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)

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(jiǎn)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。

1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。

主要特性有：

(1)高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP一51內(nèi)核(可達(dá)25 MIPS)，70％的指令的執(zhí)行時(shí)間為1個(gè)或2個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期，能滿足關(guān)節(jié)控制器的需要。

(2)有4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器／定時(shí)器，以及16位可編程計(jì)數(shù)器／定時(shí)器陣列，5個(gè)捕捉／比較模塊，29個(gè)端口I／O。通過對(duì)片內(nèi)進(jìn)行編程，以及合理地分配比較器與I／O口，實(shí)現(xiàn)在C8051F310芯片上產(chǎn)生21路PWM波。由于單片機(jī)輸出的是數(shù)字形式的控制量，必須經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換變成模擬控制量，經(jīng)伺服放大器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

在此采用MAXIIM的12位串行D／A芯片MAX531作為數(shù)／模轉(zhuǎn)換芯片，將MAX531工作在雙極性電壓方式下，其輸出模擬量的范圍在一2．048～+2．048 V，精度為1 mV。輸出的模擬量經(jīng)過運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，進(jìn)入伺服放大器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

C8051F310作為關(guān)節(jié)控制器控制核心，它主要負(fù)責(zé)21路PWM的產(chǎn)生，在C8051F310芯片中集成了4個(gè)通用的16位計(jì)數(shù)器／定時(shí)器，5個(gè)捕捉／比較模塊，運(yùn)用1個(gè)計(jì)數(shù)器／定時(shí)器和1個(gè)比較模塊控制6路I／0端口，其他3個(gè)計(jì)數(shù)器／定時(shí)器和3個(gè)比較器控制15路I／O口，來實(shí)現(xiàn)21路PWM波的產(chǎn)生。這里以6路PWM波的產(chǎn)生來說明運(yùn)用C8051F310實(shí)現(xiàn)電路，其電路圖如圖4所示：CEXn引腳產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWM輸出，PWM輸出的頻率取決于PCA計(jì)數(shù)器／定時(shí)器的時(shí)基，使用模塊的捕捉／比較寄存器PCA0CPLn改變PWM輸出信號(hào)的占空比。當(dāng)關(guān)節(jié)控制器接收給定的6個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度序列數(shù)據(jù)后．由軟件將6個(gè)數(shù)據(jù)從小到大排列，并依次求出相鄰2個(gè)數(shù)的差值，按照最小的數(shù)、前2個(gè)數(shù)的差值到最后兩個(gè)數(shù)的差值排列好，并將從小到大的數(shù)據(jù)對(duì)映的交叉開關(guān)的地址依次對(duì)映。

程序?qū)⒌谝粋€(gè)最小角度數(shù)放入比較寄存器的低8位PCA0CPLn中，當(dāng)PCA計(jì)數(shù)器／定時(shí)器的低字節(jié)(PCAOL)與PCA0CPLn中的值相等時(shí)，CEXn引腳上的輸出被置“1”；同時(shí)程序?qū)⒌诙€(gè)數(shù)據(jù)即差值放入比較寄存器的PCA0CPLn中，PCA計(jì)數(shù)器／定時(shí)器清零，并將交叉開關(guān)置位到相應(yīng)的輸出腳，當(dāng)PCA計(jì)數(shù)器／定時(shí)器的低字節(jié)(PCAOL)與PCA0CPLn中的值再次相等時(shí)，CEXn引腳上的輸出被置“1”，直到這組數(shù)據(jù)完畢。PCAOL中的計(jì)數(shù)值溢出，CEXn輸出被復(fù)位，準(zhǔn)備第二輪的PWM波的產(chǎn)生。

3 實(shí) 驗(yàn)

3．1 圖像采集處理

為了使機(jī)器人能夠達(dá)到預(yù)定目標(biāo)，必須對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃。主控計(jì)算機(jī)上安裝了WIN98系統(tǒng)，圖像采集與處理采用VC進(jìn)行編程，下面是圖像采集處理的程序運(yùn)行界面如圖5所示。

3．2 仿人機(jī)器人穩(wěn)定步行

運(yùn)用這種控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)DF一1仿人機(jī)器人行走的控制，通過實(shí)驗(yàn)表明，此系統(tǒng)能夠完成仿人機(jī)器的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定行走，圖6是一系列行走連續(xù)行走的截圖。

4 結(jié) 語(yǔ)

基于PC／104嵌入式計(jì)算機(jī)和C8051F310芯片設(shè)計(jì)了仿人機(jī)器人的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的圖像采集和處理，以及機(jī)器人的穩(wěn)定步行。PC／104嵌入式計(jì)算機(jī)功能齊備，運(yùn)算能力強(qiáng)，可擴(kuò)展性好，作為仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)有它獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。單片機(jī)實(shí)現(xiàn)仿人機(jī)器人的關(guān)節(jié)控制，由于其計(jì)算能力有限，難以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制，因此這種控制系統(tǒng)可以用來作為實(shí)驗(yàn)用和教學(xué)用機(jī)器人。