基于DSP的欠驅動體操機器人的搖起控制設計

2 體操機器人硬件系統(tǒng)設計
2．1 控制系統(tǒng)硬件結構
控制對象為三關節(jié)欠驅動體操機器人，其中手臂關節(jié)為被動關節(jié)?？刂妻D矩來自兩臺直流伺服電機，配5l：l減速器伺服電機，經(jīng)軸線相交的圓錐齒輪傳輸至驅動關節(jié)，驅動關節(jié)通過動力耦合作用使被動關節(jié)產(chǎn)生運動。欠驅動機器人控制系統(tǒng)的任務就是對驅動關節(jié)電機進行控制，電機運行之前從控制界面輸入控制目標參數(shù)，上位PC機負責發(fā)送控制命令與數(shù)據(jù)采集。DSP處于整個控制系統(tǒng)的底層，主要用來接收來自PC機的控制命令，對驅動關節(jié)執(zhí)行電機控制，同時把底層信息反饋給上位PC機，以實現(xiàn)機器人運動信息的數(shù)據(jù)分析等功能，用一塊DSP運動控制卡對機器人的肩關節(jié)或髖關節(jié)進行插補計算和伺服控制，采用PCI標準總線進行上、下位機的通訊，實現(xiàn)雙速率運行?？刂葡涿姘逄峁┝烁麝P節(jié)工作狀態(tài)顯示及伺服報警提示，還可以對關節(jié)進行手動控制。三關節(jié)欠驅動體操機器人控制系統(tǒng)結構如圖l所示，體操機器人本體如圖2所示。

2．2 運動控制器結構
系統(tǒng)采用ADSP218l數(shù)字信號處理器為核心，實現(xiàn)高性能的控制運算的伺服運動控制器。如圖3所示，運動控制器的控制過程為增量編碼器的A、B相信號作為位置反饋輸入信號，運動控制器通過四倍頻、加減計數(shù)器得到實際位置。實際位置的信息保存在位置寄存器中，PC機可通過控制寄存器讀取。運動控制器的目標位置由PC機設定，通過內(nèi)部計算得到位置誤差，經(jīng)過數(shù)字伺服濾波器后，送到數(shù)模轉換(DAC)或脈寬調(diào)制器(PWM)硬件處理電路，經(jīng)過轉換最后輸出伺服電機的控制信號：+／-lOV模擬信號或PWM信號。

2．3 系統(tǒng)的通訊
系統(tǒng)采用PCI總線進行通訊。PCI總線的主要優(yōu)點是性能高(數(shù)據(jù)傳輸率可達到132 264Mb／s)，總線通用性強，成本低，使用方便靈活。系統(tǒng)通訊采用PLX9054接口芯片，結合雙口RAM，實現(xiàn)了DSP和PCI總線間的雙向高速實時數(shù)據(jù)交換。PCI總線與雙口RAM的數(shù)據(jù)交換，采用了定時傳送加握手信號的方式進行。具體實現(xiàn)如下：上位機每隔一個固定的時間T下傳一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送完成后，發(fā)出一個發(fā)送完信號，下位機接受到這個數(shù)據(jù)后，立即從雙口RAM中讀取數(shù)據(jù)。下位機上傳數(shù)據(jù)也采用同樣的處理方式。這種方式特別適合于機器人控制系統(tǒng)的通訊。
2．4 驅動元件的選擇
驅動元件選擇了直流伺服電機，其參數(shù)為200W／7220mm／107mN?m Maxon。其驅動器可實現(xiàn)位置、速度和轉矩三種不同的控制方式：具有共振抑制和控制功能，可彌補機械的剛性不足，從而實現(xiàn)高速定位。同時，還采用PID濾波器，外加速度和加速度前饋，即PID+Kvff+Kaff濾波器。通過調(diào)節(jié)各參數(shù)，濾波器能對大多數(shù)系統(tǒng)實現(xiàn)精確而穩(wěn)定的控制。因此非常適合應用于機器人控制系統(tǒng)。

3 搖起控制策略
由于體操機器人大范圍的運動，搖起問題是高度非線性又極具挑戰(zhàn)性的問題。搖起過程如同人在單杠一樣，先使體操機器人來回搖動幾次，體操機器人始終在下，一旦有足夠的能量施加到系統(tǒng)上，機器人即進入倒立狀態(tài)，如圖4所示。

Spong建議一種非線性反饋方法，這種方法利用部分線性反饋定義PD控制器。從直觀上講，當體操機器人從懸掛穩(wěn)定平衡狀態(tài)轉移到倒立不穩(wěn)定平衡狀態(tài)的過程中，其勢能是不斷增加的，因此需要向系統(tǒng)輸入足夠的能量。本研究從能量增加的角度出發(fā)，采用帶有振幅和頻率的正弦方式和斜坡函數(shù)輸入，這樣可同時增加擺動。