基于CAN總線的仿人機器人力信息檢測系統(tǒng)

　　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)結構和傳感器電路結構的分析，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。

　　仿人機器人控制結構分析與外部傳感信息采集結構

　　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構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構改進的最基本條件。

　　增加外部信息傳感器，首先要在現有控制系統(tǒng)硬件結構的基礎上，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構。結構的底層節(jié)點由多個傳感器信息采集和預處理模塊(包括解耦和濾波等)構成，得到的處理信息通過合適的物理通道傳送到決策層計算機，形成一個從環(huán)境信息到機器人動作序列產生的過程。

　　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，因此考慮采用現場總線方式，如CAN總線，作為外部信息傳輸通道，同時設計其與上位機的通信接口。理想信息采集結構如圖1所示。

　　
　　圖1　理想的信息采集網絡

　　圖1所示的信息采集結構，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計；在整個信息采集結構中，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，這種采集結構亦具有較高容錯性能。

　　力/力矩傳感器的電路結構及工作原理

　　五維力/力矩傳感器的電路結構如圖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，彈性體產生形變，導致全橋橋路中的應變片阻值發(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變換得到的數字信號通過CAN總線或
RS232傳輸到上位機。

　　力/力矩傳感器與控制系統(tǒng)的電路接口設計方法

　　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總線結構，因此需設計CAN總線與PC/104總線之間的接口，實現已有控制系統(tǒng)與傳感器之間的通信及對力/力矩信息的預處理，如圖3所示。

　　
　　圖2　傳感器電路原理

　　
　　圖3　接口電路基本功能和結構

　　接口電路的硬件結構與基本設計原理
　　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，實現力信息的讀取、預處理和上傳。接口電路基本原理如圖4所示。