基于TMS32OF2812 DSP的雙足機(jī)器人樣機(jī)設(shè)計(jì)

0 引言
雙足機(jī)器人樣機(jī)是研究雙足行走的實(shí)驗(yàn)對象，為了研究的順利進(jìn)行，必須對機(jī)器人的自由度、驅(qū)動(dòng)方式、重量、高度等進(jìn)行合適的配置；這就需要自由度的分配簡單合理、驅(qū)動(dòng)方案可靠易用以及機(jī)械結(jié)構(gòu)輕便結(jié)實(shí)。為了得到可靠高效的控制系統(tǒng)，首先要選擇合適的主控芯片，然后針對實(shí)時(shí)控制中所需要的各種姿態(tài)信息，選擇可靠性高且方便和主控芯片連接的傳感器。
雙足步行機(jī)器人是一個(gè)多自由度、非線性、具有復(fù)雜動(dòng)力學(xué)特性的多體系統(tǒng)，本田公司、索尼公司以及北京理工大學(xué)等相繼推出了各自研制的雙足機(jī)器人樣機(jī)，其中以本田公司的ASIM0制作水平最高。本文在參考國內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，從便于實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)研制了樣機(jī)，以TI公司的DSP TMS320F2812為核心設(shè)計(jì)了機(jī)器人驅(qū)動(dòng)、控制電路，分別采用了觸力傳感器FSSl500NST、微機(jī)械陀螺儀ADXRSl50來檢測足底接觸力信息和軀干角速度，并成功實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的穩(wěn)定行走。

1 機(jī)械設(shè)計(jì)
為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前后行走、上下臺(tái)階及爬斜坡等功能，機(jī)器人每條腿至少應(yīng)有三個(gè)俯仰自由度；要實(shí)現(xiàn)質(zhì)心在左右腳之間轉(zhuǎn)移的功能，每條腿至少應(yīng)有一個(gè)滾轉(zhuǎn)自由度。基于實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能而又盡量降低成本，精簡機(jī)構(gòu)的原則，我們設(shè)計(jì)的雙足機(jī)器人共有十個(gè)自由度，每條腿各有五個(gè)自由度，其中髖關(guān)節(jié)兩個(gè)(俯仰和滾轉(zhuǎn))，膝關(guān)節(jié)一個(gè)(俯仰)，踝關(guān)節(jié)兩個(gè)(俯仰和滾轉(zhuǎn))。這個(gè)十自由度的雙足機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)左右方向和前后方向上的多種運(yùn)動(dòng)。
考慮到驅(qū)動(dòng)負(fù)載以及穩(wěn)定性等因素，在設(shè)計(jì)時(shí)將腿長取為28cm，其中大腿有效長度(髖部俯仰方向舵機(jī)輸出軸到膝蓋舵機(jī)輸出軸的距離)為15cm，小腿有效長度(膝蓋舵機(jī)輸出軸到踝部俯仰方向舵機(jī)輸出軸的距離)13cm，每個(gè)腳底板寬8cm，長12cm，材料為2mm厚的電路板，上面安裝了四個(gè)觸力傳感器，每個(gè)角上一個(gè)，用于檢測機(jī)器人行走時(shí)支撐腳和地面之間的壓力；電路板上還有四個(gè)傳感器的信號調(diào)理電路。大腿和小腿都由輕質(zhì)鋁合金板加工而成；兩條腿最上面的舵機(jī)通過u型件連在一根角鋁上，用螺栓螺母擰緊后，就構(gòu)成了機(jī)器人的骨盆，在骨盆中央豎直方向上固定一根硬鋁板條，作為機(jī)器人的脊柱；電路板和為整個(gè)系統(tǒng)供電的鋰電池可以放在一個(gè)特制的盒子里，將盒子固連在豎直板條上，就構(gòu)成了機(jī)器人的胸腹。

2 驅(qū)動(dòng)方案與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于處理能力等多方面的考慮，我們選用TI公司的高性能數(shù)字信號處理器TMS320F2812為機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心，來完成信號采集、處理、控制和驅(qū)動(dòng)等功能。
F2812是一種低功耗的32位定點(diǎn)數(shù)字信號處理器，在數(shù)字控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，具有強(qiáng)大的計(jì)算能力、迅速的中斷響應(yīng)和處理以及統(tǒng)一的寄存器編程模式。
2．1 驅(qū)動(dòng)方案
考慮到驅(qū)動(dòng)力大小以及可控性能，本機(jī)器人的關(guān)節(jié)采用漢庫HGl4舵機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，該舵機(jī)采用閉環(huán)反饋位置控制，其部分技術(shù)指標(biāo)如表1所示：

減速齒輪組由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，其終端(輸出端)帶動(dòng)一個(gè)線性的比例電位器進(jìn)行位置檢測，該電位器把轉(zhuǎn)角坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為一比例電壓反饋給控制單元，控制單元將其與輸入的控制脈沖信號比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)馬達(dá)正向或反向地轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，從而達(dá)到舵機(jī)精確定位的目的。
舵機(jī)的控制信號是脈沖位置調(diào)制(PPM)信號，是一種寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號，周期一般為20ms，當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生變化，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。一般舵機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號的脈沖寬度之間的關(guān)系可用圖1表示。

由于制作工藝等多方面的原因，舵機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)角并不是準(zhǔn)確地遵循與控制信號的脈沖寬度對應(yīng)的關(guān)系，但一般和控制信號脈沖寬度成比例關(guān)系。為了減小誤差，我們事先測出在額定脈寬下舵機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)角，然后計(jì)算出和額定轉(zhuǎn)角的比例系數(shù)，在軟件中對控制信號脈寬予以調(diào)整，這樣可以將轉(zhuǎn)角誤差減小到0．5°以內(nèi)。
2．2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
TMS320F2812具有較高的處理速度，可以滿足雙足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃以及控制的算法的實(shí)現(xiàn)，另外還有著集成豐富的外設(shè)，可滿足多個(gè)傳感器的信號采集的需要。為了避免每次改寫程序都重新對片內(nèi)FLASH進(jìn)行燒寫，我們采用如下方案：由DSP通過JZ864微功率無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將由傳感器得到的機(jī)器人姿態(tài)信息送到上位機(jī)，然后上位機(jī)根據(jù)這些信息和動(dòng)作時(shí)序計(jì)算相應(yīng)的控制指令，通過無線數(shù)傳模塊將指令發(fā)送回DSP，再由DSP的定時(shí)器生成相應(yīng)的信號來控制舵機(jī)(如圖2所示)。這樣調(diào)試時(shí)只要在上位機(jī)里改寫程序即可，動(dòng)作調(diào)試好以后再將相應(yīng)的程序燒寫到DSP芯片的FLASH中。