基于TMS32OF2812 DSP的雙足機器人樣機設計

0 引言
雙足機器人樣機是研究雙足行走的實驗對象，為了研究的順利進行，必須對機器人的自由度、驅(qū)動方式、重量、高度等進行合適的配置；這就需要自由度的分配簡單合理、驅(qū)動方案可靠易用以及機械結構輕便結實。為了得到可靠高效的控制系統(tǒng)，首先要選擇合適的主控芯片，然后針對實時控制中所需要的各種姿態(tài)信息，選擇可靠性高且方便和主控芯片連接的傳感器。
雙足步行機器人是一個多自由度、非線性、具有復雜動力學特性的多體系統(tǒng)，本田公司、索尼公司以及北京理工大學等相繼推出了各自研制的雙足機器人樣機，其中以本田公司的ASIM0制作水平最高。本文在參考國內(nèi)外相關研究的基礎上，從便于實現(xiàn)的角度出發(fā)，設計研制了樣機，以TI公司的DSP TMS320F2812為核心設計了機器人驅(qū)動、控制電路，分別采用了觸力傳感器FSSl500NST、微機械陀螺儀ADXRSl50來檢測足底接觸力信息和軀干角速度，并成功實現(xiàn)了機器人的穩(wěn)定行走。

1 機械設計
為了實現(xiàn)機器人前后行走、上下臺階及爬斜坡等功能，機器人每條腿至少應有三個俯仰自由度；要實現(xiàn)質(zhì)心在左右腳之間轉(zhuǎn)移的功能，每條腿至少應有一個滾轉(zhuǎn)自由度。基于實現(xiàn)預期功能而又盡量降低成本，精簡機構的原則，我們設計的雙足機器人共有十個自由度，每條腿各有五個自由度，其中髖關節(jié)兩個(俯仰和滾轉(zhuǎn))，膝關節(jié)一個(俯仰)，踝關節(jié)兩個(俯仰和滾轉(zhuǎn))。這個十自由度的雙足機器人可以實現(xiàn)左右方向和前后方向上的多種運動。
考慮到驅(qū)動負載以及穩(wěn)定性等因素，在設計時將腿長取為28cm，其中大腿有效長度(髖部俯仰方向舵機輸出軸到膝蓋舵機輸出軸的距離)為15cm，小腿有效長度(膝蓋舵機輸出軸到踝部俯仰方向舵機輸出軸的距離)13cm，每個腳底板寬8cm，長12cm，材料為2mm厚的電路板，上面安裝了四個觸力傳感器，每個角上一個，用于檢測機器人行走時支撐腳和地面之間的壓力；電路板上還有四個傳感器的信號調(diào)理電路。大腿和小腿都由輕質(zhì)鋁合金板加工而成；兩條腿最上面的舵機通過u型件連在一根角鋁上，用螺栓螺母擰緊后，就構成了機器人的骨盆，在骨盆中央豎直方向上固定一根硬鋁板條，作為機器人的脊柱；電路板和為整個系統(tǒng)供電的鋰電池可以放在一個特制的盒子里，將盒子固連在豎直板條上，就構成了機器人的胸腹。

2 驅(qū)動方案與控制系統(tǒng)設計
基于處理能力等多方面的考慮，我們選用TI公司的高性能數(shù)字信號處理器TMS320F2812為機器人控制系統(tǒng)的核心，來完成信號采集、處理、控制和驅(qū)動等功能。
F2812是一種低功耗的32位定點數(shù)字信號處理器，在數(shù)字控制領域應用廣泛，采用哈佛總線結構，具有強大的計算能力、迅速的中斷響應和處理以及統(tǒng)一的寄存器編程模式。
2．1 驅(qū)動方案
考慮到驅(qū)動力大小以及可控性能，本機器人的關節(jié)采用漢庫HGl4舵機進行驅(qū)動，該舵機采用閉環(huán)反饋位置控制，其部分技術指標如表1所示：

減速齒輪組由馬達驅(qū)動，其終端(輸出端)帶動一個線性的比例電位器進行位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制單元，控制單元將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動馬達正向或反向地轉(zhuǎn)動，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，從而達到舵機精確定位的目的。
舵機的控制信號是脈沖位置調(diào)制(PPM)信號，是一種寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號，周期一般為20ms，當方波的脈沖寬度改變時，舵機轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生變化，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。一般舵機的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號的脈沖寬度之間的關系可用圖1表示。

由于制作工藝等多方面的原因，舵機的輸出軸轉(zhuǎn)角并不是準確地遵循與控制信號的脈沖寬度對應的關系，但一般和控制信號脈沖寬度成比例關系。為了減小誤差，我們事先測出在額定脈寬下舵機的實際轉(zhuǎn)角，然后計算出和額定轉(zhuǎn)角的比例系數(shù)，在軟件中對控制信號脈寬予以調(diào)整，這樣可以將轉(zhuǎn)角誤差減小到0．5°以內(nèi)。
2．2 控制系統(tǒng)設計
TMS320F2812具有較高的處理速度，可以滿足雙足機器人步態(tài)規(guī)劃以及控制的算法的實現(xiàn)，另外還有著集成豐富的外設，可滿足多個傳感器的信號采集的需要。為了避免每次改寫程序都重新對片內(nèi)FLASH進行燒寫，我們采用如下方案：由DSP通過JZ864微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將由傳感器得到的機器人姿態(tài)信息送到上位機，然后上位機根據(jù)這些信息和動作時序計算相應的控制指令，通過無線數(shù)傳模塊將指令發(fā)送回DSP，再由DSP的定時器生成相應的信號來控制舵機(如圖2所示)。這樣調(diào)試時只要在上位機里改寫程序即可，動作調(diào)試好以后再將相應的程序燒寫到DSP芯片的FLASH中。