基于ＰＣ／１０４與單片機的仿人機器人控制系統(tǒng)設計

陶　龍　張國良　孫大衛(wèi)

摘 要：為了簡化仿人機器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增強機器人系統(tǒng)的功能。采用PC/104嵌入式系統(tǒng)作為仿人機器的主控計算機，完成圖像處理，做出控制決策，計算并生成運動序列。關(guān)節(jié)控制器選用C8051F310單片機，采用串口與主控計算機通信，接收來自主控計算機的運動序列指令，產(chǎn)生PWM波，經(jīng)過放大電路，實現(xiàn)21路電機的控制。經(jīng)過實驗，得到圖像采集分析結(jié)果和仿人機器人穩(wěn)態(tài)步行。實驗表明，這種控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)仿人機器人的控制。

關(guān)鍵詞：仿人機器人；主控制計算機；關(guān)節(jié)控制器；PWM波

中圖分類號：TP183文獻標識碼：B

文章編號：1004 373X(2009)02 145 03

Design of Humanoid Robot Control System Based on PC/104 and Single Chip Computer

TAO Long,ZHANG Guoliang,SUN Dawei

(Second Artillery Engineering University,Xi′an,710025,China)

Abstract：In order to simplify system structure and strengthen the function of humanoid robot system,embedded PC/104 system is applied as main computer of humanoid robot,which is used to accomplish image processing,make a control decision,calculate and generate movement sequence.The joint controller chooses C8051F310,receives the movement sequence instruction came from main computer,generats PWM wave,the control of 21 load electric circuit is realized by enlarge electric circuit.An analytical result of image collection,and humanoid robot steady on foot are gained by experiment.Results show that this kind of control system can carry out the control of humanoid robot.

Keywords：humanoid－robot;main－controller computer;joint controller;PWM wave

0 引 言

機器人作為一個各學科交叉的復雜系統(tǒng)，越來越多的科研者采用機器人作為實驗平臺，因為它包括機械結(jié)構(gòu)的設計，控制系統(tǒng)的構(gòu)建，信息的采集與處理，運動學和動力學分析，人工智能等多方面知識的融合。仿人機器人從最初簡單模擬人的外形、動作、行走等，逐漸向人的思維、視覺、觸覺、智能等方面轉(zhuǎn)變，這就對機器人整個系統(tǒng)提出了更高的要求，不但要進一步完善機器人的機械結(jié)構(gòu)和安裝，而且要增強控制系統(tǒng)的功能和處理能力。

對于控制系統(tǒng)而言，目前在仿人機器人上常用的控制芯片有DSP，ARM或其他一些單片機等，為了進一步增強機器人的可擴展性，這里采用嵌入式系統(tǒng)PC/104作為機器人的主控制計算機，它具有實時性好，成本低，小型化的優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)的基于單片機控制系統(tǒng)功能不足和基于PC控制系統(tǒng)非實時性的缺點，在仿人機器人應用中具有廣泛前景。

1 仿人機器人結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)

該機器人共有21個自由度，其中頭部2個自由度，可以實現(xiàn)頭部的俯仰和左右偏轉(zhuǎn)，在頭上裝有一個CCD攝像機，并且?guī)в幸曈X采集卡以及視覺處理計算機，能夠?qū)崿F(xiàn)目標的識別和定位，為主控計算機直接提供目標信息。每個手臂3個自由度，能夠完成伸展和彎曲等動作，在機器人摔倒后可以提供支撐力，讓機器人可以自行起立。腰上1個自由度，實現(xiàn)仿人機器人軀干的前傾和后仰，便于機器人在行走或執(zhí)行手上動作時重心的調(diào)節(jié)，增強機器人的可控性和穩(wěn)定性。下肢6個自由度，其中踝關(guān)節(jié)處2個自由度，髖關(guān)節(jié)處3個自由度，與人的腿部結(jié)構(gòu)相似，能夠靈活的完成下肢的各種動作。仿人機器人的整個結(jié)構(gòu)采用框架式結(jié)構(gòu)，有利于減輕機器人結(jié)構(gòu)上的重量，提高機器人的承載能力，為機器人控制系統(tǒng)的改進提供了更大的空間。如圖1所示為仿人機器人實物圖。

仿人機器人控制系統(tǒng)以ACS－4051VEPC/104主板模塊作為主控制器，通過USB直接連接攝像頭，一個RS 232串行口與關(guān)節(jié)控制器相連，實現(xiàn)主控制計算機與關(guān)節(jié)控制器的通信。驅(qū)動模塊和關(guān)節(jié)控制器集成在一個PC板上，主要實現(xiàn)PWM波的產(chǎn)生,驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。ACS－4051VE主板集成了Intel 82559ER10/100 Mb/s以太網(wǎng)卡，外接一個無線網(wǎng)卡可以實現(xiàn)與外部無線網(wǎng)絡的通信。仿人機器人控制系統(tǒng)總體上主要分為2個部分：主控制器模塊和關(guān)節(jié)控制器模塊。它的總體結(jié)構(gòu)實物圖如圖2所示。

2 關(guān)節(jié)控制器的設計

如圖3所示關(guān)節(jié)控制器主要集成了C8051F310器件，它是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU芯片。主要特性有：

(1) 高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP－51內(nèi)核（可達25 MIPS）,70%的指令的執(zhí)行時間為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期,能滿足關(guān)節(jié)控制器的需要。

(2) 有4個通用16位計數(shù)器/定時器,以及16位可編程計數(shù)器/定時器陣列,5個捕捉/比較模塊，29個端口I/O。通過對片內(nèi)進行編程，以及合理地分配比較器與I/O口，實現(xiàn)在C8051F310芯片上產(chǎn)生21路PWM波。由于單片機輸出的是數(shù)字形式的控制量，必須經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換變成模擬控制量，經(jīng)伺服放大器驅(qū)動電機。

在此采用MAXIIM的12位串行D/A芯片MAX531作為數(shù)/模轉(zhuǎn)換芯片，將MAX531工作在雙極性電壓方式下，其輸出模擬量的范圍在-2.048~+2.048 V,精度為1 mV。輸出的模擬量經(jīng)過運算放大器進行放大，進入伺服放大器驅(qū)動電機。

C8051F310作為關(guān)節(jié)控制器控制核心，它主要負責21路PWM的產(chǎn)生,在C8051F310芯片中集成了4個通用的16位計數(shù)器/定時器,5個捕捉/比較模塊，運用1個計數(shù)器/定時器和1個比較模塊控制6路I/O端口，其他3個計數(shù)器/定時器和3個比較器控制15路I/O口，來實現(xiàn)21路PWM波的產(chǎn)生。這里以6路PWM波的產(chǎn)生來說明運用C8051F310實現(xiàn)電路，其電路圖如圖4所示：CEXn引腳產(chǎn)生脈寬調(diào)制PWM輸出，PWM輸出的頻率取決于PCA計數(shù)器/定時器的時基，使用模塊的捕捉/比較寄存器PCA0CPLn改變PWM輸出信號的占空比。當關(guān)節(jié)控制器接收給定的6個電機轉(zhuǎn)動角度序列數(shù)據(jù)后,由軟件將6個數(shù)據(jù)從小到大排列,并依次求出相鄰2個數(shù)的差值,按照最小的數(shù)、前2個數(shù)的差值到最后兩個數(shù)的差值排列好，并將從小到大的數(shù)據(jù)對映的交叉開關(guān)的地址依次對映。

程序?qū)⒌谝粋€最小角度數(shù)放入比較寄存器的低8位PCA0CPLn中，當PCA計數(shù)器/定時器的低字節(jié)（PCA0L）與PCA0CPLn中的值相等時，CEXn引腳上的輸出被置“1”；同時程序?qū)⒌诙€數(shù)據(jù)即差值放入比較寄存器的PCA0CPLn中， PCA計數(shù)器/定時器清零，并將交叉開關(guān)置位到相應的輸出腳，當PCA計數(shù)器/定時器的低字節(jié)（PCA0L）與PCA0CPLn中的值再次相等時，CEXn引腳上的輸出被置“1”，直到這組數(shù)據(jù)完畢。PCA0L中的計數(shù)值溢出，CEXn輸出被復位，準備第二輪的PWM波的產(chǎn)生。

3 實 驗

3.1 圖像采集處理

為了使機器人能夠達到預定目標，必須對軟件系統(tǒng)進行設計規(guī)劃。主控計算機上安裝了WIN98系統(tǒng),圖像采集與處理采用VC進行編程，下面是圖像采集處理的程序運行界面如圖5所示。

3.2 仿人機器人穩(wěn)定步行

運用這種控制系統(tǒng)來實現(xiàn)DF－1仿人機器人行走的控制，通過實驗表明，此系統(tǒng)能夠完成仿人機器的動態(tài)穩(wěn)定行走，圖6是一系列行走連續(xù)行走的截圖。

4 結(jié) 語

基于PC/104嵌入式計算機和 C8051F310 芯片設計了仿人機器人的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了機器人的圖像采集和處理，以及機器人的穩(wěn)定步行。PC/104 嵌入式計算機功能齊備，運算能力強，可擴展性好，作為仿人機器人控制系統(tǒng)有它獨特的優(yōu)點。單片機實現(xiàn)仿人機器人的關(guān)節(jié)控制，由于其計算能力有限，難以實現(xiàn)復雜的控制，因此這種控制系統(tǒng)可以用來作為實驗用和教學用機器人。

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作者簡介 陶 龍 男，1984年出生，碩士研究生。研究方向為仿人機器控制系統(tǒng)。

張國良 男，1971年出生，博士。研究方向為仿人機器人控制系統(tǒng)。

賈 哲 男，1980年出生，碩士研究生。研究方向為仿人機器人傳器系統(tǒng)。