王增喜

（1.清研華翊（天津）教育科技有限公司，天津300304；2.清華大學(xué) 天津高端裝備研究院，天津300304）

雙足機(jī)器人是機(jī)器人技術(shù)的制高點(diǎn)，具有非常典型的學(xué)科綜合和交叉性強(qiáng)等特點(diǎn)，幾乎涵蓋了工科大部分專業(yè)內(nèi)容，是非常好的創(chuàng)新實(shí)踐教學(xué)載體。 基于STM32的6 自由度雙足機(jī)器人，STM32 單片機(jī)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)和監(jiān)控整個(gè)控制系統(tǒng)的運(yùn)行；通信單元主要負(fù)責(zé)人機(jī)交互時(shí)的數(shù)據(jù)傳遞；存儲(chǔ)單元主要用來存儲(chǔ)脫機(jī)運(yùn)行時(shí)的位置信息；電源單元負(fù)責(zé)給控制系統(tǒng)和舵機(jī)提供電源；采用插補(bǔ)法實(shí)現(xiàn)了舵機(jī)的調(diào)速控制，解決了多路舵機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制問題[1-3]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)機(jī)器人的控制系統(tǒng)如圖1 所示，主要由主控單元、通信單元、存儲(chǔ)單元、電源單元、舵機(jī)單元、無線單元和傳感單元等組成。

圖1 機(jī)器人控制系統(tǒng)Fig.1 Robot control system

電源單元主要通過鋰電池，電壓進(jìn)行轉(zhuǎn)換后為其他單元供電；舵機(jī)單元是控制器通過總線TTL 給舵機(jī)發(fā)送控制命令，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；通信單元是控制器與上位機(jī)進(jìn)行通信；傳感器單元包括超聲波傳感器、紅外遙控傳感器、LED、蜂鳴器；存儲(chǔ)單元是控制器將上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)。

2 控制軟件設(shè)計(jì)

采用總線舵機(jī)控制方案，具有在線調(diào)試、下載程序模塊、離線程序執(zhí)行功能特點(diǎn)。 為滿足機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制要求，機(jī)器人采用分布式控制系統(tǒng)，分為運(yùn)動(dòng)控制層和決策層兩層控制，運(yùn)動(dòng)控制層管理機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)，功能包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在線姿態(tài)調(diào)整，舵機(jī)控制。 決策層處理傳感器信息，做出智能決策，生成運(yùn)動(dòng)指令，兩層控制互相通信，并且共享信息[4-5]。

2.1 控制系統(tǒng)程序框架

控制系統(tǒng)程序框架如圖2 所示。

圖2 控制系統(tǒng)程序框架圖Fig.2 Control system program frame diagram

在線調(diào)試模塊包括通信模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊和數(shù)據(jù)管理模塊。 功能主要是用于調(diào)試和制作機(jī)器人步態(tài)動(dòng)作；操作者在計(jì)算機(jī)使用圖形化界面編程，通過專用數(shù)據(jù)線進(jìn)行在線調(diào)試。

圖3 在線調(diào)試模塊Fig.3 Online debugging module

下載程序模塊包括通信模塊、存儲(chǔ)模塊。 將控制器與計(jì)算機(jī)用數(shù)據(jù)線連接，使用圖形化界面下載已調(diào)試好的程序，下載程序即步態(tài)數(shù)據(jù)以非易失的形式儲(chǔ)存。

離線程序模塊包括存儲(chǔ)模塊、舵機(jī)模塊、傳感器模塊。 機(jī)器人調(diào)試完畢后，控制器與計(jì)算機(jī)斷開；控制器執(zhí)行存儲(chǔ)與控制器的步態(tài)數(shù)據(jù)及命令，以此使機(jī)器人做出不同動(dòng)作。

圖4 下載程序模塊Fig.4 Download program module

圖5 離線調(diào)試模塊Fig.5 Off-line debug module

2.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)采用主循環(huán)處理+中斷事件的程序結(jié)構(gòu)的協(xié)作式的多任務(wù)系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖6 所示。

圖6 控制系統(tǒng)多任務(wù)處理Fig.6 Multitask processing of control system

所有的任務(wù)均在主循環(huán)內(nèi)得到運(yùn)行，某個(gè)任務(wù)得以運(yùn)行的條件是由該任務(wù)對(duì)應(yīng)的事件發(fā)生，例如接收到串口數(shù)據(jù)，則中斷子程序會(huì)給對(duì)應(yīng)的串口數(shù)據(jù)包處理任務(wù)打標(biāo)記，時(shí)間中斷檢測(cè)在一個(gè)運(yùn)行周期內(nèi)是否有新事件產(chǎn)生，如果有則在消息隊(duì)列中加入一條對(duì)應(yīng)的消息，主循環(huán)不斷地檢測(cè)消息隊(duì)列內(nèi)是否有消息，如果有則立即執(zhí)行該消息對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)。 這樣可以最大限度地利用CPU 時(shí)間，以期在未來加入在線步態(tài)規(guī)劃時(shí)有充足的CPU資源[6-8]。

3 上位機(jī)

上位機(jī)基于LabVIEW 開發(fā)， 主要是造型簡(jiǎn)介主界面、步態(tài)規(guī)劃界面和編程界面，如圖7、圖8 所示。主界面包括雙足機(jī)器人舵機(jī)關(guān)節(jié)ID、零件清單；步態(tài)界面有新建、導(dǎo)入、在線調(diào)試步態(tài)等功能；編程界面主要是可以調(diào)用設(shè)計(jì)的不同步態(tài)。

圖7 上位機(jī)主界面Fig.7 Host computer interface

圖8 上位機(jī)步態(tài)界面Fig.8 Gait interface of upper computer

4 算法設(shè)計(jì)

4.1 步態(tài)算法

雙足步行的復(fù)雜性使仿人機(jī)器人研究存在較大難度，其動(dòng)作是高維非線性耦合的，雙足機(jī)器人在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)由單腿支撐，同時(shí)存在開環(huán)機(jī)構(gòu)和閉環(huán)機(jī)構(gòu)的交替轉(zhuǎn)變。 因此，目前的機(jī)器人系統(tǒng)仍遠(yuǎn)沒有達(dá)到自然生物界的運(yùn)動(dòng)靈活性，仍然有眾多問題亟待解決。

步行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃研究始終是仿人機(jī)器人技術(shù)研究的核心問題，目前已取得諸多研究成果。從考慮環(huán)境約束的角度主要分為無環(huán)境約束的步行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和考慮全局環(huán)境的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃兩個(gè)方向，前者即常見的步態(tài)規(guī)劃，后者則以足跡規(guī)劃最具代表性。首先在全局地圖、初始條件和目標(biāo)狀態(tài)已知的情況下，構(gòu)造自起始點(diǎn)至終止點(diǎn)的足跡序列，進(jìn)而由步態(tài)規(guī)劃方法生成關(guān)節(jié)軌跡，逐個(gè)實(shí)現(xiàn)足跡序列的單元，最終由控制器和關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)器跟隨該軌跡，完成步行運(yùn)動(dòng)任務(wù)。

該步行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的本質(zhì)是通過足跡序列建立了機(jī)器人關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)和環(huán)境約束的聯(lián)系，將問題一分為二，以足跡規(guī)劃解決環(huán)境障礙物的躲避問題，以步態(tài)規(guī)劃達(dá)到了滿足動(dòng)力學(xué)約束的關(guān)節(jié)軌跡生成目標(biāo)，為仿人機(jī)器人的步行運(yùn)動(dòng)規(guī)劃建立了通用的流程。

4.2 速度算法

4.2.1 插補(bǔ)法調(diào)速過程

舵機(jī)本身是不能進(jìn)行速度控制的，我們必須要通過軟件實(shí)現(xiàn)，想要實(shí)現(xiàn)速度控制，必須要給定舵機(jī)的初始位置和終點(diǎn)位置，然后給定從初始位置到終點(diǎn)位置的時(shí)間，把時(shí)間和角度分別細(xì)化，并一一對(duì)應(yīng)。 這樣就可以從宏觀上對(duì)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)速度控制。時(shí)間細(xì)分的越密集，舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)也越流暢，但是受舵機(jī)自身?xiàng)l件的限制，不可能無限的細(xì)分下去。 插補(bǔ)法具體實(shí)現(xiàn)過程如下，采用定時(shí)器中斷來實(shí)現(xiàn)時(shí)間的細(xì)化，一個(gè)周期為T 的時(shí)間里，定時(shí)器中斷N次，這樣時(shí)間的細(xì)化單位如式（1）所示：

從初始位置到目標(biāo)位置時(shí)間為Ten，這樣細(xì)化次數(shù)n 如式（2）所示：

初始位置的角度為ω0， 終點(diǎn)位置的角度為ωn，從初始位置到終點(diǎn)位置的角度差dp如式（3）所示：

最終得出角度的細(xì)化單位，如式（4）所示：

由此可見，時(shí)間每增加一個(gè)dt，角度也對(duì)應(yīng)增加dp0，令m 為差補(bǔ)次數(shù)變量，當(dāng)m=n 時(shí)，舵機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置。

4.2.2 插補(bǔ)法調(diào)速過程

為了實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的速度控制，本控制系統(tǒng)采用插補(bǔ)法實(shí)現(xiàn)，差補(bǔ)法速度調(diào)節(jié)流程如圖9 所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于嵌入式的雙足機(jī)器人控制系統(tǒng)，系統(tǒng)的硬件和軟件均采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，有利于系統(tǒng)后期的功能拓展和硬件維護(hù)；并對(duì)驗(yàn)證一個(gè)關(guān)節(jié)舵機(jī)的位置控制和速度控制的效果是否達(dá)到控制系統(tǒng)的整體要求。 設(shè)計(jì)了一款基于STM32的類人機(jī)器人控制器，該控制器主要解決了多路關(guān)節(jié)舵機(jī)的聯(lián)動(dòng)控制和速度控制問題，使控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)關(guān)節(jié)的聯(lián)動(dòng)控制，保證了系統(tǒng)具有較好的實(shí)時(shí)性能。 同時(shí)，為了使此類人操作系統(tǒng)具有人機(jī)交互功能，采用LabVIEW 編寫上位機(jī)控制軟件及人機(jī)交互界面，通過人機(jī)交互可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的“示教-再現(xiàn)”功能。 雙足機(jī)器人涉及到仿生學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)級(jí)自動(dòng)控制理論的綜合運(yùn)用。 測(cè)試結(jié)果表明上位機(jī)步態(tài)設(shè)計(jì)合理，舵機(jī)控制平滑，實(shí)現(xiàn)雙足機(jī)器人平穩(wěn)控制。

圖9 差補(bǔ)法速度調(diào)節(jié)流程Fig.9 Speed adjustment flow chart of difference compensation method