基于DSP和FPGA的欠驅(qū)動靈巧手控制系統(tǒng)設(shè)計

孫愷，張劼，何廣平，陸震

(1．北方工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100144;2．北京航空航天大學(xué)自動化科學(xué)與電氣工程學(xué)院，北京 100191)

0 前言

欠驅(qū)動多指靈巧手是一類典型的新型仿人手，它在結(jié)構(gòu)設(shè)計上采用了欠驅(qū)動原理，使其驅(qū)動單元數(shù)目少于機構(gòu)自由度數(shù)目，它相對于全驅(qū)動靈巧手具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、控制相對較易、體積較小、質(zhì)量較輕等優(yōu)勢，而且這類機器人手操作靈活，自適應(yīng)能力較強，能夠完全包絡(luò)被抓取物，抓持性能良好［1-2］。目前，許多結(jié)構(gòu)和功能各異的欠驅(qū)動靈巧手已被逐漸廣泛應(yīng)用于殘疾人假肢、航空航天等相關(guān)領(lǐng)域，具有較好的應(yīng)用前景。

為了保證欠驅(qū)動靈巧手在操作和抓持各類物體時的運動特點和功能要求，解決其軌跡規(guī)劃非完全可控［3］等問題，欠驅(qū)動靈巧手控制系統(tǒng)應(yīng)具備足夠的自動化程度，針對被抓持物體的不同類別和特點，可以準(zhǔn)確協(xié)調(diào)多指抓持過程的運動特性，快速反饋抓持過程中的具體復(fù)雜信息，具有較為靈敏的手指感知功能，能夠?qū)崟r地進行精確高效的控制，確保抓持和操作物體的可靠性和穩(wěn)定性［4-6］。以往基于欠驅(qū)動原理設(shè)計的靈巧手控制系統(tǒng)在實現(xiàn)的技術(shù)手段上具有一定的局限性，存在一定程度的能量耗散和系統(tǒng)運行不穩(wěn)定。針對以上相關(guān)問題，結(jié)合所研制的欠驅(qū)動多指靈巧手樣機的運動特性和任務(wù)要求，提出了基于DSP和FPGA主從結(jié)構(gòu)的復(fù)合式遞階控制系統(tǒng)，并探索了基于遺傳算法的最優(yōu)抓持運動規(guī)劃問題，軟件部分采用模塊化思想設(shè)計，最后進行了相關(guān)實驗驗證，保證了控制系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性和響應(yīng)快速性。

1 欠驅(qū)動靈巧手機械結(jié)構(gòu)

欠驅(qū)動多指靈巧手機械結(jié)構(gòu)包括腱、手指、掌部和內(nèi)部傳動等部分，如圖1所示。靈巧手手指均采用腱和滑輪的結(jié)構(gòu)傳遞運動和動力，每只手指均分別由一個電機獨立驅(qū)動，從而使3個關(guān)節(jié)依次耦合運動，同時通過對多個電機的有效協(xié)調(diào)控制和手指壓力信息的采集，最終完成整手的穩(wěn)定彎曲和伸展動作，形成自適應(yīng)包絡(luò)抓持、操作各類不同物體。

圖1 欠驅(qū)動多指靈巧手

2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

欠驅(qū)動多指靈巧手由于其運動特性和任務(wù)要求，除了需要對各個被動關(guān)節(jié)有效的控制之外，還需要對各手指的力/位置和整手多指的協(xié)調(diào)運動進行實時準(zhǔn)確控制，為了滿足上述要求，控制系統(tǒng)采用了主從控制和自主控制相結(jié)合的復(fù)合式遞階控制體系結(jié)構(gòu)，整個系統(tǒng)由3個分層構(gòu)成，依次是上位機終端決策層、多指協(xié)調(diào)運動層和底層控制層，如圖2所示。上位機終端決策層通過USB總線與多指協(xié)調(diào)運動層交互通信，實時獲取采集到的靈巧手運動、傳感器信號等信息，同時遠程監(jiān)控靈巧手運行狀態(tài)，并根據(jù)所獲取的各類信息完成對靈巧手運動軌跡的規(guī)劃和自動調(diào)整。多指協(xié)調(diào)運動層負責(zé)整體協(xié)同工作和信息的反饋。底層控制層主要針對被動關(guān)節(jié)的運動控制和手指壓力信息采集，該層接受來自上層的運動指令完成對電機的伺服控制，精度較高，具體負責(zé)控制器底層行為。

圖2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

3 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

上位終端決策層主要用于抓持運動整體規(guī)劃和自動調(diào)整，它負責(zé)發(fā)出各類單指或多指運動的控制指令，能夠顯示各種狀態(tài)信號的監(jiān)控，包括:單指和多指的運行狀態(tài)、伺服系統(tǒng)運動參數(shù)(目標(biāo)速度、絕對位置、位置偏差、電流)，壓力傳感器信息、各類報警情況等，同時還可以設(shè)置相關(guān)參數(shù)(如指端壓力閾值、位置零位等)，以及調(diào)試運行和緊急制動。

由于多指協(xié)調(diào)運動層直接控制底層設(shè)備，它負責(zé)協(xié)調(diào)具體的抓持、操作運動，往往需要有較高可靠性、實時性和靈活性，因此該層采用了DSP和FPGA相結(jié)合的主從結(jié)構(gòu)模式，硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 多指協(xié)調(diào)運動層硬件結(jié)構(gòu)圖

微處理器選用的是某公司的TMS320F28335，其增加了浮點運算內(nèi)核，內(nèi)部資源豐富，主頻可達150 MHz，具有更強大的數(shù)據(jù)處理能力，同時提供了豐富的片內(nèi)外設(shè)資源和各類接口，如增強型ePWM、A/D等，能夠為控制器算法的實現(xiàn)提供可行的硬件基礎(chǔ)，特別是適合于底層電機控制，滿足抓持任務(wù)要求。FPGA由于其強大的邏輯處理和并行數(shù)據(jù)處理能力，能夠較好地滿足設(shè)計任務(wù)要求，該控制系統(tǒng)選用的是CycloneⅣ系列的EP4CE6E22C8，其內(nèi)部具有豐富的邏輯資源。在設(shè)計中，F(xiàn)PGA用來實現(xiàn)DSP外圍的譯碼電路和位置信息保存，其內(nèi)部設(shè)計了正交解碼(QEP)鑒相和計數(shù)電路，DSP可通過外部存儲器總線EMIF與FPGA進行通信，讀取FPGA對電機編碼器脈沖信號處理完成后所獲得的計數(shù)器數(shù)據(jù)，可用于伺服電機運動信息的獲取，便于協(xié)調(diào)控制。

該層還外擴了SRAM和Flash，用于大容量存儲數(shù)據(jù)，USB接口用于與上位終端層通信，232串口和485串口分別用于軟件調(diào)試和預(yù)留接口，JTAG用于程序下載和仿真，蜂鳴器用于錯誤信息的報警。

底層控制層是整個控制系統(tǒng)設(shè)計中最為基礎(chǔ)和關(guān)鍵的部分，其主要用于靈巧手手指關(guān)節(jié)驅(qū)動和指端壓力信號的采集，完成穩(wěn)定地抓持、操作各類物體，如圖4所示。對于伺服電機控制，微處理器DSP具有增強型PWM(ePWM)模塊，該模塊中的每個完整的PWM通道都是由兩個PWM輸出組成，并配有硬件擴展模塊HRPWM(高精度脈沖寬度調(diào)制器)，因而能夠產(chǎn)生足夠的PWM信號控制直流伺服電機。為了提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，伺服電機驅(qū)動芯片采用某公司的LP6206PD芯片，同時在處理器和電機驅(qū)動芯片之間采取了光耦隔離和整形，提高了抗干擾能力。直流伺服電機集成了光電編碼器，編碼器信號隨著電機的轉(zhuǎn)動輸出三對差分信號，通過芯片AM26LS32的信號處理，三對差分信號變?yōu)槿访}沖信號(即A信號、B信號、C信號)，這三路脈沖信號輸入至FPGA內(nèi)部單元設(shè)計的解碼電路(QEP)中，完成伺服電機轉(zhuǎn)速信息的采集工作，并把結(jié)果保存在FPGA內(nèi)部寄存器中，DSP再由EMIF總線與FPGA進行通信，讀取寄存器數(shù)據(jù)。在設(shè)計中，還對伺服電機電流進行了采樣，最終完成對電機電流環(huán)的有效控制。對于指端壓力信息采樣，使用了高精度的壓阻式傳感器FSR系列，該傳感器增強了指端對抓取物體壓力的感知能力，壓力信號通過鉗位、運放等調(diào)理電路和RC濾波后被采樣，由DSP內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，提供給微處理器，實現(xiàn)對指端壓力信息的實時控制，使指端壓力不超過設(shè)定的閾值。

圖4 底層控制層硬件結(jié)構(gòu)圖

控制系統(tǒng)的通信模塊主要用于上位終端層與多指協(xié)調(diào)運動層間的指令傳輸和信息反饋，根據(jù)欠驅(qū)動靈巧手仿人抓持物體的實際工作環(huán)境和較多的控制信息，采用了USB總線協(xié)議作為通信標(biāo)準(zhǔn)，USB總線具有較高的傳輸效率，提高了靈巧手工作的可靠性。芯片采用的是FT245RL，DSP輸出使能信號和讀寫信號(由片選信號通過74HC1G02GV處理得到)，同時在設(shè)計中也使用了NUP2105L防ESD干擾。

4 控制系統(tǒng)軟件及算法設(shè)計

控制系統(tǒng)軟件部分采用了模塊化設(shè)計思想，其關(guān)鍵在于底層運動控制部分，電機的運動狀態(tài)和指端壓力信息的反饋直接影響欠驅(qū)動靈巧手能否穩(wěn)定抓持物體，控制系統(tǒng)各層軟件的設(shè)計采用自底向上的原則。根據(jù)抓持任務(wù)，底層軟件可具體劃分為位置信息保存(包括初始零位信息)、USB和串口通信、電機運動PID控制、抓持、放松回零、抓持力控制等主要功能模塊，空間任意位置均可設(shè)置為指節(jié)初始零位，電機電流環(huán)的錯誤處理單元能有效地避免指節(jié)的“彈射”現(xiàn)象所產(chǎn)生的抓持失效和電機堵轉(zhuǎn)，數(shù)字式PID可較好地實現(xiàn)關(guān)節(jié)位置的閉環(huán)控制，力控制模塊能有效地監(jiān)測指端壓力閾值。上位機軟件負責(zé)與下層交互通信，獲取運動狀態(tài)、傳感器壓力反饋信息，完成系統(tǒng)監(jiān)控和運動規(guī)劃的軟件調(diào)整。圖5所示為底層運動具體的軟件控制流程。

圖5 底層運動控制軟件流程圖

靈活有效的抓持規(guī)劃算法是決定整個系統(tǒng)是否穩(wěn)定的關(guān)鍵因素，抓持的目的在于通過接觸點將外部的力與運動傳遞給被抓持物體，使物體受力平衡，能夠?qū)崿F(xiàn)相關(guān)預(yù)期操作。文中所述的欠驅(qū)動靈巧手采用腱式結(jié)構(gòu)設(shè)計，可實現(xiàn)對被抓持物體的包絡(luò)抓取，該問題可抽象為一個特殊的車間作業(yè)調(diào)度問題(JSSP)，因此可采用基于遺傳算法(GA)來對欠驅(qū)動靈巧手進行近似的最優(yōu)抓持運動規(guī)劃［7］。

車間作業(yè)調(diào)度問題是一類滿足任務(wù)配置和順序約束要求的資源分配問題［8］，也是約束組合優(yōu)化和典型NP難問題。文中所提出的特殊車間作業(yè)調(diào)度問題可以用以下數(shù)學(xué)模型描述:

設(shè)有M臺設(shè)備，N個工件，每個工件包含一道或者多道工序，工件的工序順序預(yù)先確定，所有的工件均有相同的加工順序，每臺設(shè)備只能加工一個工序，不同的設(shè)備對不同的工序加工性能和時間不一致，加工一旦開始無法中斷，工件間具有相同的優(yōu)先級，使得在滿足性能指標(biāo)的情況下，能夠確定每個工序合適的加工設(shè)備和最短的全部工件加工時間。

結(jié)合具體的欠驅(qū)動靈巧手抓持運動特性，即:手指各個關(guān)節(jié)依次運動，各指節(jié)依次接觸被抓物表面的適宜點，從而實現(xiàn)包絡(luò)抓持，文中所提出特殊的車間作業(yè)調(diào)度問題和欠驅(qū)動靈巧手抓持運動特性的映射關(guān)系如表1所示。

表1 映射關(guān)系

其中，上表所述的適宜接觸點需在考慮具體的操作任務(wù)的情況下，借用文獻［9］相關(guān)算法來實現(xiàn)，文獻［9］給出了在考慮實際被抓物體的重力和慣性等因素下，能夠進行穩(wěn)定抓持的指尖接觸點所滿足的條件;抓持穩(wěn)定則可通過力封閉和最短的抓持運動時間等指標(biāo)進行評價。

在欠驅(qū)動包絡(luò)抓持規(guī)劃算法設(shè)計上，采用了遺傳算法(GA)尋求該問題的最優(yōu)近似解，主要的遺傳操作包括:復(fù)制、交配、變異。針對文中所提出基于實際靈巧手工作特性的特殊JSP問題，首先要解決染色體編碼問題，可將工件(靈巧手手指)的工序(手指關(guān)節(jié))作為基因元素，從而得到編碼空間的染色體。選擇算子采用輪盤賭選擇方法，在交叉操作中采用文獻［10］所提出的單點順序交叉算子，變異算子采用逆序變異的方法，適應(yīng)度函數(shù)的變換式為F(x)=Cmax－f(x)，f(x)表示作業(yè)加工最短時間，最后再進行抓持穩(wěn)定性(力平衡)準(zhǔn)則判斷。相關(guān)仿真參數(shù)設(shè)置為:種群規(guī)模m=30，交叉概率Pc=0．75，變異概率Pm=0．05，進化代數(shù)為150，模擬的結(jié)果表明:該算法能夠趨近欠驅(qū)動靈巧手的近似最優(yōu)抓持運動規(guī)劃，且算法能夠較好地收斂。

5 控制系統(tǒng)抓持測試實驗

根據(jù)欠驅(qū)動靈巧手抓持運動性能的要求，搭建了系統(tǒng)硬件平臺進行抓持測試實驗，測試過程如下:上位機終端設(shè)定測試初值，協(xié)調(diào)層接收控制命令，驅(qū)動底層電機的具體運動，同時反饋給上位機終端實時顯示，完成對系統(tǒng)的控制和監(jiān)測，測試結(jié)果表明:底層控制層能夠較好地完成運動指令，響應(yīng)迅速，欠驅(qū)動靈巧手能夠穩(wěn)定地完成抓持各類物體。上位機界面如圖6所示，部分抓持效果如圖7所示。

圖6 上位機界面

圖7 抓持效果實驗

6 結(jié)論

基于欠驅(qū)動原理設(shè)計的靈巧手系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，根據(jù)抓持運動特性設(shè)計的復(fù)合式階梯控制系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、響應(yīng)迅速、可靠性高等特點，該系統(tǒng)充分利用了處理器性能和外設(shè)資源，軟件采用了模塊化思想，近似最優(yōu)抓持規(guī)劃問題應(yīng)用了遺傳算法，降低了系統(tǒng)復(fù)雜度，有效提高了靈巧手指節(jié)運動效率。通過相關(guān)抓持物體測試實驗，說明了該系統(tǒng)能夠滿足欠驅(qū)動靈巧手抓持運動的控制要求。

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