四足仿生机器人关节运动控制器研究与设计

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  [摘 要]仿生机器人是依据仿生学原理,模仿生物结构、运动特性等设计性能优越的机电系统,已逐渐在反恐防爆、太空探索、抢险救灾等复杂任务环境中突显出良好的应用前景。目前国内外有关机器人控制系统存在问题在于设计中通常用AVR系列微控制器 , DSP系列控制器等对机器人系统进行控制。由于四足机器人需要在地面稳定运动,而且对周围环境有很强的适应性,不仅需要实时采集其运动过程中的姿态并且对其做出相应的调整,且需要实时感知足端受到的地面冲击力然后对其控制,而STM32完全满足四足机器人运动控制系统的要求。因此,设计了以其为核心的四足机器人控制系统,并具体地阐述了它的整体设计方案、软件设计与硬件设计,最后通过仿真结果证明该设计能够实现精确、实时控制四足仿生机器人。
  [关键词]仿生机器人;运动控制系统;控制器;STM32;
  中图分类号:TM771 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2017)12-0251-02
  Design and Research of Joint Motion Controller for Four - legged Bionic Robot
  MA Peng-bo
  (School of Information Engineering, Henan Institute of Technology, Xinxiang 453000,China)
  [Abstract]Bionic robot is based on the principle of bionics, imitation of biological structure, sports characteristics and other design performance of the mechanical and electrical system, has gradually in the anti-terrorism explosion, space exploration, disaster relief and other complex mission environment highlights a good application prospects. At present, the problem at home and abroad is that the design of the AVR series of microcontrollers, DSP series controller is difficult to control the small robot system. Because the quadruped robot needs to be stable on the ground and has a strong adaptability to the surrounding environment, it has a higher demand for the volume and weight of the control system, and needs to acquire the attitude of the four steps in real time and make it The corresponding adjustment, and the need for real-time perception of foot impact by the ground and then its control. And STM32 fully meet the quadruped robot motion control system requirements. Therefore, the four-foot robot control system with its core is designed, and its overall design scheme, software design and hardware design are expounded. Finally, the simulation results show that the design can realize the accurate and real-time control of the four-legged bionic robot aims.
  [Key words]Bionic robot; Motion control system;Controller; STM32;
  前言
  隨著机器人技术的迅猛发展,在很大程度上刺激了人们对机器人产品的强烈需求。在这种情况下,设计制造实用性强,劳动效率高,具有较强的环境适应能力的机器人成为主要设计方向。当前,人们所设计的仿生足类机器人能够灵活运动,能够快速地适应各种复杂的作业环境,发展前景非常广阔。仿生四足机器人是一种典型的足式机器人,具有轮式或履带式机器人不可比拟的优势:该类机器人具有对复杂地面的良好适应能力;能够实现机身运动轨迹与足端运动轨迹的有效解耦从而保证机身运动稳定;在合理的步态规划下能够保证功率的最小损耗[1-3]。此外,为保证机器人具有足够的自动化程度,要求机载控制系统能够实时地处理各种复杂环境反馈信息,并能准确地发出控制指令,为了保证机器人达到良好的运动特性,本文分别提出结构类似的分层式的控制体系结构,对控制任务进行分担,提高系统实时性。此外,双足机器人步入四足机器人的承载能力强,后者的稳定性更好。而且四足机器人比六足机器人相比,前者的机构更加简单、能够有效地适应作业环境,具有良好的灵活性[4]。所以,本文以四足类机器人作为自己的研究对象,设计和规划四足机器人的运动控制器。   一、四足机器人的运动控制系统总体设计
  该运动控制系统总体结构设计涵盖了控制协调层、人工智能层与执行层,本设计关键部位(也就是关节运动控制器)处于其中的执行层。人工智能层主要是从宏观上规划机器人的设计,控制协调层借助仿生CPG(中枢模式发生器),对算法进行控制,形成可行性较强的步态,经由CAN总线,向十二个关节运动的相关控制器传输位置信息;控制协调层重点驱动和控制相关的直流电机,以下是它的具体功能:①CAN总线被用于与协调层之间的通信;②借助PWM来控制直流电机的速度和位置;③实现了数字PID控制;④驱动相关电机;⑤对光电编码器的相关反馈信息进行处理;⑥采集来自力传感器的相关信息。它的主要组成部分涵盖了LM629(运动控制芯片)STM32(RAM)与LMD18245(电机驱动芯片)组成[5]。
  RAM是主控制器,能够控制关节的运动状态,它应该做好CAN总线的相关通信任务、完成LM629参数设置、监控相关电机的具体运行状态;LM629运动控制器的精确度比较高,重点做好下列活动:控制数字PID、形成相关的速度梯形图、PWM信号的输出,提供光电编码器接口的四倍频效果[6];LMD18245是功率放大芯片,重點面向中小型直流电机,提供的持续最大输出电流达到了3A,具有良好的过流保护、过热保护与欠压保护性能。
  关节运动控制器的具体作业原理如下所示:CAN总线负责协调层与ARM芯片之间的通信,接收来自协调层的具体关节位置资料,向其反馈诸多关节的具体运动状况、限位开关量与力传感器的相关信息。LM629与STM32通过控制线和数据总线连接起来,向LM629发布相关命令、完成PID参数的设置与运动控制的相关参数,还要从LM629零部件内读取状态和数据信息。LM629按照运动参数自动产生的速度梯形图,控制电机的具体运用速度。光电编码器和此处直流电机中的负载轴联系起来,对负载的具体位置进行检测,也就是机器人关节的具体位置信息;等到编码器通过LM629的四倍频输出相关信号后,及时进行解码,获得位置反馈的具体数值,比较预设值与该值,向数字PID控制器输入它的偏差值,该控制器按照预设的PID参数求出并输出与其相关的方向信号与PWM幅值,对LMD18245输出电压的具体方向与大小进行控制,驱动电机朝着设定的位置运动到相关位置,对电机实施必要的闭环控制[7]。ARM控制芯片按照一定时间采集相关的力传感器信息,向协调层传输这些信息,为形成良好的步态提供有效参考。如果电机运动越过了极限位置,限位开关就会自动闭合,ARM控制芯片应该对这个电机实施紧急刹车。
  二、运动控制器的硬件系统设计
  控制器硬件系统设计主要分为3大部分:主控部分、驱动部分和通信部分。驱动部分负责对机器人舵机的控制。主控部分对机器人进行集中控制,负责机器人四条腿的舵机驱动、响应上位机控制信号。机器人的通信部分采用串口通信,将USART串口连接到RS232总线驱动和接收器TJA1050CAN上,并由其将STM32异步通信口的TTL电平转换为RS232电平,以便于和上位机通信。
  1、主控制器
  首先选择意法半导体公司制造的RAM控制芯片STM32,它一次处理数据宽度达32位,而普通51单片机只能处理8位,STM32的内部RAM和ROM(flash)都比一般单片机大得多,主频也很高,分别达72M和168M因此运算能力要强大的多,外设也比较丰富,定时器多达17个,PWM功能强大,其ADC精度也达到12位,浮点运算单元DSP功能特别是DMA控制器,将CPU从繁忙的数据中转中解脱出来,还有FMSC内存接口它的外部接口也很丰富,多个串口等一应俱全,高档有的还有摄像头接口,网络接口等,采取了STM32的内核结构,它能够快速响应相关的操作指令,在不采取外扩存储器时也能够满足机器人的要求,又能够优化相关的硬件电路,内置相应的CAN控制器,实现了CAN2.0A与CAN2.0B的兼容,能够有效地构造CAN通信网络;I/O接口比较丰富,能够有效地接收模拟量与数字量。
  2、运动控制与驱动模块
  该模块是关节运动控制器中至关重要的模块之一,依次采取了LMD18245与LM629集成芯片,以实现自身的功能,这个应用芯片是高度集成化的,可以简化相应的硬件电路,增强系统自身的稳定性,削减了控制器的重量与体积。在CS=0与PS=0的情况下,STM32变成了LM629写指令,或者从LM629芯片读取状态;在CS=0与PS=1的情况下,STM32能够向LM629写相关的数据,或从LM629芯片中读取相关数据[8]。在LM629进行HI反相后,能够和STM32中的INT0连接起来,LM629的全部中断源都应该借助这个引脚申请相应的中断操作,从单片机中读取相关的状态字,继而确定形成中断的具体中断源之所在,然后借助中断处理程序处理好这个中断问题。LM629中的输出信号是PWM方向信号与幅值信号,通过经光电耦合器的相关隔离后,这些信号依次和LMD18245中的M1~M4与DIR端联系起来,后者按照PWM信号的方向和幅值,对电机的具体运动进行调节和控制[9]。PWM的占空比对电机的转速具有决定性的影响,DIR中的电平对转动的方起决定作用。STM32中的P3.4脚通过相应的光电耦合器的有效隔离后,和BRAKE端联系起来,在这个引脚达到高电平的情况下,LMD18245中的H桥的两端输入开关将负载电流与负载短路迅猛降低到0,让电机停止运转。
  3、通信模块
  关节运动控制器借助了常见的CAN总线通信,它具有简单的结构,较高的可靠性、灵活的通信方式,尤其适用于建立相应的分布式控制系统[10]。CAN通信节点的关键器件涵盖了下列内容:处理器(ARM、DSP、单片机等)、CAN总线的收发器与控制器,具体用途是为了处理器能够协调与控制通信的整个过程;控制器主要是接收和發送相关数据;收发器是物理总线与控制器之前的一个接口,重点是对总线差动的发送与接收能力。STM32中安置了相应的CAN控制器,所以外接CAN总线中的收发器就能够形成所需要的CAN通信节点,本文采取的是菲利普公司生产的TJA1050CAN收发器,它能够在高速模式中正常工作,CAN通信模块借助了非常具有代表性的CAN接口电路[11]。为了增强CAN通信自身的稳定性,打造CAN网络内不同节点之间的电气隔离,在CAN总线的收发器与ARM间添设了相应的6M137(高速光电耦合器),用DC/DC模块对此前及此后的电源进行隔离。   三、运动控制器的软件系统设计
  在设计关节运动控制器的相关软件时,应该做好运动控制、CAN通信与数据采集。在系统上电复位后,能够实施具体的初始化程序,它涵盖LM629与CAN通信等零部件的初始化,在此基础上等着接收协调层的相关数据[12]。为了更好地接收数据,增强系统自身的响应能力而运用了中断模式,先要通过数据处理模块,将这些数据转换为LM629所需要的格式。ARM处理器能够把运动轨迹参数(比如速度、加速度与位置值)和PID数据装载到本系统中的LM629,然后启动运动控制器的电机,电机就能够按照预设速度,运转到预定位置。待电机启动后,ARM处理器就能够搜集和整理来自机器人各条腿的力传感器信息,向协调层发送这些信息,然后等待结束程序或者下次运动。由于采用了运动控制芯片LM629,PID算法、光电编码器的信息处理和PWM波的产生都由硬件完成,大大减少软件设计的工作量。整个软件采用C语言编程,缩短了开发周期,增强了程序的可读性和移植性。
  四、仿真实验结果
  该实验仿真是在Matlab中利用SimMeehanies工具箱进行步态规划仿真分析,并將得到的关节角度数据通过程序烧录到控制板中进行舵机的驱动控制,使机器人按规划的步态进行运动。实验结果表明:机器人在行走过程中机身的横滚角、俯仰角、偏航角(RPY角)变化较小,运动较为平稳,所设计的ARM嵌入式控制系统能较为精确地控制四足机器人运动,实现稳定的四足行走。该设计方案的控制系统具有运算处理速度快、外设可扩展性和存储能力强的优点,满足仿生四足機器人智能算法、低功耗运动要求。
  结语
  四足仿生机器人具有多关节、强耦合、非线性等特点,其运动控制难度较大。本文设计的四足仿生机器人运动控制系统性能可靠,实现了对四足仿生机器人机械系统的实时控制,产生了仿生运动步态,基本达到项目设计要求。从相关实验结果来看,所设计的四足机器人的关节运动控制器具有良好的性能。还能够在其它小型、中型功率的直流电机中运用这个控制器,特别适宜于设计和构造以CAN总线为基础的分布式控制系统,实用性特征非常鲜明。同时,具有一定的扩展能力,可作为递阶分布式控制系统的底层控制器,为四足仿生机器人的后续研究奠定了良好的基础。
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