自平衡人形機器人動作控制器的設(shè)計

動作控制器的最終目的是產(chǎn)生PWM波，而這是通過寫MSP430F149片內(nèi)TA、TB模塊的寄存器實現(xiàn)的。在解析函數(shù)進行一系列的解析運算后，產(chǎn)生出各舵機所需的PWM波形的脈沖寬度值，將這些值寫入到相應(yīng)的寄存器中，就可以產(chǎn)生需要的PWM波。

2 實驗及結(jié)論
根據(jù)文中提出的動作控制器的設(shè)計思想與方法，制作出機器人動作控制器。按照設(shè)計的基本思想對動作控制器進行測試，測試中采用一個MSP430F425作為機器人主控制器，下行控制一個十二個關(guān)節(jié)的簡易人形機器人。在MSP430F425中規(guī)劃好機器人的步態(tài)，同時根據(jù)規(guī)劃好的步態(tài)參數(shù)發(fā)送舵機動作命令。
實驗中，首先實測舵機的精度，通過向特定定時器通道預(yù)裝不同值，測量舵機響應(yīng)角度，并以此數(shù)據(jù)擬合出舵機響應(yīng)角度方程。實驗中由于采用的MSP430F425資源有限，方程僅進行了線性擬合。
表2為測試機器人上一處關(guān)節(jié)的舵機測定數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)擬合出以下方程：

舵機實際角度α=(X-3 000)／20+75．5運用擬合出的方程進行命令到舵機角度的解析，得到表3所示數(shù)據(jù)

從表中數(shù)據(jù)可以看出，在舵機的性能范圍內(nèi)(舵機的精度為0．5°～1°)，控制是精確的。
同時，在舵機響應(yīng)的及時性方面，也得到了保證。從主控制器發(fā)送命令到舵機響應(yīng)開始運動共經(jīng)歷了命令傳輸、命令解析兩大時間段。
命令傳輸在特定的速率下傳輸完所有命令數(shù)據(jù)用時4．5 ms，而命令解析即單片機內(nèi)程序執(zhí)行，其用時遠小于1 ms。相比較，舵機的機械響應(yīng)時間在百ms級，因此動作控制器保證了響應(yīng)的及時性。
實驗證明，在設(shè)計思想指導下的硬件和軟件實現(xiàn)，充分符合既定的目標，體現(xiàn)在機器人的多關(guān)節(jié)能夠協(xié)調(diào)動作，預(yù)先規(guī)劃的步態(tài)能夠很好的表現(xiàn)出來。
在機器人的實際控制系統(tǒng)中，動作控制器作為主控制器(ARM 9)的下級從屬設(shè)備，完成其特定的管理范圍內(nèi)工作。在這種分層控制的體系結(jié)構(gòu)下，自平衡的檢測與控制達到了理想的效果。

3 結(jié)束語
由于自平衡人形機器人具有內(nèi)在不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的復雜性，國內(nèi)外機器人愛好者對其控制策略進行了多方面的探索，但通常都是采用反饋控制環(huán)路或者是分層體系結(jié)構(gòu)的方法。采用這些傳統(tǒng)的方式大體都是中央處理器(ARM、DSP等)接收收集到的信息，進行處理，再根據(jù)獲取的信息運用一定的算法控制執(zhí)行元件(舵機、直流電機等)。這類體系結(jié)構(gòu)一般以惟一的處理器為核心，與外界直接進行信息交換，但其處理器的工作量大，在大量的處理中實時性難以保證。
而本設(shè)計對應(yīng)的雙足自平衡人形機器人采用了這兩種經(jīng)典結(jié)構(gòu)的復合，其中執(zhí)行控制器、主控制器和執(zhí)行電機之間體現(xiàn)出了明顯的層次結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計減輕了各層次的任務(wù)難度，明顯提高了設(shè)備調(diào)試或故障排查效率，充分體現(xiàn)出這種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。