基于PC／104与单片机的仿人机器人控制系统设计

摘 要：为了简化仿人机器人控制系统结构，增强机器人系统的功能。采用PC／104嵌入式系统作为仿人机器的主控计算机，完成图像处理，做出控制决策，计算并生成运动序列。关节控制器选用C8051F310单片机，采用串口与主控计算机通信，接收来自主控计算机的运动序列指令，产生PWM波，经过放大电路，实现21路电机的控制。经过实验，得到图像采集分析结果和仿人机器人稳态步行。实验表明，这种控制系统能够实现仿人机器人的控制。
关键词：仿人机器人；主控制计算机；关节控制器；PWM波

0 引 言
机器人作为一个各学科交叉的复杂系统，越来越多的科研者采用机器人作为实验平台，因为它包括机械结构的设计，控制系统的构建，信息的采集与处理，运动学和动力学分析，人工智能等多方面知识的融合。仿人机器人从最初简单模拟人的外形、动作、行走等，逐渐向人的思维、视觉、触觉、智能等方面转变，这就对机器人整个系统提出了更高的要求，不但要进一步完善机器人的机械结构和安装，而且要增强控制系统的功能和处理能力。
对于控制系统而言，目前在仿人机器人上常用的控制芯片有DSP，ARM或其他一些单片机等，为了进一步增强机器人的可扩展性，这里采用嵌入式系统PC／104作为机器人的主控制计算机，它具有实时性好，成本低，小型化的优点，克服了传统的基于单片机控制系统功能不足和基于PC控制系统非实时性的缺点，在仿人机器人应用中具有广泛前景。

l 仿人机器人结构及控制系统
该机器人共有21个自由度，其中头部2个自由度，可以实现头部的俯仰和左右偏转，在头上装有一个CCD摄像机，并且带有视觉采集卡以及视觉处理计算机，能够实现目标的识别和定位，为主控计算机直接提供目标信息。每个手臂3个自由度，能够完成伸展和弯曲等动作，在机器人摔倒后可以提供支撑力，让机器人可以自行起立。腰上1个自由度，实现仿人机器人躯干的前倾和后仰，便于机器人在行走或执行手上动作时重心的调节，增强机器人的可控性和稳定性。下肢6个自由度，其中踝关节处2个自由度，髋关节处3个自由度，与人的腿部结构相似，能够灵活的完成下肢的各种动作。仿人机器人的整个结构采用框架式结构，有利于减轻机器人结构上的重量，提高机器人的承载能力，为机器人控制系统的改进提供了更大的空间。如图1所示为仿人机器人实物图。

仿人机器人控制系统以ACS一4051VEPC／104主板模块作为主控制器，通过USB直接连接摄像头，一个RS 232串行口与关节控制器相连，实现主控制计算机与关节控制器的通信。驱动模块和关节控制器集成在一个PC板上，主要实现PWM波的产生，驱动电机转动。ACS一4051VE主板集成了Intel 82559ERl0／100 Mb／s以太网卡，外接一个无线网卡可以实现与外部无线网络的通信。仿人机器人控制系统总体上主要分为2个部分：主控制器模块和关节控制器模块。它的总体结构实物图如图2所示。