DSP仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器大部分是以嵌入式單片機(jī)為核心的，但其運(yùn)算速度和處理能力遠(yuǎn)不能滿足機(jī)器人控制系統(tǒng)飛速發(fā)展的需要，日益成為阻礙機(jī)器人技術(shù)進(jìn)步的瓶頸。隨著以電子計(jì)算機(jī)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，尤其是高速度數(shù)字信號(hào)處理器DSP 的出現(xiàn)，從根本上解決了嵌入式系統(tǒng)運(yùn)算能力不足的問題，并為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的改進(jìn)提供了新的途徑。該文正是從這一點(diǎn)出發(fā)， 選用控制能力很強(qiáng)的DSP芯片TMS320LF2407A作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器的主處理器，設(shè)計(jì)出一種高性能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器，顯著地提高了整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。
　　1 　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
　　機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)由各個(gè)關(guān)節(jié)軸系完成，機(jī)器人控制本質(zhì)上是對(duì)各關(guān)節(jié)軸系的控制。每個(gè)軸系具有一個(gè)自由度，可以完成某一方向的轉(zhuǎn)動(dòng)任務(wù)，所有軸系同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)就可以完成相對(duì)復(fù)雜的動(dòng)作。國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院機(jī)器人教研室最新研制的仿人步行機(jī)器人，其內(nèi)部各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　
　　圖1 　機(jī)器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖
　　此機(jī)器人共有36 個(gè)自由度，分布在下肢、上肢、頭部和手指等各關(guān)節(jié)。所有軸系均由PWM 脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)控制，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)就是對(duì)這些關(guān)節(jié)軸系進(jìn)行控制，具體由各底層控制器實(shí)現(xiàn)。整個(gè)控制系統(tǒng)采用分布式控制，在結(jié)構(gòu)上可分為3 個(gè)層次，如圖2 所示。
　　
　　圖2 　運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
　　1.1 　主控計(jì)算機(jī)模塊
　　主控計(jì)算機(jī)就是控制系統(tǒng)的“大腦”和司令部，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的在線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、動(dòng)作及運(yùn)動(dòng)控制、語音交互控制、視覺導(dǎo)引控制以及人機(jī)交互等功能。主控計(jì)算機(jī)要求體積小，運(yùn)算速度快，滿足機(jī)器人實(shí)時(shí)控制的要求，通常采用高性能小板工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。它通過CAN 總線接口卡連接到通信總線上，與各底層控制器相連并交互信息。
　　1.2 　通信模塊
　　機(jī)器人控制的信息量大，對(duì)通信方面的要求很高，要保證各種信息在控制系統(tǒng)中及時(shí)準(zhǔn)確的傳輸，通信工具的選擇十分重要，該文選用當(dāng)前流行的CAN 總線作為通信標(biāo)準(zhǔn)。CAN （Controller Area Net-work） 總線是應(yīng)用最為廣泛的一種現(xiàn)場(chǎng)總線，也是目前為止惟一有國際標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場(chǎng)總線。相對(duì)于一般通信總線，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，可以滿足文中的設(shè)計(jì)要求。具體連接方式為：主控計(jì)算機(jī)通過CAN 總線接口卡連接到總線上，各底層控制器通過總線收發(fā)器掛接到總線上。只要所有器件都遵守相同的通信協(xié)議，就可以穩(wěn)定可靠的進(jìn)行信息傳輸。
　　1.3 底層控制器模塊
　　控制器處于整個(gè)控制系統(tǒng)的最底層，主要用來控制各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸系的具體執(zhí)行過程?？刂破鹘邮罩骺赜?jì)算機(jī)的控制命令對(duì)各關(guān)節(jié)執(zhí)行軸系進(jìn)行控制，同時(shí)把底層信息反饋給主控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)大回路反饋，便于主控計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)規(guī)劃，統(tǒng)一管理?？刂破魇钦麄€(gè)控制系統(tǒng)的核心，也是該文研究的重點(diǎn)，它的性能直接關(guān)系到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力。