通過傳感器與各關(guān)節(jié)軸系之間舉行小循環(huán)反饋，主控計算機通過各控制器與各關(guān)節(jié)軸系之間舉行大回路反饋，這樣可以使機器人具有更多

8、的“智能”，更好的舉行離線實時控制。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，徹低可以滿足控制的要求。四?？刂破骶唧w設(shè)計控制下肢的閉環(huán)dsp控制器是囫圇控制系統(tǒng)的核心部分，擔當著囫圇機器人的負載分量，輸出功率大，對控制的精度要求也高，因此它的性能挺直關(guān)系到機器人運動的實現(xiàn)。我們特地為之設(shè)計了基于雙位置傳感器的閉環(huán)dsp控制器，其結(jié)構(gòu)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，十分適用于工業(yè)控制。它的兩個大事管理器功能尤為強大，徹低是為電

9、機控制設(shè)計的，可利用多個脈沖通道挺直產(chǎn)生需要的pwm脈沖控制信號；其can總線模塊可以挺直與主控計算機舉行通信而不需要增強can總線控制器；外部可以對控制器舉行監(jiān)控；外部存儲器中存放著控制算法所需的須要參數(shù)?？刂破鞯碾p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(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過放大放大，再經(jīng)過特地的a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入dsp主處理器。不用tms320lf2407a自帶的a/d轉(zhuǎn)換器而用法特地的a/d轉(zhuǎn)換芯片，這是為了提高轉(zhuǎn)換的精度，由于tms320lf2407a的a/d轉(zhuǎn)換器所能接受的最高轉(zhuǎn)換電壓惟獨3.3v,而經(jīng)過功率放大后的電壓遠遠超出了此

10、范圍，所以用法了特地的a/d轉(zhuǎn)換芯片。這部分電路雖然增強了控制器的復(fù)雜程度，卻可以大大提高轉(zhuǎn)換精度，所以是非常值得的。碼盤傳感器把軸系的位置信息轉(zhuǎn)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協(xié)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舉行分析和計算之后產(chǎn)生相應(yīng)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。用法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總線與主控計算機舉行通信，接收主控計算機的指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)器銜接到總線上，為提高精度，中間需要舉行光電隔離。該控制器挺直安裝在仿人機器人的體內(nèi)，每個控制器可以同時控制6個關(guān)節(jié)軸系，囫圇下肢只需要兩個控制器就可以實現(xiàn)其運動控制。五。結(jié)論我們在充分汲取當今相關(guān)學(xué)科