仿生機器蟹控制系統(tǒng)需要較高的控制精度和運算速度,,以便在機械結構剛度較高的情況下,,通過提高響應速度來確保機器人的正常行走和姿態(tài)控制。由于在機器蟹腿節(jié)和脛節(jié)置有兩個電機(如圖1所示),,使其質量較大,,同時由于體積的限制使得各步行足相互間距較小,因此將造成機器蟹在行走過程中耦合較強,,控制模型受軀體位姿,、步行足位形和步態(tài)等因素的影響較大。這就要求控制系統(tǒng)控制結構靈活,,具有調整步行足軌跡和步態(tài)的能力,,并能適應控制模型的變化。因此必須研制一種具有強大運算處理能力,、軟硬件結構模塊化的機器蟹控制系統(tǒng),。
1 多層多目標分布式控制概念及控制框架
仿生機器蟹是一個復雜的控制對象,,從體系上講,,其每條步行足都是一個多自由度的串聯臂機器人。要實現有效的控制,,除要對每條步行足的三個驅動關節(jié)進行準確高效的控制外,,多條步行足之間還要相互協(xié)調,共同完成某一確定工作,。同時應考慮到各條步行足運動空間之間的相互重迭,、相互干擾所形成的強耦合。
常用的控制方法有分散控制,、分布式控制和遞階控制三種形式,。由于遞階控制系統(tǒng)具有控制結構清晰、層次分明的特點,,而分布式控制系統(tǒng)便于采用模塊化結構且可擴展性好,,因此機器蟹控制系統(tǒng)采用遞階控制和分布式控制相結合的控制結構設計。由于其控制結構較復雜,,所以將整個控制體系分為任務規(guī)劃,、任務分解、軀體路徑規(guī)劃,、運動協(xié)調,、步行足軌跡規(guī)劃,、運動學/動力學計算、電機伺服控制等多層結構,,而且每層之間要通過上層進行運動協(xié)調,,例如各個步行足之間的運動控制協(xié)調,需要步行足控制層通過步行運動協(xié)調層交換信息,。每條步行足的指關節(jié)之間的控制也是如此。因此,,機器蟹控制系統(tǒng)采用多層多目標分布式遞階控制系統(tǒng),,如圖2所示。
第一層稱為“動機層”,,它使得機器人本體能夠做到完全的自主,。其目的是將由外部環(huán)境變化或操作者命令引起的本體內部的響應翻譯成對機器人本體的高級命令。第二層是“軀體路徑層”,,它接收“動機層”給出的高級命令,,將其轉化為一系列的本體內部的描述量及認知圖,進而給出機器人自身軀體的運動路徑,。第三層稱為“步行足軌跡層”,,它針對軀體的運動路徑給出各個足的具體的運動,包括步態(tài)的生成和腿的路徑的生成,。第四層是“動力實現層”,,它通過驅動組件實現由“步行足軌跡層”給出的足的運動,并對由于系統(tǒng)的動力學不確定性和干擾造成的誤差進行校正,。各層之間,,上層向下層輸出控制量,由下層來具體實施,。每執(zhí)行一步,,下層將狀態(tài)信息實時地反饋給上層。
為了實時獲得軀體相對于大地坐標系的位置和姿態(tài)信息,,步行機器人必須通過大量的外部傳感器獲得諸如傾角,、離地高度等信息。在機器蟹的步行足端部安裝了力傳感器,,利用它檢測足端與物體(或地面)的接觸力大小,,來判斷步行足是與外界物體發(fā)生碰撞還是接觸地面。通過設置碰撞力信號的閾值來判斷步行足是可以克服阻力按規(guī)劃路徑繼續(xù)運動,,還是改變運動方式避開障礙,,或從擺動相轉入支撐相。FSR(Force SensingResistors)是一種聚合體薄膜裝置,,其電阻值大小與其活性表面所受正壓力大小成正比,,這種力傳感器對力的敏感程度非常高,。機器蟹足端FSR檢測電路如圖5所示。無作用力時,,FSR阻值Rs約為50MΩ,,
晶體管導通,Vout輸出為低電平,,接近于0V,;當表面受力時,阻值Rs隨力的增加而減小,,當Rs值滿足晶體管可靠截止條件時,,Vout輸出高電平。要使晶體管截止?必須滿足以下條件: (Vcc%26;#183;Rs)/(R1+Rs)<Vbe,,即Rs<(Vbe%26;#183;R1)/(Vcc-Vbe)
?。?單步行足控制系統(tǒng)的軟件設計
在本文設計的機器蟹控制器中,采用分時集中方式和多CPU的結構,。步行足控制器采用分時集中方式,,由一個CPU對3條步行足的9個關節(jié)進行控制,CPU可對各關節(jié)的反饋控制策略進行協(xié)調控制,,完全由軟件確立各關節(jié)之間的耦合關系,。而整個機器蟹的全局控制器結構為多CPU結構,由3個步行足控制器(即3個CPU控制單元)并聯成伺服控制層,,并由一個中央控制CPU協(xié)調控制,。機器蟹步行足控制系統(tǒng)的單關節(jié)控制過程如圖6所示。由PC機(上位機)將每一個動作任務分解為各關節(jié)轉角,,并每隔一個插補時間T1執(zhí)行一次上下位機指令,,將下一個T1時間內各指關節(jié)的目標轉角指令值發(fā)送給DSP控制器(下位機)。DSP控制器將插補時間內的轉角按可控精度進行周期為T2的插補細分,,細分后所得任務為各個關節(jié)電機控制中斷程序的實際目標指令,,并在插補周期時間內實現電機轉角位置伺服控制,從而完成步行足的運動控制,。除此之外,,控制系統(tǒng)軟件還包括步行足軌跡規(guī)劃運算、系統(tǒng)自檢和初始化,、故障判斷,、程序終止、力/位置信號采集處理等功能模塊,。
本文以仿生機器蟹為設計對象,,提出了基于DSP的機器蟹多層多目標遞階控制系統(tǒng)方案,并對單步行足的軟、硬件設計做了詳細的闡述,,為進一步實現自主式的仿生步行機構奠定了基礎,。