基于CAN總線的仿人機器人力信息檢測系統(tǒng)

　　在國家863計劃支持下，國防科技大學機器人實驗室于2003年研制出一臺新型仿人機器人；同時與合肥智能機械研究所合作，在該機器人腳掌上安裝了可檢測地面反力信息的集成五維力/力矩傳感器。本文通過對仿人機器人運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和傳感器電路結(jié)構(gòu)的分析，提出了一種基于CAN總線的力信息檢測系統(tǒng)；通過實驗表明，該力信息檢測系統(tǒng)能夠滿足力信息采集的基本要求，為其他外部環(huán)境信息的采集建立了一定基礎(chǔ)。

　　仿人機器人控制結(jié)構(gòu)分析與外部傳感信息采集結(jié)構(gòu)

　　將仿人機器人控制系統(tǒng)的大開環(huán)變成大閉環(huán)對控制系統(tǒng)的上位計算機處理能力、上下位機與傳感器信息之間的傳輸通道結(jié)構(gòu)以及傳感器信息采集與處理提出了挑戰(zhàn)。它要求上位計算機具備實時多任務(wù)處理能力，控制系統(tǒng)具有便于擴展的多傳感器信息采集與處理通道。增加外部信息傳感器是控制結(jié)構(gòu)改進的最基本條件。

　　增加外部信息傳感器，首先要在現(xiàn)有控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，擴展外部信息采集與處理模塊，形成開放的分層信息采集與處理結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)的底層節(jié)點由多個傳感器信息采集和預處理模塊(包括解耦和濾波等)構(gòu)成，得到的處理信息通過合適的物理通道傳送到?jīng)Q策層計算機，形成一個從環(huán)境信息到機器人動作序列產(chǎn)生的過程。

　　選擇實時性強且易于擴展的物理通道，可以增強控制系統(tǒng)的外部傳感擴展能力。在仿人機器人運動控制系統(tǒng)中，上下位機之間通過PC/104總線和RS232串行總線交換信息。當系統(tǒng)需要擴展外部傳感器時，由于PC/104總線的有限驅(qū)動能力，通過PC/104總線只能擴展相當有限的外部信息傳感器且擴展不便(涉及到地址的重新分配等問題)；RS232串行總線不能滿足高速實時信息傳輸與處理要求，因此考慮采用現(xiàn)場總線方式，如CAN總線，作為外部信息傳輸通道，同時設(shè)計其與上位機的通信接口。理想信息采集結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　
　　圖1　理想的信息采集網(wǎng)絡(luò)

　　圖1所示的信息采集結(jié)構(gòu)，具有較強的易擴展性和較高容錯性能。每一個外部信息傳感器都可以獨立設(shè)計；在整個信息采集結(jié)構(gòu)中，每個模塊都是對等的，之間可以點對點通信；上位機可對各個傳感器信息處理模塊的廣播，信息處理模塊的增減不會對整個信息傳輸通道產(chǎn)生影響，有利于傳感器及其處理模塊的擴展和維護。另外，從底層通信協(xié)議角度而言，這種采集結(jié)構(gòu)亦具有較高容錯性能。

　　力/力矩傳感器的電路結(jié)構(gòu)及工作原理

　　五維力/力矩傳感器的電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。傳感器基本采集處理原理：當傳感器受到外力或外力矩作用時，彈性體產(chǎn)生形變，導致全橋橋路中的應(yīng)變片阻值發(fā)生改變，改變橋路輸出電壓；橋路輸出電壓通過前置濾波與放大進入SoC，通過A/D變換得到的數(shù)字信號通過CAN總線或
RS232傳輸?shù)缴衔粰C。

　　力/力矩傳感器與控制系統(tǒng)的電路接口設(shè)計方法

　　接口電路的基本功能
　　仿人機器人底層控制器與上位機接口采用PC/104總線方式，力/力矩傳感器信息傳輸采用CAN總線結(jié)構(gòu)，因此需設(shè)計CAN總線與PC/104總線之間的接口，實現(xiàn)已有控制系統(tǒng)與傳感器之間的通信及對力/力矩信息的預處理，如圖3所示。

　　
　　圖2　傳感器電路原理

　　
　　圖3　接口電路基本功能和結(jié)構(gòu)

　　接口電路的硬件結(jié)構(gòu)與基本設(shè)計原理
　　綜合考慮接口電路對主處理器的要求，如對力/力矩信息的實時處理能力、外設(shè)擴展能力等，選用TMS320LF2407作為主處理器，通過對CAN總線和雙端口RAM的讀寫控制，實現(xiàn)力信息的讀取、預處理和上傳。接口電路基本原理如圖4所示。