基于ARM9的仿人機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)

1 引言

仿人型機(jī)器人具有類似于人類基本外貌特征和步行運(yùn)動(dòng)功能，還具有視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等功能，它可以實(shí)現(xiàn)類似人類的行走，靈巧輕便，對(duì)行走環(huán)境有良好的適應(yīng)性，既能在平地上行走，又能在非結(jié)構(gòu)的復(fù)雜地面上行走，如上下臺(tái)階，跨越、繞過(guò)障礙物等。另外，仿人型機(jī)器人是集材料、機(jī)械、電子、能源驅(qū)動(dòng)、計(jì)算機(jī)感知、傳感、控制、虛擬現(xiàn)實(shí)與人工智能等多門(mén)學(xué)科于一體的綜合性平臺(tái)，它的研究能夠帶動(dòng)諸多相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的交叉發(fā)展與進(jìn)步，并為相關(guān)學(xué)科的研究提供一個(gè)平臺(tái)。因而，近年來(lái)，仿人型機(jī)器人的研發(fā)受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。小型機(jī)器人是近年發(fā)展起來(lái)的仿人機(jī)器人的一種，主要的研究集中在日本。小型仿人機(jī)器人，結(jié)構(gòu)輕巧，集成度高，運(yùn)動(dòng)靈活；未來(lái)可在工業(yè)、民用、軍事等許多方面發(fā)揮作用，是機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向之一。小型機(jī)器人的控制不僅要求實(shí)時(shí)，還要求重量輕，體積小以及低功耗等。

傳統(tǒng)的仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用集中式控制，如日本仿人機(jī)器人HRP-2[1]，通常由一臺(tái)或多臺(tái)計(jì)算機(jī)通過(guò)多塊A/D,D/A模塊與下層的驅(qū)動(dòng)器和傳感器連接通信。由上位機(jī)完成軌跡規(guī)劃和任務(wù)調(diào)度，協(xié)調(diào)下層各控制板對(duì)各關(guān)節(jié)進(jìn)行控制。這樣的控制系統(tǒng)模塊繁多，模塊之間的連接復(fù)雜，依賴性強(qiáng)且相互耦合，降低了系統(tǒng)的開(kāi)放性和可靠性，增加了功耗，難以完成多軸同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)控制。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各種新型的控制方式應(yīng)用于機(jī)器人控制。分布式控制系統(tǒng)是在計(jì)算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)多級(jí)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，是生產(chǎn)過(guò)程的一種比較完善的控制與管理系統(tǒng)。與計(jì)算機(jī)多級(jí)控制系統(tǒng)相比，分布式控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上更加靈活、布局更為合理和成本更低。分布式控制結(jié)構(gòu)成為機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。文[2]中作者設(shè)計(jì)了一種基于CAN總線的分布式的仿人機(jī)器人的控制系統(tǒng)。

為此，我們研制了新型的小型仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)室研制的小型仿人機(jī)器人各關(guān)節(jié)采用舵機(jī)控制，根據(jù)要求，本設(shè)計(jì)需要實(shí)現(xiàn)小型仿人機(jī)器人腿部的運(yùn)動(dòng)控制，達(dá)到小型化，低功耗。

2 小型仿人娛樂(lè)機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)

2.1總體方案設(shè)計(jì)

本文研究的小型仿人娛樂(lè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由主控制器ARM9，C8051F320單片機(jī)與4片CD4017外部計(jì)數(shù)器構(gòu)成的控制單元組成，控制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單靈活。USB通信方案滿足了主從控制和通信速度的需求。關(guān)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用舵機(jī)，控制方法簡(jiǎn)單實(shí)用?？傮w控制方式簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1。

主控制器端，采用ARM9（S3C2410）作為管理控制器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制，向單片機(jī)發(fā)送規(guī)劃好的運(yùn)動(dòng)控制數(shù)據(jù)并擴(kuò)展語(yǔ)音，視頻等。S3C2410主控制器有一個(gè)USB host，連接C8051F320單片機(jī)。

單片機(jī)端，利用C8051F320中的PCA捕捉比較模塊產(chǎn)生PWM控制信號(hào)。當(dāng)單片機(jī)通過(guò)USB總線接收到由ARM管理控制器發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包時(shí)，根據(jù)設(shè)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系將數(shù)據(jù)包中16位控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PCA比較值，由PCA模塊產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM控制信號(hào)，分別輸出給4片CD4017外部計(jì)數(shù)器。同時(shí)PCA模塊還定時(shí)產(chǎn)生一路復(fù)位脈沖，同時(shí)發(fā)送給4片CD4017，確保CD4017多路PWM輸出與單片機(jī)接收到多舵機(jī)控制數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系正確。

CD4017外部計(jì)數(shù)器將CP引角輸入的PWM轉(zhuǎn)化為多路PWM，分別控制與之相連的各舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各桿件位置的開(kāi)環(huán)控制。