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1 引言 欠驅動機器人是一種部分關節為被動關節，能用較少的驅動裝置完成復雜任務的機械系統。欠驅動機器人是近年來開始出現的一個較新的研究領域，針對欠驅動機器人系統的研究目前得到不少學者的關注。欠驅動機器人系統在很多的機器人系統例如多指機器人手、輪式移動機器人、太空機器人等非完整約束系統中都存在。因此近幾年來，欠驅動機器人的運動控制問題引起國內外廣泛的研究興趣。同時，隨著集成芯片技術的飛速發展，人們對欠驅動機器人控制的實時性和精度提出了越來越高的要求。 本文設計了一種基于DSP的機器人控制系統。該控制系統采用兩級控制結構。以通用PC作為上位機，完成目標設定、軌跡生成、系統管理和人機接口等功能；以美國Analog Device公司的定點數字信號處理芯片ADSP2181為核心，作為機器人控制的下位機。該控制器充分應用了DSP運算的高速性，提高了系統的實時和穩定性。 2 體操機器人硬件系統設計 2．1 控制系統硬件結構 控制對象為三關節欠驅動體操機器人，其中手臂關節為被動關節。控制轉矩來自兩臺直流伺服電機，配5l：l減速器伺服電機，經軸線相交的圓錐齒輪傳輸至驅動關節，驅動關節通過動力耦合作用使被動關節產生運動。欠驅動機器人控制系統的任務就是對驅動關節電機進行控制，電機運行之前從控制界面輸入控制目標參數，上位PC機負責發送控制命令與數據采集。DSP處于整個控制系統的底層，主要用來接收來自PC機的控制命令，對驅動關節執行電機控制，同時把底層信息反饋給上位PC機，以實現機器人運動信息的數據分析等功能，用一塊DSP運動控制卡對機器人的肩關節或髖關節進行插補計算和伺服控制，采用PCI標準總線進行上、下位機的通訊，實現雙速率運行。控制箱面板提供了各關節工作狀態顯示及伺服報警提示，還可以對關節進行手動控制。三關節欠驅動體操機器人控制系統結構如圖l所示，體操機器人本體如圖2所示。 2．2 運動控制器結構 系統采用ADSP218l數字信號處理器為核心，實現高性能的控制運算的伺服運動控制器。如圖3所示，運動控制器的控制過程為增量編碼器的A、B相信號作為位置反饋輸入信號，運動控制器通過四倍頻、加減計數器得到實際位置。實際位置的信息保存在位置寄存器中，PC機可通過控制寄存器讀取。運動控制器的目標位置由PC機設定，通過內部計算得到位置誤差，經過數字伺服濾波器后，送到數模轉換(DAC)或脈寬調制器(PWM)硬件處理電路，經過轉換最后輸出伺服電機的控制信號：+／-lOV模擬信號或PWM信號。 2．3 系統的通訊 系統采用PCI總線進行通訊。PCI總線的主要優點是性能高(數據傳輸率可達到132 264Mb／s)，總線通用性強，成本低，使用方便靈活。系統通訊采用PLX9054接口芯片，結合雙口RAM，實現了DSP和PCI總線間的雙向高速實時數據交換。PCI總線與雙口RAM的數據交換，采用了定時傳送加握手信號的方式進行。具體實現如下：上位機每隔一個固定的時間T下傳一組數據，數據傳送完成后，發出一個發送完信號，下位機接受到這個數據后，立即從雙口RAM中讀取數據。下位機上傳數據也采用同樣的處理方式。這種方式特別適合于機器人控制系統的通訊。 2．4 驅動元件的選擇 驅動元件選擇了直流伺服電機，其參數為200W／7220mm／107mN·m Maxon。其驅動器可實現位置、速度和轉矩三種不同的控制方式：具有共振抑制和控制功能，可彌補機械的剛性不足，從而實現高速定位。同時，還采用PID濾波器，外加速度和加速度前饋，即PID+Kvff+Kaff濾波器。通過調節各參數，濾波器能對大多數系統實現精確而穩定的控制。因此非常適合應用于機器人控制系統。 3 搖起控制策略 由于體操機器人大范圍的運動，搖起問題是高度非線性又極具挑戰性的問題。搖起過程如同人在單杠一樣，先使體操機器人來回搖動幾次，體操機器人始終在下，一旦有足夠的能量施加到系統上，機器人即進入倒立狀態，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，當體操機器人從懸掛穩定平衡狀態轉移到倒立不穩定平衡狀態的過程中，其勢能是不斷增加的，因此需要向系統輸入足夠的能量。本研究從能量增加的角度出發，采用帶有振幅和頻率的正弦方式和斜坡函數輸入，這樣可同時增加擺動。 實驗證明采用正弦和斜坡函數，此算法位于基于能量搖起模塊void swing_up()中，這些數據分別從運．動控制器的2、1通道輸入，需說明的是，在對體操機器人系統進行數學建模時已明確，體操機器人系統是一個力控設備，根據牛頓第二定律，力與加速度成正比，因此給系統施加的控制量就是加速度，而速度則是一個事先設定的較大數值，在控制過程中，一般不會達到這個速度值。這樣保證產生的附加力隨能量的增加而減小，可搖起體操機器人到倒立平衡位置。 4 控制系統軟件設計 實施控制時，主要是控制軟件的編寫與控制其參數的調節。由于體操機器人控制系統的實時性要求較高，控制軟件必須滿足實時性的要求，本系統控制周期為6ms。控制軟件必須在準確的控制周期內完成數據采樣，處理并且發出控制信號給運動控制器。 首先由上位PC機設置好控制參數，系統開始運行并完成初始化工作。底層控制器對各轉動關節進行位置采樣，同時接收來自上位PC機的控制指令，并把兩者結合在一起進行分析，通過編寫進去的控制算法生成相應的轉矩控制信號，經功率放大后送給執行電機，同時把各關節的運動信息上傳給PC機，如此反復，完成整個閉環運動控制。 下位機控制器上電后主程序進行控制器初始化操作、禁止看門狗、設置關鍵寄存器、設置中斷向量和中斷寄存器、初始化事件管理器、基于能量搖起、進行實時控制模塊等。其中實時控制模塊中用到ADSP2181可編程定時器，它能夠產生周期性的定時中斷，定時間隔是處理器時鐘周期的整數倍。當定時器被使能后，一個16位的計數寄存器TCOUNT每隔m個周期就會減1，其初始化程序如下： void init_interrupt() {disable0；∥關閉中斷(在初始化中斷過程中嚴禁產生中斷) outportb(0x43,0x36)；／／寫中斷控制字 outportb(0x40,0xf6)；∥寫數據寄存器：0x40為數據寄存器內存映射地址 outportb(0x40,0xlb)；∥數據為16位時鐘細分比率，先寫入低字節0xf6，后寫入高字節0xlb ldhandler=getvect(INTR)；∥保存原有的中斷服務程序句柄 setvect(INTR，handler)；／／設置新的中斷服務程序句柄 enable()；∥打開中斷} 上述中斷初始化代碼創建一個6毫秒的定時器中斷，即當打開中斷后，將每隔6毫秒對體操機器人系統進行一次實時控制。6毫秒的定時時間是通過向數據寄存器寫入0x1bf6=7158獲得的。 5 結語 基于高性能ADSP2181的控制器設計能夠滿足機器人的搖起控制要求，且由于采用PC+控制器分級控制和模塊化設計思想，將有利于軟、硬件升級，及大大縮短開發周期。系統在實驗室進行機器人搖起實驗時，各電機軸運轉平穩，動作協調軌跡跟蹤實時性好，機器人沒有出現抖動、喘振等現象。 今后還需要探討更多的搖起與平衡控制策略，完善DSP的控制程序。 |
