基于CAN總線和雙傳感器的仿人機器人運動控制系統(tǒng)研究
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圖3 運動控制系統(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，主要用來控制各運動關(guān)節(jié)軸系的具體執(zhí)行過程。由于各運動關(guān)節(jié)電機的型號不同、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)計了不同的運動控制器。
①開環(huán)DSP運動控制器
頭部和上肢負載重量較輕，因此采用開環(huán)DSP運動控制器來對頭部和上肢各關(guān)節(jié)進行控制。這些控制器不需要采樣和反饋，直接接收主控計算機發(fā)來的控制命令，然后生成相應的執(zhí)行命令發(fā)給各關(guān)節(jié)軸系，使之轉(zhuǎn)到相應角度。
②開環(huán)MCU運動控制
器手部各個關(guān)節(jié)體積和質(zhì)量都很小，故采用開環(huán)MCU運動控制器來進行控制。這些控制器采用MCS-51單片機作為處理器，可以直接嵌入到手掌內(nèi)，它們接收主控計算機的控制命令，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)的運動。
③閉環(huán)DSP運動控制器
腿部所有軸系均由直流減速驅(qū)動型電機構(gòu)成，帶零位檢測、碼盤和電位計反饋以及多維力/力矩傳感器，結(jié)構(gòu)復雜、控制難度大、精度要求也高，故采用閉環(huán)DSP運動控制器。這部分是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是我們研究的重點。
4控制系統(tǒng)流程
整個控制系統(tǒng)的具體流程為：系統(tǒng)開始運行并完成初始化工作；主控計算機根據(jù)規(guī)劃和計算向底層控制器發(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的執(zhí)行命令并發(fā)送給各關(guān)節(jié)執(zhí)行軸系，同時把底層軸系的運行情況上傳給主控計算機，主控計算機根據(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。這事實上是兩個閉環(huán)反饋過程，底層控制器通過傳感器與各關(guān)節(jié)軸系之間進行小循環(huán)反饋，主控計算機通過各控制器與各關(guān)節(jié)軸系之間進行大回路反饋，這樣可以使機器人具有更多的“智能”，更好的進行離線實時控制。
主控計算機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算機反饋同樣數(shù)目的數(shù)據(jù)，而CAN總線的最大通信速率可以達到幾千幀/秒，完全可以滿足控制的要求。
四、控制器詳細設(shè)計
控制下肢的閉環(huán)DSP 控制器是整個控制系統(tǒng)的核心部分，承擔著整個機器人的負載重量，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)系到機器人運動的實現(xiàn)。我們專門為之設(shè)計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。它的兩個事件管理器功能尤為強大，完全是為電機控制設(shè)計的，可利用多個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算機進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行監(jiān)控；外部存儲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，因為TMS320LF2407A 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遠超出了此范圍，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數(shù)器，計數(shù)后的信息送入DSP主處理器。脈沖計數(shù)器選用當今流行的CPLD器件，其強大的功能對提高控制器的性能有很大的幫助，同時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行分析和計算之后產(chǎn)生相應的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，兩路信號可以同時考慮，也可以一路為主，另外一路提供補充和參考。
圖4 閉環(huán)DSP控制器結(jié)構(gòu)圖
主處理器通過CAN總線與主控計算機進行通信，接收主控計算機的命令并把底層信息反饋給主控計算機，實現(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，中間需要進行光電隔離。該控制器直接安裝在仿人機器人的體內(nèi)，每個控制器可以同時控制6 個關(guān)節(jié)軸系，整個下肢只需要兩個控制器就可以實現(xiàn)其運動控制。
五、結(jié)論
我們在充分吸收當今相關(guān)學科高技術(shù)成果的基礎(chǔ)上，設(shè)計出一套速度快、穩(wěn)定性強、集成度高、結(jié)構(gòu)靈活、使用方便的仿人機器人運動控制系統(tǒng)。整個運動控制系統(tǒng)可直接嵌入到機器人本體內(nèi)，以便在實際運行中圓滿地完成規(guī)定的控制任務。同時，該控制系統(tǒng)還有很強的擴展功能，可以方便地移植到其它類似的控制機構(gòu)中去，是一種多功能通用型控制系統(tǒng)，具有廣闊的應用前景。
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