第4期(总第131期)2005年8月机械工程与自动化M ECHAN I CAL EN G I N EER I N G &　AU TOM A T I ON N o 14A ug 1文章编号:167226413(2005)0420058204类人机器人手臂控制系统设计陈志喜,魏世民,廖启征(北京邮电大学自动化学院,北京　100876)摘要:介绍了专用电机控制芯片TM S 320L F 2407在类人机器人手臂控制系统中的应用,实现了对多个电机的控制,最后给出了控制系统硬件设计方案及控制系统控制策略与软件规划。

关键词:机器人手臂;控制系统;TM S 320L F 2407芯片;伺服电机中图分类号:T P 24112 文献标识码:A收稿日期:2005203201作者简介:陈志喜(19772),男,江西萍乡人,在读硕士研究生,研究方向:机器人仿真及计算机控制。

0　引言研制具有人类外观特征,可以模拟人类行走与基本操作功能的类人型机器人一直是人类机器人研究的梦想之一。

类人型机器人研究是一门综合性很强的学科,代表着一个国家的高科技发展水平。

近年来,各国的众多研究机构都大力投入拟人机器人的研究,使类人机器人技术发展迅速,类人机器人不仅需要双足能直立行走,而且还需要具备完成与人类相似的复杂的上肢动作的能力,机器人手臂是类人机器人的一个关键部位,要实现机器人手臂运动的灵活性和功能性,这就需要设计多自由度的机器人手臂及其控制系统。

本文介绍的控制系统是基于TM S 320L F 2407的基础上实现的,TM S 320L F 2407具有低成本、低功耗、高性能的处理能力,而且电机的数字化控制应用非常方便。

将尺寸小、重量轻、速度快、性能高、功耗低、能进行多电机控制的TM S 320L F 2407运动控制芯片应用于控制系统不失为一种良好的控制策略。

1　拟人机器人手臂机构的介绍人类的手臂由肩关节、上臂、肘关节、下臂、腕关节和手等各部分组成,同样,类人机器人手臂也是由这几部分组成。

我们初步规划的机器人所需要完成的功能动作分为抬举、伸展、敬礼、握手、鼓掌及一些简单的舞蹈动作。

基于最简单设计原则,在保证机器人手臂能完成所规划的动作的前提下,手臂的关节数量尽量减少到最少程度,我们所设计的整个机器人手臂都由旋转关节连接而成,每个旋转关节有1个自由度,故整个手臂一共有6个自由度。

图1为机器人手臂机构示意图,图中肩关节3个自由度,肘关节1个自由度,腕关节2个自由度,这样两条手臂共12个自由度。

手臂的上臂长240mm ,下臂长240mm ,手长170mm。

图1　机器人手臂机构示意图2　机器人手臂控制系统硬件设计2.1　TM S 320L F 2407芯片概述TM S 320L F 240x 系列是TM S 320C 2000家族中最新的、功能强大的D SP 芯片,其中L F 2407是最具有革命性的产品,是当今世界上集成度较高、性能较强的运动控制芯片,特别适于电动机的高性能控制。

它与现存24xD SP 控制器芯片代码兼容的同时,240x 芯片具有处理性能更好(30M IPS )、外设集成度更高、程序存储器更大、A D 转换速度更快等优点,是电机数字化控制的升级产品。

其主要特点如下:(1)两个事件管理器模块EVA 和EVB ,为开发者提供完整的、高效的电机数字控制方案,提供所有的PWM 和I O ,可以控制各种类型的电机。

(2)采用高性能静态C M O S 技术,使得供电电压降为3.3V ,减少了控制器的损耗。

30M IPS 的执行速度使得指令周期缩短到33ns ,从而提高了控制器的实时控制能力。

(3)片内有高达32kb ×16位的F lash 程序存储器;高达2.5kb ×16位的数据 程序RAM ;544b 双端口RAM (DA RAM ),2kb 的单口RAM (SA RAM )。

(4)可扩展的外部存储器总共具有192kb ×16位的空间,分别为64kb 程序存储器空间、64kb 的数据存储空间和64kb 的I O 空间。

(5)10位ADC 转换器,其特性为:最小转换时间为500n s 、8个或16个多路复用的输入通道,采集时间和转换时间分开,提高了采样率和输入阻抗,并且支持自动顺序采样,不需CPU 干预。

(6)CAN 总线控制器可以为控制器、传感器、激励源以及其它节点提供良好的通讯,特别适用于工业现场和汽车等强噪声和恶劣的环境中。

(7)5个外部中断。

2.2　控制系统硬件设计图2是机器人手臂控制系统硬件框图。

直流减速电机1、直流减速电机2及直流减速电机3驱动右臂肩关节的3个自由度,是右臂肩关节的动力源,直流减速电机4是右臂肘关节的动力源,而为了减少手部的重量,右臂腕关节的2个自由度则由2个伺服电机(舵机1和舵机2)驱动。

对应的左臂各关节由直流电机5、直流电机6、直流电机7、直流电机8、舵机3和舵机4驱动。

每个直流减速电机带双路正交输出的光电编码器,直流电动机经过自带的齿轮减速箱后驱动关节运动,减速箱的减速比为300∶1,在直流减速电机的后端轴上固定有增量式光电编码器,用来检测电机的转速和位置,编码器转动一周发出16个脉冲,故输出轴转动一周,编码器发出6400个脉冲。

机器人手臂控制系统是以TM S 320L F 2407为核心,包括直流减速电机驱动、伺服电机驱动、位置和速度反馈检测。

TM S 320L F 2407主要完成的功能如下:(1)接收上位机(PC 机)的指令。

系统中利用SC I 接口完成与PC 机的通讯功能,采用R S -232通讯。

通过PC 机可以将任务给定程序固化在TM S 320L F 2407片内的FLA SH 程序存储器中。

与上位机的通讯接线图见图3。

图2　机器人手臂控制系统硬件框图图3　与上位机通讯连线图(2)按给定的指令进行转角控制。

TM S 320L F 2407的事件管理器EVA 和EVB 与高性能D SP 内核的结合,为电机提供了高效的、方便的先进控制技术。

在事件管理器中,包括PWM 的产生功能和速度检测功能,伺服电机则通过事件管理器的PWM 波直接控制,尽量利用事件管理器产生多路高分辨率的PWM 波来控制多个直流减速电机的速度方向和大小,其余电机则由A D 口输出控制。

(3)进行速度和位置检测。

编码器产生的正交编码脉冲是两个频率变化且正交(即相位相差90°)脉冲。

当它由电机轴上的光电编码器产生时,电机的旋转方向可通过检测两个脉冲系列中的哪一列先到达来确定,并据此对捕获的信号进行加、减计数,如图4所示。

在用户程序中可以方便地读取当前的计数值和计数方向,即电机的角位移和转向;而电机速度则可以由计数脉冲的频率获得。

3　控制系统控制策略与软件规划上位机需要给TM S 320L F 2407下达的命令主要是对关节的定位命令,即将某个关节在一定的时间内定位到系统需要它到达的角度。

控制节点接收到上位机的指令,采用P I D (或其它)控制算法,完成对电机转动的速度、位置控制,同时向上位机报告指令的・95・　2005年第4期 陈志喜,等:类人机器人手臂控制系统设计执行情况。

图4　正交编码脉冲和编码方向 类人机器人臂部的任何动作都可以分解成若干个臂部关节的定位过程,关节定位过程要控制两个量:速度、位置。

上位机下达的最基本的指令也就是关节定位指令,指令包含三项信息:定位哪个关节、定位过程速度、定位角度。

控制芯片D SP 要完成的任务就是接收指令、解析指令、完成电机的P I D 控制、返回控制结果。

根据控制需求将控制程序的总体构架划分为初始化和主控制循环两大模块,每个大模块又下属几个子模块,整个控制程序构架见图5。

图5　手臂控制程序总体框架3.1　初始化模块初始化模块的作用是初始化TM S 320L F 2407及控制参数。

图6为初始化模块流程图,初始化模块下的子模块有:(1)RS 232通讯初始化模块。

负责初始化SC I 串行通讯端口,初始化系统中断,配置SCI 串行通讯参数。

(2)I O 端口初始化模块。

负责初始化GP I O 口,配置GP I O 端口类型(读、写、特殊功能)。

(3)PWM 初始化模块。

负责配置PWM 输出口,设置PWM 频率及初始占空比。

(4)A D 转换初始化模块。

负责初始化ADC 。

(5)控制参数初始化模块。

负责初始化控制参数,如对位置寄存器赋初值、速度寄存器清零。

3.2　主循环控制模块主循环控制模块是实现控制手臂运动功能的主体,初始化模块是为了主循环模块的正常运转做准备。

主循环模块的主要任务是完成对手臂各个电机的位置、速度P I D 控制。

主循环模块通过定时器中断服务程序实现。

图6　初始化模块流程图进入主控制循环程序,即每次进入定时器中断服务程序后,首先读取驱动电路的出错反馈信号,如果采集到的任意出错信号为低电平(低电平表示驱动电路出错),则停止对应电机的转动,同时向上位机发送信息,等待上位机处理。

否则,则主循环继续判断电机当前位置与目标位置的误差是否在精度之内,如果电机当前转角在精度范围之内,则停止电机的转动。

如果电机没有转动到最终目标位置,则主控制循环程序首先计算控制曲线,然后根据控制曲线与当前电机的速度、位置值进行P I D 计算,计算结果用于调节PWM 输出。

图7为主控制循环模块流程图。

图7　主控制循环模块流程图3.3　控制曲线规划模块在电机由一个角度位置转动到另一个角度位置的・06・机械工程与自动化 2005年第4期　过程中,若只用位置P I D 算法来控制电机,将会浪费能量且不会有好的控制效果。

一条合理的速度控制曲线将会使电机由一个角度平稳地转动到另外一个角度,且能减小电机的功耗。

常用的速度控制曲线有3类:梯形、三角形和双曲线。

双曲线速度控制曲线是最理想的,最节省能量,在两端位置可提供平滑的加速和减速。

但是,实时计算双曲线将大大增加CPU 开销。

三角形的计算比双曲线简单得多,但是在三角形的顶部过渡很不平滑。

梯形曲线是上两种曲线的折衷,本程序选用梯形速度控制曲线。

4　结束语该机器人手臂控制系统已经初步应用于某型科普机器人,能完成预先规划的一些比较基本的动作功能。

下一步的工作主要是改善各种动作路径规划,使机器人手臂的运动路径更符合人手的自然运动曲线。

我们的最终目标是实现随声起舞的舞蹈机器人。

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