一、引言
机器人研讨是自动化范畴最庞大。最具挑战性的课题，它集机器。电子。计算机。资料。传感器。控制技术等多门学科于一体，是多学科高技术结果的集中体现。而仿人步行机器人技巧的研讨更是处于机器人课题研讨的前沿，它正在必然水平上代表了一个国度的高科技开展程度。运动控制系统是机器人控制技术的焦点，也是机器人研讨范畴的关键技术之一，正在机器人节制中存在无足轻重的位置，是以，各研讨机构皆把对机器人运动控制系统的研讨作为首要任务。
举措调和。存在必然智能。能实现无线及时行走曾经成为现今机器人开展的主题。跟着以电子计算机跟数字电子技巧为代表的古代高技术的不休开展，特殊是以DSP为代表的高速数字信号处理器跟大规模可编程逻辑器件的广泛应用，机器人运动控制系统也从之前单一的布局跟简略的功用向着结构化。标准化。模块化跟高度集成化的标的目的开展，采取开放式体系结构曾经成为该技巧开展的一种必然趋势。本文作者恰是适应这一趋向，计划出一种多功能分布式仿人机器人运动控制系统。
两、节制工具与要求
咱们以国防科技大学机电工程与自动化学院机器人教研室最新研制的新一代仿人步行机器人为研讨工具。该机器人高约1.55m，重约65kg，利用电池供电，无需中接电源跟节制信号线，可以实现无缆行走，借可以实现人的腿部。手部跟头部的一些根本举措，曾经开端具有了人类的形状特点。这台新型仿人机器人一共存在36个自由度，此中上肢12个，下肢12个，头部2个，手部10个；下肢各个枢纽有地位传感器，足部有多维力/力矩传感器；存在视觉传感。语音控制系统和无线遥控模块；全部控制系统。电源集成正在机器人本体上。为了使之真正存在“仿人”的特色，控制系统必需可能实现包罗运动节制与计划。视觉感知处置惩罚。语音辨认跟别的情况感知在内的多种功用。此中，运动节制是全部控制系统的要害，它必需可能知足以下要求：
体系集成度下。体积孝重量轻。功率年夜。效率高跟机载化。
各个模块之间的毗邻简明，便于装置跟保护。
控制器应存在优越的静态相应跟追随特性，稳态偏差跟静态偏差校
纸箱物流分拣机器人自动分箱系统集成正在机器人本体上，电磁干扰较强，必需存在较强的抗干扰能力。
快递自动分拣机器人设计各部门的数据交换必需及时无效跟精确靠得住。
三、动控制系统计划
分拣机器人是哪个上市公司小型自动分拣机器人依据以上要求，咱们计划了一种基于CAN现场总线的新型控制结构。全部控制系统采取集中管理分散控制的方法，依照控制系统的布局跟功用分别为三层：组织层。调和层。执行层。此中，组织层由机器人本体外的一台工作站构成，次要担任实现人机交互。无线通讯。语音。视觉和宏指令天生等功用，属于智能节制领域，本文没有做深入探讨；调和层跟执行层皆集成正在机器人本体上，实现详细的节制使命，属于物理节制领域，是咱们平常意思上的控制系统，其详细布局如图3所示。
主控计算机模块
主控计算机要求体积孝运算速率快，平常采取小板工业节制计算机，同时装备液晶显示器跟克己公用功用键盘，次要实现在线运动计划。举措级运动节制。语音交互节制。视觉扶引节制和人机交互等功用。它接管当地传感器的信息，依据必然的控制算法跟使命要求，及时天生枢纽轴系的使命计划数据并经由过程数据传输总线送至各底层运动控制器。
通讯模块
主控计算机跟各控制器之间采取CAN总线停止通讯。CAN（ControllerAreaNetwork）总线是使用最为普遍的一种现场总线，也是目前为止独一有国际标准的现场总线。绝对于普通通讯总线，它的数据通信存在突出的可靠性。实时性跟灵活性。其特色次要有：
CAN总线为多主方法，收集上任一节点均可正在随意率性时辰向别的节点发送数据。
CAN总线上的节点可以经由过程标识符分红分歧的优先级，知足分歧的及时要求。
CAN总线采取非毁坏的总线仲裁技巧，低优先级节点没有影响下优先级节点的发送。
CAN总线节点正在40m内通讯速度最高可达1MBPS。
CAN总线上的节点数在尺度帧格局下可到达110个，扩展帧格局下简直没有受限制。
报文采取短帧格局，传输工夫短，出错率极低。
CAN总线通讯介质可选用双绞线，其布局灵巧，毗邻便利。
CAN总线的以上特色使之非常合用于机器人节制，鉴于此，本文选用CAN总线作为机器人控制系统的通讯对象。详细毗邻方法为：主控计算机经由过程CAN总线接口卡毗邻到总线上，各运动控制器也皆经由过程总线收发器挂接到总线上，并且可以依据实际环境增减数量。因为CAN总线只用两根线停止通讯，大大降低了体系连线的复杂程度，同时加强了体系的可靠性能。
执行层模块
执行层处于全部控制系统的最底层，由分歧类型的控制器构成，次要用来节制各运动枢纽轴系的详细履行进程。因为各运动枢纽机电的型号分歧。承载的重量分歧，对控制精度的要求也分歧，咱们离别为之计划了分歧的运动控制器。
①开环DSP运动控制器
头部跟上肢背载重量较沉，是以采取开环DSP运动控制器去对头部跟上肢各枢纽停止节制。这些控制器没有须要采样跟反应，间接吸收主控计算机发来的节制下令，然后天生响应的执行命令发给各枢纽轴系，使之转到响应角度。
②开环MCU运动控制器
手部各个枢纽体积跟质量皆很小，故采取开环MCU运动控制器去停止节制。这些控制器采取MCS-51单片机作为处理器，可以间接嵌入到手掌内，它们吸收主控计算机的节制下令，应用其IO引脚发生须要的多路脉冲节制旌旗灯号，节制手部各枢纽的运动。
③闭环DSP运动控制器
腿部一切轴系均由直流减速驱动型机电组成，带零位检测。码盘跟电位计反应和多维力/力矩传感器，结构复杂。节制难度年夜。精度要求也下，故采取闭环DSP运动控制器。这部分是全部控制系统的要害，也是咱们研讨的重点。
控制系统流程
全部控制系统的详细流程为：体系开始运行并实现初始化事情；主控计算机依据计划跟计较向底层控制器发送节制下令，底层控制器接收到下令后，联合各传感器反应的信息，经由过程必然的控制算法天生响应的执行命令并发送给各枢纽履行轴系，同时把底层轴系的运转环境上传给主控计算机，主控计算机依据新的环境再发生新的下令发送给各控制器，如斯重复。那事实上是两个闭环反应进程，底层控制器经由过程传感器与各枢纽轴系之间停止小轮回反应，主控计算机经由过程各控制器与各枢纽轴系之间停止年夜回路反应，如许可以使机器人存在更多的“智能”，更好的停止离线实时控制。
分拣机器人分拣系统设计主控计算机每秒钟向底层控制器发送200组数据，底层控制器向主控计算机反应一样数量的数据，而CAN总线的最大通讯速度可以到达几千帧/秒，完整可以知足节制的要求。
四、控制器具体计划
节制下肢的闭环DSP控制器是全部控制系统的焦点部门，负担着全部机器人的背载重量，输出功率年夜，对节制的精度要求也下，是以它的机能间接关联到机器人运动的实现。咱们专门为之计划了基于单地位传感器的闭环DSP控制器，其布局如图4所示。
DSP主处理器选用的是TI公司的TMS320LF2407A芯片，它是TI家族C2000系列中的高级产物，十分合用于工业节制。它的两个事宜管理器功用尤其壮大，完整是为机电节制计划的，可应用多个PWM脉冲通道间接发生须要的PWM脉冲节制旌旗灯号；其CAN总线模块可以间接与主控计算机停止通讯而没有须要增长CAN总线控制器；内部看门狗可以对控制器电压停止监控；内部存储器中寄存着控制算法所需的需要参数。
控制器的单地位传感器由电压输出传感器跟光电码盘传感器构成。此中，电压传感器把轴系的地位信息转换成电压旌旗灯号，颠末缩小电路缩小，再颠末专门的A/D转换器转换成数字信号送入DSP主处理器。不消TMS320LF2407A自带的A/D转换器而利用专门的A/D转换芯片，这是为了进步转换的精度，由于TMS320LF2407A的A/D转换器所能接管的最高转换电压只有3.3V，而颠末功率放大后的电压远远超越了此规模，以是利用了专门的A/D转换芯片。这部分电路虽然增长了控制器的复杂程度，却可以大大提高转换精度，以是是非常值得的。码盘传感器把轴系的地位信息转换成脉冲旌旗灯号，颠末光电断绝器件断绝后送入公用脉冲计数器，计数后的信息送入DSP主处理器。脉冲计数器选用现今风行的CPLD器件，其壮大的功用对进步控制器的机能有很大的资助，同时借可以作为译码电路为主处理器供给译码功用。
主处理器经由过程对吸收到的传感器旌旗灯号停止剖析跟计较之后发生响应的PWM脉冲节制旌旗灯号，颠末光电断绝跟功率放大后送给底层轴系节制轴系的运转。利用单传感器可以大大提高反应的精度，两路旌旗灯号可以同时思量，也可以一路为主，此外一路供给增补跟参考。
主处理器经由过程CAN总线与主控计算机停止通讯，吸收主控计算机的下令并把底层信息反馈给主控计算机，实现更高一级的反应节制。主处理器经由过程CAN总线收发器毗邻到总线上，为进步精度，中央须要停止光电断绝。
该控制器间接装置正在仿人机器人的体内，每一个控制器可以同时节制6个枢纽轴系，全部下肢只须要两个控制器便可以实现其运动节制。
五、论断
咱们正在充足接收现今相关学科高技术结果的根底上，计划出一套速率快。稳定性强。集成度下。布局灵巧。使用方便的仿人机器人运动控制系统。全部运动控制系统可间接嵌入到机器人本体内，以便正在实际运转中美满天实现划定的节制使命。同时，该控制系统另有很强的扩展功用，可以便利天移植到别的近似的节制机构中来，是一种多功能通用型控制系统，存在广漠的使用前景。
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