基于PC／104與單片機的仿人機器人控制系統(tǒng)設計

摘 要：為了簡化仿人機器人控制系統(tǒng)結構，增強機器人系統(tǒng)的功能。采用PC／104嵌入式系統(tǒng)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(jié)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(chǎn)生PWM波，經(jīng)過放大電路，實現(xiàn)21路電機的控制。經(jīng)過實驗，得到圖像采集分析結果和仿人機器人穩(wěn)態(tài)步行。實驗表明，這種控制系統(tǒng)能夠實現(xiàn)仿人機器人的控制。
關鍵詞：仿人機器人；主控制計算機；關節(jié)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(tǒng)，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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的功能和處理能力。
    對于控制系統(tǒng)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(tǒng)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(yōu)點，克服了傳統(tǒng)的基于單片機控制系統(tǒng)功能不足和基于PC控制系統(tǒng)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(tǒng)
    該機器人共有21個自由度，其中頭部2個自由度，可以實現(xiàn)頭部的俯仰和左右偏轉，在頭上裝有一個CCD攝像機，并且?guī)в幸曈X采集卡以及視覺處理計算機，能夠實現(xiàn)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(xiàn)仿人機器人軀干的前傾和后仰，便于機器人在行走或執(zhí)行手上動作時重心的調節(jié)，增強機器人的可控性和穩(wěn)定性。下肢6個自由度，其中踝關節(jié)處2個自由度，髖關節(jié)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(tǒng)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(tǒng)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(jié)控制器相連，實現(xiàn)主控制計算機與關節(jié)控制器的通信。驅動模塊和關節(jié)控制器集成在一個PC板上，主要實現(xiàn)PWM波的產(chǎn)生，驅動電機轉動。ACS一4051VE主板集成了Intel 82559ERl0／100 Mb／s以太網(wǎng)卡，外接一個無線網(wǎng)卡可以實現(xiàn)與外部無線網(wǎng)絡的通信。仿人機器人控制系統(tǒng)總體上主要分為2個部分：主控制器模塊和關節(jié)控制器模塊。它的總體結構實物圖如圖2所示。

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    主要特性有：
    (1)高速、流水線結構的8051兼容的CIP一51內核(可達25 MIPS)，70％的指令的執(zhí)行時間為1個或2個系統(tǒng)時鐘周期，能滿足關節(jié)控制器的需要。
    (2)有4個通用16位計數(shù)器／定時器，以及16位可編程計數(shù)器／定時器陣列，5個捕捉／比較模塊，29個端口I／O。通過對片內進行編程，以及合理地分配比較器與I／O口，實現(xiàn)在C8051F310芯片上產(chǎn)生21路PWM波。由于單片機輸出的是數(shù)字形式的控制量，必須經(jīng)過D／A轉換變成模擬控制量，經(jīng)伺服放大器驅動電機。
    在此采用MAXIIM的12位串行D／A芯片MAX531作為數(shù)／模轉換芯片，將MAX531工作在雙極性電壓方式下，其輸出模擬量的范圍在一2．048～+2．048 V，精度為1 mV。輸出的模擬量經(jīng)過運算放大器進行放大，進入伺服放大器驅動電機。
    C8051F310作為關節(jié)控制器控制核心，它主要負責21路PWM的產(chǎn)生，在C8051F310芯片中集成了4個通用的16位計數(shù)器／定時器，5個捕捉／比較模塊，運用1個計數(shù)器／定時器和1個比較模塊控制6路I／0端口，其他3個計數(shù)器／定時器和3個比較器控制15路I／O口，來實現(xiàn)21路PWM波的產(chǎn)生。這里以6路PWM波的產(chǎn)生來說明運用C8051F310實現(xiàn)電路，其電路圖如圖4所示：CEXn引腳產(chǎn)生脈寬調制PWM輸出，PWM輸出的頻率取決于PCA計數(shù)器／定時器的時基，使用模塊的捕捉／比較寄存器PCA0CPLn改變PWM輸出信號的占空比。當關節(jié)控制器接收給定的6個電機轉動角度序列數(shù)據(jù)后．由軟件將6個數(shù)據(jù)從小到大排列，并依次求出相鄰2個數(shù)的差值，按照最小的數(shù)、前2個數(shù)的差值到最后兩個數(shù)的差值排列好，并將從小到大的數(shù)據(jù)對映的交叉開關的地址依次對映。
    程序將第一個最小角度數(shù)放入比較寄存器的低8位PCA0CPLn中，當PCA計數(shù)器／定時器的低字節(jié)(PCAOL)與PCA0CPLn中的值相等時，CEXn引腳上的輸出被置“1”；同時程序將第二個數(shù)據(jù)即差值放入比較寄存器的PCA0CPLn中，PCA計數(shù)器／定時器清零，并將交叉開關置位到相應的輸出腳，當PCA計數(shù)器／定時器的低字節(jié)(PCAOL)與PCA0CPLn中的值再次相等時，CEXn引腳上的輸出被置“1”，直到這組數(shù)據(jù)完畢。PCAOL中的計數(shù)值溢出，CEXn輸出被復位，準備第二輪的PWM波的產(chǎn)生。

3 實 驗
3．1 圖像采集處理
    為了使機器人能夠達到預定目標，必須對軟件系統(tǒng)進行設計規(guī)劃。主控計算機上安裝了WIN98系統(tǒng)，圖像采集與處理采用VC進行編程，下面是圖像采集處理的程序運行界面如圖5所示。

3．2 仿人機器人穩(wěn)定步行
    運用這種控制系統(tǒng)來實現(xiàn)DF一1仿人機器人行走的控制，通過實驗表明，此系統(tǒng)能夠完成仿人機器的動態(tài)穩(wěn)定行走，圖6是一系列行走連續(xù)行走的截圖。

4 結 語
    基于PC／104嵌入式計算機和C8051F310芯片設計了仿人機器人的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了機器人的圖像采集和處理，以及機器人的穩(wěn)定步行。PC／104嵌入式計算機功能齊備，運算能力強，可擴展性好，作為仿人機器人控制系統(tǒng)有它獨特的優(yōu)點。單片機實現(xiàn)仿人機器人的關節(jié)控制，由于其計算能力有限，難以實現(xiàn)復雜的控制，因此這種控制系統(tǒng)可以用來作為實驗用和教學用機器人。