基于ARM9的仿人機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)

1 引言

仿人型機(jī)器人具有類似于人類基本外貌特征和步行運動功能，還具有視覺、聽覺等功能，它可以實現(xiàn)類似人類的行走，靈巧輕便，對行走環(huán)境有良好的適應(yīng)性，既能在平地上行走，又能在非結(jié)構(gòu)的復(fù)雜地面上行走，如上下臺階，跨越、繞過障礙物等。另外，仿人型機(jī)器人是集材料、機(jī)械、電子、能源驅(qū)動、計算機(jī)感知、傳感、控制、虛擬現(xiàn)實與人工智能等多門學(xué)科于一體的綜合性平臺，它的研究能夠帶動諸多相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的交叉發(fā)展與進(jìn)步，并為相關(guān)學(xué)科的研究提供一個平臺。因而，近年來，仿人型機(jī)器人的研發(fā)受到國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。小型機(jī)器人是近年發(fā)展起來的仿人機(jī)器人的一種，主要的研究集中在日本。小型仿人機(jī)器人，結(jié)構(gòu)輕巧，集成度高，運動靈活;未來可在工業(yè)、民用、軍事等許多方面發(fā)揮作用，是機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展方向之一。小型機(jī)器人的控制不僅要求實時，還要求重量輕，體積小以及低功耗等。

傳統(tǒng)的仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用集中式控制，如日本仿人機(jī)器人HRP-2[1]，通常由一臺或多臺計算機(jī)通過多塊A/D,D/A模塊與下層的驅(qū)動器和傳感器連接通信。由上位機(jī)完成軌跡規(guī)劃和任務(wù)調(diào)度，協(xié)調(diào)下層各控制板對各關(guān)節(jié)進(jìn)行控制。這樣的控制系統(tǒng)模塊繁多，模塊之間的連接復(fù)雜，依賴性強且相互耦合，降低了系統(tǒng)的開放性和可靠性，增加了功耗，難以完成多軸同步協(xié)調(diào)運動控制。

隨著計算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，各種新型的控制方式應(yīng)用于機(jī)器人控制。分布式控制系統(tǒng)是在計算機(jī)監(jiān)督控制系統(tǒng)、直接數(shù)字控制系統(tǒng)和計算機(jī)多級控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，是生產(chǎn)過程的一種比較完善的控制與管理系統(tǒng)。與計算機(jī)多級控制系統(tǒng)相比，分布式控制系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上更加靈活、布局更為合理和成本更低。分布式控制結(jié)構(gòu)成為機(jī)器人控制系統(tǒng)發(fā)展的方向。文[2]中作者設(shè)計了一種基于CAN總線的分布式的仿人機(jī)器人的控制系統(tǒng)。

為此，我們研制了新型的小型仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)。本實驗室研制的小型仿人機(jī)器人各關(guān)節(jié)采用舵機(jī)控制，根據(jù)要求，本設(shè)計需要實現(xiàn)小型仿人機(jī)器人腿部的運動控制，達(dá)到小型化，低功耗。

2 小型仿人娛樂機(jī)器人分布式控制系統(tǒng)

2.1總體方案設(shè)計

本文研究的小型仿人娛樂機(jī)器人運動控制系統(tǒng)由主控制器ARM9，C8051F320單片機(jī)與4片CD4017外部計數(shù)器構(gòu)成的控制單元組成，控制結(jié)構(gòu)簡單靈活。USB通信方案滿足了主從控制和通信速度的需求。關(guān)節(jié)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用舵機(jī)，控制方法簡單實用?？傮w控制方式簡圖見圖1。

主控制器端，采用ARM9(S3C2410)作為管理控制器負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制，向單片機(jī)發(fā)送規(guī)劃好的運動控制數(shù)據(jù)并擴(kuò)展語音，視頻等。S3C2410主控制器有一個USB host，連接C8051F320單片機(jī)。

單片機(jī)端，利用C8051F320中的PCA捕捉比較模塊產(chǎn)生PWM控制信號。當(dāng)單片機(jī)通過USB總線接收到由ARM管理控制器發(fā)來的數(shù)據(jù)包時，根據(jù)設(shè)定的對應(yīng)關(guān)系將數(shù)據(jù)包中16位控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為PCA比較值，由PCA模塊產(chǎn)生相應(yīng)占空比的PWM控制信號，分別輸出給4片CD4017外部計數(shù)器。同時 PCA模塊還定時產(chǎn)生一路復(fù)位脈沖，同時發(fā)送給4片CD4017，確保CD4017多路PWM輸出與單片機(jī)接收到多舵機(jī)控制數(shù)據(jù)對應(yīng)關(guān)系正確。

CD4017外部計數(shù)器將CP引角輸入的PWM轉(zhuǎn)化為多路PWM，分別控制與之相連的各舵機(jī)轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)各桿件位置的開環(huán)控制。

2.2 USB通信的實現(xiàn)

在計算機(jī)和單片機(jī)的控制數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域內(nèi)，長期以來廣泛的使用RS-232，RS-485等通信方式，這些通信方式訊的實時性較差， 故障率較高， 出現(xiàn)故障時， 不容易排查[3]。不能夠滿足小型仿人機(jī)器人的實時性和大批量數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。USB總線通信方式作為新一代計算機(jī)外設(shè)的接口技術(shù)，隨著USB技術(shù)的日益成熟，及獨特的優(yōu)點(對多種設(shè)備的廣泛適用性，自動配置，容易擴(kuò)充，易于連接，熱插拔，即插即用、高可靠性，低成本，低功耗等)，應(yīng)用前景非常廣泛 [4]。

本控制系統(tǒng)中的管理控制器ARM9(S3C2410)集成了一個USB host，采用Linux操作系統(tǒng);C8051F320器件集成了全速/低速USB功能控制器，用于實現(xiàn)USB接口的外部設(shè)備，均支持USB2.0通信協(xié)議。單片機(jī)端設(shè)計了通信固件程序和應(yīng)用程序，用于接收USB通信內(nèi)容。

2.3 基于C8051單片機(jī)和CD4017外部計數(shù)器的關(guān)節(jié)控制器設(shè)計

采用一片單片機(jī)與4片CD4017外部計數(shù)器的關(guān)節(jié)控制器設(shè)計方案，極大限度的精簡了硬件數(shù)量，節(jié)省了空間，降低了軟硬件出錯的可能性，也為系統(tǒng)運動功能的擴(kuò)展提供了足夠空間和靈活性(自由度數(shù)量設(shè)置可在36個以內(nèi)任意增減)。

基于C8051的設(shè)計中有很多方法用于產(chǎn)生PWM波形：軟件循環(huán)、查詢或中斷驅(qū)動的定時器等。使用可編程計數(shù)器陣列PCA產(chǎn)生PWM相對于任何查詢機(jī)制(基于軟件或定時器而言)可以大大降低所需要的CPU帶寬，并可以消除在中斷驅(qū)動的基于定時器的設(shè)計中因中斷延遲不一致而產(chǎn)生的時序抖動。PCA由一個專用的16位計數(shù)器/定時器和5個16位捕捉/比較模塊組成。每個捕捉/比較模塊有其自己的I/O線。計數(shù)器/定時器由一個可編程的時基信號驅(qū)動。計數(shù)器 /定時器有一個16位的計數(shù)器/定時器寄存器、一個用于選擇時間基準(zhǔn)的方式寄存器和一個包含計數(shù)器/定時器運行控制及各模塊捕捉/比較標(biāo)志的控制寄存器。每個捕捉/比較模塊有一個用于選擇模塊工作方式的配置寄存器和一個16位的捕捉/比較寄存器。每個捕捉/ 比較模塊的工作方式都可以被獨立配置。由于所有的捕捉/比較模塊共享一個時間基準(zhǔn)，因此它們同步工作[5][6]。本文研究的小型娛樂機(jī)器人關(guān)節(jié)控制器設(shè)計中，將PCA配置為獨立工作;每個模塊的中斷服務(wù)程序只影響該模塊的捕捉/比較寄存器。PCA方式寄存器和配置寄存器設(shè)置一次后不再改變，讓計數(shù)器/定時器寄存器自由運行。

在高速輸出方式，每當(dāng)PCA計數(shù)器與模塊的16位捕捉/比較寄存器發(fā)生匹配時，模塊I/O線的引腳上的邏輯電平將發(fā)生高低轉(zhuǎn)換，并可以選擇產(chǎn)生中斷。本應(yīng)用程序中選擇了該中斷。[!--empirenews.page--]

Y9輸出均變?yōu)榈碗娖?，只有Y0腳輸出變?yōu)楦唠娖?，故可以利用CR的正脈沖輸入中斷計數(shù)[7]。~Y9這10個輸出端，計滿10個數(shù)后計數(shù)器復(fù)零，同時 CO端輸出一個進(jìn)位脈沖。當(dāng)CR端有正脈沖輸入時，該脈沖的上升沿將觸發(fā)CD4017復(fù)位，此時Y1~CD4017基本功能是對CP端輸入脈沖的個數(shù)進(jìn)行十進(jìn)制計數(shù)，并按照輸入脈沖的個數(shù)順序?qū)⒚}沖分配在Y0

本文研究的小型娛樂仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)方案中，一個CD4017輸出7路脈沖，分別發(fā)送給7個舵機(jī)。

3 實驗

控制系統(tǒng)硬件實物連接圖如圖4。

機(jī)器人步行實驗完成5步的向前行和5步的后退的行走過程。步行實驗過程如圖5。

4 結(jié)論

根據(jù)小型仿人機(jī)器人的機(jī)構(gòu)特點和性能要求,構(gòu)建了以ARM9為主控制器的小型仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)。設(shè)計開發(fā)了C8051USB單片機(jī)和CD4017外部計數(shù)器組成關(guān)節(jié)控制器，該關(guān)節(jié)控制器能夠?qū)崿F(xiàn)多舵機(jī)的協(xié)調(diào)控制任務(wù)。實踐證明,采用該結(jié)構(gòu)之后,整個機(jī)器人系統(tǒng)的模塊化程度更高,系統(tǒng)的裝配和調(diào)試更加方便。控制系統(tǒng)實現(xiàn)了小型化、低功耗，而且機(jī)器人行走穩(wěn)定性。

本文作者的創(chuàng)新點

根據(jù)小型仿人機(jī)器人的機(jī)構(gòu)特點和性能要求,構(gòu)建了以ARM9為主控制器的小型仿人機(jī)器人控制系統(tǒng)。設(shè)計開發(fā)了C8051USB單片機(jī)和CD4017外部計數(shù)器組成關(guān)節(jié)控制器，該關(guān)節(jié)控制器能夠?qū)崿F(xiàn)多舵機(jī)的協(xié)調(diào)控制任務(wù)。實踐證明,采用該結(jié)構(gòu)之后,整個機(jī)器人系統(tǒng)的模塊化程度更高,系統(tǒng)的裝配和調(diào)試更加方便。控制系統(tǒng)實現(xiàn)了小型化、低功耗，而且機(jī)器人行走穩(wěn)定性。