基于PC/104与单片机的仿人机器人控制系统设计

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。
1 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。

2.主要特性有：
    (1)高速、流水线结构的8051兼容的CIP一51内核(可达25 MIPS)，70％的指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期，能满足关节控制器的需要。
    (2)有4个通用16位计数器／定时器，以及16位可编程计数器／定时器阵列，5个捕捉／比较模块，29个端口I／O。通过对片内进行编程，以及合理地分配比较器与I／O口，实现在C8051F310芯片上产生21路PWM波。由于单片机输出的是数字形式的控制量，必须经过D／A转换变成模拟控制量，经伺服放大器驱动电机。
    在此采用MAXIIM的12位串行D／A芯片MAX531作为数／模转换芯片，将MAX531工作在双极性电压方式下，其输出模拟量的范围在一2．048～+2．048 V，精度为1 mV。输出的模拟量经过运算放大器进行放大，进入伺服放大器驱动电机。
    C8051F310作为关节控制器控制核心，它主要负责21路PWM的产生，在C8051F310芯片中集成了4个通用的16位计数器／定时器，5个捕捉／比较模块，运用1个计数器／定时器和1个比较模块控制6路I／0端口，其他3个计数器／定时器和3个比较器控制15路I／O口，来实现21路PWM波的产生。这里以6路PWM波的产生来说明运用C8051F310实现电路，其电路图如图4所示：CEXn引脚产生脉宽调制PWM输出，PWM输出的频率取决于PCA计数器／定时器的时基，使用模块的捕捉／比较寄存器PCA0CPLn改变PWM输出信号的占空比。当关节控制器接收给定的6个电机转动角度序列数据后．由软件将6个数据从小到大排列，并依次求出相邻2个数的差值，按照最小的数、前2个数的差值到最后两个数的差值排列好，并将从小到大的数据对映的交叉开关的地址依次对映。
    程序将第一个最小角度数放入比较寄存器的低8位PCA0CPLn中，当PCA计数器／定时器的低字节(PCAOL)与PCA0CPLn中的值相等时，CEXn引脚上的输出被置“1”；同时程序将第二个数据即差值放入比较寄存器的PCA0CPLn中，PCA计数器／定时器清零，并将交叉开关置位到相应的输出脚，当PCA计数器／定时器的低字节(PCAOL)与PCA0CPLn中的值再次相等时，CEXn引脚上的输出被置“1”，直到这组数据完毕。PCAOL中的计数值溢出，CEXn输出被复位，准备第二轮的PWM波的产生。

3 实 验
3．1 图像采集处理
    为了使机器人能够达到预定目标，必须对软件系统进行设计规划。主控计算机上安装了WIN98系统，图像采集与处理采用VC进行编程，下面是图像采集处理的程序运行界面如图5所示。

3．2 仿人机器人稳定步行
    运用这种控制系统来实现DF一1仿人机器人行走的控制，通过实验表明，此系统能够完成仿人机器的动态稳定行走，图6是一系列行走连续行走的截图。
4 结 语
    基于PC／104嵌入式计算机和C8051F310芯片设计了仿人机器人的控制系统，实现了机器人的图像采集和处理，以及机器人的稳定步行。PC／104嵌入式计算机功能齐备，运算能力强，可扩展性好，作为仿人机器人控制系统有它独特的优点。单片机实现仿人机器人的关节控制，由于其计算能力有限，难以实现复杂的控制，因此这种控制系统可以用来作为实验用和教学用机器人。