自平衡人形機(jī)器人動(dòng)作控制器的設(shè)計(jì)
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機(jī)器人的動(dòng)作方式，方向，幅度等全部是由主控制器通過對外部信息的獲取而產(chǎn)生的輸出，這種輸出是基于命令格式的，而機(jī)器人最終的一切行為都是一系列舵機(jī)的配合運(yùn)轉(zhuǎn)，從命令到執(zhí)行，這其中就是動(dòng)作控制器起到了關(guān)鍵作用。
基于上述要求，動(dòng)作控制器的首要任務(wù)就是接收命令。雖然在硬件上采用了多機(jī)通信的模式，但并不采用傳統(tǒng)的通信協(xié)議(每個(gè)從機(jī)都具有一個(gè)獨(dú)立的地址)，而是對動(dòng)作控制器上的3個(gè)MSP430F149定義完全相同的地址，這樣就會(huì)使其接收到完全相同的命令。這樣進(jìn)行設(shè)計(jì)，原因在于要保證舵機(jī)響應(yīng)的同時(shí)性，即是機(jī)器人動(dòng)作的協(xié)調(diào)性提出的要求。如表1示例了主控制器與動(dòng)作控制器的命令傳輸格式。來自主控制器的命令是一個(gè)數(shù)組序列，動(dòng)作控制器上的每個(gè)MSP430F149都能完全接收到全部序列，而每個(gè)MSP430F149根據(jù)預(yù)先定義只使用這個(gè)序列中特定的子序列，這個(gè)子序列就是對應(yīng)于這個(gè)MSP430F149所控制的舵機(jī)的命令，這樣就可以保證同時(shí)性。本文引用地址：http://www.ex-cimer.com/article/162361.htm
動(dòng)作控制器的最終目的是產(chǎn)生PWM波，而這是通過寫MSP430F149片內(nèi)TA、TB模塊的寄存器實(shí)現(xiàn)的。在解析函數(shù)進(jìn)行一系列的解析運(yùn)算后，產(chǎn)生出各舵機(jī)所需的PWM波形的脈沖寬度值，將這些值寫入到相應(yīng)的寄存器中，就可以產(chǎn)生需要的PWM波。
2 實(shí)驗(yàn)及結(jié)論
根據(jù)文中提出的動(dòng)作控制器的設(shè)計(jì)思想與方法，制作出機(jī)器人動(dòng)作控制器。按照設(shè)計(jì)的基本思想對動(dòng)作控制器進(jìn)行測試，測試中采用一個(gè)MSP430F425作為機(jī)器人主控制器，下行控制一個(gè)十二個(gè)關(guān)節(jié)的簡易人形機(jī)器人。在MSP430F425中規(guī)劃好機(jī)器人的步態(tài)，同時(shí)根據(jù)規(guī)劃好的步態(tài)參數(shù)發(fā)送舵機(jī)動(dòng)作命令。
實(shí)驗(yàn)中，首先實(shí)測舵機(jī)的精度，通過向特定定時(shí)器通道預(yù)裝不同值，測量舵機(jī)響應(yīng)角度，并以此數(shù)據(jù)擬合出舵機(jī)響應(yīng)角度方程。實(shí)驗(yàn)中由于采用的MSP430F425資源有限，方程僅進(jìn)行了線性擬合。
表2為測試機(jī)器人上一處關(guān)節(jié)的舵機(jī)測定數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)擬合出以下方程：
舵機(jī)實(shí)際角度α=(X-3 000)／20+75．5運(yùn)用擬合出的方程進(jìn)行命令到舵機(jī)角度的解析，得到表3所示數(shù)據(jù)
從表中數(shù)據(jù)可以看出，在舵機(jī)的性能范圍內(nèi)(舵機(jī)的精度為0．5°～1°)，控制是精確的。
同時(shí)，在舵機(jī)響應(yīng)的及時(shí)性方面，也得到了保證。從主控制器發(fā)送命令到舵機(jī)響應(yīng)開始運(yùn)動(dòng)共經(jīng)歷了命令傳輸、命令解析兩大時(shí)間段。
命令傳輸在特定的速率下傳輸完所有命令數(shù)據(jù)用時(shí)4．5 ms，而命令解析即單片機(jī)內(nèi)程序執(zhí)行，其用時(shí)遠(yuǎn)小于1 ms。相比較，舵機(jī)的機(jī)械響應(yīng)時(shí)間在百ms級，因此動(dòng)作控制器保證了響應(yīng)的及時(shí)性。
實(shí)驗(yàn)證明，在設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)，充分符合既定的目標(biāo)，體現(xiàn)在機(jī)器人的多關(guān)節(jié)能夠協(xié)調(diào)動(dòng)作，預(yù)先規(guī)劃的步態(tài)能夠很好的表現(xiàn)出來。
在機(jī)器人的實(shí)際控制系統(tǒng)中，動(dòng)作控制器作為主控制器(ARM 9)的下級從屬設(shè)備，完成其特定的管理范圍內(nèi)工作。在這種分層控制的體系結(jié)構(gòu)下，自平衡的檢測與控制達(dá)到了理想的效果。
3 結(jié)束語
由于自平衡人形機(jī)器人具有內(nèi)在不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，國內(nèi)外機(jī)器人愛好者對其控制策略進(jìn)行了多方面的探索，但通常都是采用反饋控制環(huán)路或者是分層體系結(jié)構(gòu)的方法。采用這些傳統(tǒng)的方式大體都是中央處理器(ARM、DSP等)接收收集到的信息，進(jìn)行處理，再根據(jù)獲取的信息運(yùn)用一定的算法控制執(zhí)行元件(舵機(jī)、直流電機(jī)等)。這類體系結(jié)構(gòu)一般以惟一的處理器為核心，與外界直接進(jìn)行信息交換，但其處理器的工作量大，在大量的處理中實(shí)時(shí)性難以保證。
而本設(shè)計(jì)對應(yīng)的雙足自平衡人形機(jī)器人采用了這兩種經(jīng)典結(jié)構(gòu)的復(fù)合，其中執(zhí)行控制器、主控制器和執(zhí)行電機(jī)之間體現(xiàn)出了明顯的層次結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)減輕了各層次的任務(wù)難度，明顯提高了設(shè)備調(diào)試或故障排查效率，充分體現(xiàn)出這種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。
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