基于CAN總線和雙傳感器的仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究
加入技術(shù)交流群
圖3 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
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，主要用來控制各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸系的具體執(zhí)行過程。由于各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)的型號不同、承載的重量不同，對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)控制器來對頭部和上肢各關(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，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、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)。
4控制系統(tǒng)流程
整個(gè)控制系統(tǒng)的具體流程為：系統(tǒng)開始運(yùn)行并完成初始化工作；主控計(jì)算機(jī)根據(jù)規(guī)劃和計(jì)算向底層控制器發(fā)送控制命令，底層控制器接收到命令后，結(jié)合各傳感器反饋的信息，通過一定的控制算法生成相應(yīng)的執(zhí)行命令并發(fā)送給各關(guān)節(jié)執(zhí)行軸系，同時(shí)把底層軸系的運(yùn)行情況上傳給主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)根據(jù)新的情況再產(chǎn)生新的命令發(fā)送給各控制器，如此反復(fù)。這事實(shí)上是兩個(gè)閉環(huán)反饋過程，底層控制器通過傳感器與各關(guān)節(jié)軸系之間進(jìn)行小循環(huán)反饋，主控計(jì)算機(jī)通過各控制器與各關(guān)節(jié)軸系之間進(jìn)行大回路反饋，這樣可以使機(jī)器人具有更多的“智能”，更好的進(jìn)行離線實(shí)時(shí)控制。
主控計(jì)算機(jī)每秒鐘向底層控制器發(fā)送200組數(shù)據(jù)，底層控制器向主控計(jì)算機(jī)反饋同樣數(shù)目的數(shù)據(jù)，而CAN總線的最大通信速率可以達(dá)到幾千幀/秒，完全可以滿足控制的要求。
四、控制器詳細(xì)設(shè)計(jì)
控制下肢的閉環(huán)DSP 控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，承擔(dān)著整個(gè)機(jī)器人的負(fù)載重量，輸出功率大，對控制的精度要求也高，因此它的性能直接關(guān)系到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。我們專門為之設(shè)計(jì)了基于雙位置傳感器的閉環(huán)DSP控制器，其結(jié)構(gòu)如圖4 所示。
DSP主處理器選用的是TI公司的TMS320LF2407A芯片，它是TI 家族C2000 系列中的高檔產(chǎn)品，非常適用于工業(yè)控制。它的兩個(gè)事件管理器功能尤為強(qiáng)大，完全是為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的，可利用多個(gè)PWM脈沖通道直接產(chǎn)生需要的PWM脈沖控制信號；其CAN總線模塊可以直接與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信而不需要增加CAN總線控制器；外部看門狗可以對控制器電壓進(jìn)行監(jiān)控；外部存儲(chǔ)器中存放著控制算法所需的必要參數(shù)。
控制器的雙位置傳感器由電壓輸出傳感器和光電碼盤傳感器組成。其中，電壓傳感器把軸系的位置信息轉(zhuǎn)換成電壓信號，經(jīng)過放大電路放大，再經(jīng)過專門的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入DSP主處理器。不用TMS320LF2407A自帶的A/D轉(zhuǎn)換器而使用專門的A/D轉(zhuǎn)換芯片，這是為了提高轉(zhuǎn)換的精度，因?yàn)門MS320LF2407A 的A/D轉(zhuǎn)換器所能接受的最高轉(zhuǎn)換電壓只有3.3V，而經(jīng)過功率放大后的電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了此范圍，所以使用了專門的A/D轉(zhuǎn)換芯片。這部分電路雖然增加了控制器的復(fù)雜程度，卻可以大大提高轉(zhuǎn)換精度，所以是十分值得的。
碼盤傳感器把軸系的位置信息轉(zhuǎn)換成脈沖信號，經(jīng)過光電隔離器件隔離后送入專用脈沖計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)后的信息送入DSP主處理器。脈沖計(jì)數(shù)器選用當(dāng)今流行的CPLD器件，其強(qiáng)大的功能對提高控制器的性能有很大的幫助，同時(shí)還可以作為譯碼電路為主處理器提供譯碼功能。主處理器通過對接收到的傳感器信號進(jìn)行分析和計(jì)算之后產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈沖控制信號，經(jīng)過光電隔離和功率放大后送給底層軸系控制軸系的運(yùn)行。使用雙傳感器可以大大提高反饋的精度，兩路信號可以同時(shí)考慮，也可以一路為主，另外一路提供補(bǔ)充和參考。
圖4 閉環(huán)DSP控制器結(jié)構(gòu)圖
主處理器通過CAN總線與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，接收主控計(jì)算機(jī)的命令并把底層信息反饋給主控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)更高一級的反饋控制。主處理器通過CAN總線收發(fā)器連接到總線上，為提高精度，中間需要進(jìn)行光電隔離。該控制器直接安裝在仿人機(jī)器人的體內(nèi)，每個(gè)控制器可以同時(shí)控制6 個(gè)關(guān)節(jié)軸系，整個(gè)下肢只需要兩個(gè)控制器就可以實(shí)現(xiàn)其運(yùn)動(dòng)控制。
五、結(jié)論
我們在充分吸收當(dāng)今相關(guān)學(xué)科高技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出一套速度快、穩(wěn)定性強(qiáng)、集成度高、結(jié)構(gòu)靈活、使用方便的仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。整個(gè)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)可直接嵌入到機(jī)器人本體內(nèi)，以便在實(shí)際運(yùn)行中圓滿地完成規(guī)定的控制任務(wù)。同時(shí)，該控制系統(tǒng)還有很強(qiáng)的擴(kuò)展功能，可以方便地移植到其它類似的控制機(jī)構(gòu)中去，是一種多功能通用型控制系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景。
評論