基于DSP的欠驅(qū)動(dòng)體操機(jī)器人的搖起控制設(shè)計(jì)

2 體操機(jī)器人硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
控制對(duì)象為三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)體操機(jī)器人，其中手臂關(guān)節(jié)為被動(dòng)關(guān)節(jié)?？刂妻D(zhuǎn)矩來自兩臺(tái)直流伺服電機(jī)，配5l：l減速器伺服電機(jī)，經(jīng)軸線相交的圓錐齒輪傳輸至驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)，驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)通過動(dòng)力耦合作用使被動(dòng)關(guān)節(jié)產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。欠驅(qū)動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的任務(wù)就是對(duì)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)電機(jī)進(jìn)行控制，電機(jī)運(yùn)行之前從控制界面輸入控制目標(biāo)參數(shù)，上位PC機(jī)負(fù)責(zé)發(fā)送控制命令與數(shù)據(jù)采集。DSP處于整個(gè)控制系統(tǒng)的底層，主要用來接收來自PC機(jī)的控制命令，對(duì)驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)執(zhí)行電機(jī)控制，同時(shí)把底層信息反饋給上位PC機(jī)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)信息的數(shù)據(jù)分析等功能，用一塊DSP運(yùn)動(dòng)控制卡對(duì)機(jī)器人的肩關(guān)節(jié)或髖關(guān)節(jié)進(jìn)行插補(bǔ)計(jì)算和伺服控制，采用PCI標(biāo)準(zhǔn)總線進(jìn)行上、下位機(jī)的通訊，實(shí)現(xiàn)雙速率運(yùn)行?？刂葡涿姘逄峁┝烁麝P(guān)節(jié)工作狀態(tài)顯示及伺服報(bào)警提示，還可以對(duì)關(guān)節(jié)進(jìn)行手動(dòng)控制。三關(guān)節(jié)欠驅(qū)動(dòng)體操機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示，體操機(jī)器人本體如圖2所示。

2．2 運(yùn)動(dòng)控制器結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)采用ADSP218l數(shù)字信號(hào)處理器為核心，實(shí)現(xiàn)高性能的控制運(yùn)算的伺服運(yùn)動(dòng)控制器。如圖3所示，運(yùn)動(dòng)控制器的控制過程為增量編碼器的A、B相信號(hào)作為位置反饋輸入信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制器通過四倍頻、加減計(jì)數(shù)器得到實(shí)際位置。實(shí)際位置的信息保存在位置寄存器中，PC機(jī)可通過控制寄存器讀取。運(yùn)動(dòng)控制器的目標(biāo)位置由PC機(jī)設(shè)定，通過內(nèi)部計(jì)算得到位置誤差，經(jīng)過數(shù)字伺服濾波器后，送到數(shù)模轉(zhuǎn)換(DAC)或脈寬調(diào)制器(PWM)硬件處理電路，經(jīng)過轉(zhuǎn)換最后輸出伺服電機(jī)的控制信號(hào)：+／-lOV模擬信號(hào)或PWM信號(hào)。

2．3 系統(tǒng)的通訊
系統(tǒng)采用PCI總線進(jìn)行通訊。PCI總線的主要優(yōu)點(diǎn)是性能高(數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)到132 264Mb／s)，總線通用性強(qiáng)，成本低，使用方便靈活。系統(tǒng)通訊采用PLX9054接口芯片，結(jié)合雙口RAM，實(shí)現(xiàn)了DSP和PCI總線間的雙向高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。PCI總線與雙口RAM的數(shù)據(jù)交換，采用了定時(shí)傳送加握手信號(hào)的方式進(jìn)行。具體實(shí)現(xiàn)如下：上位機(jī)每隔一個(gè)固定的時(shí)間T下傳一組數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳送完成后，發(fā)出一個(gè)發(fā)送完信號(hào)，下位機(jī)接受到這個(gè)數(shù)據(jù)后，立即從雙口RAM中讀取數(shù)據(jù)。下位機(jī)上傳數(shù)據(jù)也采用同樣的處理方式。這種方式特別適合于機(jī)器人控制系統(tǒng)的通訊。
2．4 驅(qū)動(dòng)元件的選擇
驅(qū)動(dòng)元件選擇了直流伺服電機(jī)，其參數(shù)為200W／7220mm／107mN?m Maxon。其驅(qū)動(dòng)器可實(shí)現(xiàn)位置、速度和轉(zhuǎn)矩三種不同的控制方式：具有共振抑制和控制功能，可彌補(bǔ)機(jī)械的剛性不足，從而實(shí)現(xiàn)高速定位。同時(shí)，還采用PID濾波器，外加速度和加速度前饋，即PID+Kvff+Kaff濾波器。通過調(diào)節(jié)各參數(shù)，濾波器能對(duì)大多數(shù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)精確而穩(wěn)定的控制。因此非常適合應(yīng)用于機(jī)器人控制系統(tǒng)。

3 搖起控制策略
由于體操機(jī)器人大范圍的運(yùn)動(dòng)，搖起問題是高度非線性又極具挑戰(zhàn)性的問題。搖起過程如同人在單杠一樣，先使體操機(jī)器人來回?fù)u動(dòng)幾次，體操機(jī)器人始終在下，一旦有足夠的能量施加到系統(tǒng)上，機(jī)器人即進(jìn)入倒立狀態(tài)，如圖4所示。

Spong建議一種非線性反饋方法，這種方法利用部分線性反饋定義PD控制器。從直觀上講，當(dāng)體操機(jī)器人從懸掛穩(wěn)定平衡狀態(tài)轉(zhuǎn)移到倒立不穩(wěn)定平衡狀態(tài)的過程中，其勢(shì)能是不斷增加的，因此需要向系統(tǒng)輸入足夠的能量。本研究從能量增加的角度出發(fā)，采用帶有振幅和頻率的正弦方式和斜坡函數(shù)輸入，這樣可同時(shí)增加擺動(dòng)。