自平衡人形機器人動作控制器的設(shè)計

自平衡人形機器人的多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制一直是機器人學(xué)研究的難點和熱點，目前采用的最多的是在大的反饋控制環(huán)路中對機器人進行關(guān)節(jié)空間的控制，這種控制方式結(jié)構(gòu)緊湊，實時性強，但在以控制器為核心的輻射式控制鏈路上，所有信息的交換都集中在機器人主控制器上，當(dāng)機器人處于復(fù)雜的環(huán)境中時，可能會有過多的信息需要處理，這種復(fù)雜程度往往是不可預(yù)知的，因此機器人的穩(wěn)定性也不能保證。
機器人主控制器是機器人的核心處理器，是提高人形機器人的信息處理能力的主要部件。其主要任務(wù)是控制機器人在空間的運動位置、姿態(tài)、軌跡、操作順序和操作時間，因此必須保證主控制器能夠為解決復(fù)雜信息處理而穩(wěn)定可靠地工作。機器人動作控制器是為解決機器人動作控制而設(shè)計的，它將主處理器發(fā)出任務(wù)處理命令分配到3個16位超低功耗單片機(MSP430F149)上去執(zhí)行，實現(xiàn)多層次的控制管理。該人形機器人具有多關(guān)節(jié)，多自由度，自平衡的控制需求，需要動作控制器在機器人系統(tǒng)控制中起到關(guān)鍵性的作用。

1 動作控制器的設(shè)計
1．1 體系結(jié)構(gòu)
自平衡人形機器人需要獲取不可預(yù)知的環(huán)境信息以及自身姿態(tài)信息進行綜合運算并及時進行自身姿態(tài)的調(diào)整。機器人的這種行為特點決定了機器人的整體控制結(jié)構(gòu)要采用反饋控制。如圖1所示，描述了這種反饋控制結(jié)構(gòu)的硬件實現(xiàn)。
同時，在圖1中可見從機器人主控制器到執(zhí)行元件(舵機)之間，有一層動作控制器的結(jié)構(gòu)。這一層結(jié)構(gòu)的任務(wù)是實現(xiàn)控制命令到舵機控制信號之間的功能轉(zhuǎn)換，這種體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計，就是借鑒計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的分層結(jié)構(gòu)體系思想。采用這種分層的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了軟件和硬件、命令和動作的相對隔離。其突出的優(yōu)點體現(xiàn)在能夠使主控制器專注于數(shù)據(jù)的處理，而對下行設(shè)備只負責(zé)發(fā)送指令，對于硬件的復(fù)雜的操作時序，由動作控制器負責(zé)產(chǎn)生。

1．2 實現(xiàn)過程
1．2．1 硬件實現(xiàn)
為滿足機器人整體控制體系結(jié)構(gòu)中指令到執(zhí)行的層次性要求，動作控制器需要完成命令解析，信號驅(qū)動等任務(wù)。如圖2描述了動作控制器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，其主要由串行總線、3個可并行工作的16位單片機、信號驅(qū)動部分構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)能夠從總線接收命令，單片機進行指令解析并輸出控制電信號，外部電路對控制信號驅(qū)動放大，從而分別實現(xiàn)對執(zhí)行舵機的控制。圖3為動作控制器中一個單片機工作模塊的硬件原理圖。