基于DSP的欠驅動體操機器人的搖起控制設計

2 體操機器人硬件系統設計
2．1 控制系統硬件結構
控制對象為三關節欠驅動體操機器人，其中手臂關節為被動關節。控制轉矩來自兩臺直流伺服電機，配5l：l減速器伺服電機，經軸線相交的圓錐齒輪傳輸至驅動關節，驅動關節通過動力耦合作用使被動關節產生運動。欠驅動機器人控制系統的任務就是對驅動關節電機進行控制，電機運行之前從控制界面輸入控制目標參數，上位PC機負責發送控制命令與數據采集。DSP處于整個控制系統的底層，主要用來接收來自PC機的控制命令，對驅動關節執行電機控制，同時把底層信息反饋給上位PC機，以實現機器人運動信息的數據分析等功能，用一塊DSP運動控制卡對機器人的肩關節或髖關節進行插補計算和伺服控制，采用PCI標準總線進行上、下位機的通訊，實現雙速率運行。控制箱面板提供了各關節工作狀態顯示及伺服報警提示，還可以對關節進行手動控制。三關節欠驅動體操機器人控制系統結構如圖l所示，體操機器人本體如圖2所示。

2．2 運動控制器結構
系統采用ADSP218l數字信號處理器為核心，實現高性能的控制運算的伺服運動控制器。如圖3所示，運動控制器的控制過程為增量編碼器的A、B相信號作為位置反饋輸入信號，運動控制器通過四倍頻、加減計數器得到實際位置。實際位置的信息保存在位置寄存器中，PC機可通過控制寄存器讀取。運動控制器的目標位置由PC機設定，通過內部計算得到位置誤差，經過數字伺服濾波器后，送到數模轉換(DAC)或脈寬調制器(PWM)硬件處理電路，經過轉換最后輸出伺服電機的控制信號：+／-lOV模擬信號或PWM信號。

2．3 系統的通訊
系統采用PCI總線進行通訊。PCI總線的主要優點是性能高(數據傳輸率可達到132 264Mb／s)，總線通用性強，成本低，使用方便靈活。系統通訊采用PLX9054接口芯片，結合雙口RAM，實現了DSP和PCI總線間的雙向高速實時數據交換。PCI總線與雙口RAM的數據交換，采用了定時傳送加握手信號的方式進行。具體實現如下：上位機每隔一個固定的時間T下傳一組數據，數據傳送完成后，發出一個發送完信號，下位機接受到這個數據后，立即從雙口RAM中讀取數據。下位機上傳數據也采用同樣的處理方式。這種方式特別適合于機器人控制系統的通訊。
2．4 驅動元件的選擇
驅動元件選擇了直流伺服電機，其參數為200W／7220mm／107mN?m Maxon。其驅動器可實現位置、速度和轉矩三種不同的控制方式：具有共振抑制和控制功能，可彌補機械的剛性不足，從而實現高速定位。同時，還采用PID濾波器，外加速度和加速度前饋，即PID+Kvff+Kaff濾波器。通過調節各參數，濾波器能對大多數系統實現精確而穩定的控制。因此非常適合應用于機器人控制系統。

3 搖起控制策略
由于體操機器人大范圍的運動，搖起問題是高度非線性又極具挑戰性的問題。搖起過程如同人在單杠一樣，先使體操機器人來回搖動幾次，體操機器人始終在下，一旦有足夠的能量施加到系統上，機器人即進入倒立狀態，如圖4所示。

Spong建議一種非線性反饋方法，這種方法利用部分線性反饋定義PD控制器。從直觀上講，當體操機器人從懸掛穩定平衡狀態轉移到倒立不穩定平衡狀態的過程中，其勢能是不斷增加的，因此需要向系統輸入足夠的能量。本研究從能量增加的角度出發，采用帶有振幅和頻率的正弦方式和斜坡函數輸入，這樣可同時增加擺動。