基于ARM9的仿人機器人分布式控制系統

　　引言
　　
　　仿人型機器人具有類似于人類基本外貌特征和步行運動功能，還具有視覺、聽覺等功能，它可以實現類似人類的行走，靈巧輕便，對行走環境有良好的適應性，既能在平地上行走，又能在非結構的復雜地面上行走，如上下臺階，跨越、繞過障礙物等。另外，仿人型機器人是集材料、機械、電子、能源驅動、計算機感知、傳感、控制、虛擬現實與人工智能等多門學科于一體的綜合性平臺，它的研究能夠帶動諸多相關學科和技術的交叉發展與進步，并為相關學科的研究提供一個平臺。因而，近年來，仿人型機器人的研發受到國內外學者的廣泛關注。小型機器人是近年發展起來的仿人機器人的一種，主要的研究集中在日本。小型仿人機器人，結構輕巧，集成度高，運動靈活；未來可在工業、民用、軍事等許多方面發揮作用，是機器人技術的發展方向之一。小型機器人的控制不僅要求實時，還要求重量輕，體積小以及低功耗等。
　　
　　傳統的仿人機器人控制系統結構采用集中式控制，如日本仿人機器人HRP-2[1]，通常由一臺或多臺計算機通過多塊A/D,D/A模塊與下層的驅動器和傳感器連接通信。由上位機完成軌跡規劃和任務調度，協調下層各控制板對各關節進行控制。這樣的控制系統模塊繁多，模塊之間的連接復雜，依賴性強且相互耦合，降低了系統的開放性和可靠性，增加了功耗，難以完成多軸同步協調運動控制。
　　
　　隨著計算機技術和網絡技術的發展，各種新型的控制方式應用于機器人控制。分布式控制系統是在計算機監督控制系統、直接數字控制系統和計算機多級控制系統的基礎上發展起來的，是生產過程的一種比較完善的控制與管理系統。與計算機多級控制系統相比，分布式控制系統在結構上更加靈活、布局更為合理和成本更低。分布式控制結構成為機器人控制系統發展的方向。文[2]中作者設計了一種基于CAN總線的分布式的仿人機器人的控制系統。
　　
　　為此，我們研制了新型的小型仿人機器人控制系統。本實驗室研制的小型仿人機器人各關節采用舵機控制，根據要求，本設計需要實現小型仿人機器人腿部的運動控制，達到小型化，低功耗。
　　
　　2小型仿人娛樂機器人分布式控制系統
　　
　　2.1總體方案設計
　　
　　本文研究的小型仿人娛樂機器人運動控制系統由主控制器ARM9，C8051F320單片機與4片CD4017外部計數器構成的控制單元組成，控制結構簡單靈活。USB通信方案滿足了主從控制和通信速度的需求。關節執行機構采用舵機，控制方法簡單實用。總體控制方式簡圖見圖1。
　　
　　主控制器端，采用ARM9（S3C2410）作為管理控制器負責協調控制，向單片機發送規劃好的運動控制數據并擴展語音，視頻等。S3C2410主控制器有一個USBhost，連接C8051F320單片機。
　　
　　單片機端，利用C8051F320中的PCA捕捉比較模塊產生PWM控制信號。當單片機通過USB總線接收到由ARM管理控制器發來的數據包時，根據設定的對應關系將數據包中16位控制數據轉化為PCA比較值，由PCA模塊產生相應占空比的PWM控制信號，分別輸出給4片CD4017外部計數器。同時PCA模塊還定時產生一路復位脈沖，同時發送給4片CD4017，確保CD4017多路PWM輸出與單片機接收到多舵機控制數據對應關系正確。C8051F320控制器電路板如圖2。
　　
　　CD4017外部計數器將CP引角輸入的PWM轉化為多路PWM，分別控制與之相連的各舵機轉動，實現各桿件位置的開環控制。CD4017引腳功能及排列如圖3。
　　
　　2.2USB通信的實現
　　
　　在計算機和單片機的控制數據傳輸領域內，長期以來廣泛的使用RS-232，RS-485等通信方式，這些通信方式訊的實時性較差，故障率較高，出現故障時，不容易排查[3]。不能夠滿足小型仿人機器人的實時性和大批量數據傳輸的要求。USB總線通信方式作為新一代計算機外設的接口技術，隨著USB技術的日益成熟，及*的優點（對多種設備的廣泛適用性，自動配置，容易擴充，易于連接，熱插拔，即插即用、高可靠性，低成本，低功耗等），應用前景非常廣泛[4]。
　　
　　本控制系統中的管理控制器ARM9（S3C2410）集成了一個USBhost，采用Linux操作系統；C8051F320器件集成了全速/低速USB功能控制器，用于實現USB接口的外部設備，均支持USB2.0通信協議。單片機端設計了通信固件程序和應用程序，用于接收USB通信內容。
　　
　　2.3基于C8051單片機和CD4017外部計數器的關節控制器設計
　　
　　采用一片單片機與4片CD4017外部計數器的關節控制器設計方案，極大限度的精簡了硬件數量，節省了空間，降低了軟硬件出錯的可能性，也為系統運動功能的擴展提供了足夠空間和靈活性（自由度數量設置可在36個以內任意增減）。
　　
　　基于C8051的設計中有很多方法用于產生PWM波形：軟件循環、查詢或中斷驅動的定時器等。使用可編程計數器陣列PCA產生PWM相對于任何查詢機制（基于軟件或定時器而言）可以大大降低所需要的CPU帶寬，并可以消除在中斷驅動的基于定時器的設計中因中斷延遲不一致而產生的時序抖動。PCA由一個的16位計數器/定時器和5個16位捕捉/比較模塊組成。每個捕捉/比較模塊有其自己的I/O線。計數器/定時器由一個可編程的時基信號驅動。計數器/定時器有一個16位的計數器/定時器寄存器、一個用于選擇時間基準的方式寄存器和一個包含計數器/定時器運行控制及各模塊捕捉/比較標志的控制寄存器。每個捕捉/比較模塊有一個用于選擇模塊工作方式的配置寄存器和一個16位的捕捉/比較寄存器。每個捕捉/比較模塊的工作方式都可以被獨立配置。由于所有的捕捉/比較模塊共享一個時間基準，因此它們同步工作[5][6]。本文研究的小型娛樂機器人關節控制器設計中，將PCA配置為獨立工作；每個模塊的中斷服務程序只影響該模塊的捕捉/比較寄存器。PCA方式寄存器和配置寄存器設置一次后不再改變，讓計數器/定時器寄存器自由運行。
　　
　　在高速輸出方式，每當PCA計數器與模塊的16位捕捉/比較寄存器發生匹配時，模塊I/O線的引腳上的邏輯電平將發生高低轉換，并可以選擇產生中斷。本應用程序中選擇了該中斷。
　　
　　Y9輸出均變為低電平，只有Y0腳輸出變為高電平，故可以利用CR的正脈沖輸入中斷計數[7]。~Y9這10個輸出端，計滿10個數后計數器復零，同時CO端輸出一個進位脈沖。當CR端有正脈沖輸入時，該脈沖的上升沿將觸發CD4017復位，此時Y1~CD4017基本功能是對CP端輸入脈沖的個數進行十進制計數，并按照輸入脈沖的個數順序將脈沖分配在Y0
　　
　　本文研究的小型娛樂仿人機器人控制系統方案中，一個CD4017輸出7路脈沖，分別發送給7個舵機。
　　
　　3實驗
　　
　　控制系統硬件實物連接圖如圖4。
　　
　　機器人步行實驗完成5步的向前行和5步的后退的行走過程。步行實驗過程如圖5。
　　
　　4結論
　　
　　根據小型仿人機器人的機構特點和性能要求,構建了以ARM9為主控制器的小型仿人機器人控制系統。設計開發了C8051USB單片機和CD4017外部計數器組成關節控制器，該關節控制器能夠實現多舵機的協調控制任務。實踐證明,采用該結構之后,整個機器人系統的模塊化程度更高,系統的裝配和調試更加方便。控制系統實現了小型化、低功耗，而且機器人行走穩定性。
　　
　　本文作者的創新點
　　
　　根據小型仿人機器人的機構特點和性能要求,構建了以ARM9為主控制器的小型仿人機器人控制系統。設計開發了C8051USB單片機和CD4017外部計數器組成關節控制器，該關節控制器能夠實現多舵機的協調控制任務。實踐證明,采用該結構之后,整個機器人系統的模塊化程度更高,系統的裝配和調試更加方便?？刂葡到y實現了小型化、低功耗，而且機器人行走穩定性。
　　
　　參考文獻：
　　
　　[1]K.KANEKO,F.KANEHIRO,DesignofPrototypeHumanoidRoboticsPlatformforHRP,IEEE/RJSConferenceonInligentrobotsandsystem[C].Switzerland:IEEE2002,2431-2436.
　　
　　[2]鐘華，吳鎮煒，卜春華.仿人型機器人控制系統的研究與實現[J].機器人.2005,Vol27,No.5:455-459.
　　
　　[3]鄧遵義,寧祎,劉保國.基于CAN總線的分布式機器人控制系統設計[J].微計算機信息.2006，（6）：255-257.
　　
　　[4]許永和.EZ-USBFX系列單片機USB外圍設備設計與應用.北京航空航天大學出版社.2002-11-2
　　
　　[5]潘琢金.（譯）C8051F320/1混合信號ISPFLASH微控制器C8051F320/1數據.2004-12
　　
　　[6]CYGNAL應用筆記.AN007—用PCA實現16位PWM.
　　
　　[7]陳國華.CD4017集成電路應用200例.人民郵電出版社.1996作者簡介：張（1978-），女，陜西省三原縣人，漢族，北京理工大學，博士研究生，研究方向：機電一體化
　　
　　:hoenyzhangzhou@
　　
　　通信地址：100081北京理工大學機電工程學院智能機器人研究所
　　
　　黃強，男，湖北省英山縣人，漢族，“長江學者”特聘教授，博士，研究方向：仿生技術。
　　
　　李光日，男，朝鮮族，博士研究生。趙玉燦，女，漢族，博士研究生。