（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 Area Network）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)連線的復雜程度,，同時增強了系統(tǒng)的可靠性能。

（3）執(zhí)行層模塊

執(zhí)行層處于整個控制系統(tǒng)的最底層,，由不同類型的控制器組成,，主要用來控制各運動關(guān)節(jié)軸系的具體執(zhí)行過程。由于各運動關(guān)節(jié)電機的型號不同,、承載的重量不同,，對控制精度的要求也不同，我們分別為之設(shè)計了不同的運動控制器,。

①開環(huán)DSP運動控制器
    頭部和上肢負載重量較輕,，因此采用開環(huán)DSP運動控制器來對頭部和上肢各關(guān)節(jié)進行控制,。這些控制器不需要采樣和反饋，直接接收主控計算機發(fā)來的控制命令,，然后生成相應(yīng)的執(zhí)行命令發(fā)給各關(guān)節(jié)軸系,，使之轉(zhuǎn)到相應(yīng)角度。

②開環(huán)MCU運動控制器
    手部各個關(guān)節(jié)體積和質(zhì)量都很小,，故采用開環(huán)MCU運動控制器來進行控制,。這些控制器采用MCS-51單片機作為處理器，可以直接嵌入到手掌內(nèi),，它們接收主控計算機的控制命令,，利用其IO引腳產(chǎn)生需要的多路脈沖控制信號，控制手部各關(guān)節(jié)的運動,。

③閉環(huán)DSP運動控制器
    腿部所有軸系均由直流減速驅(qū)動型電機構(gòu)成,，帶零位檢測、碼盤和電位計反饋以及多維力/力矩傳感器,，結(jié)構(gòu)復雜,、控制難度大、精度要求也高,，故采用閉環(huán)DSP運動控制器,。這部分是整個控制系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是我們研究的重點,。

 （4）控制系統(tǒng)流程

整個控制系統(tǒng)的具體流程為：系統(tǒng)開始運行并完成初始化工作,；主控計算機根據(jù)規(guī)劃和計算向底層控制器發(fā)送控制命令，底層控制器接收到命令后,，結(jié)合各傳感器反饋的信息,，通過一定的控制算法生成相應(yīng)的執(zhí)行命令并發(fā)送給各關(guān)節(jié)執(zhí)行軸系，同時把底層軸系的運行情況上傳給主控計算機,，主控計算機根據(jù)新的情況再產(chǎn)生新的命令發(fā)送給各控制器,，如此反復。這事實上是兩個閉環(huán)反饋過程,，底層控制器通過傳感器與各關(guān)節(jié)軸系之間進行小循環(huán)反饋,，主控計算機通過各控制器與各關(guān)節(jié)軸系之間進行大回路反饋，這樣可以使機器人具有更多的“智能”,，更好的進行離線實時控制,。

   主控計算機每秒鐘向底層控制器發(fā)送200組數(shù)據(jù)，底層控制器向主控計算機反饋同樣數(shù)目的數(shù)據(jù),，而CAN總線的最大通信速率可以達到幾千幀/秒,，完全可以滿足控制的要求。

四、控制器詳細設(shè)計

控制下肢的閉環(huán)DSP控制器是整個控制系統(tǒng)的核心部分,，承擔著整個機器人的負載重量,，輸出功率大，對控制的精度要求也高,，因此它的性能直接關(guān)系到機器人運動的實現(xiàn),。我們專門為之設(shè)計了基于雙位置傳感器的閉環(huán)DSP控制器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示,。

DSP主處理器選用的是TI公司的TMS320LF2407A芯片,，它是TI家族C2000系列中的高檔產(chǎn)品，非常適用于工業(yè)控制,。它的兩個事件管理器功能尤為強大,，完全是為電機控制設(shè)計的，可利用多個PWM脈沖通道直接產(chǎn)生需要的PWM脈沖控制信號,；其CAN總線模塊可以直接與主控計算機進行通信而不需要增加CAN總線控制器,；外部看門狗可以對控制器電壓進行監(jiān)控；外部存儲器中存放著控制算法所需的必要參數(shù),。

控制器的雙位置傳感器由電壓輸出傳感器和光電碼盤傳感器組成,。其中，電壓傳感器把軸系的位置信息轉(zhuǎn)換成電壓信號,，經(jīng)過放大電路放大,，再經(jīng)過專門的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入DSP主處理器。不用TMS320LF2407A自帶的A/D轉(zhuǎn)換器而使用專門的A/D轉(zhuǎn)換芯片,，這是為了提高轉(zhuǎn)換的精度,，因為TMS320LF2407A的A/D轉(zhuǎn)換器所能接受的最高轉(zhuǎn)換電壓只有3.3V，而經(jīng)過功率放大后的電壓遠遠超出了此范圍,，所以使用了專門的A/D轉(zhuǎn)換芯片,。這部分電路雖然增加了控制器的復雜程度，卻可以大大提高轉(zhuǎn)換精度,，所以是十分值得的。碼盤傳感器把軸系的位置信息轉(zhuǎn)換成脈沖信號,，經(jīng)過光電隔離器件隔離后送入專用脈沖計數(shù)器,，計數(shù)后的信息送入DSP主處理器。脈沖計數(shù)器選用當今流行的CPLD器件,，其強大的功能對提高控制器的性能有很大的幫助,，同時還可以作為譯碼電路為主處理器提供譯碼功能。

主處理器通過對接收到的傳感器信號進行分析和計算之后產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈沖控制信號,，經(jīng)過光電隔離和功率放大后送給底層軸系控制軸系的運行,。使用雙傳感器可以大大提高反饋的精度，兩路信號可以同時考慮，也可以一路為主,，另外一路提供補充和參考,。

主處理器通過CAN總線與主控計算機進行通信，接收主控計算機的命令并把底層信息反饋給主控計算機,，實現(xiàn)更高一級的反饋控制,。主處理器通過CAN總線收發(fā)器連接到總線上，為提高精度,，中間需要進行光電隔離,。

該控制器直接安裝在仿人機器人的體內(nèi)，每個控制器可以同時控制6個關(guān)節(jié)軸系,，整個下肢只需要兩個控制器就可以實現(xiàn)其運動控制,。

五、結(jié)論

  我們在充分吸收當今相關(guān)學科高技術(shù)成果的基礎(chǔ)上,，設(shè)計出一套速度快,、穩(wěn)定性強、集成度高,、結(jié)構(gòu)靈活,、使用方便的仿人機器人運動控制系統(tǒng)。整個運動控制系統(tǒng)可直接嵌入到機器人本體內(nèi),，以便在實際運行中圓滿地完成規(guī)定的控制任務(wù),。同時，該控制系統(tǒng)還有很強的擴展功能,，可以方便地移植到其它類似的控制機構(gòu)中去,，是一種多功能通用型控制系統(tǒng)，具有廣闊的應(yīng)用前景,。

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