模仿人的形態(tài)和行為而設(shè)計制造的機器人就是仿人機器人，一般分別或同時具有仿人的四肢和頭部。中國科技大學陳小平教授介紹，機器人一般根據(jù)不同應(yīng)用需求被設(shè)計成不同形狀，如運用于工業(yè)的機械臂、輪椅機器人、步行機器人等。而仿人機器人研究集機械，電子，計算機，材料，傳感器，控制技術(shù)等多門科學于一體，代表著一個國家的高科技發(fā)展水平。從機器人技術(shù)和人工智能的研究現(xiàn)狀來看，要完全實現(xiàn)高智能，高靈活性的仿人機器人還有很長的路要走，而且，人類對自身也沒有徹底地了解，這些都限制了仿人機器人的發(fā)展。

　　一、基于ARM9的嵌入式仿人機器人傳感器系統(tǒng)設(shè)計

　　傳感器技術(shù)是仿人機器人研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。仿人機器人之所以能在已知或未知的環(huán)境中完成一定的作業(yè)功能，是因為它能夠通過傳感器感知外部環(huán)境信息和自身狀態(tài)，獲得反饋信息，實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制。目前在仿人機器人中應(yīng)用的傳感器種類繁多，例如視覺傳感器、電子羅盤、加速度計和超聲波傳感器等都是仿人機器人中常用的傳感器。

　　DF-1機器人是我院自主研制的一款仿人機器人。本文首先對DF-1機器人總系統(tǒng)進行了介紹，然后根據(jù)DF-1機器人需要實現(xiàn)的功能，設(shè)計DF-1機器人的傳感器系統(tǒng)，然后實現(xiàn)傳感器系統(tǒng)的具體工作電路，利用ARM9實現(xiàn)了傳感器系統(tǒng)信息的采集，最后對傳感器系統(tǒng)的效果進行了試驗驗證。

　　1.DF-1仿人機器人簡介

　　DF-1機器人模仿人體外形結(jié)構(gòu)，利用舵機結(jié)構(gòu)實現(xiàn)人類關(guān)節(jié)的功能，如圖1所示。DF-1身長45cm，共設(shè)有17個自由度，具體分配為：踝關(guān)節(jié)2×2=4個自由度，膝關(guān)節(jié)2×1=2個自由度，胯關(guān)節(jié)2×2=4個自由度，肩關(guān)節(jié)2×2=4個自由度，肘關(guān)節(jié)2×1=2個自由度，頭部1個自由度。DF-1機器人內(nèi)部采用ARM9微處理器，主要用來完成信息的融合、決策和規(guī)劃等任務(wù)。DF-1機器人已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能有步行、做俯臥撐、上樓梯、打太極拳，這些功能的實現(xiàn)是建立在：DF-1機器人具有良好機械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上的，通過人工調(diào)試，設(shè)定具體程序完成的。為提高機器人動作的穩(wěn)定性，實現(xiàn)DF-1機器人的智能控制，需要對機器人配置傳感器系統(tǒng)，使機器人能夠感知自身狀態(tài)和外界環(huán)境。

　　2 傳感器系統(tǒng)設(shè)計

　　DF-1機器人的胸腔部位安裝了三個超聲傳感器，分別用來測量機器人正前、左前和右前方向的障礙物。在該傳感器系統(tǒng)中，采用了ARM9微處理器作為信息的采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理和通信單元。由于超聲波傳感器存在多次反射問題，在超聲波相對應(yīng)的位置安裝了三個紅外測距傳感器用來解決這一問題。傳感器系統(tǒng)獲取的信息采用定長字節(jié)格式通過RS232接口傳送給上位機。傳感器系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　2．1加速度計傳感器

　　判定機器人姿態(tài)的傳感器有陀螺儀和加速度計等傳感器，由于陀螺成本較高，而DF-1機器人在運動變化上較為緩慢，故本文采用了成本較低的加速度計來感知機器人的姿態(tài)。加速度計是物體運動測試中的重要元件，它的輸出與物體的加速度成比例。傳感器系統(tǒng)所采用加速度計的具體型號為AD公司生產(chǎn)的雙軸加速度計ADXL202。ADXL202具有兩種輸出，一種是從XFILT和YFILT引腳輸出模擬信號；另一種是直接從XOUT和YOUT引腳輸出經(jīng)調(diào)制后的DCM信號。在具體使用中，選用了加速度計的DCM信號輸出，這樣就可省去使用模擬信號需要引入的A／D轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，簡化了電路設(shè)計難度。

　　2．2超聲傳感器

　　用來測距的傳感器主要有紅外傳感器、超聲波傳感器、激光測距儀等，為了能在測量距離的同時判斷出物體的大致形狀，應(yīng)設(shè)計成多傳感器測距系統(tǒng)?？紤]到機器人的安裝空間以及成本問題，主要選用了超聲波傳感器進行距離的測量。

　　超聲波傳感器主要用來完成機器人到周圍障礙距離信息的測量，超聲波在測距過程中存在多次反射問題，即超聲波遇到障礙物體時，沒有沿著原路返回發(fā)射接收點，而是經(jīng)過多次反射后才返回發(fā)射接收點，這樣測量到的距離信息不再真實，情況嚴重時會“丟失”目標。本文選用DEVANTECH公司生產(chǎn)的SFR05。SFR05的體積小，信號穩(wěn)定，便于在機器人中安裝，而且SFR05的測量距離為1cm～4m，在最小測量距離上可認為該傳感器不存在盲區(qū)。

　　2．3 紅外傳感器

　　為了彌補超聲傳感器在測距中多次反射的問題，在超聲波相對應(yīng)的位置安裝了三個紅外測距傳感器。當超聲波傳感器測量的距離遠遠大于同方向上紅外傳感器測量的距離時，可以據(jù)此推斷出超聲波已經(jīng)進行了多次反射，并用紅外傳感器測量的距離信息來取代超聲波傳感器的信息。本文使用的紅外傳感器為SHARP公司生產(chǎn)的GP2D12，可測距離為10～80cm。GP2D12加上電源就可工作，輸出電壓為0．3～2.8V。GP2D12傳感器在測量距離時受外界光強度、物體外表反射率及物體顏色的影響較小。

　　3.軟件實現(xiàn)

　　傳感器系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理單元采用ARM9微處理器，主要完成以下功能：實現(xiàn)對加速度計的控制和加速度的測量，并根據(jù)加速度值，計算機器人的傾角；實現(xiàn)對超聲波傳感器的控制，完成距離信息的計算；實現(xiàn)對紅外傳感器的控制，完成距離信息的獲取；對獲得的傾角、超聲波測距和紅外測距數(shù)據(jù)，按照規(guī)定的通信協(xié)議發(fā)送給上位機，程序主流程如圖3所示。

　　程序首先要初始化，主要包括系統(tǒng)時鐘的選擇、管腳的分配、中斷優(yōu)先級、定時器時鐘和工作方式的選定等。在ARM9內(nèi)部資源中，具有PCA定時器單元和A／D單元，這些方便了對本傳感器系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集。防止超聲波傳感器之間發(fā)生串擾，對超聲波傳感器采用輪流測量的方式。由于超聲波傳感器的工作周期為50ms，當工作時間少于50ms時，超聲波傳感器會誤認為下次測量發(fā)送超聲波產(chǎn)生的干擾為本次的回波，造成距離測量上的失真，而紅外傳感器建立電壓的時間只需要5ms，所以在編程上，利用定時器0產(chǎn)生50ms延遲，依次對3對超聲波傳感器和紅外傳感器進行數(shù)據(jù)采集。由于加速度傳感器和紅外、超聲傳感器之間是獨立的，而且數(shù)量只有一個，它的采集過程只依賴于PCA捕捉模塊捕捉到的時刻，所以加速度計信息的采集和預(yù)處理工作可貫穿于150ms以內(nèi)。在完成對傳感器系統(tǒng)的信息采集和預(yù)處理后，還要將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機，為上位機的決策提供必要的數(shù)據(jù)。

　　4.實驗驗證

　　4．1加表實驗

　　由于當機器人傾斜的時候，重力加速度會在加速度兩軸上產(chǎn)生分量，這時加速度值為Ax=gsinα和Ay=gsinβ。在加速度計水平放置的時候，Ax=gsinα，由于條件的限制，很難使加速度計達到絕對水平。在α=0附近，sinα變化幅度大，這樣會影響標定效果，而在a=π／2附近，sinα變化幅度較小。為了得到較好的加速度計標定效果，采用了豎直標定的方法，即將PCB電路板用細線懸掛起來，分別得到g和-g時的值，通過計算就可得到加速度在0g時的值。由于ADXL202的輸出含有高斯白噪聲，應(yīng)用直接采來的數(shù)據(jù)會有較大的誤差，因而需要對采集來的數(shù)據(jù)進行處理后再加以應(yīng)用。

　　通過平均值濾波可降低噪聲的影響，假設(shè)Xi為直接采集來的數(shù)據(jù)，Yi為平均值濾波后的數(shù)據(jù)，Yi=(∑xi)／n，由概率論知識可知，EYi=EXi，DYi=DXi／n。從中可看出平均值濾波的效果與平均點數(shù)n有關(guān)，n越大，濾波效果越好?？紤]到機器人的運動情況，可取n=15，即噪聲的方差變?yōu)樵瓉淼?／15。圖4是DF-1機器人在運動過程中獲取的傾斜角度值。其中L1表示了機器人的俯仰角度，L2表示了機器人的橫滾角度。

　　由于DF-1仿人機器人體型較小，運動較為緩慢，在障礙距離測量上，能夠?qū)Ω?m以內(nèi)的障礙就可滿足應(yīng)用要求。在2m以內(nèi)不同距離上放置平面障礙，利用超聲波和紅外傳感器測量這些距離信息，測得的距離與實際距離如表1所示。

　　從表中可以看出，超聲波測量距離的誤差在2％以內(nèi)，紅外傳感器測量距離的誤差在4％以內(nèi)，可以滿足DF-1仿人機器人的應(yīng)用要求。

　　本文針對DF-1機器人要實現(xiàn)的功能，基于ARM9微處理器設(shè)計了傳感器系統(tǒng)。試驗結(jié)果證明，本傳感器系統(tǒng)基本可以滿足機器人的功能需求，具有一定的應(yīng)用價值。具備傳感器系統(tǒng)的DF-1機器人對外界環(huán)境和自身狀態(tài)有了一定的感知能力，為上位機進行動作決策提供可靠的依據(jù)，提高了機器人的智能性。

　　二、 基于CAN總線的仿人機器人力信息檢測系統(tǒng)

　　隨著信息檢測技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，仿人機器人運動控制已經(jīng)從傳統(tǒng)的離線規(guī)劃方法研究轉(zhuǎn)向基于環(huán)境信息的實時控制研究，仿人機器人的實時姿態(tài)調(diào)整與實時步態(tài)生成方法也成為運動控制的研究重點。對于步行機器人而言，其腳掌所受到的地面反力信息是最重要的外部環(huán)境信息之一，它尤其能夠反映仿人機器人的姿態(tài)信息，在仿人機器人的實時姿態(tài)調(diào)整中具有重要作用。早在1989年，日本早稻田大學就在他們研制的兩足步行機器人WL-12RⅢ中應(yīng)用了六維力/力矩傳感器，該傳感器安裝在機器人的小腿上，機器人可根據(jù)反饋力信息在不平整地面上進行穩(wěn)定行走；日本HONDA公司的仿人機器人P2，P3以及ASIMO均安裝了集成六維力/力矩傳感器，利用傳感器信息檢測地面反力信息。

　　在國家863計劃支持下，國防科技大學機器人實驗室于2003年研制出一臺新型仿人機器人；同時與合肥智能機械研究所合作，在該機器人腳掌上安裝了可檢測地面反力信息的集成五維力/力矩傳感器。本文通過對仿人機器人運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和傳感器電路結(jié)構(gòu)的分析，提出了一種基于CAN總線的力信息檢測系統(tǒng)；通過實驗表明，該力信息檢測系統(tǒng)能夠滿足力信息采集的基本要求，為其他外部環(huán)境信息的采集建立了一定基礎(chǔ)。

　　仿人機器人控制結(jié)構(gòu)分析與外部傳感信息采集結(jié)構(gòu)

　　將仿人機器人控制系統(tǒng)的大開環(huán)變成大閉環(huán)對控制系統(tǒng)的上位計算機處理能力、上下位機與傳感器信息之間的傳輸通道結(jié)構(gòu)以及傳感器信息采集與處理提出了挑戰(zhàn)。它要求上位計算機具備實時多任務(wù)處理能力，控制系統(tǒng)具有便于擴展的多傳感器信息采集與處理通道。增加外部信息傳感器是控制結(jié)構(gòu)改進的最基本條件。

　　增加外部信息傳感器，首先要在現(xiàn)有控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，擴展外部信息采集與處理模塊，形成開放的分層信息采集與處理結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的底層節(jié)點由多個傳感器信息采集和預(yù)處理模塊(包括解耦和濾波等)構(gòu)成，得到的處理信息通過合適的物理通道傳送到?jīng)Q策層計算機，形成一個從環(huán)境信息到機器人動作序列產(chǎn)生的過程。

　　選擇實時性強且易于擴展的物理通道，可以增強控制系統(tǒng)的外部傳感擴展能力。在仿人機器人運動控制系統(tǒng)中，上下位機之間通過PC/104總線和RS232串行總線交換信息。當系統(tǒng)需要擴展外部傳感器時，由于PC/104總線的有限驅(qū)動能力，通過PC/104總線只能擴展相當有限的外部信息傳感器且擴展不便(涉及到地址的重新分配等問題)；RS232串行總線不能滿足高速實時信息傳輸與處理要求，因此考慮采用現(xiàn)場總線方式，如CAN總線，作為外部信息傳輸通道，同時設(shè)計其與上位機的通信接口。理想信息采集結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1所示的信息采集結(jié)構(gòu)，具有較強的易擴展性和較高容錯性能。每一個外部信息傳感器都可以獨立設(shè)計；在整個信息采集結(jié)構(gòu)中，每個模塊都是對等的，之間可以點對點通信；上位機可對各個傳感器信息處理模塊的廣播，信息處理模塊的增減不會對整個信息傳輸通道產(chǎn)生影響，有利于傳感器及其處理模塊的擴展和維護。另外，從底層通信協(xié)議角度而言，這種采集結(jié)構(gòu)亦具有較高容錯性能。

　　力矩傳感器的電路結(jié)構(gòu)及工作原理

　　五維力/力矩傳感器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳感器基本采集處理原理：當傳感器受到外力或外力矩作用時，彈性體產(chǎn)生形變，導致全橋橋路中的應(yīng)變片阻值發(fā)生改變，改變橋路輸出電壓；橋路輸出電壓通過前置濾波與放大進入SoC，通過A/D變換得到的數(shù)字信號通過CAN總線或

　　RS232傳輸?shù)缴衔粰C。

　　力/力矩傳感器與控制系統(tǒng)的電路接口設(shè)計方法

　　接口電路的基本功能

　　仿人機器人底層控制器與上位機接口采用PC/104總線方式，力/力矩傳感器信息傳輸采用CAN總線結(jié)構(gòu)，因此需設(shè)計CAN總線與PC/104總線之間的接口，實現(xiàn)已有控制系統(tǒng)與傳感器之間的通信及對力/力矩信息的預(yù)處理，如圖3所示。

　　接口電路的硬件結(jié)構(gòu)與基本設(shè)計原理

　　綜合考慮接口電路對主處理器的要求，如對力/力矩信息的實時處理能力、外設(shè)擴展能力等，選用TMS320LF2407作為主處理器，通過對CAN總線和雙端口RAM的讀寫控制，實現(xiàn)力信息的讀取、預(yù)處理和上傳。接口電路基本原理如圖4所示。

　　選用TMS320LF2407作為主處理器。它采用實時信號處理體系結(jié)構(gòu)，可達到30×106條指令/s的執(zhí)行速度，供電電壓為3.3V，功耗低，片內(nèi)外設(shè)中集成有控制器局域網(wǎng)絡(luò)(CAN)2.0B模塊和SCI模塊。

　　傳輸數(shù)據(jù)主要包括兩個力/力矩傳感器的五維力信息和經(jīng)過預(yù)處理得到的數(shù)據(jù)，因此雙端口RAM選用IDT7132(2K×8bit)。一個端口接PC/104總線的數(shù)據(jù)線、低位地址線、高位地址譯碼產(chǎn)生的選通信號以及讀寫信號，譯碼通過MAX7032，根據(jù)上位機的空閑地址分配RAM地址；另一個端口接經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換的DSP數(shù)據(jù)線低位地址線、高位地址譯碼產(chǎn)生的選通信號以及讀寫信號，通過SN74LV08A譯碼，分配的地址為F800～FFFF，通過SN74LV245A完成總線驅(qū)動和電平轉(zhuǎn)換。

　　選取PCA82C250T作為驅(qū)動CAN控制器和物理總線間的接口，提供對總線的差動發(fā)送和接收功能。同時利用DSP的SCI模塊擴展了一路RS232串口，選用3.3V供電的RS232驅(qū)動器MAX3320作為串口驅(qū)動器，與PC機進行通信。

　　接口電路的軟件流程

　　接口電路驅(qū)動程序中，首先對DSP進行初始化設(shè)置，包括定時器初始化和CAN模塊初始化以及在IDT7132中設(shè)置平滑數(shù)據(jù)隊列等；然后向發(fā)送郵箱中寫入0或1，即對傳感器清零或者請求發(fā)送數(shù)據(jù)；接收到數(shù)據(jù)之后，將數(shù)據(jù)從接收郵箱中讀入平滑數(shù)據(jù)隊列中，進行平滑數(shù)據(jù)處理，供上位機查詢和讀取。

　　在DSP的初始化設(shè)置中，首先通過設(shè)置MCR寄存器來配置CAN引腳；初始化位定時器主要是設(shè)置寄存器BCR1和BCR2，決定CAN控制器的通信波特率、同步跳轉(zhuǎn)寬度、采樣次數(shù)和重同步方式。對郵箱的初始化主要是設(shè)置郵箱的標識符；對發(fā)送的數(shù)據(jù)區(qū)賦初值，需要清零傳感器返回值時，數(shù)據(jù)區(qū)賦值0，需要讀取數(shù)據(jù)時，數(shù)據(jù)區(qū)賦值1。發(fā)送信息首先要使能發(fā)送郵箱，然后設(shè)置發(fā)送請求位，等待發(fā)送中斷標志位置位，若為1，則發(fā)送成功，最后清除發(fā)送中斷標志位和發(fā)送應(yīng)答位。接受信息時，要對接收郵箱進行初始化，設(shè)置標識符以及與標識符相關(guān)的局部屏蔽寄存器(LAM)；然后等待接收中斷標志位MIFn置位，若MIFn=1則接收成功，最后清除接收中斷標志位和接收信息懸掛位。接收數(shù)據(jù)后，根據(jù)傳感器解耦矩陣完成數(shù)據(jù)解耦及平滑濾波。

　　根據(jù)文中提出的設(shè)計方法，已設(shè)計相應(yīng)的電路，實現(xiàn)了對力信息的實時采集和傳送。所設(shè)計的系統(tǒng)能夠完成力信息采集和平滑預(yù)處理工作，但還沒有加入對力信息的數(shù)字濾波設(shè)計。通過對所采集的力信息數(shù)據(jù)的特性分析，下一步將在軟件流程中增加數(shù)字濾波部分，使獲取的力信息能夠更加真實地反映機器人所受到的地面反力信息，使力信息能夠應(yīng)用于仿人機器人的大回路控制。

　　三、基于CAN總線和雙傳感器仿人機器人運動控制系統(tǒng)研究

　　機器人研究是自動化領(lǐng)域最復雜。最具挑戰(zhàn)性的課題，它集機械。電子。計算機。材料。傳感器?？刂萍夹g(shù)等多門學科于一體，是多學科高技術(shù)成果的集中體現(xiàn)。而仿人步行機器人技術(shù)的研究更是處于機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)是機器人控制技術(shù)的核心，也是機器人研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，在機器人控制中具有舉足輕重的地位，因此，各研究機構(gòu)都把對機器人運動控制系統(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)成為當今機器人發(fā)展的主題。隨著以電子計算機和數(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)模可編程邏輯器件(以CPLD和FPGA為代表)的廣泛應(yīng)用，機器人運動控制系統(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。標準化。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器人運動控制系統(tǒng)。

　  控制對象與要求

　　我們以國防科技大學機電工程與自動化學院機器人教研室最新研制的新一代仿人步行機器人為研究對象(其外形如圖1所示)。該機器人高約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/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。體積孝重量輕。功率大。效率高和機載化。

　　(2)各個模塊之間的連接簡潔，便于安裝和維護。

　　(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)誤差校

　　(4)系統(tǒng)集成在機器人本體上，電磁干擾較強，必須具有較強的抗干擾能力。

　　(5)各部分的數(shù)據(jù)交換必須實時有效和準確可靠。

　　動控制系統(tǒng)設(shè)計

　　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，組織層由機器人本體外的一臺工作站組成，主要負責實現(xiàn)人機交互。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.主控計算機模塊主控計算機要求體積孝運算速度快，通常采用小板工業(yè)控制計算機，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。視覺導引控制以及人機交互等功能。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。

　　通信模塊

　　主控計算機和各控制器之間采用CAN總線進行通信。CAN(ControllerAreaNetwork)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準的現(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1MBPS。

　　(5)CAN總線上的節(jié)點數(shù)在標準幀格式下可達到110個，擴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器人控制，鑒于此，本文選用CAN總線作為機器人控制系統(tǒng)的通信工具。具體連接方式為：主控計算機通過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總線只用兩根線進行通信，大大降低了系統(tǒng)連線的復雜程度，同時增強了系統(tǒng)的可靠性能。

　　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。

　?、匍_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(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。

　?、陂_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。

　?、坶]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?？刂齐y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(yīng)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。

　　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(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。

　　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。

　　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(wù)。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(yīng)用前景。(來源：電子發(fā)燒友）

　　四、仿人型機器人控制系統(tǒng)設(shè)計的幾個問題

　　1.引言

　　仿人型機器人由于具有類人的基本外形,在實際的生活中,能夠代替人完成很多工作,因此對仿人型機器人的研究具有實用價值,各國都在投入巨大的人力物力進行研發(fā)[1]。仿人型機器人具有多自由度的機械結(jié)構(gòu)要求,因此需要對機器人的各個關(guān)節(jié)通過電機來完成轉(zhuǎn)動動作。這對于電機驅(qū)動控制提出了很高的性能要求。本文提出了一種基于STM32單片機的仿人型機器人控制系統(tǒng)方案,可以同時對機器人關(guān)節(jié)所需的16路舵機進行驅(qū)動控制。

　　2.硬件解決方案

　　本控制系統(tǒng)的硬件部分共分為5個模塊,其硬件系統(tǒng)模塊圖如圖1所示。

　　主控制器采用STM32F103xB增強型系列單片機,該系列單片機使用了高性能的ARMCortexTM-M332位的RISC內(nèi)核,工作頻率為72MHz,內(nèi)置高速存儲器(128K字節(jié)的閃存和20K字節(jié)的SRAM),增強型I/O端口[2]。這些性能使得STM32F103系列微控制器非常適合應(yīng)用于小型仿人型機器人的控制系統(tǒng)。由于仿人型機器人的體型限定,因此我們在設(shè)計舵機控制板時采用了STM32F103系列的小型貼片封裝型號STM32F103CBT6。以得到體積較小的舵機控制電路板,如圖2所示。

　　為了實現(xiàn)對多自由度復雜結(jié)構(gòu)的仿人型機器人進行動作控制,需要較多控制路數(shù)的舵機控制板。由于舵機的角度控制是采用PWM波形輸出,當單片機IO口的輸出脈沖寬度變化時,舵機舵盤角度發(fā)生改變,如圖3所示[3],因此在舵機控制板電路設(shè)計中,充分利用了STM32單片機的IO口數(shù)量多且具有PWM輸出的技術(shù)優(yōu)勢[4]。共設(shè)計了16路舵機控制口,可以保證16個機器人關(guān)節(jié)同時動作。舵機驅(qū)動IO接口分布在PCB板的兩側(cè),便于插拔。

　　在舵機的控制中,有一個容易出現(xiàn)的問題就是舵機抖舵問題。這種問題一般發(fā)生在采用普通電池做為機器人系統(tǒng)的主電源的情況下,如采用多節(jié)AA型鎳鎘或鎳氫電池串聯(lián)組成機器人供電主電源。原因是這些電池由于容量和放電能力的局限,無法在其額定電壓下提供長時間穩(wěn)定持續(xù)的大電流。在仿人型機器人的多路舵機同時工作時,采用普通電源輸出的電壓會迅速降低,從而導致舵機的供電不足,最終出現(xiàn)舵盤異常抖動,造成機器人在執(zhí)行動作時的抖舵現(xiàn)象。

　　因此我們設(shè)計的仿人型機器人控制電路中采用了型號為格氏25C放電倍率,容量為2200mAh,額定電壓為11.1V的鋰聚合物航模電池作為主電源。分為5V控制信號電源和6V舵機驅(qū)動電源,如圖4所示。為了保證多路舵機同時工作時所需要的大電流,利用鋰聚合物電池具有很強的持續(xù)放電能力,選用了型號為120W12A大功率降壓模塊[5],將機器人的供電電源穩(wěn)壓在+6V,放電電流峰值為12A,如圖5所示。利用光電耦合器隔離單片機IO口控制信號和舵機驅(qū)動信號,提高控制信號的抗干擾能力。舵機的IO口電路設(shè)計原理圖如圖6所示。這樣解決了多路舵機由于同時工作時,電源電源被拉低引起的舵盤異常抖動問題。

　　舵機控制板在初始上電時,所有IO口會同時通入無序的PWM信號,造成瞬間出現(xiàn)巨大的電流消耗。經(jīng)實驗測得舵機控制板上電時,單個IO口的峰值電流可以達到1.5A以上。因此在16個舵機同時初始上電通入PWM信號時,其總電流將達到24A以上,這就大大超出了大容量直流降壓模塊的極限供電電流,導致電源電路進入過流保護,整個舵機控制電路將無法進入正常的工作狀態(tài)。為了解決這個問題,我們在STM32單片機上電初始化時,首先只讓IO口1和2輸出PWM信號,然后同時再讓IO口3和4輸出初始化PWM信號,以此順序最后讓IO口15和16輸出PWM信號。這樣就保證IO口初始化時,最多只有兩路PWM信號同時通入。在機器人正常動作時,同時動作的舵機數(shù)量不超過6個,即6個IO同時輸出的峰值電流為9A,低于大功率降壓模塊的最大輸出電流12A,因此整個電路在工作期間的極限電流均小于12A。最終達到了舵機控制板穩(wěn)定工作的硬件要求。

　　3.軟件部分的設(shè)計

　　仿人型機器人控制系統(tǒng)的軟件分為兩種模式:調(diào)試模式和正常模式。

　　調(diào)試模式:機器人上電默認靜止,以響應(yīng)上位機信號為主。在該模式下,上位機通過RS232串口對機器人進行在線控制,可以對單個舵機的角度進行精確調(diào)整,編排好的流程動作單次執(zhí)行,流程動作的全部執(zhí)行等,并顯示當前機器人對代碼解析值。調(diào)試模式的工作界面如圖7所示。

　　正常模式:機器人上電即開始執(zhí)行調(diào)試完畢的全套程序動作。

　　為了實行軟件控制,采用了多任務(wù)模塊的定時輪換機制[6]。共建立了3個模塊任務(wù):任務(wù)0用來解析送入該任務(wù)的軟件代碼值到PWM輸出的轉(zhuǎn)換。任務(wù)1用來調(diào)用每套動作編碼,連續(xù)的將得到的軟件值發(fā)送給任務(wù)0。任務(wù)2為串口處理任務(wù),通過分析串口發(fā)來的數(shù)據(jù)進行模式的轉(zhuǎn)換和響應(yīng)。其程序流程圖如圖8所示。

　　4.系統(tǒng)調(diào)試效果

　　設(shè)計該仿人型機器人的走步步態(tài)時,主要考慮了機器人的自重為2.53Kg,身高為42cm,因此機器人的腳和手臂的舵機輸出幅度不能太大,否則會導致機器人走步時的重心偏移太大,造成機器人翻倒。因此在設(shè)計機器人的腳掌時,適當增大了與地面的接觸面積,腳掌的尺寸為8.5×15cm,同時加快了腳步移動的頻率,并在腳部增加了額外的配重,以增強機器人在走步過程中的穩(wěn)定性,其走步的步態(tài)如圖9所示。該型機器人的走步步態(tài)協(xié)調(diào)一致,在2012年中國機器人大賽仿人競速比賽項目中獲得二等獎。

　　5.結(jié)束語

　　文中基于STM32微控制器的仿人型機器人控制系統(tǒng),能夠靈活地控制16路大扭力舵機,通過大功率降壓電源模塊,可以得到16路舵機同時動作時所需要的直流電壓,實現(xiàn)了仿人型機器人的走步動作,可作為高校學生進行機器人技術(shù)創(chuàng)新時的參考。