液壓仿生四足機(jī)器人控制系統(tǒng)研究※

羅慶生，朱立松，牛鍇，司世才

（1.北京理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，北京100081；2.北京理工大學(xué) 機(jī)械與車輛學(xué)院）

引 言

相對(duì)于輪式及履帶式機(jī)器人，足式機(jī)器人對(duì)復(fù)雜地形具有更強(qiáng)的適應(yīng)能力，在搶險(xiǎn)救災(zāi)、物資運(yùn)輸和軍事應(yīng)用等領(lǐng)域有著廣闊的發(fā)展前景。四足機(jī)器人由于具有較強(qiáng)的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和較低的機(jī)構(gòu)復(fù)雜度，得到了人們的青睞，是目前業(yè)界競(jìng)相研究的對(duì)象。筆者所在團(tuán)隊(duì)研制了一款液壓仿生四足機(jī)器人（如圖1所示），該機(jī)器人的每一條腿均含有3個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)，分別是側(cè)擺關(guān)節(jié)、髖關(guān)節(jié)以及膝關(guān)節(jié)。其中側(cè)擺關(guān)節(jié)位于機(jī)體上部，負(fù)責(zé)整條腿的側(cè)擺運(yùn)動(dòng)；髖關(guān)節(jié)和膝關(guān)節(jié)位于其下，實(shí)現(xiàn)大腿和小腿的屈伸運(yùn)動(dòng)。3個(gè)關(guān)節(jié)均為液壓缸驅(qū)動(dòng)，通過(guò)控制液壓缸的行程距離和動(dòng)作時(shí)序來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)步態(tài)，如行走、小跑等。該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)雖不算復(fù)雜，但四足機(jī)器人特有的多關(guān)節(jié)屬性，以及對(duì)機(jī)器人傳感器信息融合、液壓缸伺服精度的特殊要求，使得其控制是一個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題[1]，有必要開(kāi)展系統(tǒng)研究和深入探索。

圖1 液壓仿生四足機(jī)器人

1 機(jī)器人控制系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)液壓仿生四足機(jī)器人的工作特性與設(shè)計(jì)要求，其控制總系統(tǒng)由若干子系統(tǒng)組成。其中的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、位姿估計(jì)子系統(tǒng)、路徑規(guī)劃子系統(tǒng)屬于上層控制系統(tǒng)，主要根據(jù)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)，并對(duì)路徑進(jìn)行規(guī)劃，完成頂層決策控制任務(wù)；而運(yùn)動(dòng)控制子系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)屬于下層控制系統(tǒng)，主要執(zhí)行上層決策控制系統(tǒng)生成的控制參數(shù)，通過(guò)多軸聯(lián)動(dòng)軌跡規(guī)劃、插補(bǔ)運(yùn)算以及對(duì)各個(gè)液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置、速度和壓力伺服控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸的穩(wěn)定控制[2]。

根據(jù)上述控制任務(wù)，首先分析現(xiàn)有機(jī)器人常用控制系統(tǒng)的3種結(jié)構(gòu)形式[3]，即集中控制系統(tǒng)、分布式控制系統(tǒng)和分層式控制系統(tǒng)，了解其使用特性和適用范圍，以確定最終采用哪種控制系統(tǒng)架構(gòu)。集中式控制系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便，但是對(duì)單CPU的性能提出了更高要求，不適合復(fù)雜的控制對(duì)象；分布式控制系統(tǒng)雖然擁有較好的擴(kuò)展性，但是系統(tǒng)卻過(guò)于復(fù)雜；分層控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是層次清晰、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但擴(kuò)展性不好。

液壓仿生四足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)多達(dá)12個(gè)，若要實(shí)現(xiàn)良好的控制，一方面要對(duì)12個(gè)關(guān)節(jié)進(jìn)行準(zhǔn)確高效的控制，另一方面各關(guān)節(jié)之間還要相互協(xié)調(diào)，此外，還要對(duì)各種環(huán)境信息進(jìn)行處理作出反應(yīng)。因此結(jié)合分層控制和分布式控制的優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種復(fù)合控制系統(tǒng)。該復(fù)合控制系統(tǒng)首先依據(jù)功能劃分子系統(tǒng)，再依據(jù)優(yōu)先級(jí)為系統(tǒng)劃分層次，設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 液壓仿生四足機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

具體來(lái)說(shuō)，該系統(tǒng)按照功能分為3個(gè)層級(jí)，決策層和步態(tài)生成層各設(shè)計(jì)一個(gè)CPU，伺服控制器每個(gè)腿各一個(gè)，共4個(gè)。決策層的主要任務(wù)是接收并處理環(huán)境信息，接收操控指令，同時(shí)向步態(tài)生成層發(fā)送命令；步態(tài)生成層的任務(wù)是規(guī)劃?rùn)C(jī)器人步態(tài)，并將生成的相應(yīng)動(dòng)作指令發(fā)送給關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)器；伺服控制器采用分布式結(jié)構(gòu)，用來(lái)驅(qū)動(dòng)各個(gè)液壓缸。

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制芯片選擇

在液壓仿生四足機(jī)器人的控制系統(tǒng)中，決策層需要采集和處理自身及外界的大量信息，同時(shí)還需要根據(jù)環(huán)境實(shí)時(shí)判斷，屬于典型的機(jī)器傳感探測(cè)和伺服控制相互協(xié)調(diào)、并行工作的系統(tǒng)，因此決策層的處理芯片必須具有良好的性能。基于ARM Cortex-A8內(nèi)核的S5PV210芯片具有較高的工作主頻，運(yùn)算功能強(qiáng)大，并且端口豐富，可以十分方便地接入外圍器件，故決策層芯片選擇S5PV210芯片。

步態(tài)生成層需要快速插補(bǔ)，因而需要較高的主頻和位寬，要求具有浮點(diǎn)運(yùn)算單元，以實(shí)現(xiàn)高精度的插補(bǔ)運(yùn)算工作。綜合以上考慮，選擇具有浮點(diǎn)運(yùn)算單元的基于ARM Cortex-M4內(nèi)核的STM32F407芯片。

實(shí)際上，伺服控制器除了滿足實(shí)時(shí)伺服算法所需的運(yùn)算性能開(kāi)銷外，還需要具有盡可能功能強(qiáng)大的片上外設(shè)，如12位、8通道、1 MHz采樣頻率的高性能ADC，功能完善的定時(shí)器，以及豐富且響應(yīng)靈活的中斷資源。STM32F407能滿足伺服控制器的要求，故伺服控制層也選擇STM32F407[4]。

2.2 通信接口設(shè)計(jì)

控制層到步態(tài)生成層（主通信接口）用于機(jī)器人下位機(jī)主控進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、接收動(dòng)作指令信息、反饋工作狀態(tài)。本接口屬于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)接口，不需要考慮接口的總線特點(diǎn)。常用的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式主要包括UART、SPI、USB和Ethernet。上述幾種的信號(hào)傳輸接口的各自性能比較略——編者注，綜合比較，本文選擇Ethernet作為通信方式。

伺服總線接口是指由步態(tài)生成層到伺服控制器的接口，主要職能是向4個(gè)伺服驅(qū)動(dòng)器傳輸各液壓伺服指令和向上反饋各液壓伺服單元的工作狀態(tài)，因此該總線接口需要具備一對(duì)多的特性。常用的總線主要包括I2C總線、RS422/485串行通信總線、SPI總線、CAN總線、以太網(wǎng)，各種總線技術(shù)的特性對(duì)比略——編者注，綜合比較，本文選擇CAN總線為系統(tǒng)的伺服總線。

CAN總線設(shè)計(jì)電路如圖3所示[5]。

圖3 CAN總線電路設(shè)計(jì)

2.3 伺服閥控制接口和傳感反饋接口電路設(shè)計(jì)

液壓仿生四足機(jī)器人所配置的伺服控制器具有相應(yīng)物理量的傳感檢測(cè)信號(hào)采集接口（如液壓缸位置傳感器、流量傳感器、油壓傳感器、溫度傳感器等），現(xiàn)場(chǎng)傳感器的信號(hào)都可以在傳感器選型階段指定為0～10 V電壓型和4～20 m A電流型。為了接口兼容，所選傳感器信號(hào)在接入伺服控制器之前都預(yù)先調(diào)理為0～10 V電壓型信號(hào)。對(duì)應(yīng)傳感反饋接口，即為0～10 V電壓信號(hào)采集接口。本接口使用STM32F407的片內(nèi)12位高速ADC來(lái)實(shí)現(xiàn)[6]，配合集成運(yùn)算放大器搭建阻抗和信號(hào)匹配電路，實(shí)現(xiàn)采集功能，原理圖如圖4所示。

圖4 伺服閥控制接口

本電路的功能有兩個(gè)，即阻抗匹配與電壓匹配。第一，將SA＿IN1端輸入的電壓信號(hào)進(jìn)行一級(jí)電壓跟隨放大，降低電壓型傳感器的輸出阻抗，進(jìn)行阻抗匹配；第二，通過(guò)在運(yùn)放輸出端配置電位計(jì)R10和1 kΩ電阻R11，通過(guò)分壓設(shè)計(jì)將輸出電壓由0～10 V轉(zhuǎn)換為0～3 V，匹配MCU ADC 0～3.6 V輸入電壓范圍。如果通過(guò)簡(jiǎn)易增益后阻抗仍然不匹配，可在原輸出級(jí)再加入一級(jí)跟隨放大器，進(jìn)一步降低輸出阻抗。

在A/D采樣部分中，系統(tǒng)伺服頻率為1 kHz，傳感器采樣頻率選擇10 kHz以上，才能有效還原目標(biāo)信號(hào)，再加大一個(gè)數(shù)量級(jí)，用以對(duì)采樣結(jié)果進(jìn)行數(shù)字濾波，傳感器采樣頻率確定為100 kHz，STM32F407片內(nèi)ADC采樣頻率為2.4 MHz，可以滿足指標(biāo)要求。使用DMA進(jìn)行連續(xù)數(shù)據(jù)采樣，可以在一個(gè)伺服周期讀取全部緩存樣本進(jìn)行數(shù)字濾波，節(jié)約CPU時(shí)間資源。

液壓仿生四足機(jī)器人的電液伺服系統(tǒng)使用國(guó)內(nèi)某公司提供的HY130電液伺服閥，該伺服閥為噴嘴擋板兩級(jí)放大伺服閥，其電機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置為力矩馬達(dá)，由力矩馬達(dá)驅(qū)動(dòng)噴嘴擋板放大級(jí)，然后驅(qū)動(dòng)功率級(jí)四邊閥閥芯。力矩馬達(dá)線圈內(nèi)阻為80Ω，滿偏驅(qū)動(dòng)電流為40 m A。

伺服閥控制接口是電液伺服控制系統(tǒng)的輸出端，輸出一個(gè)電流信號(hào)到伺服閥輸入級(jí)力矩馬達(dá)線圈，產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)力矩，改變伺服閥前級(jí)噴嘴擋板閥的噴嘴間隙，通過(guò)液壓放大作用，驅(qū)動(dòng)伺服閥功率級(jí)四邊閥閥芯移動(dòng)，最終改變出油方向和流量，推動(dòng)液壓缸以一定的速度向有桿腔或無(wú)桿腔方向移動(dòng)。伺服閥控制接口的任務(wù)就是在精度要求內(nèi)，輸出符合伺服閥輸入范圍的電流。STM32F407具有內(nèi)部的DAC，但是只有兩個(gè)通道，無(wú)法滿足本系統(tǒng)每個(gè)伺服控制器3通道輸出、控制機(jī)器人每條腿3個(gè)液壓缸的任務(wù)需要，因此本設(shè)計(jì)使用具有獨(dú)立外部DAC的DAC8565，支持4通道模擬輸出。DAC8586電路略——編者注。

通過(guò)DAC直接輸出的是高輸出阻抗、缺乏推挽能力的電壓信號(hào)，還需要經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器降低輸出阻抗，并設(shè)計(jì)恒流源，將電壓輸出形式轉(zhuǎn)換為電流輸出形式，直接驅(qū)動(dòng)伺服閥輸入級(jí)。同時(shí)伺服閥控制需要雙向電流，放大電路不僅需要進(jìn)行功率放大，還要將DAC輸出的直流電壓轉(zhuǎn)換為電流，原理圖如圖5所示。

至此，機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件部分設(shè)計(jì)完成，未經(jīng)包裝的PCB電路板略——編者注。

圖5 電壓轉(zhuǎn)電流電路

3 機(jī)器人軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

液壓仿生四足機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示，根據(jù)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)分為決策層、步態(tài)生成層、伺服控制器3個(gè)部分。決策層采集環(huán)境信息，生成決策，向下發(fā)送命令。步態(tài)生成層部分主要包括軌跡規(guī)劃算法（位置、速度插補(bǔ)）、工作狀態(tài)分析處理；伺服控制器共有4個(gè)，主要負(fù)責(zé)伺服控制算法，參數(shù)自整定及模糊自適應(yīng)PID算法，傳感器信號(hào)采集處理3個(gè)部分以及伺服總線驅(qū)動(dòng)、伺服閥控制接口驅(qū)動(dòng)、傳感器反饋接口驅(qū)動(dòng)等硬件驅(qū)動(dòng)。

圖6 軟件功能圖

3.2 決策層系統(tǒng)平臺(tái)選擇

液壓仿生四足機(jī)器人的控制系統(tǒng)包含多個(gè)子系統(tǒng)，涉及分布式多傳感器信息采集、算法實(shí)現(xiàn)、數(shù)據(jù)通信等，屬于多任務(wù)、高復(fù)雜性的系統(tǒng)，并且任務(wù)間需要相互協(xié)調(diào)。同時(shí)，平臺(tái)對(duì)實(shí)時(shí)性提出很高要求，以滿足平臺(tái)工作時(shí)對(duì)外界激勵(lì)的快速響應(yīng)。

采用無(wú)操作系統(tǒng)平臺(tái)的方式開(kāi)發(fā)控制軟件，在多任務(wù)管理、事件管理等方面存在不足，因而采用多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS），以分時(shí)方式運(yùn)行多個(gè)任務(wù)，根據(jù)任務(wù)之間的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行切換。實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是能夠管理多個(gè)任務(wù)，具有高實(shí)時(shí)性，當(dāng)外界事件或數(shù)據(jù)產(chǎn)生時(shí)，能夠迅速接收，且控制系統(tǒng)能夠迅速作出響應(yīng)，從而保證平臺(tái)的高效可靠工作。目前，實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)主要有QNX、Linux、μC/OS-II、Vx Works等[7]。

綜合考慮，采用Linux作為嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，在該系統(tǒng)平臺(tái)上開(kāi)發(fā)相關(guān)軟件，不但能滿足整個(gè)控制系統(tǒng)軟件平臺(tái)性能要求，而且會(huì)大大縮短開(kāi)發(fā)周期。

3.3 其他軟件說(shuō)明

步態(tài)生成層在接收到?jīng)Q策層命令之后，生成步態(tài)，然后根據(jù)步態(tài)原始數(shù)據(jù)按照次樣條曲線進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算。將數(shù)據(jù)通過(guò)CAN總線送達(dá)伺服控制器，伺服控制器通過(guò)參數(shù)自整定對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)進(jìn)行測(cè)試，修改PID參數(shù)，模糊自適應(yīng)PID可以對(duì)這個(gè)非線性、參數(shù)時(shí)變的系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定控制。同時(shí)伺服控制將采集到的傳感器信息再逐級(jí)返回到?jīng)Q策層，供決策層決策。

4 機(jī)器人控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

為了測(cè)試機(jī)器人控制系統(tǒng)的性能，分別進(jìn)行了倒置的半體節(jié)實(shí)驗(yàn)和整體性能實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)中模擬整個(gè)通信過(guò)程，使用PC機(jī)發(fā)送運(yùn)動(dòng)指令，決策層接收命令后向下發(fā)送給步態(tài)生成層，步態(tài)生成層對(duì)步態(tài)插補(bǔ)，再向下發(fā)送給伺服驅(qū)動(dòng)器。同時(shí)伺服控制器采集液壓缸位置信息，再逐級(jí)上傳給PC，保存數(shù)據(jù)以便后期分析。

4.1 機(jī)器人半體節(jié)實(shí)驗(yàn)

為了給機(jī)器人整機(jī)實(shí)驗(yàn)積累經(jīng)驗(yàn)，首先進(jìn)行機(jī)器人半體節(jié)的倒置實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)的目的是驗(yàn)證通信是否通暢和了解機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)的能力。實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景略——編者注。機(jī)器人半體節(jié)實(shí)驗(yàn)表明，控制系統(tǒng)的通信十分通暢，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)亦能滿足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)要求。

4.2 機(jī)器人整體性能實(shí)驗(yàn)

在進(jìn)行機(jī)器人半體節(jié)試驗(yàn)后，開(kāi)始對(duì)控制系統(tǒng)整體性能進(jìn)行全面檢驗(yàn)，將控制系統(tǒng)搭載在四足機(jī)器人身上，為了安全防護(hù)，特別設(shè)計(jì)了一個(gè)支架裝置，圖略——編者注，機(jī)器人在15 MPa壓力，按1 Hz的步頻進(jìn)行對(duì)角小跑實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人以小跑步態(tài)順暢運(yùn)動(dòng)，控制系統(tǒng)能夠滿足四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)要求。

結(jié) 語(yǔ)

根據(jù)液壓仿生四足機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、作業(yè)條件和工作特性，設(shè)計(jì)了一種分層和分布式系統(tǒng)相結(jié)合的控制系統(tǒng)架構(gòu)。液壓仿生四足機(jī)器人半體節(jié)和整機(jī)的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)器人能以給定步態(tài)順暢運(yùn)動(dòng)，充分表明所研究的控制系統(tǒng)能滿足四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)要求。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見(jiàn)本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

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