摘要：提出了一種以CAN總線為通信工具，DSP 芯片為控制器的主處理器和雙位置傳感器的反饋結(jié)構(gòu)，配合主控計(jì)算機(jī)和底層控制器雙層反饋的控制方式，適合于仿人步行機(jī)器人的分布式運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。整個(gè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活、功能強(qiáng)大、工作穩(wěn)定可靠，可以顯著提高仿人機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。
關(guān)鍵詞：仿人機(jī)器人;運(yùn)動(dòng)控制器;CAN總線;DSP

一、引言

機(jī)器人研究是自動(dòng)化領(lǐng)域最復(fù)雜、最具挑戰(zhàn)性的課題，它集機(jī)械、電子、計(jì)算機(jī)、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(jī)器人技術(shù)的研究更是處于機(jī)器人課題研究的前沿，它在一定程度上代表了一個(gè)國(guó)家的高科技發(fā)展水平。運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)是機(jī)器人控制技術(shù)的核心，也是機(jī)器人研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，在機(jī)器人控制中具有舉足輕重的地位，因此，各研究機(jī)構(gòu)都把對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的研究作為首要任務(wù)。

動(dòng)作協(xié)調(diào)、具有一定智能、能實(shí)現(xiàn)無(wú)線實(shí)時(shí)行走已經(jīng)成為當(dāng)今機(jī)器人發(fā)展的主題。隨著以電子計(jì)算機(jī)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(hào)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(yīng)用，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)也從以前單一的結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)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(shì)。本文作者正是順應(yīng)這一趨勢(shì)，設(shè)計(jì)出一種多功能分布式仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

二、控制對(duì)象與要求

我們以國(guó)防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院機(jī)器人教研室最新研制的新一代仿人步行機(jī)器人為研究對(duì)象（其外形如圖1所示）。該機(jī)器人高約1.55m，重約65kg，使用電池供電，無(wú)需外接電源和控制信號(hào)線，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)纜行走，還可以完成人的腿部、手部和頭部的一些基本動(dòng)作，已經(jīng)初步具備了人類的外形特征。

這臺(tái)新型仿人機(jī)器人一共具有36個(gè)自由度（如圖2所示），其中上肢12個(gè)，下肢12個(gè)，頭部2個(gè)，手部10個(gè);下肢各個(gè)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(jué)傳感、語(yǔ)音控制系統(tǒng)以及無(wú)線遙控模塊;整個(gè)控制系統(tǒng)、電源集成在機(jī)器人本體上。為了使之真正具有“仿人”的特點(diǎn)，控制系統(tǒng)必須能夠完成包括運(yùn)動(dòng)控制與規(guī)劃、視覺(jué)感知處理、語(yǔ)音識(shí)別和其它環(huán)境感知在內(nèi)的多種功能。其中，運(yùn)動(dòng)控制是整個(gè)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(jī)載化。
（2）各個(gè)模塊之間的連接簡(jiǎn)潔，便于安裝和維護(hù)。
（3）控制器應(yīng)具有良好的動(dòng)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(jī)器人本體上，電磁干擾較強(qiáng)，必須具有較強(qiáng)的抗干擾能力。
（5）各部分的數(shù)據(jù)交換必須實(shí)時(shí)有效和準(zhǔn)確可靠。

三、動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)以上要求，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于CAN現(xiàn)場(chǎng)總線的新型控制結(jié)構(gòu)。整個(gè)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(jī)器人本體外的一臺(tái)工作站組成，主要負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、無(wú)線通訊、語(yǔ)音、視覺(jué)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(jī)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(jì)算機(jī)模塊

主控計(jì)算機(jī)要求體積小、運(yùn)算速度快，通常采用小板工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，同時(shí)配備液晶顯示器和自制專用功能鍵盤，主要完成在線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、動(dòng)作級(jí)運(yùn)動(dòng)控制、語(yǔ)音交互控制、視覺(jué)導(dǎo)引控制以及人機(jī)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(shí)時(shí)生成關(guān)節(jié)軸系的任務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)并通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸總線送至各底層運(yùn)動(dòng)控制器。

2、通信模塊

主控計(jì)算機(jī)和各控制器之間采用CAN總線進(jìn)行通信。CAN（Controller Area Network）總線是應(yīng)用最為廣泛的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，也是目前為止唯一有國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。相對(duì)于一般通信總線，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性。其特點(diǎn)主要有：

（1）CAN總線為多主方式，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點(diǎn)均可在任意時(shí)刻向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)。
（2）CAN總線上的節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)標(biāo)識(shí)符分成不同的優(yōu)先級(jí)，滿足不同的實(shí)時(shí)要求。
（3）CAN總線采用非破壞的總線仲裁技術(shù)，低優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)不影響高優(yōu)先級(jí)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送。
（4）CAN總線節(jié)點(diǎn)在40m內(nèi)通信速率最高可達(dá)1MBPS。
（5）CAN總線上的節(jié)點(diǎn)數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)幀格式下可達(dá)到110個(gè)，擴(kuò)展幀格式下幾乎不受限制。
（6）報(bào)文采用短幀格式，傳輸時(shí)間短，出錯(cuò)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(diǎn)使之十分適用于機(jī)器人控制，鑒于此，本文選用CAN總線作為機(jī)器人控制系統(tǒng)的通信工具。具體連接方式為：主控計(jì)算機(jī)通過(guò)CAN總線接口卡連接到總線上，各運(yùn)動(dòng)控制器也都通過(guò)總線收發(fā)器掛接到總線上，而且可以根據(jù)實(shí)際情況增減數(shù)目。由于CAN總線只用兩根線進(jìn)行通信，大大降低了系統(tǒng)連線的復(fù)雜程度，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性能。

（3）執(zhí)行層模塊

執(zhí)行層處于整個(gè)控制系統(tǒng)的最底層，由不同類型的控制器組成，主要用來(lái)控制各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸系的具體執(zhí)行過(guò)程。由于各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)的型號(hào)不同、承載的重量不同，對(duì)控制精度的要求也不同，我們分別為之設(shè)計(jì)了不同的運(yùn)動(dòng)控制器。

①開環(huán)DSP運(yùn)動(dòng)控制器

頭部和上肢負(fù)載重量較輕，因此采用開環(huán)DSP運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)對(duì)頭部和上肢各關(guān)節(jié)進(jìn)行控制。這些控制器不需要采樣和反饋，直接接收主控計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)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(yùn)動(dòng)控制器

手部各個(gè)關(guān)節(jié)體積和質(zhì)量都很小，故采用開環(huán)MCU運(yùn)動(dòng)控制器來(lái)進(jìn)行控制。這些控制器采用MCS-51單片機(jī)作為處理器，可以直接嵌入到手掌內(nèi)，它們接收主控計(jì)算機(jī)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(hào)，控制手部各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)。

③閉環(huán)DSP運(yùn)動(dòng)控制器

腿部所有軸系均由直流減速驅(qū)動(dòng)型電機(jī)構(gòu)成，帶零位檢測(cè)、碼盤和電位計(jì)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(yùn)動(dòng)控制器。這部分是整個(gè)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是我們研究的重點(diǎn)。