基于DSP仿人機器人關節控制器設計

單琳娜,姜重然,陳文平

摘 要:在具有32自由度仿人機器人中,為了每一個關節動作準確,可以采用分布式控制的體系結構。這里采用基于RS 485總線的TMS320F240DSP作為分布式關節控制器,非常適合于在機械臂內的狹小空間內安裝,并進行增量碼盤和速度檢測電路的設計以及相應的軟件設計等,完成了6個自由度機械臂分布式關節控制器設計,能夠滿足仿人機器人技術與系統的運動軌跡的要求。

關鍵詞:仿人機器人;關節控制器;分布式控制系統;DSP

中圖分類號:TP24文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2009)20-029-03

Design about Joint Controller of Humanoid Robot Based on DSP

SHAN Linna,JIANG Chongran,CHEN Wenping

(School of Information and Electronic Technology,Jiamusi University,Jiamusi,154007,China)

Abstract:Distributed control system structure could be adopted in humanoid rodot with 32 degrees of freedom to ensure motion accuracy of each joint.TMS320F240DSP based on RS 485 bus is adopted as the joint controller,which is quite suit to be installed in the narrow space inner mechanical arms.The circuits of incremental discs and speed detection together with their respective applications are designed.The accomplishment of distributed controller for 6 degrees of freedom mechanical arms fulfills the trajectory requirement of humanoid robot qualification and the system.

Keywords:humanoid robot;joint controller;distributed control system;DSP

0 引 言

仿人機器人具有可移動性,具有很多的自由度,包括雙臂、頸部、腰部、雙腿等,可以完成更復雜的任務,這些關節要連接在一起,進行統一的協調控制,就對控制系統的可靠性、實時性提出了更高的要求[1] ,以往采用的集中控制系統,控制功能高度集中,局部的故障就可能造成系統的整體失效,降低了系統的可靠性和穩定性,因此考慮采用分布式的控制系統來實現系統的控制功能[2,3]。

考慮到機械臂控制系統控制算法的計算量以及多軸協調控制等問題,采用基于RS 485總線的分布式控制的體系結構,見圖1所示。運動規劃算法由主計算機來實現[4],同時主計算機還將通過RS 485總線與各關節控制器通信,負責各關節控制器的協調工作。每個關節控制器和一臺電機、驅動器、檢測反饋裝置等構成一個位置伺服系統,負責機械臂某一個關節變量的具體控制任務[5-7]。

圖1 分布式控制系統結構框圖

1 仿人機器人分布式控制器的硬件設計

1.1 關節控制器硬件電路設計

該設計選用TI公司的2000系列DSP TMS320F240作為控制單元。其時鐘頻率可達20 MHz,具有高速的處理能力,片內資源豐富,特別是它特有的內置事件管理器模塊,使其在電機控制領域具有非常廣泛的應用。該芯片本身尺寸很小,需要外擴的資源不多,節省了電路板的空間。關節控制器硬件電路原理圖框圖如圖2所示[8,9]。

1.2 電機驅動器的接口電路

驅動器的控制模式可以分為兩種:速度控制模式和位置控制模式(通常用電位器作為電機的位置傳感器)。這里采用它的速度控制模式,輸入的指令信號是0~10 V的模擬量。因此需要用D/A轉換電路,把DSP輸出的數字量給定轉變為模擬信號,電路圖如圖3所示。DAC7621為12 b并行輸入的D/A轉換器,它內置參考源,輸出范圍:0~4.095 V。它的12位輸入接DSP數據總線中的D0到D11。它的片選輸入管腳可以接DSP的I/O控制線/IS。為了得到0~10 V的模擬信號,還要利用LM358中的一片運算放大器構成的同相比例放大電路,把0~4.095 V的信號放大2.5倍。

圖2 關節控制器硬件電路原理圖框圖

圖3 D/A轉換以及同相比例放大電路

如果驅動和控制器不進行隔離,尖峰將破壞控制器電路中的器件,例如RAM。因此,設計了基于線形光耦HCNR201的隔離電路,如圖4所示。

圖4 基于線形光耦的隔離電路

線形光耦HCNR201只能起到隔離電流的關系,且輸入電流和輸出電流呈線性關系。U6B 是圖3芯片LM358中的另外一片運算放大器,它將輸入0~10 V電壓轉換成20 mA以內的電流信號,輸入線形光耦HCNR201。HCNR201輸出電流再經過一個由單電源軌到軌運放AD8519構成的電壓跟隨器轉換成0~10 V電壓信號,作為驅動器的模擬信號輸入。顯然,HCNR201兩側電路應采用不同的電源和地。LM358中的兩片運算放大器采用控制器輸入的12 V電源供電,而AD8519則采用驅動器輸入端提供的10 V電壓供電。

1.3 增量式編碼器信號處理電路

增量式編碼器信號處理電路如圖5所示。J8是MR編碼器的信號輸入接口,采用AM26C32把MR編碼器輸出三個通道的RS 422差分信號轉換成TTL電平,得到A,B,Z三路信號。

圖5 增量式編碼器信號處理電路

1.4 RS 485總線通信電路

RS 485總線是一種通信總線,TMS320F240 DSP芯片本身不具備RS 485總線接口,采用兩個485通信芯片MAX485可以的把TMS320F240的串口RXD和TXD的TTL電平轉換為RS 485電平, TMS320F240 DSP的RXD和TXD引腳分別連接到第一片485通信芯片RO和第2片485通信芯片DI的引腳。TMS320F240 DSP的SPISIMO和SPISOMI連接到MAX485的使能引腳RE,用于控制TMS320F240 DSP芯片的數據發送口掛接到總線上或和總線分離,電路如圖6所示。

圖6 2個MAX485芯片與

TMS320F240 DSP芯片接口電路

2 仿人機器人控制器的軟件設計

2.1 關節控制器主程序

主程序的流程見圖7。

寄存器初始化操作主要包括:設置CPU CLK為外部晶振的2倍頻,即16 MHz;設置串口通信波特率為:38.4 Kb/s;設置定時器/計數器相關寄存器;設置QEP電路單元相關寄存器;設置中斷控制寄存器等[10]。

2.2 串口數據接收中斷服務程序

串口數據接收中斷服務程序流程圖見圖8。在中斷服務程序中,讀取數據接收寄存器中的數據,存入數據接收區,而并不做任何進一步分析和處理。數據接收區是內存中暫時存放數據的區域,當存滿一條完整指令信息后,由主程序分析和處理。

圖7 主程序流程圖

圖8 串口數據接收中斷服務程序流程圖

2.3 控制周期定時中斷服務服務程序

控制周期2 ms定時中斷服務程序的流程見圖9。定時器/計數器為位置環和速度環控制周期定時2 ms,每2 ms進入定時中斷服務程序1次,讀取位置反饋值和速度反饋值,進行積分分離PID運算,最后輸出給D/A轉換成模擬量。

每一個插補周期(50 ms),主計算機向關節控制器發送1次運動規劃后的目標位置。該目標位置是以增量編碼器信號四倍頻后的脈沖數為單位,以前一次的目標位置作為脈沖計數的零點。因此,關節控制器在讀取新的目標位置后,也應該以前一次的目標位置作為新的增量碼盤脈沖計數零點,測量實際的電機位置,與新的目標位置比較、運算。主計算機根據需要可以查詢當前電機運行的實際位置,關節控制器返回的位置則是關節角的絕對位置,單位是0.1°。

圖9 控制周期定時中斷服務服務程序流程圖

3 結 語

仿人機器人機械臂分布式關節控制器研究與設計,對于提高仿人機器人總體性能與人機交互能力,具有重要科研價值與現實意義。 機械臂分布式控制器的高度實時性、容錯性、可靠性、擴充性[11],為仿人機器人系統提供了先進的網絡體系結構與通信標準,實踐表明應用前景極為廣闊。

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