基于CAN總線和雙傳感器的仿人機(jī)器人運動控制系統(tǒng)研究
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機(jī)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(jī)械、電子、計算機(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國家的高科技發(fā)展水平。運動控制系統(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)都把對機(jī)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(jī)器人發(fā)展的主題。隨著以電子計算機(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(jī)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(jī)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(jī)電工程與自動化學(xué)院機(jī)器人教研室最新研制的新一代仿人步行機(jī)器人為研究對象。該機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)載化。
（2）各個模塊之間的連接簡潔，便于安裝和維護(hù)。
（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(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(jī)器人本體外的一臺工作站組成，主要負(fù)責(zé)實現(xiàn)人機(jī)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(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、主控計算機(jī)模塊
主控計算機(jī)要求體積小、運算速度快，通常采用小板工業(yè)控制計算機(jī)，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(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(jī)和各控制器之間采用CAN總線進(jìn)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(dá)1MBPS。
（5）CAN總線上的節(jié)點數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)幀格式下可達(dá)到110個，擴(kuò)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(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：主控計算機(jī)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(jìn)行通信，大大降低了系統(tǒng)連線的復(fù)雜程度，同時增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性能。
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