DSP仿人机器人运动控制器系统设计方案

传统的机器人运动控制器大部分是以嵌入式单片机为核心的，但其运算速度和处理能力远不能满足机器人控制系统飞速发展的需要，日益成为阻碍机器人技术进步的瓶颈。随着以电子计算机和数字电子技术为代表的现代高技术的不断发展，尤其是高速度数字信号处理器DSP 的出现，从根本上解决了嵌入式系统运算能力不足的问题，并为机器人运动控制系统的改进提供了新的途径。该文正是从这一点出发， 选用控制能力很强的DSP芯片TMS320LF2407A作为机器人运动控制器的主处理器，设计出一种高性能机器人运动控制器，显著地提高了整个机器人的运动性能。
　　1 　控制系统结构
　　机器人的各种运动由各个关节轴系完成，机器人控制本质上是对各关节轴系的控制。每个轴系具有一个自由度，可以完成某一方向的转动任务，所有轴系同时协调运动就可以完成相对复杂的动作。国防科技大学机电工程与自动化学院机器人教研室最新研制的仿人步行机器人，其内部各关节结构如图1所示。
　　
　　图1 　机器人内部结构示意图
　　此机器人共有36 个自由度，分布在下肢、上肢、头部和手指等各关节。所有轴系均由PWM 脉冲信号驱动控制，运动控制系统的任务就是对这些关节轴系进行控制，具体由各底层控制器实现。整个控制系统采用分布式控制，在结构上可分为3 个层次，如图2 所示。
　　
　　图2 　运动控制系统结构框图
　　1.1 　主控计算机模块
　　主控计算机就是控制系统的“大脑”和司令部，负责整个系统的在线运动规划、动作及运动控制、语音交互控制、视觉导引控制以及人机交互等功能。主控计算机要求体积小，运算速度快，满足机器人实时控制的要求，通常采用高性能小板工业控制计算机。它通过CAN 总线接口卡连接到通信总线上，与各底层控制器相连并交互信息。
　　1.2 　通信模块
　　机器人控制的信息量大，对通信方面的要求很高，要保证各种信息在控制系统中及时准确的传输，通信工具的选择十分重要，该文选用当前流行的CAN 总线作为通信标准。CAN （Controller Area Net-work） 总线是应用最为广泛的一种现场总线，也是目前为止惟一有国际标准的现场总线。相对于一般通信总线，它的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性，可以满足文中的设计要求。具体连接方式为：主控计算机通过CAN 总线接口卡连接到总线上，各底层控制器通过总线收发器挂接到总线上。只要所有器件都遵守相同的通信协议，就可以稳定可靠的进行信息传输。
　　1.3 底层控制器模块
　　控制器处于整个控制系统的最底层，主要用来控制各运动关节轴系的具体执行过程。控制器接收主控计算机的控制命令对各关节执行轴系进行控制，同时把底层信息反馈给主控计算机，实现大回路反馈，便于主控计算机协调规划，统一管理。控制器是整个控制系统的核心，也是该文研究的重点，它的性能直接关系到机器人运动能力。