基于PC／104與單片機的仿人機器人控制系統設計

摘 要：為了簡化仿人機器人控制系統結構，增強機器人系統的功能。采用PC／104嵌入式系統作為仿人機器的主控計算機，完成圖像處理，做出控制決策，計算并生成運動序列。關節控制器選用C8051F310單片機，采用串口與主控計算機通信，接收來自主控計算機的運動序列指令，產生PWM波，經過放大電路，實現21路電機的控制。經過實驗，得到圖像采集分析結果和仿人機器人穩態步行。實驗表明，這種控制系統能夠實現仿人機器人的控制。
關鍵詞：仿人機器人；主控制計算機；關節控制器；PWM波

0 引 言
機器人作為一個各學科交叉的復雜系統，越來越多的科研者采用機器人作為實驗平臺，因為它包括機械結構的設計，控制系統的構建，信息的采集與處理，運動學和動力學分析，人工智能等多方面知識的融合。仿人機器人從最初簡單模擬人的外形、動作、行走等，逐漸向人的思維、視覺、觸覺、智能等方面轉變，這就對機器人整個系統提出了更高的要求，不但要進一步完善機器人的機械結構和安裝，而且要增強控制系統的功能和處理能力。
對于控制系統而言，目前在仿人機器人上常用的控制芯片有DSP，ARM或其他一些單片機等，為了進一步增強機器人的可擴展性，這里采用嵌入式系統PC／104作為機器人的主控制計算機，它具有實時性好，成本低，小型化的優點，克服了傳統的基于單片機控制系統功能不足和基于PC控制系統非實時性的缺點，在仿人機器人應用中具有廣泛前景。

l 仿人機器人結構及控制系統
該機器人共有21個自由度，其中頭部2個自由度，可以實現頭部的俯仰和左右偏轉，在頭上裝有一個CCD攝像機，并且帶有視覺采集卡以及視覺處理計算機，能夠實現目標的識別和定位，為主控計算機直接提供目標信息。每個手臂3個自由度，能夠完成伸展和彎曲等動作，在機器人摔倒后可以提供支撐力，讓機器人可以自行起立。腰上1個自由度，實現仿人機器人軀干的前傾和后仰，便于機器人在行走或執行手上動作時重心的調節，增強機器人的可控性和穩定性。下肢6個自由度，其中踝關節處2個自由度，髖關節處3個自由度，與人的腿部結構相似，能夠靈活的完成下肢的各種動作。仿人機器人的整個結構采用框架式結構，有利于減輕機器人結構上的重量，提高機器人的承載能力，為機器人控制系統的改進提供了更大的空間。如圖1所示為仿人機器人實物圖。

仿人機器人控制系統以ACS一4051VEPC／104主板模塊作為主控制器，通過USB直接連接攝像頭，一個RS 232串行口與關節控制器相連，實現主控制計算機與關節控制器的通信。驅動模塊和關節控制器集成在一個PC板上，主要實現PWM波的產生，驅動電機轉動。ACS一4051VE主板集成了Intel 82559ERl0／100 Mb／s以太網卡，外接一個無線網卡可以實現與外部無線網絡的通信。仿人機器人控制系統總體上主要分為2個部分：主控制器模塊和關節控制器模塊。它的總體結構實物圖如圖2所示。