基于DSP的仿人機(jī)器人運(yùn)動控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的機(jī)器人運(yùn)動控制器大部分是以嵌入式單片機(jī)為核心的,但其運(yùn)算速度和處理能力遠(yuǎn)不能滿足機(jī)器人控制系統(tǒng)飛速發(fā)展的需要,日益成為阻礙機(jī)器人技術(shù)進(jìn)步的瓶頸。隨著以電子計(jì)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,尤其是高速度數(shù)字信號處理器DSP 的出現(xiàn),從根本上解決了嵌入式系統(tǒng)運(yùn)算能力不足的問題,并為機(jī)器人運(yùn)動控制系統(tǒng)的改進(jìn)提供了新的途徑。該文正是從這一點(diǎn)出發(fā), 選用控制能力很強(qiáng)的DSP芯片TMS320LF2407A作為機(jī)器人運(yùn)動控制器的主處理器,設(shè)計(jì)出一種高性能機(jī)器人運(yùn)動控制器,顯著地提高了整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動性能。

1 　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

機(jī)器人的各種運(yùn)動由各個(gè)關(guān)節(jié)軸系完成,機(jī)器人控制本質(zhì)上是對各關(guān)節(jié)軸系的控制。每個(gè)軸系具有一個(gè)自由度,可以完成某一方向的轉(zhuǎn)動任務(wù),所有軸系同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動就可以完成相對復(fù)雜的動作。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仿人步行機(jī)器人,其內(nèi)部各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 　機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

此機(jī)器人共有36 個(gè)自由度,分布在下肢、上肢、頭部和手指等各關(guān)節(jié)。所有軸系均由PWM 脈沖信號驅(qū)動控制,運(yùn)動控制系統(tǒng)的任務(wù)就是對這些關(guān)節(jié)軸系進(jìn)行控制,具體由各底層控制器實(shí)現(xiàn)。整個(gè)控制系統(tǒng)采用分布式控制,在結(jié)構(gòu)上可分為3 個(gè)層次,如圖2 所示。

圖2 　運(yùn)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.1 　主控計(jì)算機(jī)模塊
　　
主控計(jì)算機(jī)就是控制系統(tǒng)的“大腦”和司令部,負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的在線運(yùn)動規(guī)劃、動作及運(yùn)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。主控計(jì)算機(jī)要求體積小,運(yùn)算速度快,滿足機(jī)器人實(shí)時(shí)控制的要求,通常采用高性能小板工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。它通過CAN 總線接口卡連接到通信總線上,與各底層控制器相連并交互信息。

1.2 　通信模塊
　　
機(jī)器人控制的信息量大,對通信方面的要求很高,要保證各種信息在控制系統(tǒng)中及時(shí)準(zhǔn)確的傳輸,通信工具的選擇十分重要,該文選用當(dāng)前流行的CAN 總線作為通信標(biāo)準(zhǔn)。CAN (Controller Area Net-work) 總線是應(yīng)用最為廣泛的一種現(xiàn)場總線,也是目前為止惟一有國際標(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(shí)時(shí)性和靈活性,可以滿足文中的設(shè)計(jì)要求。具體連接方式為:主控計(jì)算機(jī)通過CAN 總線接口卡連接到總線上,各底層控制器通過總線收發(fā)器掛接到總線上。只要所有器件都遵守相同的通信協(xié)議,就可以穩(wěn)定可靠的進(jìn)行信息傳輸。

1.3 底層控制器模塊
　　
控制器處于整個(gè)控制系統(tǒng)的最底層,主要用來控制各運(yùn)動關(guān)節(jié)軸系的具體執(zhí)行過程。控制器接收主控計(jì)算機(jī)的控制命令對各關(guān)節(jié)執(zhí)行軸系進(jìn)行控制,同時(shí)把底層信息反饋給主控計(jì)算機(jī),實(shí)現(xiàn)大回路反饋,便于主控計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)規(guī)劃,統(tǒng)一管理。控制器是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心,也是該文研究的重點(diǎn),它的性能直接關(guān)系到機(jī)器人運(yùn)動能力。

2 　控制器詳細(xì)設(shè)計(jì)

基于DSP 的控制器具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。整個(gè)控制器根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能可分為3 部分:主處理器與外圍器件單元、反饋與執(zhí)行單元、通信單元,各部分如圖3 中虛線所示。

圖3 　DSP 控制器結(jié)構(gòu)