自平衡人形機(jī)器人的多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制一直是機(jī)器人學(xué)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)，目前采用的最多的是在大的反饋控制環(huán)路中對(duì)機(jī)器人進(jìn)行關(guān)節(jié)空間的控制，這種控制方式結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，但在以控制器為核心的輻射式控制鏈路上，所有信息的交換都集中在機(jī)器人主控制器上，當(dāng)機(jī)器人處于復(fù)雜的環(huán)境中時(shí)，可能會(huì)有過多的信息需要處理，這種復(fù)雜程度往往是不可預(yù)知的，因此機(jī)器人的穩(wěn)定性也不能保證。
機(jī)器人主控制器是機(jī)器人的核心處理器，是提高人形機(jī)器人的信息處理能力的主要部件。其主要任務(wù)是控制機(jī)器人在空間的運(yùn)動(dòng)位置、姿態(tài)、軌跡、操作順序和操作時(shí)間，因此必須保證主控制器能夠?yàn)榻鉀Q復(fù)雜信息處理而穩(wěn)定可靠地工作。機(jī)器人動(dòng)作控制器是為解決機(jī)器人動(dòng)作控制而設(shè)計(jì)的，它將主處理器發(fā)出任務(wù)處理命令分配到3個(gè)16位超低功耗單片機(jī)(MSP430F149)上去執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)多層次的控制管理。該人形機(jī)器人具有多關(guān)節(jié)，多自由度，自平衡的控制需求，需要?jiǎng)幼骺刂破髟跈C(jī)器人系統(tǒng)控制中起到關(guān)鍵性的作用。
1 動(dòng)作控制器的設(shè)計(jì)
1．1 體系結(jié)構(gòu)
自平衡人形機(jī)器人需要獲取不可預(yù)知的環(huán)境信息以及自身姿態(tài)信息進(jìn)行綜合運(yùn)算并及時(shí)進(jìn)行自身姿態(tài)的調(diào)整。機(jī)器人的這種行為特點(diǎn)決定了機(jī)器人的整體控制結(jié)構(gòu)要采用反饋控制。如圖1所示，描述了這種反饋控制結(jié)構(gòu)的硬件實(shí)現(xiàn)。
同時(shí)，在圖1中可見從機(jī)器人主控制器到執(zhí)行元件(舵機(jī))之間，有一層動(dòng)作控制器的結(jié)構(gòu)。這一層結(jié)構(gòu)的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)控制命令到舵機(jī)控制信號(hào)之間的功能轉(zhuǎn)換，這種體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，就是借鑒計(jì)算機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的分層結(jié)構(gòu)體系思想。采用這種分層的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了軟件和硬件、命令和動(dòng)作的相對(duì)隔離。其突出的優(yōu)點(diǎn)體現(xiàn)在能夠使主控制器專注于數(shù)據(jù)的處理，而對(duì)下行設(shè)備只負(fù)責(zé)發(fā)送指令，對(duì)于硬件的復(fù)雜的操作時(shí)序，由動(dòng)作控制器負(fù)責(zé)產(chǎn)生。
1．2 實(shí)現(xiàn)過程
1．2．1 硬件實(shí)現(xiàn)
為滿足機(jī)器人整體控制體系結(jié)構(gòu)中指令到執(zhí)行的層次性要求，動(dòng)作控制器需要完成命令解析，信號(hào)驅(qū)動(dòng)等任務(wù)。如圖2描述了動(dòng)作控制器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，其主要由串行總線、3個(gè)可并行工作的16位單片機(jī)、信號(hào)驅(qū)動(dòng)部分構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)能夠從總線接收命令，單片機(jī)進(jìn)行指令解析并輸出控制電信號(hào)，外部電路對(duì)控制信號(hào)驅(qū)動(dòng)放大，從而分別實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行舵機(jī)的控制。圖3為動(dòng)作控制器中一個(gè)單片機(jī)工作模塊的硬件原理圖。
動(dòng)作控制器主要由3個(gè)MSP430F149并行工作，每個(gè)MSP430F149控制8個(gè)舵機(jī)，總共實(shí)現(xiàn)對(duì)24個(gè)舵機(jī)的控制。每個(gè)MSP430F149有定時(shí)器TA和定時(shí)器TB兩個(gè)模塊，其中定時(shí)器TA通過比較模式輸出2路PWM波控制2個(gè)舵機(jī)，定時(shí)器TB通過比較模式輸出6路PWM波控制6個(gè)舵機(jī)。而且定時(shí)器工作在比較模式下時(shí)，能在一次設(shè)置完成后，不需要CPU干預(yù)的情況下持續(xù)進(jìn)行PWM輸出，同時(shí)保證各路信號(hào)之間沒有干擾，因此一路比較輸出即可獨(dú)立控制一個(gè)舵機(jī)，動(dòng)作控制器可實(shí)現(xiàn)對(duì)多達(dá)24個(gè)舵機(jī)的控制，對(duì)多關(guān)節(jié)人形機(jī)器人提供足夠的控制通道。
采用比較輸出PWM波形的方法相比較采用中斷方式的控制方法，具有簡單，輸出PWM波形穩(wěn)定，整個(gè)控制系統(tǒng)的魯棒性高等特點(diǎn)。該課題也曾采用過中斷控制方式，但用示波器觀察輸出的PWM波形，波形極不穩(wěn)定。而且中斷嵌套過多之后，單片機(jī)程序很容易跑飛，完全不能滿足控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。而采用文中所述動(dòng)作控制器的設(shè)計(jì)方法后，比較輸出的PWM波波形穩(wěn)定，而且單片機(jī)也沒出現(xiàn)死機(jī)或跑飛的現(xiàn)象。
MSP430F149輸出為3．3 V TTL電平，而舵機(jī)控制信號(hào)要5 V TTL電平，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。考慮到舵機(jī)的控制信號(hào)對(duì)功率沒有要求，必要加專用驅(qū)動(dòng)芯片，而采用CMOS工藝的CD4081四2輸入與門進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，利用其門電路輸入電壓門限寬的特點(diǎn)即可解決電平轉(zhuǎn)換的問題。
舵機(jī)動(dòng)態(tài)工作時(shí)，需要脈沖式的電流，通過普通的電源供電，實(shí)驗(yàn)表明：由于舵機(jī)瞬時(shí)供電不足，致使舵機(jī)力矩不夠，運(yùn)動(dòng)不能達(dá)到預(yù)先的姿態(tài)效果，在反復(fù)探索后，決定采用電容的快速放電特性來提供瞬時(shí)大電流，由于舵機(jī)數(shù)量大，設(shè)計(jì)時(shí)在舵機(jī)電源處并接大容量電容，總?cè)萘?．22F×6。正常小電流工作時(shí)，電容被充電處于飽和，當(dāng)需要瞬時(shí)大電流時(shí)，電容能快速放電，從而保證舵機(jī)正常穩(wěn)定的工作。
3個(gè)MSP430F149分別控制部分關(guān)節(jié)上的舵機(jī)，這要求3個(gè)MSP430F149充分協(xié)調(diào)一致的工作。因此采用總線通信方式，將3個(gè)MSP430F149掛接到串行通信總線上，并留出總線接口，以接收主控制器的命令。
1．2．2 軟件實(shí)現(xiàn)
動(dòng)作控制器的軟件設(shè)計(jì)，是以硬件為基礎(chǔ)，接收主控制器的命令，對(duì)命令進(jìn)行解析，并控制產(chǎn)生具體的PWM波形對(duì)舵機(jī)進(jìn)行動(dòng)作控制。圖4描述了動(dòng)作控制器中軟件的實(shí)現(xiàn)流程。
機(jī)器人的動(dòng)作方式，方向，幅度等全部是由主控制器通過對(duì)外部信息的獲取而產(chǎn)生的輸出，這種輸出是基于命令格式的，而機(jī)器人最終的一切行為都是一系列舵機(jī)的配合運(yùn)轉(zhuǎn)，從命令到執(zhí)行，這其中就是動(dòng)作控制器起到了關(guān)鍵作用。
基于上述要求，動(dòng)作控制器的首要任務(wù)就是接收命令。雖然在硬件上采用了多機(jī)通信的模式，但并不采用傳統(tǒng)的通信協(xié)議(每個(gè)從機(jī)都具有一個(gè)獨(dú)立的地址)，而是對(duì)動(dòng)作控制器上的3個(gè)MSP430F149定義完全相同的地址，這樣就會(huì)使其接收到完全相同的命令。這樣進(jìn)行設(shè)計(jì)，原因在于要保證舵機(jī)響應(yīng)的同時(shí)性，即是機(jī)器人動(dòng)作的協(xié)調(diào)性提出的要求。如表1示例了主控制器與動(dòng)作控制器的命令傳輸格式。來自主控制器的命令是一個(gè)數(shù)組序列，動(dòng)作控制器上的每個(gè)MSP430F149都能完全接收到全部序列，而每個(gè)MSP430F149根據(jù)預(yù)先定義只使用這個(gè)序列中特定的子序列，這個(gè)子序列就是對(duì)應(yīng)于這個(gè)MSP430F149所控制的舵機(jī)的命令，這樣就可以保證同時(shí)性。
動(dòng)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(shí)現(xiàn)的。在解析函數(shù)進(jìn)行一系列的解析運(yùn)算后，產(chǎn)生出各舵機(jī)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(shí)驗(yàn)及結(jié)論
根據(jù)文中提出的動(dòng)作控制器的設(shè)計(jì)思想與方法，制作出機(jī)器人動(dòng)作控制器。按照設(shè)計(jì)的基本思想對(duì)動(dòng)作控制器進(jìn)行測試，測試中采用一個(gè)MSP430F425作為機(jī)器人主控制器，下行控制一個(gè)十二個(gè)關(guān)節(jié)的簡易人形機(jī)器人。在MSP430F425中規(guī)劃好機(jī)器人的步態(tài)，同時(shí)根據(jù)規(guī)劃好的步態(tài)參數(shù)發(fā)送舵機(jī)動(dòng)作命令。
實(shí)驗(yàn)中，首先實(shí)測舵機(jī)的精度，通過向特定定時(shí)器通道預(yù)裝不同值，測量舵機(jī)響應(yīng)角度，并以此數(shù)據(jù)擬合出舵機(jī)響應(yīng)角度方程。實(shí)驗(yàn)中由于采用的MSP430F425資源有限，方程僅進(jìn)行了線性擬合。
表2為測試機(jī)器人上一處關(guān)節(jié)的舵機(jī)測定數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)擬合出以下方程：
舵機(jī)實(shí)際角度α=(X-3 000)／20+75．5運(yùn)用擬合出的方程進(jìn)行命令到舵機(jī)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(jī)的性能范圍內(nèi)(舵機(jī)的精度為0．5°～1°)，控制是精確的。
同時(shí)，在舵機(jī)響應(yīng)的及時(shí)性方面，也得到了保證。從主控制器發(fā)送命令到舵機(jī)響應(yīng)開始運(yùn)動(dòng)共經(jīng)歷了命令傳輸、命令解析兩大時(shí)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(shí)4．5 ms，而命令解析即單片機(jī)內(nèi)程序執(zhí)行，其用時(shí)遠(yuǎn)小于1 ms。相比較，舵機(jī)的機(jī)械響應(yīng)時(shí)間在百ms級(jí)，因此動(dòng)作控制器保證了響應(yīng)的及時(shí)性。
實(shí)驗(yàn)證明，在設(shè)計(jì)思想指導(dǎo)下的硬件和軟件實(shí)現(xiàn)，充分符合既定的目標(biāo)，體現(xiàn)在機(jī)器人的多關(guān)節(jié)能夠協(xié)調(diào)動(dòng)作，預(yù)先規(guī)劃的步態(tài)能夠很好的表現(xiàn)出來。
在機(jī)器人的實(shí)際控制系統(tǒng)中，動(dòng)作控制器作為主控制器(ARM 9)的下級(jí)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(dá)到了理想的效果。
3 結(jié)束語
由于自平衡人形機(jī)器人具有內(nèi)在不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，國內(nèi)外機(jī)器人愛好者對(duì)其控制策略進(jìn)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(jìn)行處理，再根據(jù)獲取的信息運(yùn)用一定的算法控制執(zhí)行元件(舵機(jī)、直流電機(jī)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(jìn)行信息交換，但其處理器的工作量大，在大量的處理中實(shí)時(shí)性難以保證。
而本設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的雙足自平衡人形機(jī)器人采用了這兩種經(jīng)典結(jié)構(gòu)的復(fù)合，其中執(zhí)行控制器、主控制器和執(zhí)行電機(jī)之間體現(xiàn)出了明顯的層次結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計(jì)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。