基于CAN總線和雙傳感器的仿人機器人運動控制系統(tǒng)研究
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機器人研究是自動化領(lǐng)域最復(fù)雜、最具挑戰(zhàn)性的課題，它集機械、電子、計算機、材料、傳感器、控制技術(shù)等多門學科于一體，是多學科高技術(shù)成果的集中體現(xiàn)。而仿人步行機器人技術(shù)的研究更是處于機器人課題研究的前沿，它在一定程度上代表了一個國家的高科技發(fā)展水平。運動控制系統(tǒng)是機器人控制技術(shù)的核心，也是機器人研究領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一，在機器人控制中具有舉足輕重的地位，因此，各研究機構(gòu)都把對機器人運動控制系統(tǒng)的研究作為首要任務(wù)。
動作協(xié)調(diào)、具有一定智能、能實現(xiàn)無線實時行走已經(jīng)成為當今機器人發(fā)展的主題。隨著以電子計算機和數(shù)字電子技術(shù)為代表的現(xiàn)代高技術(shù)的不斷發(fā)展，特別是以DSP為代表的高速數(shù)字信號處理器和大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷–PLD 和FPGA為代表）的廣泛應(yīng)用，機器人運動控制系統(tǒng)也從以前單一的結(jié)構(gòu)和簡單的功能向著結(jié)構(gòu)化、標準化、模塊化和高度集成化的方向發(fā)展，采用開放式體系結(jié)構(gòu)已經(jīng)成為該技術(shù)發(fā)展的一種必然趨勢。本文作者正是順應(yīng)這一趨勢，設(shè)計出一種多功能分布式仿人機器人運動控制系統(tǒng)。
二、控制對象與要求
我們以國防科技大學機電工程與自動化學院機器人教研室最新研制的新一代仿人步行機器人為研究對象。該機器人高約1.55m，重約65kg，使用電池供電，無需外接電源和控制信號線，可以實現(xiàn)無纜行走，還可以完成人的腿部、手部和頭部的一些基本動作，已經(jīng)初步具備了人類的外形特征。
這臺新型仿人機器人一共具有36個自由度（如圖2所示），其中上肢12個，下肢12個，頭部2個，手部10個；下肢各個關(guān)節(jié)有位置傳感器，足部有多維力矩傳感器；具有視覺傳感、語音控制系統(tǒng)以及無線遙控模塊；整個控制系統(tǒng)、電源集成在機器人本體上。為了使之真正具有“仿人”的特點，控制系統(tǒng)必須能夠完成包括運動控制與規(guī)劃、視覺感知處理、語音識別和其它環(huán)境感知在內(nèi)的多種功能。其中，運動控制是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，它必須能夠滿足以下要求：
（1）系統(tǒng)集成度高、體積小、重量輕、功率大、效率高和機載化。
（2）各個模塊之間的連接簡潔，便于安裝和維護。
（3）控制器應(yīng)具有良好的動態(tài)響應(yīng)和跟隨特性，穩(wěn)態(tài)誤差和靜態(tài)誤差小。
（4）系統(tǒng)集成在機器人本體上，電磁干擾較強，必須具有較強的抗干擾能力。
（5）各部分的數(shù)據(jù)交換必須實時有效和準確可靠。
三、動控制系統(tǒng)設(shè)計
根據(jù)以上要求，我們設(shè)計了一種基于CAN現(xiàn)場總線的新型控制結(jié)構(gòu)。整個控制系統(tǒng)采用集中管理分散控制的方式，按照控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能劃分為三層：組織層、協(xié)調(diào)層、執(zhí)行層。其中，組織層由機器人本體外的一臺工作站組成，主要負責實現(xiàn)人機交互、無線通訊、語音、視覺以及宏指令生成等功能，屬于智能控制范疇，本文不做深入探討；協(xié)調(diào)層和執(zhí)行層都集成在機器人本體上，完成具體的控制任務(wù)，屬于物理控制范疇，是我們通常意義上的控制系統(tǒng)，其具體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
1、主控計算機模塊
主控計算機要求體積小、運算速度快，通常采用小板工業(yè)控制計算機，同時配備液晶顯示器和自制專用功能鍵盤，主要完成在線運動規(guī)劃、動作級運動控制、語音交互控制、視覺導(dǎo)引控制以及人機交互等功能。它接受本地傳感器的信息，根據(jù)一定的控制算法和任務(wù)要求，實時生成關(guān)節(jié)軸系的任務(wù)規(guī)劃數(shù)據(jù)并通過數(shù)據(jù)傳輸總線送至各底層運動控制器。
2、通信模塊
主控計算機和各控制器之間采用CAN總線進行通信。CAN（Controller AreaNetwork）總線是應(yīng)用最為廣泛的一種現(xiàn)場總線，也是目前為止唯一有國際標準的現(xiàn)場總線。相對于一般通信總線，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點主要有：
（1）CAN總線為多主方式，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻向其它節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)。
（2）CAN總線上的節(jié)點可以通過標識符分成不同的優(yōu)先級，滿足不同的實時要求。
（3）CAN 總線采用非破壞的總線仲裁技術(shù)，低優(yōu)先級節(jié)點不影響高優(yōu)先級節(jié)點的發(fā)送。
（4）CAN總線節(jié)點在40m內(nèi)通信速率最高可達1MBPS。
（5）CAN總線上的節(jié)點數(shù)在標準幀格式下可達到110個，擴展幀格式下幾乎不受限制。
（6）報文采用短幀格式，傳輸時間短，出錯率極低。
（7）CAN總線通信介質(zhì)可選用雙絞線，其結(jié)構(gòu)靈活，連接方便。
CAN總線的以上特點使之十分適用于機器人控制，鑒于此，本文選用CAN總線作為機器人控制系統(tǒng)的通信工具。具體連接方式為：主控計算機通過CAN總線接口卡連接到總線上，各運動控制器也都通過總線收發(fā)器掛接到總線上，而且可以根據(jù)實際情況增減數(shù)目。由于CAN總線只用兩根線進行通信，大大降低了系統(tǒng)連線的復(fù)雜程度，同時增強了系統(tǒng)的可靠性能。
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