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基于DSP的仿生機(jī)器蟹多關(guān)節(jié)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
摘要：針對微小型步行機(jī)器人對控制系統(tǒng)的性能要求，介紹了一種可用于步行機(jī)器人多關(guān)節(jié)驅(qū)動的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)以仿生機(jī)器蟹為設(shè)計(jì)對象，采用ＤＳＰ作為核心控制器。提出了多層多目標(biāo)分布式遞階控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并介紹了仿生機(jī)器蟹單步行足的軟、硬件設(shè)計(jì)方法。仿生機(jī)器蟹控制系統(tǒng)需要較高的控制精度和運(yùn)算速度，以便在機(jī)械結(jié)構(gòu)剛度較高的情況下，通過提高響應(yīng)速度來確保機(jī)器人的正常行走和姿態(tài)控制。由于在機(jī)器蟹腿節(jié)和脛節(jié)置有兩個電機(jī)（如圖１所示），使其質(zhì)量較大，同時由于體積的限制使得各步行足相互間距較小，因此將造成機(jī)器蟹在行走過程中耦合較強(qiáng)，控制模型受軀體位姿、步行足位形和步態(tài)等因素的影響較大。這就要求控制系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)靈活，具有調(diào)整步行足軌跡和步態(tài)的能力，并能適應(yīng)控制模型的變化。因此必須研制一種具有強(qiáng)大運(yùn)算處理能力、軟硬件結(jié)構(gòu)模塊化的機(jī)器蟹控制系統(tǒng)。
從作業(yè)任務(wù)來看，兩棲仿生機(jī)器蟹的主要設(shè)計(jì)目的是用于未來的兩棲軍事偵察，因此要求其具有自主性、智能化的特點(diǎn)，并應(yīng)從實(shí)用性角度出發(fā)來設(shè)計(jì)嵌入式的控制構(gòu)架。
控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)為：
（１）對各個關(guān)節(jié)實(shí)施快速準(zhǔn)確的位置控制；
（２）協(xié)調(diào)步行足各關(guān)節(jié)之間的運(yùn)動以及各步行足的運(yùn)動，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的目標(biāo)軌跡；
（３）實(shí)時地采集、處理傳感器的數(shù)據(jù)，以便在控制系統(tǒng)的信號綜合中使用；
（４）實(shí)現(xiàn)機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃、運(yùn)動方程的求解以及控制指令的快速傳輸；
（５）具有良好的控制結(jié)構(gòu)和接口，便于高層控制軟件的開發(fā)；
（６）有一定的預(yù)留接口、良好的兼容性和擴(kuò)展性，以便進(jìn)行功能擴(kuò)展和二次開發(fā)與研究；
（７）具有模塊化結(jié)構(gòu)，以便調(diào)整步行足的數(shù)量，適用于不同步態(tài)形式的控制。
１ 多層多目標(biāo)分布式控制概念及控制框架
仿生機(jī)器蟹是一個復(fù)雜的控制對象，從體系上講，其每條步行足都是一個多自由度的串聯(lián)臂機(jī)器人。要實(shí)現(xiàn)有效的控制，除要對每條步行足的三個驅(qū)動關(guān)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確高效的控制外，多條步行足之間還要相互協(xié)調(diào)，共同完成某一確定工作。同時應(yīng)考慮到各條步行足運(yùn)動空間之間的相互重迭、相互干擾所形成的強(qiáng)耦合。常用的控制方法有分散控制、分布式控制和遞階控制三種形式。由于遞階控制系統(tǒng)具有控制結(jié)構(gòu)清晰、層次分明的特點(diǎn)，而分布式控制系統(tǒng)便于采用模塊化結(jié)構(gòu)且可擴(kuò)展性好，因此機(jī)器蟹控制系統(tǒng)采用遞階控制和分布式控制相結(jié)合的控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于其控制結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以將整個控制體系分為任務(wù)規(guī)劃、任務(wù)分解、軀體路徑規(guī)劃、運(yùn)動協(xié)調(diào)、步行足軌跡規(guī)劃、運(yùn)動學(xué)／動力學(xué)計(jì)算、電機(jī)伺服控制等多層結(jié)構(gòu)，而且每層之間要通過上層進(jìn)行運(yùn)動協(xié)調(diào)，例如各個步行足之間的運(yùn)動控制協(xié)調(diào)，需要步行足控制層通過步行運(yùn)動協(xié)調(diào)層交換信息。每條步行足的指關(guān)節(jié)之間的控制也是如此。因此，機(jī)器蟹控制系統(tǒng)采用多層多目標(biāo)分布式遞階控制系統(tǒng)，如圖２所示。
第一層稱為“動機(jī)層”，它使得機(jī)器人本體能夠做到完全的自主。其目的是將由外部環(huán)境變化或操作者命令引起的本體內(nèi)部的響應(yīng)翻譯成對機(jī)器人本體的高級命令。
第二層是“軀體路徑層”，它接收“動機(jī)層”給出的高級命令，將其轉(zhuǎn)化為一系列的本體內(nèi)部的描述量及認(rèn)知圖，進(jìn)而給出機(jī)器人自身軀體的運(yùn)動路徑。
第三層稱為“步行足軌跡層”，它針對軀體的運(yùn)動路徑給出各個足的具體的運(yùn)動，包括步態(tài)的生成和腿的路徑的生成。
第四層是“動力實(shí)現(xiàn)層”，它通過驅(qū)動組件實(shí)現(xiàn)由“步行足軌跡層”給出的足的運(yùn)動，并對由于系統(tǒng)的動力學(xué)不確定性和干擾造成的誤差進(jìn)行校正。
各層之間，上層向下層輸出控制量，由下層來具體實(shí)施。每執(zhí)行一步，下層將狀態(tài)信息實(shí)時地反饋給上層。
２ 單步行足控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
按照上述設(shè)計(jì)方案，采用自下而上的設(shè)計(jì)思路進(jìn)行機(jī)器蟹控制系統(tǒng)的開發(fā)，以保證系統(tǒng)開發(fā)的可靠性，同時也符合模塊化設(shè)計(jì)思想：在總體確定后，進(jìn)行各功能模塊的設(shè)計(jì)，并通過設(shè)計(jì)模塊間的接口來組合成完整的系統(tǒng)。
首先使用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７開發(fā)步行足伺服控制器模塊，這是為了配合機(jī)器蟹樣機(jī)本體的研制開發(fā)而同步進(jìn)行的，這樣有利于控制系統(tǒng)與被控對象間的兼容。
步行足伺服模塊包括ＤＳＰ的最小系統(tǒng)、ＲＳ２３２通訊接口、ＤＰＲＡＭ接口、ＰＷＭ輸出、電機(jī)碼盤ＱＥＰ信號檢測、碼盤計(jì)數(shù)、關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角初始定位、力信號檢測等部分，如圖３所示。伺服控制模塊的各外設(shè)接口功能如下：
（１）ＲＳ２３２通訊接口：實(shí)現(xiàn)ＰＣ機(jī)與ＬＦ２４０７的上下層通訊，以便在單步行足控制實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行控制和狀態(tài)觀察；
（２）ＤＰＲＡＭ接口：用于實(shí)際機(jī)器蟹控制系統(tǒng)的多控制模塊級聯(lián)通訊和伺服模塊與ＴＭＳ３２０ＶＣ５４１０系統(tǒng)的通訊；
（３）ＰＷＭ輸出接口：利用ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的片內(nèi)外設(shè)生成數(shù)字ＰＷＭ信號，作為電機(jī)控制信號；
（４）碼盤計(jì)數(shù)接口：用于電機(jī)轉(zhuǎn)速檢測中的正交編碼信號（ＱＥＰ）檢測、電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向判斷，與關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角定位信號結(jié)合使用，來檢測關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角；
（５）關(guān)節(jié)轉(zhuǎn)角初始定位接口：采集用于關(guān)節(jié)初始定位的霍爾傳感器信號；
（６）力信號接口：處理和檢測足端ＦＳＲ傳感器的接觸力信號。
圖4 計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)框圖
２．１ ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７的功能介紹
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