基于高性能IO模塊的仿生機器人控制系統設計與實現

摘 要：仿生機器人由于其高度的靈活性和適應性，在各種復雜的場景中得到越來越多的適用性。仿生機器人的研究也越來越多的得到科研人員的重視，如今仿生機器人逐步改變人們生活的方方面面。現階段仿生機器人雖然外形各不相同，但其控制系統都大同小異。文章針對仿生機器人控制系統的相似性，提出了建立具有較強移植性的控制系統，并應用在具有多個IO接口的模塊，實現通用仿生機器人的控制。文章通過系統結構設計、硬件選型、硬件連接、軟件通訊協議編制、仿真軟件設計、限位開關的設計等實現了基于高性能IO模塊的仿生機器人控制系統，其中還運用了485串口、Modbus通訊協議等理論，并通過軟件仿真試驗和系統穩定性驗證，證明該系統工作的穩定性和可靠性。研究結果表明，該仿生機器人控制系統可以實現對高性能IO模塊的控制，并且該系統具有較高的通用性以及較高的可靠性。因此，本系統達到了對仿生機器人通用控制系統設計的目的。

關鍵詞：仿生機器人；通用系統；高性能IO模塊；Modbus通訊協議

1 概述

仿生學是20世紀60年代出現的一門綜臺性邊緣學科，它由生命科學與工程技術科學相互滲透、相互結合而成。它在精密雷達、水中聲納、導彈制導等許多應用領域中都功不可沒。

當代機器人研究的領域已經從結構環境下的定點作業中走出來，向航空航天、星際探索、軍事偵察攻擊、水下地下管道、疾病檢查青療、搶險救災等非結構環境下的自主作業方面發展。人們也把目光對準了生物界，力求從豐富多彩的動植物身上獲得靈感，將它們的運動機理和行為方式運用到對機器人運動機理和控制的研究中。這就是仿生學在機器人科學中的應用，這一應用已經成為機器人研究領域的熱點之一，勢必推動機器人研究的蓬勃發展。

仿生機器人的移動方式有輪、腿、履帶和無肢運動等。多足機器人的運動方式是典型的足肢運動。美國、日本、德國、英國、法國等國家都開展了多足機器人工作， 并研制出許多樣機。國內， 上海交通大學、中國科學院、沈陽自動化所、國防科技大學等單位也相繼研制出了多足機器人樣機。如中科院沈陽自動化所研制成功水下的六足步行機，清華大學開發出的DTWN框架式雙三足不行機器人，上海交通大學研制出的JTUWM系列四足行足機器人等。

文章就是對爬行類仿生機器人的研究，通過對高性能IO模塊的仿生機器人的研究設計，最終實現通過上位機控制IO模塊來實現使仿生機器人的運動的目標。文章先從理論方面分別介紹了仿生機器人的概念、高性能的IO模塊、485串口通信、Modbus通訊協議以及仿生機器人的運動控制邏輯。

2 系統的方法與理論

2.1 仿生機器人

根據上述仿生機器人的定義，我們將機器人設計成帶有六足步行功能的蜘蛛型多足機器人，此類機器人用途廣泛，靈活度高且更具代表性，具備系統移植的條件。

正是因為仿生機器人的高度靈活性，所以也就造成了仿生機器人結構的復雜性。為了完成復雜精準的控制動作，需要多部件的共同作用。為了達到這樣的效果，我們需要使用能同時輸出多路控制開關的串口通訊即485串口通信。

2.2 485串口通信

典型的串口通信標準是RS232和RS485，它們定義了電壓，阻抗等，但不對軟件協議給予定義，區別于RS232， RS485的特性包括：

（1）RS-485的電氣特性：RS-485接口信號電平低，不易損壞電器元件。

（2）RS-485的數據最高傳輸速率為10Mbps 。

（3）RS-485接口是采用平衡驅動器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強，即抗噪聲干擾性好。

（4）RS-485接口擁有最遠3000米的傳輸距離，而且RS-485接口在總線上是允許連接多達128個收發器。

為了實現點對多的傳輸方式以及保證傳輸過程具有較強的抗干擾能力，我們選用RS485串口通信。

2.3 ModBus通訊協議

ModBus網絡是一個工業通信系統，由帶智能終端的可編程序控制器和計算機通過公用線路或局部專用線路連接而成。其系統結構既包括硬件、亦包括軟件。它可應用于各種數據采集和過程監控。ModBus網絡只有一個主機，所有通信都由他發出。網絡可支持247個之多的遠程從屬控制器，但實際所支持的從機數要由所用通信設備決定。

在ModBus系統中有2種傳輸模式可選擇。這2種傳輸模式與從機PC通信的能力是同等的。選擇時應視所用ModBus主機而定，每個ModBus系統只能使用一種模式，不允許2種模式混用。一種模式是ASCII（美國信息交換碼），另一種模式是RTU（遠程終端設備）。

3 系統的設計與實現

3.1 場景描述

本系統所采用的機器人就是多足型的仿生機器人，該機器人的足肢可以實現奇數足和偶數足的分開控制，當奇數足運動時，偶數組用于支撐軀體；同樣，當奇數足運動時，偶數組用于支撐軀體。這樣反復運動，機器人就可以實現前后移動。該機器人足肢的往復運動不同與輪子或履帶的旋轉運動，足肢的往復運動能更好地適應復雜的地形。而且，多足肢共同運動也可避免單個足肢故障造成機器人不能運動的情況。

3.2 硬件選型與實現

3.2.1 硬件選型

高性能IO模塊：為了達到多路控制開關同時輸入同時輸出，選用騰控科技的STC系列高性能IO模塊。該模塊可同時輸入輸出多達16路。輸入和輸出模塊分選用STC-101、STC-102。通訊協議采用適用于工業現場總線的modbus協議。該模塊通過485串口通信與上位機連接。該模塊的額定最大輸入電壓是220v，與上位機傳輸的485接口有兩路，驅動電壓是24V。該模塊可是通過地址碼進行區分，如果使用485串口通信，理論上最多可實現256個模塊同時連接。

3.2.2 硬件實現

線路連接如圖1所示。

3.3 軟件實現

3.3.1 modbus通訊協議形成

modbus通訊協議由上位機軟件實現，首先根據命令要求確定命令代碼、設備地址、寄存器起始地址、寄存器個數等息息，將以上信息通過CRC校驗算法生成CRC校驗碼。將上述信息與CRC校驗碼按通訊格式合并，合并后通過485串口發給IO設備。設備接收到指令代碼后會進行CRC校驗，只有校驗成功才會執行該指令，保證指令的完整性。IO設備執行完指令后還會返回給上位機一個指令，表示執行完畢。流程圖如圖2所示

（1）Modbus傳輸模式

用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數（波特率、校驗方式等），在配置每個控制器的時候，在一個Modbus網絡上的所有設備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數。所選的ASCII或RTU方式僅適用于標準的Modbus網絡，它定義了在這些網絡上連續傳輸的消息段的每一位，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。

ASCII可打印字符便于故障檢測，而且對于用高級語言（如Fortran）編程的主計算機及主PC很適宜。RTU則適用于機器語言編程的計算機和PC主機。因此，該系統選用RTU傳輸模式。

（2）Modbus傳輸格式

上位機發送的指令：[設備地址][命令號01][起始寄存器地址高8位][低8位][讀取的寄存器數高8位][低8位][CRC校驗的低8位][CRC校驗的高8位]

每一個括號內有兩位十六進制數組成。

a.設備地址：在一個485總線上可以掛接多個設備，此處的設備地址表示想和哪一個設備通訊。

b.命令號：不同的命令號執行不同的功能，例如：讀取數字量的命令號為01。

c.起始地址高8位、低8位：表示想讀取的開關量的起始地址。每個設備都有自己的寄存器地址。

d.寄存器數高8位、低8位：表示從起始地址開始讀多少個開關量，與起始寄存器地址共同使用。

e.CRC校驗：數據的最后一部分，對前面的數據進行校驗。此處需要注意，CRC校驗在命令中的高低字節的順序和其他的相反。

Modbus傳輸格式如圖3所示。

（3）CRC校驗碼生成過程

CRC域是兩個字節，包含一16位的二進制值。它由傳輸設備計算后加入到消息中。接收設備重新計算收到消息的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。

CRC是先調入一值是全“1”的16位寄存器，然后調用一過程將消息中連續的8位字節各當前寄存器中的值進行處理。僅每個字符中的8Bit數據對CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校驗位均無效。

CRC產生過程中，每個8位字符都單獨和寄存器內容相或（OR），結果向最低有效位方向移動，最高有效位以0填充。LSB被提取出來檢測，如果LSB為1，寄存器單獨和預置的值或一下，如果LSB為0，則不進行。整個過程要重復8次。在最后一位（第8位）完成后，下一個8位字節又單獨和寄存器的當前值相或。最終寄存器中的值，是消息中所有的字節都執行之后的CRC值。CRC校驗過程如圖4所示。

3.3.2 運動控制及限位開關的設計實現

仿生機器人的運動過程是整個系統按照一定的控制邏輯運行的。將蜈蚣型仿生機器人的步足以左右分別劃分為奇數足和偶數足，左右奇數足為一組共同運動，左右偶數足為另一組共同運動。蜈蚣型仿生機器人足步的前向運動行為周期仿生為抬起、前劃、落下、后劃四個行為動作；后向運動行為周期仿生為抬起、后劃、落下、前劃四個運動行為。抬起和落下為一個低速電機控制，前劃和后劃為一個低速電機控制。運動過程如圖5所示。

每只步足的前后上下設置一個金屬觸點用于讀取步足當前的位置并實現限位開關的功能。當運動著的步足接觸到某一位置的金屬觸點時，由系統讀取到該觸點閉合，并停止該動作驅的低速電機，此動作完成，系統進入下一運動周期。限位開關設計如圖6所示。

圖6 限位開關

4 系統的試驗與穩定性驗證

4.1 系統功能簡介

上位機用戶界面如圖7所示，該界面可用于控制仿生機器人的運動并實時顯示。當點擊前進按鈕時，機器人向前行走：當奇數足運動時，奇數足顯示為綠色，如圖8所示；當偶數足運動時，偶數足顯示為紅色，如圖9所示。后退時實時顯示相同。按下暫停按鈕時，機器人屬于暫停狀態，所有足肢顯示為黑色，如圖7所示。

4.2 試驗場景設定

本系統適用于對多足機器人的運動控制，試驗場景設定為控制蜈蚣型仿生機器人在路面行走。實現該種機器人的前進、后退等運動行為。該型機器人可適用于多種路面狀況，對環境有較強的適應性。尤其是在一些常規機器人和大型機器人達不到的復雜場景中，該種機器人可以自如的穿梭。

在現實場景中，該控制系統還可適配多種具有開關量的復雜仿生機器人，實現對該類型的運動控制。如蛇形機器人，魚形機器人等。適配該系統時，只需要將IO模塊的輸出線纜連接至機器人的驅動開關處，并適配好正確的驅動電源，即可使用該系統控制一些仿生機器人。

4.3 功能穩定性驗證

在多次測試實驗的過程中，該系統并沒有出現故障，多次對控制機器人運動的開關量進行的開閉動作準確及時，能夠正確完成前進、后退等動作。因此，經多次測試驗證證明該系統實現控制功能的成功率高，故障率低，能夠完成具有一定要求的仿生機器人的控制任務。準確率高達99%。實驗數據如圖10所示。

圖10 實驗數據

5 結束語

文章針對控制軟件和仿生機器人的接口控制方案，提出了基于485串口和Modubus通訊協議的控制方案，設計了通信協議，并基于軟件仿真驗證了控制軟件的有效性。硬件部分用到了高性能IO模塊、485串口、簡易限位開關；軟件部分主要應用到了CRC校驗、Modbus通訊協議、配合限位開關的軟件部分。

在以后的研究中可以針對仿生機器人的多種運動方式進行進一步的研究，如蛇形機器人的爬行，昆蟲機器人的飛行以及運動方向的靈活性。

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