小型仿人机器人电机控制系统的设计与实现.docxVIP

第 35 卷第 24 期计算机工程2009 年 12 月Vol.35No.24Computer EngineeringDecember 2009·开发研究与设计技术·文章编号：1000—3428(2009)24—0247—03文献标识码：A中图分类号：TP242小型仿人机器人电机控制系统的设计与实现张怡，刘成刚，邢登鹏(上海交通大学自动化系，上海 200240)摘要：设计小型仿人机器人的电机控制系统，以实现多自由度运动控制和协调是机器人技术中的一个难点。针对传统控制器控制的电机数量少、难于实现关节协调的缺点，提出一种基于数字信号处理器(DSP)的新型电机控制系统。通过整合 DSP、电机控制集成电路和正交解码单元，发挥 DSP 的运动控制能力，实现对多路不同类型电机的实时控制。该系统可以获得符合要求的转角控制精度。关键词：仿人机器人；数字信号处理器；电机控制；正交解码Design and Implementation of Motor Control Systemfor Small Humanoid RobotZHANG Yi, LIU Cheng-gang, XING Deng-peng(Department of Automation, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240)【Abstract】The design of motor control system for small humanoid robots to realize motion control and coordination of multiple freedom degreesis a nodus of robot technology. Aiming at the demerit that traditional controllers are only applicable for controlling a small number of motors, whichimpedes joint coordination, this paper proposes a novel Digital Signal Processor(DSP)-based motor control system. The integration of DSPcontroller, motor control integrated circuit and quadrature decoder unit unleashes moving control potential of DSP, and realizes real-time controlamong multiple joints. Experimental results demonstrate that the system can provide satisfactory control precision.【Key words】humanoid robot; Digital Signal Processor(DSP); motor control; quadrature decoding1概述仿人机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系统。小型仿人机器人的机构与运动控制系统设计对尺寸、重量、控制、协调、实时性等方面的要求很高，其相关研究一直是该领域的热点之一。目前，仿人机器人多采用分布式控制系统，例如，本田公司的双足步行机器人 ASIMO 采用 4 个处理器的智能系统，控制计算机分别放在相应的腿臂关节上，以控制关节运动，上位机只负责完成整体控制规划。清华大学的 THBIP-I 机器人的分布式控制单元分为顶层和底层控制，顶层控制由 2 个PC104 嵌入式计算机分别负责机器人的上肢和下肢控制，底层由 11 个 PID 伺服控制单元组成[1]。现有控制系统存在以下不足：(1)系统移植性差，控制系统大多是开发者基于各自独立图 1机器人运动控制系统整体结构的结构，采用专用计算机、机器人语言、操作系统和微处理器开发的，限制了系统开放性；(2)体积和重量大，系统通常采用成品化的电机控制器和驱动器，控制电机的数目有限，导致占用空间大、体积臃肿，该矛盾在小型仿人机器人上尤为突出；(3)难于实现关节间耦合，由于机器人关节间存在强耦合关系，需要多电机协调运动，即必须依赖控制器间的大量通信，因此增加了系统连线复杂度，降低了可靠性和通信带宽，且增加了控制环节的延时。本文提出的仿人机器人电机控制系统具有以下优点：(1)单个控制器控制的关节自由度数量较大，控制系统结构更紧凑；(2)容易实现关节间运动的耦合控制；(3)适合对多种电机的控制，系统通用性强。协同运动处理模