基于DSP仿人機器人關節控制器設計

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，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。
??? 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，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。

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DSPTMS320F240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。

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。

?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。
??? 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HC－NR201。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。

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，TMS320F240DSP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。

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。
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。
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°。

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，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。