基于PC／104與單片機(jī)的仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：為了簡化仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)機(jī)器人系統(tǒng)的功能。采用PC／104嵌入式系統(tǒng)作為仿人機(jī)器的主控計(jì)算機(jī)，完成圖像處理，做出控制決策，計(jì)算并生成運(yùn)動(dòng)序列。關(guān)節(jié)控制器選用C8051F310單片機(jī)，采用串口與主控計(jì)算機(jī)通信，接收來自主控計(jì)算機(jī)的運(yùn)動(dòng)序列指令，產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過放大電路，實(shí)現(xiàn)21路電機(jī)的控制。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，得到圖像采集分析結(jié)果和仿人機(jī)器人穩(wěn)態(tài)步行。實(shí)驗(yàn)表明，這種控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)仿人機(jī)器人的控制。
關(guān)鍵詞：仿人機(jī)器人；主控制計(jì)算機(jī)；關(guān)節(jié)控制器；PWM波

0 引 言
機(jī)器人作為一個(gè)各學(xué)科交叉的復(fù)雜系統(tǒng)，越來越多的科研者采用機(jī)器人作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，因?yàn)樗C(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)的構(gòu)建，信息的采集與處理，運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，人工智能等多方面知識(shí)的融合。仿人機(jī)器人從最初簡單模擬人的外形、動(dòng)作、行走等，逐漸向人的思維、視覺、觸覺、智能等方面轉(zhuǎn)變，這就對(duì)機(jī)器人整個(gè)系統(tǒng)提出了更高的要求，不但要進(jìn)一步完善機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)和安裝，而且要增強(qiáng)控制系統(tǒng)的功能和處理能力。
對(duì)于控制系統(tǒng)而言，目前在仿人機(jī)器人上常用的控制芯片有DSP，ARM或其他一些單片機(jī)等，為了進(jìn)一步增強(qiáng)機(jī)器人的可擴(kuò)展性，這里采用嵌入式系統(tǒng)PC／104作為機(jī)器人的主控制計(jì)算機(jī)，它具有實(shí)時(shí)性好，成本低，小型化的優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)的基于單片機(jī)控制系統(tǒng)功能不足和基于PC控制系統(tǒng)非實(shí)時(shí)性的缺點(diǎn)，在仿人機(jī)器人應(yīng)用中具有廣泛前景。

l 仿人機(jī)器人結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)
該機(jī)器人共有21個(gè)自由度，其中頭部2個(gè)自由度，可以實(shí)現(xiàn)頭部的俯仰和左右偏轉(zhuǎn)，在頭上裝有一個(gè)CCD攝像機(jī)，并且?guī)в幸曈X采集卡以及視覺處理計(jì)算機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)的識(shí)別和定位，為主控計(jì)算機(jī)直接提供目標(biāo)信息。每個(gè)手臂3個(gè)自由度，能夠完成伸展和彎曲等動(dòng)作，在機(jī)器人摔倒后可以提供支撐力，讓機(jī)器人可以自行起立。腰上1個(gè)自由度，實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人軀干的前傾和后仰，便于機(jī)器人在行走或執(zhí)行手上動(dòng)作時(shí)重心的調(diào)節(jié)，增強(qiáng)機(jī)器人的可控性和穩(wěn)定性。下肢6個(gè)自由度，其中踝關(guān)節(jié)處2個(gè)自由度，髖關(guān)節(jié)處3個(gè)自由度，與人的腿部結(jié)構(gòu)相似，能夠靈活的完成下肢的各種動(dòng)作。仿人機(jī)器人的整個(gè)結(jié)構(gòu)采用框架式結(jié)構(gòu)，有利于減輕機(jī)器人結(jié)構(gòu)上的重量，提高機(jī)器人的承載能力，為機(jī)器人控制系統(tǒng)的改進(jìn)提供了更大的空間。如圖1所示為仿人機(jī)器人實(shí)物圖。

仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)以ACS一4051VEPC／104主板模塊作為主控制器，通過USB直接連接攝像頭，一個(gè)RS 232串行口與關(guān)節(jié)控制器相連，實(shí)現(xiàn)主控制計(jì)算機(jī)與關(guān)節(jié)控制器的通信。驅(qū)動(dòng)模塊和關(guān)節(jié)控制器集成在一個(gè)PC板上，主要實(shí)現(xiàn)PWM波的產(chǎn)生，驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。ACS一4051VE主板集成了Intel 82559ERl0／100 Mb／s以太網(wǎng)卡，外接一個(gè)無線網(wǎng)卡可以實(shí)現(xiàn)與外部無線網(wǎng)絡(luò)的通信。仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)總體上主要分為2個(gè)部分：主控制器模塊和關(guān)節(jié)控制器模塊。它的總體結(jié)構(gòu)實(shí)物圖如圖2所示。