自平衡人形機器人的多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制一直是機器人學研究的難點和熱點,，目前采用的最多的是在大的反饋控制環(huán)路中對機器人進行關(guān)節(jié)空間的控制，這種控制方式結(jié)構(gòu)緊湊,，實時性強,，但在以控制器為核心的輻射式控制鏈路上，所有信息的交換都集中在機器人主控制器上,，當機器人處于復雜的環(huán)境中時,，可能會有過多的信息需要處理，這種復雜程度往往是不可預知的,，因此機器人的穩(wěn)定性也不能保證,。
機器人主控制器是機器人的核心處理器,，是提高人形機器人的信息處理能力的主要部件,。其主要任務(wù)是控制機器人在空間的運動位置、姿態(tài),、軌跡,、操作順序和操作時間，因此必須保證主控制器能夠為解決復雜信息處理而穩(wěn)定可靠地工作,。機器人動作控制器是為解決機器人動作控制而設(shè)計的,，它將主處理器發(fā)出任務(wù)處理命令分配到3個16位超低功耗單片機(MSP430F149)上去執(zhí)行，實現(xiàn)多層次的控制管理,。該人形機器人具有多關(guān)節(jié),，多自由度，自平衡的控制需求,，需要動作控制器在機器人系統(tǒng)控制中起到關(guān)鍵性的作用,。
1 動作控制器的設(shè)計
1．1 體系結(jié)構(gòu)
自平衡人形機器人需要獲取不可預知的環(huán)境信息以及自身姿態(tài)信息進行綜合運算并及時進行自身姿態(tài)的調(diào)整。機器人的這種行為特點決定了機器人的整體控制結(jié)構(gòu)要采用反饋控制,。如圖1所示,，描述了這種反饋控制結(jié)構(gòu)的硬件實現(xiàn)。
同時,，在圖1中可見從機器人主控制器到執(zhí)行元件(舵機)之間,，有一層動作控制器的結(jié)構(gòu)。這一層結(jié)構(gòu)的任務(wù)是實現(xiàn)控制命令到舵機控制信號之間的功能轉(zhuǎn)換,，這種體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計,，就是借鑒計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的分層結(jié)構(gòu)體系思想。采用這種分層的結(jié)構(gòu),，實現(xiàn)了軟件和硬件,、命令和動作的相對隔離,。其突出的優(yōu)點體現(xiàn)在能夠使主控制器專注于數(shù)據(jù)的處理，而對下行設(shè)備只負責發(fā)送指令,，對于硬件的復雜的操作時序,，由動作控制器負責產(chǎn)生。
1．2 實現(xiàn)過程
1．2．1 硬件實現(xiàn)
為滿足機器人整體控制體系結(jié)構(gòu)中指令到執(zhí)行的層次性要求,，動作控制器需要完成命令解析,，信號驅(qū)動等任務(wù)。如圖2描述了動作控制器內(nèi)部的結(jié)構(gòu),，其主要由串行總線,、3個可并行工作的16位單片機、信號驅(qū)動部分構(gòu)成,。這種結(jié)構(gòu)能夠從總線接收命令,，單片機進行指令解析并輸出控制電信號，外部電路對控制信號驅(qū)動放大,，從而分別實現(xiàn)對執(zhí)行舵機的控制,。圖3為動作控制器中一個單片機工作模塊的硬件原理圖。
動作控制器主要由3個MSP430F149并行工作,，每個MSP430F149控制8個舵機,，總共實現(xiàn)對24個舵機的控制。每個MSP430F149有定時器TA和定時器TB兩個模塊,，其中定時器TA通過比較模式輸出2路PWM波控制2個舵機,，定時器TB通過比較模式輸出6路PWM波控制6個舵機。而且定時器工作在比較模式下時,，能在一次設(shè)置完成后,，不需要CPU干預的情況下持續(xù)進行PWM輸出，同時保證各路信號之間沒有干擾,，因此一路比較輸出即可獨立控制一個舵機,，動作控制器可實現(xiàn)對多達24個舵機的控制，對多關(guān)節(jié)人形機器人提供足夠的控制通道,。
采用比較輸出PWM波形的方法相比較采用中斷方式的控制方法,，具有簡單，輸出PWM波形穩(wěn)定,，整個控制系統(tǒng)的魯棒性高等特點,。該課題也曾采用過中斷控制方式，但用示波器觀察輸出的PWM波形,，波形極不穩(wěn)定,。而且中斷嵌套過多之后，單片機程序很容易跑飛，完全不能滿足控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求,。而采用文中所述動作控制器的設(shè)計方法后,，比較輸出的PWM波波形穩(wěn)定，而且單片機也沒出現(xiàn)死機或跑飛的現(xiàn)象,。
MSP430F149輸出為3．3 V TTL電平,，而舵機控制信號要5 V TTL電平，在實際電路設(shè)計中要進行電平轉(zhuǎn)換,?？紤]到舵機的控制信號對功率沒有要求，必要加專用驅(qū)動芯片,，而采用CMOS工藝的CD4081四2輸入與門進行電平轉(zhuǎn)換,，利用其門電路輸入電壓門限寬的特點即可解決電平轉(zhuǎn)換的問題。
舵機動態(tài)工作時,，需要脈沖式的電流,，通過普通的電源供電，實驗表明：由于舵機瞬時供電不足,，致使舵機力矩不夠,，運動不能達到預先的姿態(tài)效果，在反復探索后,，決定采用電容的快速放電特性來提供瞬時大電流,，由于舵機數(shù)量大,，設(shè)計時在舵機電源處并接大容量電容,，總?cè)萘?．22F×6。正常小電流工作時,，電容被充電處于飽和,，當需要瞬時大電流時，電容能快速放電,，從而保證舵機正常穩(wěn)定的工作,。
3個MSP430F149分別控制部分關(guān)節(jié)上的舵機，這要求3個MSP430F149充分協(xié)調(diào)一致的工作,。因此采用總線通信方式,，將3個MSP430F149掛接到串行通信總線上，并留出總線接口,，以接收主控制器的命令,。
1．2．2 軟件實現(xiàn)
動作控制器的軟件設(shè)計，是以硬件為基礎(chǔ),，接收主控制器的命令,，對命令進行解析，并控制產(chǎn)生具體的PWM波形對舵機進行動作控制。圖4描述了動作控制器中軟件的實現(xiàn)流程,。
機器人的動作方式,，方向，幅度等全部是由主控制器通過對外部信息的獲取而產(chǎn)生的輸出,，這種輸出是基于命令格式的,，而機器人最終的一切行為都是一系列舵機的配合運轉(zhuǎn)，從命令到執(zhí)行,，這其中就是動作控制器起到了關(guān)鍵作用,。
基于上述要求，動作控制器的首要任務(wù)就是接收命令,。雖然在硬件上采用了多機通信的模式,，但并不采用傳統(tǒng)的通信協(xié)議(每個從機都具有一個獨立的地址)，而是對動作控制器上的3個MSP430F149定義完全相同的地址,，這樣就會使其接收到完全相同的命令,。這樣進行設(shè)計，原因在于要保證舵機響應(yīng)的同時性,，即是機器人動作的協(xié)調(diào)性提出的要求,。如表1示例了主控制器與動作控制器的命令傳輸格式。來自主控制器的命令是一個數(shù)組序列,，動作控制器上的每個MSP430F149都能完全接收到全部序列,，而每個MSP430F149根據(jù)預先定義只使用這個序列中特定的子序列，這個子序列就是對應(yīng)于這個MSP430F149所控制的舵機的命令,，這樣就可以保證同時性,。
動作控制器的最終目的是產(chǎn)生PWM波，而這是通過寫MSP430F149片內(nèi)TA,、TB模塊的寄存器實現(xiàn)的,。在解析函數(shù)進行一系列的解析運算后，產(chǎn)生出各舵機所需的PWM波形的脈沖寬度值,，將這些值寫入到相應(yīng)的寄存器中,，就可以產(chǎn)生需要的PWM波。
2 實驗及結(jié)論
根據(jù)文中提出的動作控制器的設(shè)計思想與方法,，制作出機器人動作控制器,。按照設(shè)計的基本思想對動作控制器進行測試，測試中采用一個MSP430F425作為機器人主控制器,，下行控制一個十二個關(guān)節(jié)的簡易人形機器人,。在MSP430F425中規(guī)劃好機器人的步態(tài)，同時根據(jù)規(guī)劃好的步態(tài)參數(shù)發(fā)送舵機動作命令,。
實驗中,，首先實測舵機的精度，通過向特定定時器通道預裝不同值，測量舵機響應(yīng)角度,，并以此數(shù)據(jù)擬合出舵機響應(yīng)角度方程,。實驗中由于采用的MSP430F425資源有限，方程僅進行了線性擬合,。
表2為測試機器人上一處關(guān)節(jié)的舵機測定數(shù)據(jù),，根據(jù)此數(shù)據(jù)擬合出以下方程：
舵機實際角度α=(X-3 000)／20+75．5運用擬合出的方程進行命令到舵機角度的解析，得到表3所示數(shù)據(jù)
從表中數(shù)據(jù)可以看出,，在舵機的性能范圍內(nèi)(舵機的精度為0．5°～1°),，控制是精確的。
同時,，在舵機響應(yīng)的及時性方面,，也得到了保證。從主控制器發(fā)送命令到舵機響應(yīng)開始運動共經(jīng)歷了命令傳輸,、命令解析兩大時間段,。
命令傳輸在特定的速率下傳輸完所有命令數(shù)據(jù)用時4．5 ms，而命令解析即單片機內(nèi)程序執(zhí)行,，其用時遠小于1 ms,。相比較，舵機的機械響應(yīng)時間在百ms級,，因此動作控制器保證了響應(yīng)的及時性,。
實驗證明，在設(shè)計思想指導下的硬件和軟件實現(xiàn),，充分符合既定的目標,，體現(xiàn)在機器人的多關(guān)節(jié)能夠協(xié)調(diào)動作，預先規(guī)劃的步態(tài)能夠很好的表現(xiàn)出來,。
在機器人的實際控制系統(tǒng)中,，動作控制器作為主控制器(ARM 9)的下級從屬設(shè)備,，完成其特定的管理范圍內(nèi)工作,。在這種分層控制的體系結(jié)構(gòu)下，自平衡的檢測與控制達到了理想的效果,。
3 結(jié)束語
由于自平衡人形機器人具有內(nèi)在不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的復雜性,，國內(nèi)外機器人愛好者對其控制策略進行了多方面的探索，但通常都是采用反饋控制環(huán)路或者是分層體系結(jié)構(gòu)的方法,。采用這些傳統(tǒng)的方式大體都是中央處理器(ARM,、DSP等)接收收集到的信息，進行處理,，再根據(jù)獲取的信息運用一定的算法控制執(zhí)行元件(舵機,、直流電機等)。這類體系結(jié)構(gòu)一般以惟一的處理器為核心，與外界直接進行信息交換,，但其處理器的工作量大,，在大量的處理中實時性難以保證。
而本設(shè)計對應(yīng)的雙足自平衡人形機器人采用了這兩種經(jīng)典結(jié)構(gòu)的復合,，其中執(zhí)行控制器,、主控制器和執(zhí)行電機之間體現(xiàn)出了明顯的層次結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計減輕了各層次的任務(wù)難度,，明顯提高了設(shè)備調(diào)試或故障排查效率,，充分體現(xiàn)出這種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。