基于DSP的双足机器人运动控制系统设计

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                    　　近年来，仿人机器人一直是自动控制领域研究的热点。在模仿人类进行迈步行走时，由于仿人机器人的重心经常要处于中心线以外的区域，使得它的身体很难保持站姿平衡，能够稳定地实现双足行走是仿人机器人研究的重点也是难点。人类需要大脑和肢体的相互配合来协调动作，机器人需要的则是运动控制器和驱动装置的强大支持，尤其是运动控制器，需要有高效率的芯片为基础，才能最迅速地采集数据、完成计算和发送指令。在本次设计中机器人关节使用的是大功率三相无刷直流电机，控制器采用TMS320F2812芯片，它是TI公司推出的一款针对控制领域做优化配置的数字信号处理器，器件上集成了多种先进的外设，为电机高速度和高精度控制提供了良好的平台。
　　1 系统概述
　　双足机器人每条腿设有5个自由度，这样既可以实现基本的步行功能，又尽可能的简化了控制变量，系统整体结构如图1所示，L1～L5分别对应左腿髋侧向、髋前向、膝前向、踝前向、踝侧向关节电机，R1～R5对应右腿。考虑到成本因素和驱动性能，选用Maxon的EC-max系列三相无刷直流电机来驱动关节活动，其中1号和5号电机选用EC-max35型，其他均为EC-max30型。受安装空间所限，每条腿的运动控制器都为独立的个体，各运动控制器通过主控计算机进行协调控制并可基于运动指令单独完成动作，类似于人类反射弧的原理，减轻主控计算机的工作量，加快反应速度，主控计算机和运动控制器之间通过CAN总线来传递数据。






　　通过调节占空比，可以调节输出电压，用这种无级连续调节的输出电压可以给出速度信息，因此可以通过调整PWM信号有效电平的宽度达到控制转速的目的。
　　3 硬件设计
　　整个硬件电路包括DSP芯片TMS320F2812、电源、JTAG仿真接口、通讯、RAM、PWM、A／D、I／O扩展、备用端口、电机驱动和光电信号处理等模块，其控制系统结构如图3所示。






　　主控计算机根据步态规划的数据，发出运动指令，生成下一个运动周期各个电机的转动方向和角度等控制参数，运动控制器接收到新的数据之后，PWM控制根据数据计算出占空比信息并生成相应的PWM波，进而控制电机转动，随后将电机光电编码器传送回的信号转换成关节位置和速度等信息，补偿控制针对速度和位置误差采用PID算法进行调节，计算需要的执行量，调整PWM波形，在每一个运动周期内使电机达到指定的速度，并使运动中的关节电机能够克服机器人重力和外力的影响，保持在设定的角度。图5是CCS仿真调试时，程序运行后在指定的摆动角度下监控到的单关节电机速度跟踪曲线，其响应时间和稳定性基本满足双足步行的要求。






　　5 结语
　　介绍了一种基于DSP的无刷直流电机运动控制系统，在控制方案的具体实现过程中，根据机器人腿部系统的自身特点，将控制器围绕DSP处理和电机控制电路来分别设计，这样既方便设计和调试，又增强了系统的灵活性和扩展性。电机驱动采用速度和位置双闭环控制，保证运转精度。经测试，系统基本满足运动控制的要求，为双足步行规划提供了试验平台。