基于ARM9的仿人機器人分布式控制系統(tǒng)

1 引言

仿人型機器人具有類似于人類基本外貌特征和步行運動功能，還具有視覺、聽覺等功能，它可以實現(xiàn)類似人類的行走，靈巧輕便，對行走環(huán)境有良好的適應(yīng)性，既能在平地上行走，又能在非結(jié)構(gòu)的復(fù)雜地面上行走，如上下臺階，跨越、繞過障礙物等。另外，仿人型機器人是集材料、機械、電子、能源驅(qū)動、計算機感知、傳感、控制、虛擬現(xiàn)實與人工智能等多門學(xué)科于一體的綜合性平臺，它的研究能夠帶動諸多相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的交叉發(fā)展與進(jìn)步，并為相關(guān)學(xué)科的研究提供一個平臺。因而，近年來，仿人型機器人的研發(fā)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。小型機器人是近年發(fā)展起來的仿人機器人的一種，主要的研究集中在日本。小型仿人機器人，結(jié)構(gòu)輕巧，集成度高，運動靈活；未來可在工業(yè)、民用、軍事等許多方面發(fā)揮作用，是機器人技術(shù)的發(fā)展方向之一。小型機器人的控制不僅要求實時，還要求重量輕，體積小以及低功耗等。

傳統(tǒng)的仿人機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用集中式控制，如日本仿人機器人HRP-2[1]，通常由一臺或多臺計算機通過多塊A/D,D/A模塊與下層的驅(qū)動器和傳感器連接通信。由上位機完成軌跡規(guī)劃和任務(wù)調(diào)度，協(xié)調(diào)下層各控制板對各關(guān)節(jié)進(jìn)行控制。這樣的控制系統(tǒng)模塊繁多，模塊之間的連接復(fù)雜，依賴性強且相互耦合，降低了系統(tǒng)的開放性和可靠性，增加了功耗，難以完成多軸同步協(xié)調(diào)運動控制。

隨著計算機技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各種新型的控制方式應(yīng)用于機器人控制。分布式控制系統(tǒng)是在計算機監(jiān)督控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)和計算機多級控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是生產(chǎn)過程的一種比較完善的控制與管理系統(tǒng)。與計算機多級控制系統(tǒng)相比，分布式控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上更加靈活、布局更為合理和成本更低。分布式控制結(jié)構(gòu)成為機器人控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。文[2]中作者設(shè)計了一種基于CAN總線的分布式的仿人機器人的控制系統(tǒng)。

為此，我們研制了新型的小型仿人機器人控制系統(tǒng)。本實驗室研制的小型仿人機器人各關(guān)節(jié)采用舵機控制，根據(jù)要求，本設(shè)計需要實現(xiàn)小型仿人機器人腿部的運動控制，達(dá)到小型化，低功耗。

2 小型仿人娛樂機器人分布式控制系統(tǒng)

2.1總體方案設(shè)計

本文研究的小型仿人娛樂機器人運動控制系統(tǒng)由主控制器ARM9，C8051F320單片機與4片CD4017外部計數(shù)器構(gòu)成的控制單元組成，控制結(jié)構(gòu)簡單靈活。USB通信方案滿足了主從控制和通信速度的需求。關(guān)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)采用舵機，控制方法簡單實用。總體控制方式簡圖見圖1。

主控制器端，采用ARM9（S3C2410）作為管理控制器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制，向單片機發(fā)送規(guī)劃好的運動控制數(shù)據(jù)并擴展語音，視頻等。S3C2410主控制器有一個USB host，連接C8051F320單片機。

單片機端，利用C8051F320中的PCA捕捉比較模塊產(chǎn)生PWM控制信號。當(dāng)單片機通過USB總線接收到由ARM管理控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)包時，根據(jù)設(shè)定的對應(yīng)關(guān)系將數(shù)據(jù)包中16位控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PCA比較值，由PCA模塊產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM控制信號，分別輸出給4片CD4017外部計數(shù)器。同時PCA模塊還定時產(chǎn)生一路復(fù)位脈沖，同時發(fā)送給4片CD4017，確保CD4017多路PWM輸出與單片機接收到多舵機控制數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系正確。

CD4017外部計數(shù)器將CP引角輸入的PWM轉(zhuǎn)化為多路PWM，分別控制與之相連的各舵機轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)各桿件位置的開環(huán)控制。