采用DSP的欠驱动机器人摇起控制设计_技术

　　欠驱动机器人是一种部分关节为被动关节，能用较少的驱动装置完成复杂任务的机械系统。欠驱动机器人是近年来开始出现的一个较新的研究领域，针对欠驱动机器人系统的研究目前得到不少学者的关注。欠驱动机器人系统在很多的机器人系统例如多指机器人手、轮式移动机器人、太空机器人等非完整约束系统中都存在。因此近几年来，欠驱动机器人的运动控制问题引起国内外广泛的研究兴趣。同时，随着集成芯片技术的飞速发展，人们对欠驱动机器人控制的实时性和精度提出了越来越高的要求。

　　本文设计了一种基于DSP的机器人控制系统。该控制系统采用两级控制结构。以通用PC作为上位机，完成目标设定、轨迹生成、系统管理和人机接口等功能；以美国Analog Device公司的定点数字信号处理芯片ADSP2181为核心，作为机器人控制的下位机。该控制器充分应用了DSP运算的高速性，提高了系统的实时和稳定性。

体 *** 机器人硬件系统设计

　　1 控制系统硬件结构

　　控制对象为三关节欠驱动体 *** 机器人，其中手臂关节为被动关节。控制转矩来自两台直流伺服电机，配5l：l减速器伺服电机，经轴线相交的圆锥齿轮传输至驱动关节，驱动关节通过动力耦合作用使被动关节产生运动。欠驱动机器人控制系统的任务就是对驱动关节电机进行控制，电机运行之前从控制界面输入控制目标参数，上位PC机负责发送控制命令与数据采集。DSP处于整个控制系统的底层，主要用来接收来自PC机的控制命令，对驱动关节执行电机控制，同时把底层信息反馈给上位PC机，以实现机器人运动信息的数据分析等功能，用一块DSP运动控制卡对机器人的肩关节或髋关节进行插补计算和伺服控制，采用PCI标准总线进行上、下位机的通讯，实现双速率运行。控制箱面板提供了各关节工作状态显示及伺服报警提示，还可以对关节进行手动控制。三关节欠驱动体 *** 机器人控制系统结构如图l所示，体 *** 机器人本体如图2所示。

　　2 运动控制器结构

　　系统采用ADSP218l数字信号处理器为核心，实现高性能的控制运算的伺服运动控制器。如图3所示，运动控制器的控制过程为增量编码器的A、B相信号作为位置反馈输入信号，运动控制器通过四倍频、加减计数器得到实际位置。实际位置的信息保存在位置寄存器中，PC机可通过控制寄存器读取。运动控制器的目标位置由PC机设定，通过内部计算得到位置误差，经过数字伺服滤波器后，送到数模转换(DAC)或脉宽调制器(PWM)硬件处理电路，经过转换最后输出伺服电机的控制信号：+／-lOV模拟信号或PWM信号。

　　3 系统的通讯

　　系统采用PCI总线进行通讯。PCI总线的主要优点是性能高(数据传输率可达到132 264Mb／s)，总线通用性强，成本低，使用方便灵活。系统通讯采用PLX9054接口芯片，结合双口RAM，实现了DSP和PCI总线间的双向高速实时数据交换。PCI总线与双口RAM的数据交换，采用了定时传送加握手信号的方式进行。具体实现如下：上位机每隔一个固定的时间T下传一组数据，数据传送完成后，发出一个发送完信号，下位机接受到这个数据后，立即从双口RAM中读取数据。下位机上传数据也采用同样的处理方式。这种方式特别适合于机器人控制系统的通讯。

　　4 驱动元件的选择

　　驱动元件选择了直流伺服电机，其参数为200W／7220mm／107mN·m Maxon。其驱动器可实现位置、速度和转矩三种不同的控制方式：具有共振抑制和控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位。同时，还采用PID滤波器，外加速度和加速度前馈，即PID+Kvff+Kaff滤波器。通过调节各参数，滤波器能对大多数系统实现精确而稳定的控制。因此非常适合应用于机器人控制系统。

摇起控制策略

　　由于体 *** 机器人大范围的运动，摇起问题是高度非线性又极具挑战性的问题。摇起过程如同人在单杠一样，先使体 *** 机器人来回摇动几次，体 *** 机器人始终在下，一旦有足够的能量施加到系统上，机器人即进入倒立状态，如图4所示。

　　Spong建议一种非线性反馈方法，这种方法利用部分线性反馈定义PD控制器。从直观上讲，当体 *** 机器人从悬挂稳定平衡状态转移到倒立不稳定平衡状态的过程中，其势能是不断增加的，因此需要向系统输入足够的能量。本研究从能量增加的角度出发，采用带有振幅和频率的正弦方式和斜坡函数输入，这样可同时增加摆动。

　　根据拉格朗日运动方程式可推导出三关节机器人的动力学模型：

　　τ为系统的广义外力，体 *** 机器人在运动过程中的总能量为：

　　Ki，Pi分别为第f个关节(手臂、躯干、腿)的动能和势能。

　　在整个摇起过程，为保证能量不断增加须满足，能量的导数必须满足如下条件：

　　根据文献的研究结果：利用M(q)一C(q，q)为反对称矩阵，有：

　　显然，为满足能量不断增加的不等式条件，摇起控制转矩可选择为：

　　式中sgn()为取符号函数，Ni为附加力。

　　实验证明采用正弦和斜坡函数，此算法位于基于能量摇起模块void swing_up()中，这些数据分别从运．动控制器的2、1通道输入，需说明的是，在对体 *** 机器人系统进行数学建模时已明确，体 *** 机器人系统是一个力控设备，根据牛顿第二定律，力与加速度成正比，因此给系统施加的控制量就是加速度，而速度则是一个事先设定的较大数值，在控制过程中，一般不会达到这个速度值。这样保证产生的附加力随能量的增加而减小，可摇起体 *** 机器人到倒立平衡位置。

控制系统软件设计

　　实施控制时，主要是控制软件的编写与控制其参数的调节。由于体 *** 机器人控制系统的实时性要求较高，控制软件必须满足实时性的要求，本系统控制周期为6ms。控制软件必须在准确的控制周期内完成数据采样，处理并且发出控制信号给运动控制器。

　　首先由上位PC机设置好控制参数，系统开始运行并完成初始化工作。底层控制器对各转动关节进行位置采样，同时接收来自上位PC机的控制指令，并把两者结合在一起进行分析，通过编写进去的控制算法生成相应的转矩控制信号，经功率放大后送给执行电机，同时把各关节的运动信息上传给PC机，如此反复，完成整个闭环运动控制。

　　下位机控制器上电后主程序进行控制器初始化 *** 作、禁止看门狗、设置关键寄存器、设置中断向量和中断寄存器、初始化事件管理器、基于能量摇起、进行实时控制模块等。其中实时控制模块中用到ADSP2181可编程定时器，它能够产生周期性的定时中断，定时间隔是处理器时钟周期的整数倍。当定时器被使能后，一个16位的计数寄存器TCOUNT每隔m个周期就会减1，其初始化程序如下：