基于EtherCAT總線的人形機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余秋蕾，張崇峰，陳 萌，韓亮亮(.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430074；.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海008)

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基于EtherCAT總線的人形機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

余秋蕾1，張崇峰2，陳 萌2，韓亮亮2
(1.華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430074；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海201108)

摘要:針對(duì)傳統(tǒng)人形機(jī)器人控制系統(tǒng)存在的軟硬件模塊化程度低、通訊非實(shí)時(shí)、控制功能有限的問(wèn)題，在分析空間站對(duì)人形機(jī)器人控制系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上，以四核嵌入式控制器為操作平臺(tái)，搭建了基于EtherCAT總線的人形機(jī)器人分布式實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃與決策、數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)通信等功能，具有靈活高效的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、模塊化的軟件架構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)保證了信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性和可靠性，控制的穩(wěn)定性和高精度。

關(guān)鍵詞:人形機(jī)器人；EtherCAT總線；分布式控制系統(tǒng)；四核控制器

1　引言

我國(guó)載人航天工程任務(wù)向更高階段發(fā)展，對(duì)空間操控能力的提高也提出進(jìn)一步需求。利用空間機(jī)器人協(xié)助航天員完成載荷及設(shè)備更換、平臺(tái)巡檢與養(yǎng)護(hù)以及出艙協(xié)同作業(yè)等艙內(nèi)外任務(wù)將成為未來(lái)機(jī)器人應(yīng)用的重要方向。人形機(jī)器人作為具備人類的外形特征和行動(dòng)能力的智能機(jī)器人[1]，在與航天員進(jìn)行交互過(guò)程中，它類人的外形能夠使航天員在交互環(huán)境中更舒適。人形機(jī)器人系統(tǒng)屬于非線性、高耦合系統(tǒng)，在協(xié)助航天員完成復(fù)雜的艙內(nèi)外任務(wù)時(shí)，動(dòng)力學(xué)效應(yīng)多變，機(jī)器人關(guān)節(jié)脆弱、不穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中存在協(xié)調(diào)控制等問(wèn)題[2]，進(jìn)行機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，不僅要滿足控制系統(tǒng)的普適性能，提供靈活、方便的操作方式，以減輕航天員的操作負(fù)擔(dān)，對(duì)控制系統(tǒng)響應(yīng)的快速性、實(shí)時(shí)性和操作的精度、安全可靠性也提出更高要求。

人形機(jī)器人的研究起步于1960年代后期[3]，美國(guó)是世界上研究機(jī)器人航天員最早的國(guó)家，目前已經(jīng)積累了豐富的技術(shù)能力和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，2011年其研發(fā)的機(jī)器人航天員R2已進(jìn)入太空站，主要進(jìn)行一系列微重力條件下的功能測(cè)試工作[3]。日本研發(fā)的首個(gè)能夠進(jìn)行人機(jī)交流的機(jī)器人航天員Kirobo于2013年11月開(kāi)始在太空進(jìn)行人機(jī)對(duì)話試驗(yàn)[3]。俄羅斯研發(fā)的人形機(jī)器人航天員SAR-401能夠執(zhí)行比R2更復(fù)雜的精細(xì)操作，它不是完全自動(dòng)的，而是由工作人員在地面遠(yuǎn)程遙控執(zhí)行任務(wù)[4-6]。它們均采用分布式控制系統(tǒng)，結(jié)合多種交互設(shè)備進(jìn)行控制。

我國(guó)在仿人機(jī)器人方面也做了大量研究，其中部分是進(jìn)行雙足仿人機(jī)器人的研究，但實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作和功能十分有限，自主性不足，軟硬件模塊化程度低，或者系統(tǒng)各層次之間采用非實(shí)時(shí)通訊總線、串口方式進(jìn)行通信，系統(tǒng)達(dá)不到較高的實(shí)時(shí)性和可靠性要求[7-8]，且應(yīng)用于空間操作的人形機(jī)器人系統(tǒng)研究較少。

為此，本文以四核嵌入式控制器為運(yùn)行平臺(tái)，搭建基于EtherCAT總線的空間人形機(jī)器人分布式實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)，以降低底層硬件驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)難度，為軟件總體框架的設(shè)計(jì)提供良好的通信、控制思路，控制算法采用模塊化設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)化重用代碼的編寫(xiě)，節(jié)約系統(tǒng)資源。通過(guò)TwinCAT/ C ++編程結(jié)合Windows非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，縮短系統(tǒng)的控制周期。

2　控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2. 1 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

考慮空間工作環(huán)境的特殊性，控制系統(tǒng)的具體功能分析如下:

1)靈巧、高效的作業(yè)任務(wù)能力。人形機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)具備開(kāi)展通用化、高精度和高靈活性任務(wù)的能力，其工作空間或可達(dá)范圍與航天員相當(dāng)，能夠輔助航天員完成或者自主完成艙內(nèi)周期性的活動(dòng)。

2)多樣化人機(jī)交互方式。航天員可通過(guò)多種人機(jī)交互方式與人形機(jī)器人進(jìn)行自然、直接的交互。

3)實(shí)時(shí)穩(wěn)定的通信方案。系統(tǒng)能夠提供高效實(shí)時(shí)的通信方式，且易于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)拓?fù)洹?/p>

4)安全可靠的控制器。為應(yīng)對(duì)惡劣的空間環(huán)境，機(jī)器人的控制器應(yīng)該保證具有較高的可靠性和安全性，提供多種控制模式接口。

根據(jù)上述功能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，人形機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)采用基于Ether-CAT總線的分布式控制方式，以四核嵌入式PC為控制器操作平臺(tái)，實(shí)時(shí)性高，易于拓展應(yīng)用，各模塊之間通過(guò)接口進(jìn)行連接實(shí)現(xiàn)主從關(guān)系或平行關(guān)系。冗余自由度的雙臂保證機(jī)器人有足夠的操作空間，左臂末端安裝的可變工具集完成規(guī)則對(duì)象的操作，右臂末端的五指靈巧手完成螺釘旋擰、電連接器拆裝等任務(wù)，腰頸關(guān)節(jié)進(jìn)一步擴(kuò)大機(jī)器人的工作范圍。

圖1　控制系統(tǒng)框圖Fig. 1 Block diagram of the control system

從系統(tǒng)框圖可以看出，中央控制器是人形機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心模塊，本文將主要針對(duì)中央控制器模塊的軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行分析與驗(yàn)證。

2. 2 系統(tǒng)組成

基于EtherCAT總線的人形機(jī)器人系統(tǒng)是由遙操作子系統(tǒng)、中央控制子系統(tǒng)和操作環(huán)境等組成的天地半自主服務(wù)體系。其中，中央控制子系統(tǒng)又包括中央控制器和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

遙操作子系統(tǒng)的基本構(gòu)成為上位機(jī)和多種人機(jī)交互設(shè)備，其中，上位機(jī)包括生成指令的遙操作計(jì)算機(jī)與視頻圖像處理的視覺(jué)計(jì)算機(jī)；中央控制子系統(tǒng)控制器采用倍福公司提供的四核控制器，該控制器基于Intel CoreTMi7處理器，主頻2. 1 GHZ。作為中央控制子系統(tǒng)的核心組成，它主要完成指令解析與高速率的數(shù)據(jù)處理，并將處理后的指令數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送至下位機(jī)；驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)是由兩個(gè)7自由度手臂、2自由度腰部、3自由度頸部以及裝有雙目視覺(jué)相機(jī)和深度相機(jī)的機(jī)器人構(gòu)成。

圖2　控制系統(tǒng)組成Fig. 2 Composition of the control system

3　軟件設(shè)計(jì)

中央控制器作為控制系統(tǒng)的核心，對(duì)系統(tǒng)的實(shí)施起決定性作用，也是系統(tǒng)優(yōu)化的主要功能模塊，需要考慮與上位機(jī)、下位機(jī)的通信，機(jī)器人各模塊的任務(wù)規(guī)劃及分配、協(xié)調(diào)控制以及模塊間數(shù)據(jù)交換的安全策略等問(wèn)題。

在前人研究的基礎(chǔ)上，本文采用一種新的機(jī)器人控制器平臺(tái)-倍福四核嵌入式計(jì)算機(jī)，結(jié)合一種新的軟件編寫(xiě)平臺(tái)-TwinCAT3實(shí)現(xiàn)多個(gè)模塊的協(xié)調(diào)任務(wù)操作，結(jié)合高速實(shí)時(shí)現(xiàn)場(chǎng)總線降低底層驅(qū)動(dòng)軟件開(kāi)發(fā)難度，提高網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潇`活性。

中央控制器軟件總體框架如圖3所示。由控制器中單獨(dú)一個(gè)核作為指令接收與解析單位，便于集中控制；為保證雙臂能夠進(jìn)行協(xié)同作業(yè)，分別在其各自核中進(jìn)行任務(wù)規(guī)劃與設(shè)計(jì)。頭腰協(xié)同要求較低、控制算法簡(jiǎn)單，共用一個(gè)核進(jìn)行控制。在TwinCAT3平臺(tái)下，各核分別執(zhí)行三個(gè)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)固定一個(gè)時(shí)間片，即控制周期運(yùn)行，核之間通過(guò)共享內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

圖3　軟件總體設(shè)計(jì)框架Fig. 3 General design frame of the software

從指令發(fā)送-機(jī)器人任務(wù)執(zhí)行-關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)反饋全過(guò)程進(jìn)行分析，對(duì)應(yīng)軟件設(shè)計(jì)框圖中的順序，中央控制器軟件模塊主要實(shí)現(xiàn)六個(gè)功能:

1)通過(guò)與上位機(jī)進(jìn)行通訊接收控制指令，并進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的解析；

2)根據(jù)解析的數(shù)據(jù)進(jìn)行任務(wù)分解和模式控制，即確定采用哪種模式進(jìn)行控制以及采用哪種路徑規(guī)劃算法；

3)為實(shí)現(xiàn)雙臂、雙足、頭頸部、腰部單個(gè)模塊的控制和多個(gè)模塊協(xié)調(diào)控制任務(wù)，系統(tǒng)需要進(jìn)行單腿/單臂路徑規(guī)劃算法、雙腿/雙臂運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)算法、力柔順控制算法、頭腰協(xié)調(diào)控制算法等的算法設(shè)計(jì)；

4)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線將步驟三中解算出的控制指令分別發(fā)送到對(duì)應(yīng)的關(guān)節(jié)控制器中；

5)獲取雙臂、雙足、頭頸部、腰部各關(guān)節(jié)的傳感器信息，包括位置、電流、模擬量等信息，并進(jìn)行信息的管理，返回給中央控制器；

6)中央控制器通過(guò)與上位機(jī)通訊，將組幀后的反饋信息發(fā)送至遙操作端。

從以上分析可以看出，上位機(jī)與中央控制器、中央控制器與下位機(jī)的通訊是指令數(shù)據(jù)接收、解析、發(fā)送以及反饋的前提條件，任務(wù)經(jīng)過(guò)分解及模式識(shí)別后，各模塊的控制算法是下發(fā)控制指令的核心。因此，通訊模塊及控制算法的設(shè)計(jì)即為軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

3. 1 通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

人形機(jī)器人控制系統(tǒng)的通信拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　控制系統(tǒng)通信拓?fù)鋱DFig. 4 Communication topology of the control system

本文主要采用ADS協(xié)議和EtherCAT總線進(jìn)行通信。上位機(jī)和中央控制器之間采用基于TCP/ IP的ADS協(xié)議進(jìn)行非實(shí)時(shí)通訊，該協(xié)議對(duì)Windows Socket類進(jìn)行了再封裝，支持定時(shí)、通知、異步等多種傳輸模式；下位機(jī)與中央控制器端、中央控制器與視覺(jué)控制器之間采用EtherCAT總線進(jìn)行實(shí)時(shí)通訊。EtherCAT具有高速和高效率的傳輸特性，支持多種設(shè)備連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，正因如此，本文的控制系統(tǒng)采用分布式設(shè)計(jì)的方法，形成星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該總線從站節(jié)點(diǎn)使用專門(mén)的控制芯片，主站使用標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)控制器。Ether-CAT刷新周期短，可以達(dá)到小于100 μs的數(shù)據(jù)刷新周期，并且各從站設(shè)備可以達(dá)到小于1 μs的時(shí)鐘同步精度[9-11]。

在TwinCAT3軟件平臺(tái)下，支持EtherCAT總線的設(shè)備可直接通過(guò)控制器進(jìn)行掃描，完成設(shè)備的添加、刪除操作，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的更改；通過(guò)修改EtherCAT總線協(xié)議的對(duì)象字典進(jìn)行與底層設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)連接和對(duì)底層設(shè)備驅(qū)動(dòng)控制。

3. 2 控制算法設(shè)計(jì)

為了保證精度和穩(wěn)定性，在進(jìn)行任務(wù)操作過(guò)程中，本文結(jié)合路徑規(guī)劃、柔順控制、視覺(jué)伺服等多種算法實(shí)現(xiàn)機(jī)器人多臂化操作，在TwinCAT平臺(tái)下，對(duì)控制算法進(jìn)行封裝操作，生成可模塊化調(diào)用的靜態(tài)庫(kù)?？刂扑惴ǖ目驁D如圖5所示。

對(duì)于兩自由度腰部、三自由度頸部，若想到達(dá)笛卡爾空間內(nèi)某一位置，僅存在唯一一組解，對(duì)于七自由度冗余左右臂，則存在無(wú)數(shù)組解使得機(jī)械臂到達(dá)笛卡爾空間內(nèi)指定位置。在執(zhí)行任務(wù)中，主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)為左右臂，輔助機(jī)構(gòu)為腰部和頸部，手臂七自由度反解是本文控制算法設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。

機(jī)器人在執(zhí)行任務(wù)的過(guò)程中，會(huì)與操作環(huán)境發(fā)生接觸，左右手臂之間可能會(huì)產(chǎn)生接觸，較小的位置偏差可能產(chǎn)生較大的接觸力，若不加以控制，會(huì)對(duì)機(jī)器人和末端接觸物體造成損壞，甚至可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰[12]，力控制在人形機(jī)器人控制系統(tǒng)中也是一項(xiàng)非常重要的任務(wù)。

因此，本文主要進(jìn)行七自由度反解和力控制算法的研究。

圖5　控制算法框圖Fig. 5 Block diagram of the control algorithm

3. 2. 1 七自由度反解

目前，進(jìn)行七自由度逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解的方法主要有解析法和迭代法兩種，當(dāng)各關(guān)節(jié)無(wú)限位時(shí)，兩種方法求解效果差別不大，但解析法能夠更快的排除無(wú)效解，縮短計(jì)算時(shí)間，減小空間復(fù)雜度[13]。

本文采用基于臂形角的參數(shù)化方法進(jìn)行各關(guān)節(jié)角的求解，依次求出肘部、腕部和肩部關(guān)節(jié)的角度。軟件控制流程如圖6所示。

臂形角可以確定機(jī)械臂的基本構(gòu)型，實(shí)際求解過(guò)程中，臂形角是一定范圍內(nèi)的變量，既保證了左右臂在關(guān)節(jié)限位條件下有更多可行較優(yōu)解，又避免了由于限位導(dǎo)致的逆解突變，保證了逆解的連續(xù)性。

3. 2. 2 力控制算法

關(guān)節(jié)力矩控制模式復(fù)雜，須各關(guān)節(jié)扭矩傳感器采集數(shù)據(jù)作為檢測(cè)力/力矩是否超限的判據(jù)，保證機(jī)械臂處于安全工作狀態(tài)，主要采用末端的六維力傳感器進(jìn)行阻抗控制。阻抗控制的特點(diǎn)是不直接控制機(jī)器人與環(huán)境的作用力，而是通過(guò)控制力和位置之間的動(dòng)態(tài)關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)柔順功能[14]。首先進(jìn)行重力補(bǔ)償，補(bǔ)償后若末端力/力矩超過(guò)設(shè)定的閾值時(shí)，則進(jìn)行力/力矩控制，然后將力/力矩轉(zhuǎn)換為末端位姿修正值，進(jìn)行位置閉環(huán)控制。阻抗控制的動(dòng)態(tài)關(guān)系方程[14]表示為式(1):

式中: Md為期望的慣性質(zhì)量，Bd為期望的阻尼系數(shù)，Kd為期望的剛度系數(shù)，T為末端各方向力/力矩，xr為實(shí)際的末端各方向位置/姿態(tài)，xd為期望的末端各方向位置/姿態(tài)。

基于阻抗控制的人形機(jī)器人控制器主要有兩種工作模式:手把手示教工作模式與過(guò)程中柔順控制模式。兩種工作模式的軟件控制流程圖如圖7(a)、(b)所示。

圖6　七自由度逆解流程圖Fig. 6 Flow chart of the seven DOF inverse

圖7　力控制流程圖Fig. 7 Flow chart of the force control

手把手示教模式即指機(jī)器人在一個(gè)給定位置進(jìn)入力控制模式，操作人員直接引領(lǐng)機(jī)器人手臂末端，中央控制器采集末端六維力傳感器信息，將操作者所施加力/力矩轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的位置/姿態(tài)大小發(fā)送給底層驅(qū)動(dòng)器，從而驅(qū)動(dòng)各關(guān)節(jié)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，整個(gè)手臂沿操作人員操作方向運(yùn)動(dòng)。該種模式能夠?qū)崿F(xiàn)手動(dòng)對(duì)準(zhǔn)任務(wù)，不需要借助三維模型的測(cè)量即可得出理想操作位置的笛卡爾空間表示，經(jīng)過(guò)一定訓(xùn)練后，并結(jié)合濾波算法，能夠完成路徑復(fù)現(xiàn)功能。

過(guò)程中柔順控制模式即指在機(jī)器人任務(wù)操作過(guò)程中，控制器實(shí)時(shí)地進(jìn)行六維力信息的檢測(cè)，同時(shí)進(jìn)行位置修正，自動(dòng)調(diào)整操作過(guò)程中力/力矩大小，防止其超過(guò)閾值對(duì)機(jī)器人甚至系統(tǒng)造成損傷，當(dāng)檢測(cè)到的力/力矩?cái)?shù)據(jù)超過(guò)一定值時(shí)，機(jī)器人自動(dòng)執(zhí)行緊急停止操作。在這種控制模式下，機(jī)器人能夠自動(dòng)適應(yīng)環(huán)境，避開(kāi)任務(wù)過(guò)程中出現(xiàn)的障礙物，若此時(shí)障礙物對(duì)其產(chǎn)生的作用力過(guò)大，機(jī)器人啟動(dòng)自動(dòng)報(bào)警功能，提醒操作人員關(guān)閉電源，并完成自身緊急停止任務(wù)。

4　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建與結(jié)果分析

4. 1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建

基于本文前三節(jié)的設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的搭建以及軟件實(shí)現(xiàn)，如圖8所示。圖8(a)所示為地面驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，由人機(jī)交互設(shè)備、上位機(jī)、控制計(jì)算機(jī)、下位機(jī)、電源模塊及模擬操作面板等組成。圖8(b)為人機(jī)交互界面，左中右依次為指令發(fā)送、數(shù)據(jù)反饋、虛擬仿真界面。圖8(c)為中央控制器設(shè)置各核任務(wù)執(zhí)行周期及優(yōu)先級(jí)的界面。

4. 2 結(jié)果分析

底層設(shè)備掃描周期為T(mén) =1 ms，在圖8(c)中的TwinCAT3平臺(tái)下設(shè)置控制周期C為T(mén)的整數(shù)倍，當(dāng)C =2 ms時(shí)，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定，當(dāng)C＜2 ms時(shí)，數(shù)據(jù)反饋鏈路阻塞，控制出現(xiàn)中斷，設(shè)置控制系統(tǒng)的周期為2 ms。在控制穩(wěn)定的前提下，驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)算法的有效性，以插孔操作為例，結(jié)合路徑規(guī)劃和阻抗控制算法完成圓孔的柔順插拔，其中，操作圓孔固定在圖8(a)所示機(jī)器人正前方黑色操作面板上。圓孔的直徑為4 cm，為保證效果明顯，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中給定末端y方向1 cm的位置偏差，即目標(biāo)點(diǎn)與圓孔中心在水平方向有1 cm的偏差，圖9所示為末端六維力傳感器在柔順插拔過(guò)程中采集的各方向的力、力矩大小和末端y方向的位置，圖9(d)為規(guī)劃的末端x、z方向位置與運(yùn)動(dòng)過(guò)程中采集的末端x、z實(shí)際位置之間的差值，即末端跟蹤誤差。由圖9(a)～(c)可知，當(dāng)末端力/力矩超過(guò)閾值時(shí)，阻抗控制可以有效修正偏差，使末端所受力/力矩保持在有效范圍內(nèi)，并且使末端到達(dá)規(guī)劃目標(biāo)位置，由圖9(d)可知，末端位置跟蹤誤差控制在1. 5 mm以內(nèi)，一定周期后誤差逐漸減少至接近為零，控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)械臂的實(shí)時(shí)控制。

圖8　實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及軟件界面Fig. 8 Experimental platform and software interface

5　結(jié)論

在分析空間站對(duì)人形機(jī)器人控制系統(tǒng)功能需求的基礎(chǔ)上，本文完成了基于EtherCAT總線的人形機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析與驗(yàn)證，得出以下結(jié)論:

1)EtherCAT總線通信的方式將系統(tǒng)總的控制周期縮短至2 ms，保證信號(hào)采集的實(shí)時(shí)性和控制的穩(wěn)定性。

2)在柔順控制模式下，基于位置的阻抗控制算法能夠?qū)C(jī)械臂與操作對(duì)象的接觸力修正到一定范圍內(nèi)，保證控制的高精度，且避免了運(yùn)動(dòng)過(guò)程中較大接觸力對(duì)機(jī)械臂產(chǎn)生的損壞。同時(shí)，通過(guò)調(diào)整阻抗控制參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人手把手示教功能，節(jié)省了模型測(cè)量時(shí)間。

圖9　實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)信息Fig. 9 The experimental data information

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Control System Design for Humanoid Robot Based on EtherCAT Bus Technology

YU Qiulei1，ZHANG Chongfeng2，CHEN Meng2，HAN Liangliang2
(1. School of MechanicalScience& Engineering of HUST，Wuhan 430074，China；2. Shanghai Aerospace System Engineering Research Institute，Shanghai 201108，China)

Abstract:The control system of the traditional humanoid robot has many problems such as low degree of modularity in software and hardware，non-real-time communication and limited control functions. On the basis of analyzing the function requirements for humanoid robot system in the space station，a distributed control system based on EtherCAT bus for humanoid robot was put forward. It adopted the quad-core embedded controller as its operating platform and achieved the following functions: robot mission planning and decision-making，data management and system communication. The experiment results showed that the system could not only guarantee the real-time and reliability of the signal acquisition process，but also ensure the stability and high precision of the control system.

Key words:humanoid robot；EtherCAT bus；distributed control system；quad-core controller

作者簡(jiǎn)介:余秋蕾(1991 - )，女，碩士，助理研究員，研究方向?yàn)闄C(jī)器人控制。E-mail:yuqiulei@ hust. edu. cn

基金項(xiàng)目:載人航天預(yù)先研究項(xiàng)目(050101)

收稿日期:2015-09-26；修回日期:2015-12-16

中圖分類號(hào):TP39

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1674-5825(2016)01-0016-07