基于CAN總線和雙傳感器的仿人機器人運動控制系統(tǒng)研究

一、引言

機器人研究是自動化領(lǐng)域最復(fù)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(shù)等多門學(xué)科于一體，是多學(xué)科高技術(shù)成果的集中體現(xiàn)。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(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(gòu)都把對機器人運動控制系統(tǒng)的研究作為首要任務(wù)。 

動作協(xié)調(diào)、具有一定智能、能實現(xiàn)無線實時行走已經(jīng)成為當(dāng)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(shù)為代表的現(xiàn)代高技術(shù)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)?？删幊踢壿嬈骷–PLD 和FPGA為代表）的廣泛應(yīng)用，機器人運動控制系統(tǒng)也從以前單一的結(jié)構(gòu)和簡單的功能向著結(jié)構(gòu)化、標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化和高度集成化的方向發(fā)展，采用開放式體系結(jié)構(gòu)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(yīng)這一趨勢，設(shè)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(xué)機電工程與自動化學(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。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(guān)節(jié)有位置傳感器，足部有多維力矩傳感器；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(nèi)的多種功能。其中，運動控制是整個控制系統(tǒng)的關(guān)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(yīng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)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(zhǔn)確可靠。 

三、動控制系統(tǒng)設(shè)計 

根據(jù)以上要求，我們設(shè)計了一種基于CAN現(xiàn)場總線的新型控制結(jié)構(gòu)。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(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組成，主要負(fù)責(zé)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(diào)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(wù)，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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(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用CAN總線進行通信。CAN（Controller AreaNetwork）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(biāo)準(zhǔn)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(luò)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(biāo)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(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(biāo)準(zhǔn)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(zhì)可選用雙絞線，其結(jié)構(gòu)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(fù)雜程度，同時增強了系統(tǒng)的可靠性能。 


圖3 運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

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(guān)節(jié)軸系的具體執(zhí)行過程。由于各運動關(guān)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(shè)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(fù)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(guān)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(yīng)的執(zhí)行命令發(fā)給各關(guān)節(jié)軸系，使之轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度。 

②開環(huán)MCU運動控制 
　　
器手部各個關(guān)節(jié)體積和質(zhì)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(nèi)，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(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(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)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(guān)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(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)行命令并發(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(fù)。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(guān)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(guān)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(xì)設(shè)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(dān)著整個機器人的負(fù)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)系到機器人運動的實現(xiàn)。我們專門為之設(shè)計了基于雙位置傳感器的閉環(huán)DSP控制器，其結(jié)構(gòu)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(shè)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(zhuǎn)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(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)換器而使用專門的A/D轉(zhuǎn)換芯片，這是為了提高轉(zhuǎn)換的精度，因為TMS320LF2407A 的A/D轉(zhuǎn)換器所能接受的最高轉(zhuǎn)換電壓只有3.3V，而經(jīng)過功率放大后的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了此范圍，所以使用了專門的A/D轉(zhuǎn)換芯片。這部分電路雖然增加了控制器的復(fù)雜程度，卻可以大大提高轉(zhuǎn)換精度，所以是十分值得的。

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(dāng)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(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。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。 


圖4 閉環(huán)DSP控制器結(jié)構(gòu)圖 

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(nèi)，每個控制器可以同時控制6 個關(guān)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(jié)論 

我們在充分吸收當(dāng)今相關(guān)學(xué)科高技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一套速度快、穩(wěn)定性強、集成度高、結(jié)構(gòu)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(nèi)，以便在實際運行中圓滿地完成規(guī)定的控制任務(wù)。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(gòu)中去，是一種多功能通用型控制系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。