摘　要：采用DSP作為機(jī)器人控制器的主處理器，設(shè)計(jì)出一套功能強(qiáng)大、使用方便的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，從根本上解決了單片機(jī)帶來的各種問題。該控制器采用位置反饋的方式，同時(shí)通過總線接口與主控計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)交互信息。所設(shè)計(jì)的控制器原理明確，結(jié)構(gòu)清晰，是對機(jī)器人控制領(lǐng)域的一種新的嘗試。 關(guān)鍵詞：機(jī)器人 運(yùn)動(dòng)控制器 高速度數(shù)字信號處理器 CAN總線 傳統(tǒng)的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器大部分是以嵌入式單片機(jī)為核心的，但其運(yùn)算速度和處理能力遠(yuǎn)不能滿足機(jī)器人控制系統(tǒng)飛速發(fā)展的需要，日益成為阻礙機(jī)器人技術(shù)進(jìn)步的瓶頸。 隨著以電子計(jì)算機(jī)和數(shù)字電子技術(shù)為代表的現(xiàn)代高技術(shù)的不斷發(fā)展，尤其是高速度數(shù)字信號 處理器——DSP（Digital Signal Processor）的出現(xiàn)，從根本上解決了嵌入式系統(tǒng)運(yùn)算能力 不足的問題，并為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的改進(jìn)提供了新的途徑。該文正是從這一點(diǎn)出發(fā)，選 用控制能力很強(qiáng)的DSP芯片TMS320LF2407A作為機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器的主處理器，設(shè)計(jì)出一種 高性能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制器，顯著地提高了整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)性能。 1控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 機(jī)器人的各種運(yùn)動(dòng)由各個(gè)關(guān)節(jié)軸系完成，機(jī)器人控制本質(zhì)上是對各關(guān)節(jié)軸系的控制。每個(gè)軸系具有一個(gè)自由度，可以完成某一方向的轉(zhuǎn)動(dòng)任務(wù)，所有軸系同時(shí)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng) 就可以完成相對復(fù)雜的動(dòng)作。國防科技大學(xué)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院機(jī)器人教研室最新研制的 仿人步行機(jī)器人，其內(nèi)部各關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖1所示。此機(jī)器人共有36個(gè)自由度，分布在下肢、上肢、頭部和手指等各關(guān)節(jié)。所有軸系均由PWM脈沖信號驅(qū)動(dòng)控制，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的任務(wù)就是對這些關(guān)節(jié)軸系進(jìn)行控制，具體由各底層控制器實(shí)現(xiàn)。 整個(gè)控制系統(tǒng)采用分布式控制，在結(jié)構(gòu)上可分為3個(gè)層次，如圖2所示。 1.1主控計(jì)算機(jī)模塊 主控計(jì)算機(jī)就是控制系統(tǒng)的“大腦”和司令部，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的在線運(yùn)動(dòng)規(guī)劃、動(dòng) 作及運(yùn)動(dòng)控制、語音交互控制、視覺導(dǎo)引控制以及人機(jī)交互等功能。主控計(jì)算機(jī)要求體積小 ，運(yùn)算速度快，滿足機(jī)器人實(shí)時(shí)控制的要求，通常采用高性能小板工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。它通過 CAN總線接口卡連接到通信總線上，與各底層控制器相連并交互信息。 1.2通信模塊 機(jī)器人控制的信息量大，對通信方面的要求很高，要保證各種信息在控制系統(tǒng)中及時(shí)準(zhǔn)確的傳輸，通信工具的選擇十分重要，該文選用當(dāng)前流行的CAN總線作為通信標(biāo)準(zhǔn)。CAN（ Controller Area Network）總線是應(yīng)用最為廣泛的一種現(xiàn)場總線，也是目前為止惟一有國際 標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)場總線。相對于一般通信總線，它的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實(shí)時(shí)性和靈活性，可以滿足文中的設(shè)計(jì)要求。具體連接方式為：主控計(jì)算機(jī)通過CAN總線接口卡連接到總線上，各底層控制器通過總線收發(fā)器掛接到總線上。只要所有器件都遵守相同的通信協(xié)議，就可以穩(wěn)定可靠的進(jìn)行信息傳輸。 1.3底層控制器模塊 控制器處于整個(gè)控制系統(tǒng)的最底層，主要用來控制各運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)軸系的具體執(zhí)行過程?？刂破鹘邮罩骺赜?jì)算機(jī)的控制命令對各關(guān)節(jié)執(zhí)行軸系進(jìn)行控制，同時(shí)把底層信息反饋給主控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)大回路反饋，便于主控計(jì)算機(jī)協(xié)調(diào)規(guī)劃，統(tǒng)一管理?？刂破魇钦麄€(gè)控制系統(tǒng)的核心，也是該文研究的重點(diǎn)，它的性能直接關(guān)系到機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能力。 2控制器詳細(xì)設(shè)計(jì) 基于DSP的控制器具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。整個(gè)控制器根據(jù)結(jié)構(gòu)和功能可分為3部分：主處理器與外圍器件單元、反饋與執(zhí)行單元、通信單元，各部分如圖3中虛線所示。 2.1主處理器與外圍器件單元 DSP主處理器是整個(gè)控制器的核心，其運(yùn)算速度、對信息的處理能力等直接影響控制器的性能。選用TI公司的TMS320LF2407A芯片，它是TI家族C2000系列中的高檔產(chǎn)品，集實(shí)時(shí)處理能力和控制器外設(shè)于一身，非常適用于工業(yè)控制。其主要特點(diǎn)有： a. 3.3 V電壓，功耗極低，且具有3種低功耗模式。 b.內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)體系，程序與數(shù)據(jù)存儲器分開，專用的程序總線和數(shù)據(jù)總線進(jìn)行訪問，取指和執(zhí)行可同時(shí)進(jìn)行，有效提高了存取速度。 c.流水線指令技術(shù)，多條指令可同時(shí)進(jìn)行，平均每條指令大約只需一個(gè)指令周期，大大提高了指令執(zhí)行速度，指令周期可達(dá)ns級，在40 MHz主頻下，每條指令只需25 ns。 d.專用硬件乘法器，運(yùn)算速度大大提高，運(yùn)算能力明顯增強(qiáng)。 e.地址和數(shù)據(jù)總線都是16位，片內(nèi)有高達(dá)32K的Flash程序存儲器，2.5K字的數(shù)據(jù)／程序R AM ，544字雙端口RAM（DARAM），2K字的單端口RAM（SARAM），外部存儲器可擴(kuò)展64K字的程序存儲器空間、64K字的數(shù)據(jù)存儲器空間和64K字的I／O空間。 f.自帶看門狗定時(shí)器、串行通信接口（SCI）模塊、16位串行外設(shè)接口（SPI）模塊、SCI／SPI引 導(dǎo)ROM、16通道的10位ADC轉(zhuǎn)換器、5個(gè)外部中斷、基于鎖相環(huán)（PLL）的時(shí)鐘發(fā)生器、41個(gè)可單 獨(dú)編程或復(fù)用的通用輸入／輸出（GPIO）引腳。 g. 2個(gè)事件管理器模塊，每個(gè)事件管理器包括2個(gè)16位通用定時(shí)器、8個(gè)16位脈寬調(diào)制（PWM ）通道、可編程的PWM死區(qū)控制、3個(gè)外部事件定時(shí)捕獲單元、片內(nèi)光電編碼器接口電路。 h.內(nèi)部帶有CAN2.0B控制器模塊。 可以看出，TMS320LF2407A的功能十分強(qiáng)大，其本身就是一個(gè)獨(dú)立的小型控制系統(tǒng)，再加以適當(dāng)?shù)耐鈬骷?，就可以?shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的控制功能。尤其是它的兩個(gè)事件管理器的功能非常強(qiáng)大，完全是為電機(jī)控制設(shè)計(jì)的。 TMS320LF2407A通過位置傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控各關(guān)節(jié)軸系的運(yùn)行情況，并通過總線與主控計(jì)算機(jī)交互信息。利用其多個(gè)PWM脈沖通道直接產(chǎn)生控制軸系需要的PWM脈沖信號；其CAN總線控制器模塊可以直接與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信而不需要增加CAN總線控制器。 TMS320LF2407A的軟件開發(fā)也十分容易，可以反復(fù)編程。只要在其專用的集成開發(fā)環(huán)境CCS（C ode Composer Studio）中編譯好程序，用一根下載線通過標(biāo)準(zhǔn)的JTAG接口就可以把程序燒錄到DSP的程序存儲器中，還可以在線修改和調(diào)試。整個(gè)過程簡單方便，只需一根下載線就可完成，大大簡化了軟件的開發(fā)過程，明顯提高了開發(fā)效率。 外部看門狗電路可以對控制器電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，當(dāng)電壓出現(xiàn)異常迅速復(fù)位主處理器。外部存儲器中存放控制算法所需的必要參數(shù)，通過SPI串行外設(shè)接口與TMS320LF2407A相連。 2.2反饋與執(zhí)行單元 光電碼盤傳感器把軸系的位置信息轉(zhuǎn)換成兩路寬度相同但相位相差90°的脈沖信號 ，脈沖的數(shù)目與軸系的轉(zhuǎn)角成正比，相位差的符號代表了軸系轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。因此，通過對兩 路脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)就可以得到軸系的實(shí)際位置。脈沖信號經(jīng)過光電隔離器件隔離后送入專用脈 沖計(jì)數(shù)器，計(jì)數(shù)后的信息送入DSP主處理器。這里沒有使用DSP進(jìn)行計(jì)數(shù)，一是為了 節(jié)省DSP 的資源，使其可以把更多的時(shí)間用于計(jì)算和其他控制中去；二是可以提高控制器的靈活性， 不用對主處理器進(jìn)行改動(dòng)就可以改變控制軸系的數(shù)目。脈沖計(jì)數(shù)器選用流行的CPLD器件，其 強(qiáng)大的功能對提高控制器的性能有很大的幫助，同時(shí)還可以作為譯碼電路的一部分為主處理 器提供譯碼信號。 主處理器對接收的軸系位置信息進(jìn)行計(jì)算和分析，結(jié)合新的控制命令產(chǎn)生相應(yīng)的PWM脈沖控制信號，經(jīng)過光電隔離和功率放大后送給執(zhí)行軸系控制軸系的運(yùn)行。 2.3通信單元 主處理器通過CAN總線與主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，接收主控計(jì)算機(jī)的命令并把底層信息反饋給主控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)更高一級的反饋控制。DSP通過CAN總線接收器連接到總線上，為提高抗干擾能力，中間需要進(jìn)行光電隔離。 整個(gè)控制器的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，硬件實(shí)現(xiàn)也很簡單，但功能十分強(qiáng)大。每個(gè)控制器可以同時(shí)控制6～12個(gè)軸系，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。 3控制流程與分析 整個(gè)控制系統(tǒng)的工作過程如圖4所示。 具體流程為：主控計(jì)算機(jī)離線規(guī)劃好數(shù)據(jù)，系統(tǒng)開始運(yùn)行并完成初始化工作；主控計(jì)算機(jī)向底層控制器發(fā)送控制命令，同時(shí)底層控制器對各執(zhí)行軸系進(jìn)行位置采樣，并把兩者結(jié)合在一起進(jìn)行分析，通過特定的控制算法生成相應(yīng)的PWM控制信號，經(jīng)功率放大后送執(zhí)行軸系，同時(shí)把底層軸系的運(yùn)行情況上傳給主控計(jì)算機(jī)，主控計(jì)算機(jī)根據(jù)新的情況再產(chǎn)生新的命令發(fā)送給各控制器，如此反復(fù)。期間還要不斷查詢是否有中斷產(chǎn)生，如果有中斷則 轉(zhuǎn)而執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序，主要是用來處理一些異常情況；若有結(jié)束命令產(chǎn)生則結(jié)束 整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程。 這事實(shí)上是兩個(gè)閉環(huán)反饋過程，底層控制器通過傳感器與各關(guān)節(jié)軸系之間進(jìn)行小循環(huán)反饋，主控計(jì)算機(jī)通過各控制器與各關(guān)節(jié)軸系之間進(jìn)行大回路反饋，這樣可以使機(jī)器人具有更多的“智能”，更好的進(jìn)行離線實(shí)時(shí)控制，這也是機(jī)器人朝智能化方向發(fā)展的一條重要途徑。 4結(jié)論 文中設(shè)計(jì)的控制器，采用DSP作為主處理器，較傳統(tǒng)的單片機(jī)性能有了顯著提高，運(yùn)算速度明顯增強(qiáng)，控制能力得到大幅度提升，從根本上解決了使用單片機(jī)所帶來的各種問題，并為機(jī)器人控制系統(tǒng)的發(fā)展和提升找到了一個(gè)新的方向。同時(shí)也希望能對研究機(jī)器人的同行們有一定啟示，在此基礎(chǔ)上研制出性能更高的產(chǎn)品，為推動(dòng)我國機(jī)器人事業(yè)的前進(jìn)做出更大的貢獻(xiàn)。