基于ARM9的仿人機器人分布式控制系統

1 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USB host，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。

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。