基于DSP的欠驱动体操机器人的摇起控制设计

2 体操机器人硬件系统设计
2．1 控制系统硬件结构
控制对象为三关节欠驱动体操机器人，其中手臂关节为被动关节。控制转矩来自两台直流伺服电机，配5l：l减速器伺服电机，经轴线相交的圆锥齿轮传输至驱动关节，驱动关节通过动力耦合作用使被动关节产生运动。欠驱动机器人控制系统的任务就是对驱动关节电机进行控制，电机运行之前从控制界面输入控制目标参数，上位PC机负责发送控制命令与数据采集。DSP处于整个控制系统的底层，主要用来接收来自PC机的控制命令，对驱动关节执行电机控制，同时把底层信息反馈给上位PC机，以实现机器人运动信息的数据分析等功能，用一块DSP运动控制卡对机器人的肩关节或髋关节进行插补计算和伺服控制，采用PCI标准总线进行上、下位机的通讯，实现双速率运行。控制箱面板提供了各关节工作状态显示及伺服报警提示，还可以对关节进行手动控制。三关节欠驱动体操机器人控制系统结构如图l所示，体操机器人本体如图2所示。

2．2 运动控制器结构
系统采用ADSP218l数字信号处理器为核心，实现高性能的控制运算的伺服运动控制器。如图3所示，运动控制器的控制过程为增量编码器的A、B相信号作为位置反馈输入信号，运动控制器通过四倍频、加减计数器得到实际位置。实际位置的信息保存在位置寄存器中，PC机可通过控制寄存器读取。运动控制器的目标位置由PC机设定，通过内部计算得到位置误差，经过数字伺服滤波器后，送到数模转换(DAC)或脉宽调制器(PWM)硬件处理电路，经过转换最后输出伺服电机的控制信号：+／-lOV模拟信号或PWM信号。

2．3 系统的通讯
系统采用PCI总线进行通讯。PCI总线的主要优点是性能高(数据传输率可达到132 264Mb／s)，总线通用性强，成本低，使用方便灵活。系统通讯采用PLX9054接口芯片，结合双口RAM，实现了DSP和PCI总线间的双向高速实时数据交换。PCI总线与双口RAM的数据交换，采用了定时传送加握手信号的方式进行。具体实现如下：上位机每隔一个固定的时间T下传一组数据，数据传送完成后，发出一个发送完信号，下位机接受到这个数据后，立即从双口RAM中读取数据。下位机上传数据也采用同样的处理方式。这种方式特别适合于机器人控制系统的通讯。
2．4 驱动元件的选择
驱动元件选择了直流伺服电机，其参数为200W／7220mm／107mN・m Maxon。其驱动器可实现位置、速度和转矩三种不同的控制方式：具有共振抑制和控制功能，可弥补机械的刚性不足，从而实现高速定位。同时，还采用PID滤波器，外加速度和加速度前馈，即PID+Kvff+Kaff滤波器。通过调节各参数，滤波器能对大多数系统实现精确而稳定的控制。因此非常适合应用于机器人控制系统。

3 摇起控制策略
由于体操机器人大范围的运动，摇起问题是高度非线性又极具挑战性的问题。摇起过程如同人在单杠一样，先使体操机器人来回摇动几次，体操机器人始终在下，一旦有足够的能量施加到系统上，机器人即进入倒立状态，如图4所示。

Spong建议一种非线性反馈方法，这种方法利用部分线性反馈定义PD控制器。从直观上讲，当体操机器人从悬挂稳定平衡状态转移到倒立不稳定平衡状态的过程中，其势能是不断增加的，因此需要向系统输入足够的能量。本研究从能量增加的角度出发，采用带有振幅和频率的正弦方式和斜坡函数输入，这样可同时增加摆动。