牛鍇，羅慶生，李超，司世才

（1.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院）

仿生液壓四足機(jī)器人伺服控制器設(shè)計(jì)※

牛鍇1，羅慶生1，李超2，司世才2

（1.北京理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院，北京 100081；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院）

本文結(jié)合仿生液壓四足機(jī)器人的研發(fā)指標(biāo)，設(shè)計(jì)了基于STM32F405的分布式電液伺服控制器?？刂破魉欧偩€基于雙CAN總線設(shè)計(jì)，將控制指令總線和狀態(tài)反饋總線獨(dú)立分離，并基于CAN總線通信協(xié)議設(shè)計(jì)了單幀伺服指令。設(shè)計(jì)了純數(shù)字伺服閥驅(qū)動(dòng)電路，使用PWM驅(qū)動(dòng)MOSFET全橋方式實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，仿生液壓四足機(jī)器人電液伺服控制器符合預(yù)期的性能指標(biāo)要求，達(dá)到預(yù)想的設(shè)計(jì)效果。

仿生液壓四足機(jī)器人；電液伺服；CAN總線；自適應(yīng)PID；STM32F405

引 言

近年來各類軍用機(jī)器人在國防領(lǐng)域和地緣戰(zhàn)略中發(fā)揮著重要的作用。在我國廣大西部地區(qū)，由于地形復(fù)雜、道路崎嶇，傳統(tǒng)的輪式或履帶式機(jī)器人無法滿足地形通過性要求，而仿生四足機(jī)器人能夠較好地滿足在非結(jié)構(gòu)化地形條件下可靠行進(jìn)的任務(wù)需求。液壓驅(qū)動(dòng)的仿生四足機(jī)器人是近年國內(nèi)外的研究熱點(diǎn)與主攻項(xiàng)目，在其關(guān)鍵技術(shù)群中，電液伺服控制技術(shù)則是保障仿生液壓四足機(jī)器人實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定行進(jìn)功能的核心技術(shù)。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 控制對(duì)象分析

本文依托北京理工大學(xué)特種機(jī)器人技術(shù)創(chuàng)新中心正在研發(fā)的一款仿生液壓四足機(jī)器人展開研究，機(jī)器人每條腿具有3個(gè)主動(dòng)自由度和1個(gè)被動(dòng)自由度，分別為髖側(cè)擺關(guān)節(jié)、髖正擺關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和足部二階彈簧減震器，全部12個(gè)主動(dòng)關(guān)節(jié)均由液壓缸驅(qū)動(dòng)。機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸長為120cm，寬為50cm，大腿腿節(jié)桿件等效長度（髖關(guān)節(jié)軸到膝關(guān)節(jié)軸距離）為40cm，小腿腿節(jié)桿件等效長度（膝關(guān)節(jié)軸到足端包絡(luò)圓心距離）為40cm。在未集成機(jī)載液壓油源的實(shí)驗(yàn)條件下自重118.5kg。四足仿生機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合考慮伺服控制任務(wù)可以發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)性能要求有若干矛盾，如多通道并行伺服控制和單一通道伺服控制精度的時(shí)間資源沖突以及多輸入/輸出接口設(shè)計(jì)的硬件資源沖突。使用單一控制器的集中式控制系統(tǒng)很難在時(shí)間資源與硬件資源的分配上實(shí)現(xiàn)平衡，從而無法達(dá)到任務(wù)指標(biāo)要求?；谏鲜瞿繕?biāo)，本系統(tǒng)采用一種分布式系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行電液伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。本系統(tǒng)在運(yùn)動(dòng)控制器下設(shè)計(jì)4個(gè)伺服控制器，如圖2所示，并通過伺服總線連接構(gòu)成分布式電液伺服控制系統(tǒng)。

圖1 四足仿生機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

圖2 電液伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

4個(gè)伺服控制器分別負(fù)責(zé)機(jī)器人一條腿上3個(gè)液壓伺服單元的伺服控制。通過分布式系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)，一方面，拆分簡化了控制任務(wù)，使得單個(gè)控制器的任務(wù)時(shí)序更加具有規(guī)律性，提高了軟件系統(tǒng)的穩(wěn)定性；另一方面實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)的模塊化設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)兼顧了系統(tǒng)任務(wù)中對(duì)精度和實(shí)時(shí)性的要求。

2 伺服總線接口設(shè)計(jì)

伺服總線接口是位于運(yùn)動(dòng)控制器與4個(gè)伺服控制器之間的總線接口，負(fù)責(zé)傳遞下行的各液壓伺服單元伺服指令和反饋上行的各液壓伺服單元工作狀態(tài)，需要具備網(wǎng)絡(luò)特性。常用的總線主要包括RS422/485串行通信總線、以太網(wǎng)、I2C總線、SPI總線和CAN總線。CAN總線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多變，無主從特性。網(wǎng)絡(luò)上任何一個(gè)處于工作狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)都可以隨時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多的數(shù)據(jù)傳輸。采用非破壞性仲裁技術(shù)，郵箱和ID決定了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的優(yōu)先級(jí)，ID越小，優(yōu)先級(jí)越高。采用短幀結(jié)構(gòu)傳輸時(shí)，每幀8個(gè)有效字節(jié)，傳輸時(shí)間短，抗干擾能力強(qiáng)［1］。本設(shè)計(jì)選擇CAN總線作為系統(tǒng)的伺服總線，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

伺服總線更新頻率為200Hz，伺服指令幀長度為每軸6字節(jié)，可以使用CAN協(xié)議設(shè)計(jì)單幀伺服指令，單周期指令總長為72字節(jié)，每周期吞吐量計(jì)算如下所示：

其中，bpf是位每幀，f為幀，可計(jì)算得總線波特率為374.4kbps，CAN總線在40m內(nèi)通信波特率可達(dá)1Mbps，能夠滿足總線通信速率要求。考慮到伺服指令的高實(shí)時(shí)性要求，需要考慮避免反饋信息數(shù)據(jù)包占用總線影響數(shù)據(jù)時(shí)效性的問題，因此在設(shè)計(jì)時(shí)使用雙線設(shè)計(jì)，CAN1只用于運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)伺服控制器下發(fā)指令數(shù)據(jù)包，CAN2用于伺服控制向運(yùn)動(dòng)控制器返回傳感反饋信息。CAN收發(fā)器電路原理圖如圖4所示。

選擇SN65HVD232CAN總線收發(fā)器。圖4中R1為CAN總線的端負(fù)載電阻，按照伺服控制器所處總線位置決定是否短接跳線JP1。當(dāng)對(duì)應(yīng)伺服控制器位于總線端點(diǎn)時(shí)，為了防止信號(hào)反射，短接跳線JP1，將端接負(fù)載電阻傳入差分信號(hào)環(huán)路，抑制信號(hào)反射干擾。CAN總線控制器使用STM32F4系列MCU的片內(nèi)外設(shè)bxCAN，兩個(gè)bxCAN外設(shè)分別控制指令總線和傳感反饋總線。伺服控制器總線驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖3 CAN總線結(jié)構(gòu)簡圖

圖4 CAN收發(fā)器電路原理圖

圖5 伺服總線驅(qū)動(dòng)流程圖

3 伺服閥控制接口設(shè)計(jì)

常用的輸出級(jí)設(shè)計(jì)包括模擬直驅(qū)、DAC功率放大半數(shù)字驅(qū)動(dòng)、數(shù)字功率驅(qū)動(dòng)［2］。本文使用PWM驅(qū)動(dòng)MOSFET全橋的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)字功率驅(qū)動(dòng)，使用MOSFET SI4405P和SI4404N搭建功率驅(qū)動(dòng)全橋。使用STM32F405內(nèi)部定時(shí)器產(chǎn)生互補(bǔ)PWM驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)橋臂，這種控制方式首先實(shí)現(xiàn)了直接的數(shù)字控制，沒有使用模擬器件；其次使用單電源供電實(shí)現(xiàn)雙極性控制，簡化了電源和電路設(shè)計(jì)，并且可以通過對(duì)PWM載波頻率的調(diào)整，來實(shí)現(xiàn)伺服閥驅(qū)動(dòng)信號(hào)中顫振信號(hào)的疊加［3］。

4 傳感反饋接口設(shè)計(jì)

機(jī)器人液壓驅(qū)動(dòng)單元使用的位置傳感器和壓力傳感器均使用電壓信號(hào)輸出形式，STM32F405集成有2個(gè)16通道的12位高性能內(nèi)部ADC，單通道采樣頻率可達(dá)2.4 Msps，6通道輪詢采樣最快可保證每通道400ksps，可以滿足1kHz伺服頻率以及精度要求，因此本設(shè)計(jì)不使用獨(dú)立的外部ADC，直接使用內(nèi)部外設(shè)。傳感器輸出信號(hào)為0 ～10V，調(diào)理電路如圖6所示。

圖6 無源增益?zhèn)鞲行盘?hào)調(diào)理電路原理圖

ADC使用STM32F405內(nèi)部外設(shè)，單通道采樣頻率設(shè)置為16ksps，通過DMA寫入16字節(jié)滾筒緩存，進(jìn)行數(shù)字濾波。軟件流程如圖7所示。

圖7 傳感反饋接口驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

5 伺服總線指令協(xié)議設(shè)計(jì)

配置CAN總線通信ID為標(biāo)準(zhǔn)11位ID。通過對(duì)11 位ID的配置，設(shè)計(jì)伺服指令I(lǐng)D格式如下所示。

ID10 ID9 ID8 ID7 ID6 ID5 ID4 ID3 ID2 ID1 ID0讀寫標(biāo)志 控制字 廣播標(biāo)志 伺服控制器號(hào) 關(guān)節(jié)編號(hào)

ID0、ID1位為伺服控制器編號(hào)編碼位，按照左前腿0號(hào)、右前腿1號(hào)、左后腿2號(hào)、右后腿3號(hào)的順序進(jìn)行編碼。ID2、ID3位為關(guān)節(jié)編號(hào)編碼位，對(duì)單腿自上而下的髖側(cè)擺、髖正擺和膝關(guān)節(jié)分別編碼為0、1和2。具體編碼如表1所列。

ID5～9位用于指令編碼，因?yàn)樗欧偩€和反饋總線相互獨(dú)立，所以對(duì)伺服控制和狀態(tài)反饋分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。ID4位為廣播標(biāo)志位，該位置為1時(shí)，對(duì)應(yīng)指令以廣播的形式發(fā)給每個(gè)通道。ID10位為伺服總線的讀寫標(biāo)志位，該位置為0時(shí)，控制指令代表對(duì)相應(yīng)控制量的讀指令，伺服控制器通過CAN2發(fā)出回包數(shù)據(jù)。

表1 lD低4位編碼

5.1 伺服控制總線指令協(xié)議

伺服控制指令由運(yùn)動(dòng)控制器通過CAN1下發(fā)，按照CAN總線對(duì)ID的響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行設(shè)計(jì)，高優(yōu)先級(jí)指令控制字較小，總線仲裁優(yōu)先級(jí)較高。設(shè)計(jì)的控制指令略——編者注。

5.2 狀態(tài)反饋總線指令協(xié)議

狀態(tài)反饋指令用于通過CAN2反饋?zhàn)詸z信息和回傳工作狀態(tài)略——編者注。

6 非對(duì)稱前饋補(bǔ)償模糊自適應(yīng)PlD算法設(shè)計(jì)

仿生液壓四足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)，而機(jī)器人自身具有負(fù)載可變、環(huán)境時(shí)變的特點(diǎn)，因此控制對(duì)象是一個(gè)非線性、參數(shù)時(shí)變的系統(tǒng)。模糊PID控制在這種系統(tǒng)控制方面有很大優(yōu)勢，可提高控制性能［5］。

為了降低模糊控制器的復(fù)雜度，本系統(tǒng)使用了一種誤差分段智能控制算法，其控制方案的原理如圖8所示。圖中的辨識(shí)開關(guān)通過判斷誤差閾值，選擇Bang-Bang控制或模糊自適應(yīng)PID控制。當(dāng)誤差大于設(shè)定閾值時(shí)，進(jìn)行Bang-Bang控制；當(dāng)誤差小于設(shè)定閾值時(shí)，進(jìn)行模糊自適應(yīng)PID控制。模糊推理專家?guī)斓膮?shù)通過自整定系統(tǒng)在調(diào)試模式獲取［6］。

圖8 非對(duì)稱前饋補(bǔ)償模糊自適應(yīng)PlD控制器結(jié)構(gòu)圖

針對(duì)液壓控制系統(tǒng)的非對(duì)稱性和滯環(huán)特性，在以上控制器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上加入速度和加速度前饋控制參數(shù)，以補(bǔ)償系統(tǒng)的滯環(huán)，提高響應(yīng)速度。通過對(duì)兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向設(shè)置不同的前饋參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有桿腔和無桿腔運(yùn)動(dòng)方向的非對(duì)稱補(bǔ)償。具體的實(shí)現(xiàn)方式是，由一個(gè)方向判斷開關(guān)來選擇兩個(gè)運(yùn)動(dòng)方向的補(bǔ)償參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)控制，同時(shí)，液壓缸控制參數(shù)的非對(duì)稱性在模糊策略表中體現(xiàn)。

7 實(shí) 驗(yàn)

將液壓缸一端固定在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，另一端空載或者串聯(lián)10kg負(fù)載，使用具有功率冗余的21MPa大功率外油源供油。

7.1 正弦位置控制實(shí)驗(yàn)

對(duì)于85mm行程液壓伺服系統(tǒng)，輸入20mm幅值、4.5Hz正弦波激勵(lì)所獲得的響應(yīng)結(jié)果略——編者注。其表現(xiàn)了性能對(duì)稱、位置速度跟蹤情況良好的伺服控制效果。

7.2 階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)

對(duì)膝關(guān)節(jié)100mm行程液壓伺服系統(tǒng)施加幅值30mm的方波激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)正反雙向60mm行程的階躍信號(hào)。能在三次震蕩之內(nèi)達(dá)到0.01mm的穩(wěn)態(tài)誤差，實(shí)驗(yàn)響應(yīng)曲線略——編者注。記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表略——編者注。

結(jié) 語

本文基于STM32F405設(shè)計(jì)了分布式電液伺服控制架構(gòu)，使用CAN總線搭建了伺服總線，并對(duì)電液伺服輸入和輸出接口進(jìn)行了有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，引入了具有非對(duì)稱前饋補(bǔ)償?shù)哪：赃m應(yīng)控制算法。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，控制器伺服控制水平滿足性能指標(biāo)要求，達(dá)到了良好的控制效果。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www. mesnet.com.cn。

［1］滿慶豐.CAN總線的應(yīng)用與發(fā)展［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，1994（12）：2-4.

［2］李言軍.電液伺服/比例放大器的研究［D］.杭州：浙江大學(xué)，2007.

［3］袁銳波.電液比例施力控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)特性研究［D］.昆明：昆明理工大學(xué)，2001.

［4］蔣建文，林勇，韓江洪.CAN總線通信協(xié)議的分析和實(shí)現(xiàn)［J］.計(jì)算機(jī)工程，2002（2）：219-220，248.

［5］方一鳴，黃鎮(zhèn)海，焦曉紅.液壓伺服位置系統(tǒng)模型參考模糊自適應(yīng)PID控制器的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2002（3）：9 -11，14.

［6］劉金錕.先進(jìn)PID控制及其MATLAB仿真［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2004.

牛鍇（碩士研究生）、羅慶生（教授），研究方向?yàn)樘胤N機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)、機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)。

Servo Controller of Hydraulic Driven Bionic Quadruped Robot※

Niu Kai1，Luo Qingsheng1，Li Chao1，Si Shicai2
（1.School of Mechatronical Engineering，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081，China；
2.School of Mechanical and Vehicular Engineering，Beijing Institute of Technology）

The paper designs a distributed electro-hydraulic servo controller based on STM32F405，combining with the parameters of hydraulic driven bionic quadruped robot.The servo bus is designed based on dual CAN bus，it separates the state feedback bus and control instruction bus，and the servo command is designed based on the CAN bus communication protocol.A pure digital servo valve drive circuit is designed，which uses PWM to drive the MOSFET full bridge.Experimental results show that the distributed electro-hydraulic servo controller can reliably complete the motion control and servo control tasks.

hydraulic driven bionic quadruped robot；electro-hydraulic servo control；CAN bus；adaptive PID；STM32F405

TP242.6

A

??楊迪娜

2015-01-14）