俞志偉，楊屹巍,2，宮 俊,2，戴振東

（1.南京航空航天大學(xué) 仿生結(jié)構(gòu)與材料防護(hù)研究所，南京 210016；2.南京航空航天大學(xué) 自動化學(xué)院，南京 210016）

0 引言

現(xiàn)代機(jī)器人技術(shù)的研究是控制論、系統(tǒng)論、信息學(xué)、計算機(jī)科學(xué)、機(jī)械學(xué)、傳感器技術(shù)、人工智能和仿生學(xué)等多學(xué)科綜合而形成的高科技產(chǎn)物，是研究最為活躍及應(yīng)用愈加廣泛的領(lǐng)域[1]。傳統(tǒng)機(jī)器人都采用輪式或履帶式結(jié)構(gòu)，不能充分實現(xiàn)空間三維表面運動的靈活性，因此人們把目光轉(zhuǎn)向了自然界，希望能從中獲得靈感[2,3]。由于壁虎是空間三維表面運動靈活的良好仿生對象，對非結(jié)構(gòu)環(huán)境適應(yīng)能力強，能夠?qū)崿F(xiàn)地面、墻面、天花板及不同法向面間的過渡，因此通過對壁虎的運動功能仿生研究，研制具有足式結(jié)構(gòu)的仿壁虎機(jī)器人具有比輪式和履帶式等機(jī)構(gòu)更好的優(yōu)越性。

本文仿生研制了仿壁虎機(jī)器人，采用大力矩舵機(jī)驅(qū)動機(jī)器人各關(guān)節(jié)，控制系統(tǒng)由機(jī)載電源供電。本文仿生研制了仿壁虎機(jī)器人，采用大力矩舵機(jī)驅(qū)動機(jī)器人各關(guān)節(jié)，控制系統(tǒng)由機(jī)載電源供電。傳統(tǒng)設(shè)計中使用Atmega16 AVR微控制器[4]、TMS320F2812的DSP控制器[5,6]對小型機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行控制。由于仿壁虎機(jī)器人需要在豎直墻面和天花板進(jìn)行運動，對于控制系統(tǒng)的體積和重量有著更高的要求，同時應(yīng)滿足足式粘附運動中對自身位姿和足端粘附力的感知和實時控制要求，而ARM處理器中LPC2103具有最高70MHz主頻的RISC內(nèi)核，集成32KB Flash和8KB RAM存儲器，封裝大小僅為7×7×1.4mm[7～9]，完全滿足仿壁虎機(jī)器人系統(tǒng)要求，因此，本文設(shè)計了以LPC2103為核心的仿壁虎機(jī)器人控制系統(tǒng)。在仿壁虎機(jī)器人爬壁實驗中，該系統(tǒng)實時驅(qū)動12自由度關(guān)節(jié)運動，完成90°穩(wěn)定爬壁運動。

1 仿壁虎機(jī)器人結(jié)構(gòu)

根據(jù)對生物大壁虎的觀察，設(shè)計了一種仿壁虎機(jī)器人，其三維模型如圖1所示。

該機(jī)器人的前后腿采用對稱式布置，降低了機(jī)器人重心，使機(jī)器人爬行時重心更穩(wěn)定。機(jī)器人的每條腿都有3個主動自由度。驅(qū)動抬放腿動作的1號電機(jī)和身體相連，實現(xiàn)腿部繞1號電機(jī)中心軸的旋轉(zhuǎn)運動，在運動時實現(xiàn)腳掌的抬起和放下。2號電機(jī)和3號電機(jī)組成一個二連桿機(jī)構(gòu)，負(fù)責(zé)驅(qū)動機(jī)器人身體前進(jìn)。這樣的電機(jī)布置和機(jī)構(gòu)布局能最大限度地提高機(jī)器人足端在水平面的運動范圍和腳掌的抬起高度。

2 機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件電路

本控制系統(tǒng)硬件部分可分為主控部分、電源部分和通信部分。其中主控部分對機(jī)器人進(jìn)行集中控制，負(fù)責(zé)機(jī)器人四肢的舵機(jī)驅(qū)動、采集傳感器數(shù)據(jù)和響應(yīng)上位機(jī)控制信號；電源部分負(fù)責(zé)給機(jī)器人的控制系統(tǒng)硬件和舵機(jī)供電；通信部分負(fù)責(zé)接收上位機(jī)的信號和信號電平轉(zhuǎn)換。機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件電路模塊圖如圖2所示。

圖2 硬件電路模塊圖

圖3 機(jī)器人控制系統(tǒng)電路圖

主控部分使用的芯片為32位的ARM7 TDMI-S內(nèi)核的LPC2103微控制器，具有每秒中最多處理6300萬條指令的計算能力、8KB的RAM與32KB的Flash存儲器、2個32位計數(shù)器和2個16位計數(shù)器，2個SPI接口、2個I2C接口、2個異步串行口，可以從根本上提高機(jī)器人控制時的實時性，存儲更多控制程序，可連接更多的傳感器和執(zhí)行器，從根本上提高了機(jī)器人控制系統(tǒng)上的性能。

LPC2103微控制器使用片內(nèi)四個定時器，可產(chǎn)生12路PWM信號控制機(jī)器人四肢各關(guān)節(jié)的舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度；在傳感器信號采集方面，使用LPC2103集成的8路10位模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊采集模擬輸出的傳感器信號或者使用SPI或I2C接口采集數(shù)字輸出的傳感器信號，與上位機(jī)通信時，利用片內(nèi)的異步串行口與通信部分的MAX232和MC55進(jìn)行通信。主控電路如圖3所示。

為解決舵機(jī)驅(qū)動對其他電路干擾較大的問題，電源部分設(shè)計分為兩路供電，分別為舵機(jī)和控制電路供電。由于機(jī)器人使用的是大扭矩的HS-65MG舵機(jī)，每個舵機(jī)的工作電流是200mA，則當(dāng)12個舵機(jī)同時工作時總共需要2.4A電流，所以舵機(jī)的供電部分使用了3片LM7805，每片可提供1A電流的5V穩(wěn)壓電源。在電源的輸入端使用二極管橋式整流電路以防止電源接入時的極性錯誤，為了防止LM7805在并聯(lián)使用時個體差異可能會造成的發(fā)熱，分別在每個LM7805的輸出端傳入二極管，而增加該二極管又導(dǎo)致了輸出端無法達(dá)到5V的電壓，為了解決這個問題，在LM7805的接地端引入二極管以抬高LM7805的輸出電壓。舵機(jī)電源電路如圖4所示。

在控制系統(tǒng)電源部分，由于LPC2103的片內(nèi)外設(shè)和內(nèi)核分別使用3.3V和1.8V電源供電，故各使用一片AMS1117-3.3和一片AMS1117-1.8產(chǎn)生3.3V和1.8V穩(wěn)壓電源。在輸入端同樣使用二極管橋式整流電路防止極性錯誤，而為了減少電路各部分的電源和地之間的相互干擾，分別在電源芯片輸出端到其他芯片的電源之間，電源地和數(shù)字地、模擬地之間引入零歐姆電阻，相當(dāng)于很窄的電流通路，能夠有效地限制環(huán)路電流，使噪聲得到抑制。電路圖如圖5所示。

圖4 機(jī)器人舵機(jī)電源部分電路圖

機(jī)器人的通信部分可分為有線通信和無線通信，有線通信通過通信電纜連接到RS232總線驅(qū)動和接收器MAX3232上，由MAX3232將LPC2103異步通信口的3.3V電平轉(zhuǎn)換為RS232電平以便于和上位機(jī)通信，電路圖如圖6所示。

圖5 機(jī)器人控制系統(tǒng)電源電路圖

無線通信部分使用西門子的MC55，實物如圖7所示，GPRS三頻無線通訊模塊，支持GSM通訊和分組業(yè)務(wù)功能，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，具有使用簡單，可靠性高，體積小等特點。MC55經(jīng)串口和LPC2103通信。LPC2103發(fā)送專用的AT指令控制MC55模塊，AT指令由ASCII字符AT開頭，〈CR〉結(jié)束。

在機(jī)器人運行期間，LPC2103中斷查詢MC55從上位機(jī)收到的控制命令，從而實現(xiàn)對仿壁虎機(jī)器人的遠(yuǎn)程控制。

圖6 MAX3232電路圖

3 機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件部分

機(jī)器人控制系統(tǒng)的軟件部分主要是由已知的步態(tài)數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的各關(guān)節(jié)舵機(jī)所使用的PWM脈寬以控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動角度，關(guān)節(jié)舵機(jī)使用周期為20 ms，脈寬為0.5-2.5ms，相應(yīng)的轉(zhuǎn)動角度范圍為 0°~180°[10～12]。

首先需要將已知的關(guān)機(jī)舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度轉(zhuǎn)換為舵機(jī)所需的PWM脈寬，PWM脈寬和轉(zhuǎn)動角度呈線性關(guān)系，可以用下式表示兩者的關(guān)系：x＝C－(α×P＋Z)，x表 示PWM脈 寬，C為PWM一個周期，α表示舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度，P表示1度角度的脈寬，Z表示舵機(jī)零度時的脈寬。

圖7 MC55無線通信模塊

LPC2103的四個定時器采用匹配輸出的方式，各產(chǎn)生3路PWM波。以定時器0為例，下面詳細(xì)介紹定時器輸出PWM的方法。定時器0為一個32位的匹配/捕獲定時器，提供3路比較匹配輸出和3路捕獲輸入，能夠在MAT0.0～2上產(chǎn)生3路單邊沿PWM輸出。定時器0內(nèi)部有4個匹配寄存器(MR0～3)和4個捕獲寄存器（CR0～3）。本文采用在MR0～2寄存器存放3路PWM脈寬數(shù)據(jù)，MR3寄存器存放PWM周期數(shù)據(jù)，在PWM控制寄存器中將MAT0.0～2配置為PWM輸出。PWM波的輸出原理是：在PWM周期開始時，所有PWM輸出為低電平；計數(shù)器與匹配寄存器發(fā)生匹配時，相關(guān)的PWM輸出為高，若沒有發(fā)生匹配，則相應(yīng)PWM波輸出一直為低電平；當(dāng)定時器與PWM周期匹配定時器發(fā)生匹配時，該定時器的3路PWM波輸出均清零，同時觸發(fā)定時器比較匹配中斷，在中斷處理程序中重新將PWM脈寬數(shù)據(jù)對比較匹配寄存器賦值，其原理如圖8所示。

圖8 PWM波原理圖

機(jī)器人控制程序流程圖如圖9所示。

機(jī)器人控制對實時性的要求很高，實時性決定了四足機(jī)器人四肢運動的協(xié)調(diào)性和連貫性，以下從軟件方面分析本系統(tǒng)的實時性，以微控制器處理匯編指令為評價標(biāo)準(zhǔn)，本系統(tǒng)LPC2103使用44.2368MHz時鐘，每個時鐘周期耗時22.6ns。在系統(tǒng)初始化模塊中總共有219條指令，其中單周期指令使用158條，需要158個時鐘周期，多周期指令61條，需要163個時鐘周期，初始化總共需要321個時鐘周期，耗時7.2546ms，保證了機(jī)器人以極快的速度完成系統(tǒng)初始化。在驅(qū)動單腿時總共為121條指令，其中單周期指令91條，需要91個時鐘周期，多周期指令30條，需要146個時鐘周期，驅(qū)動單腿共需237個時鐘周期，耗時5.3662ms，由此可得，發(fā)送一次驅(qū)動四肢的PWM信號總共需要948條指令，耗時21.4648ms，完全滿足同時控制四肢12個舵機(jī)的實時性要求，保證的四肢各個關(guān)節(jié)的相互協(xié)調(diào)和運動的連貫性與實時性。

圖9 機(jī)器人控制程序流程圖

4 仿壁虎機(jī)器人90°爬壁實驗

如圖10所示，南航仿壁虎機(jī)器人實驗樣機(jī)IBSS-gecko-6，重約500g，具有12個主動驅(qū)動自由度和12個被動約束自由度，單個腳掌能夠適應(yīng)空間三維不同表面，實現(xiàn)了90°豎直壁面的爬行運動。

圖11～圖13分別為機(jī)器人進(jìn)行運動試驗時的一個周期單腿各關(guān)節(jié)角度變化曲線。經(jīng)90°爬壁實驗驗證，該機(jī)器人控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠精確驅(qū)動控制各關(guān)節(jié)角度，沒有出現(xiàn)因關(guān)節(jié)運動角度誤差而導(dǎo)致各腿間粘附腳掌的被動脫附，機(jī)器人運動平穩(wěn)，表明基于LPC2103為核心的仿壁虎機(jī)器人控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠。

圖10 仿壁虎機(jī)器人90°爬壁步態(tài)圖

圖11 1號電機(jī)關(guān)節(jié)角度變化曲線

圖12 2號電機(jī)關(guān)節(jié)角度變化曲線

圖13 3號電機(jī)關(guān)節(jié)角度變化曲線

5 結(jié)論

本文以LPC2103為核心設(shè)計了仿壁虎機(jī)器人控制系統(tǒng)，實時驅(qū)動仿壁虎機(jī)器人12自由度關(guān)節(jié)運動， 實現(xiàn)90°穩(wěn)定爬壁運動，爬壁實驗中機(jī)器人整體系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，控制系統(tǒng)對機(jī)器人各關(guān)節(jié)的運動控制準(zhǔn)確，表明基于LPC2103為核心的仿壁虎機(jī)器人控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定、可靠。

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