1、上海交通大学硕士学位论文仿人机器人运动控制系统设计姓名：张怡申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：苏剑波20090101摘要 I 仿人机器人运动控制系统设计 摘 要 仿人机器人是工程上少有的高 阶、非线性、非完整约束的多自由度系统，具有强大的运动灵活性，因此，为机器人的运动学、动力学、仿真技术、多传感器融合、控制理论等研究提供了一个非常理想的实验平台。由于运动控制系统直接决定了仿人机器人最终运动表现，其研究和开发也一直是仿人机器人研究领域的一个重点难题。 其中小型仿人机器人的运动控制系统更有其特殊之处： 必须考虑在有限的空间内实现众多关节的控制、多个关节间协调并保证运动的实时性，
2、同时对系统的尺寸和重量也有更高的要求。 针对仿人机器人驱动机构和传 感装置众多的特点，本文综合了集中式与分布式系统的优势， 提出了一种改进的仿人机器人运动控制系统结构。该结构由协同运动处理模块、数据通信模块及四肢运动控制模块组成。每个底层运动控制模块内包括关节控制器、关节驱动器和若干传感器。 该种结构充分考虑了仿人机器人位置相邻功能相近的关节间紧密耦合这一状况，进行了适当的功能集中，既保留了分布式结构智能灵活的优点，又降低了数据通信负担，从而更好地适应于仿人机器人的控制和传感的要求。 在此基础上，以高性能数字信号处理器 DSP、专用电机控制模块、功率驱动模块和正交解码模块等为核心完成了 仿人机
3、器人运动控制系统硬件设计，配合软件程序与控制算法的设计，提高单颗 DSP 芯片摘要 II 的控制能力， 从而实现对多路不同类型电机的控制及基于多总线的全方位数据通信。最终完成的系统通用 性与扩展性好，结构更紧凑，也更易于实现关节之间的耦合控制。 仿人机器人实验平台上进行了 多关节协同控制实验，实验结果表明此种系统软硬件设计可以满足机器人运动行为的基本要求， 并可以达到相当的控制精度。 关键词： 仿人机器人，数字信号处理器，运动控制，正交解码ABSTRACT III MOTION CONTROL SYSTEM DESIGN OF HUMANOID ROBOTS ABSTRACT Humanoid
4、 robots can be considered as nonlinear high-order systems with multiple degrees of freedom and non-complete constraints, spanning many research fields, such as mechanics, electronics, communication, computer science, bionics, etc. As a result, the research on humanoid robots may serve as an ideal ex
5、perimental platform for kinetics, dynamics, simulation technology, sensor fusion, control theory and so on. As the kinematic performance of a robot is directly influenced by its motion control system, thus the kinematic research and development has remained as one key area in the research of humanoi
6、d robotics. Furthermore, the motion control system of small-sized humanoid robots has several special features. For example, the system must be capable of controlling a quantity of joints within a finite space, responsible for the joint coordination as well as guaranteeing real-time performance. In
7、addition, the motion control system also poses more restrictions for the dimension and weight of the system layout. This paper presents an improved motion control system structure for humanoid robots, by incorporating the advantages of both centralized and distributed control systems. Such a structu
8、re is made up of coordination ABSTRACT IV motion module, data communication module and the motion control modules distributed on the bottom layer. The bottom control units are responsible for the control of robot arms and legs of, each of which includes joint controller, joint drive, and a number of
9、 sensors. The structure takes the actual robot configuration into consideration, which is that those adjacent joints usually share similar functionalities and thus form a tight coupling relationship in-between. By this means, the control system will not only preserve the intelligence and flexibility
10、 from distributed structure, but greatly reduce data communication load, so that it will better serve the needs for robot control and sensory. The hardware system is then constructed based on high-performance Digital Signal Processor, specialized motor control module, power drive module and Quadratu
11、re Encoder Pulse module. The hardware platform, along with the software program and control algorithm design, fully exploits the potentials of DSP chips, and enables the simultaneous control of multiple motors and comprehensive information sharing based on a variety of communication buses. The ultim
12、ate integrated system is more universal, more compact, and easier for coupled control between robot joints. Experimental results carried out on MIH-I Humanoid Robot platform demonstrate that such a system design is suitable for actual motion behavior requirements and achieves satisfactory control pr
13、ecision. ABSTRACT V Keywords: humanoid robot, digital signal processor, motion control, quadrature encoder pulse上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保 留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密，在 _年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。
14、（请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日第一章 绪论 1 第一章 绪论 本章首先介绍了仿人机器人的特性与研究意义，然后阐述了迄今为止国内外仿人机器人运动控制系统的研究开发状况，最后简要说
15、明本文的主要研究内容。 1.1 引言 机器人学是近年来发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最高成就，是目前科技发展最活跃的领域之一 1。 自从 70 年代工业机器人应用于工业生产以来，机器人对人类社会产生了深远的影响。然而，普通机器人也存在一些缺点。例如：位置相对固定，灵活性差；对活动环境要求较高，适应性差；绝大多数与人类社会隔绝，交流较少；操纵物体能力极为有限。而仿人机器人则可以弥补以上不足之处。不同于一般的工业机器人，它不再固定在一个位置上，具有灵活的行走系统，可以随时走到需要的地方，包括一些对普通
16、人来说不易到达的地方，完成预先指定的工作 2。 仿人机器人的特性主要包括： 1）仿人机器人能适应各种地面且具有较 高的逾越障碍的能力，能够方便地上下台阶及通过不平整、不规则或较窄的路面，移动盲区很小。 2）能耗小，由于机器人必须带有独立能 源装置才便于在较大的空间范围内行动，因此在设计时就充分考虑其能耗问题，保证较小的功率消耗。 3）具有广阔的工作空间。由于行走系统 的占地面积小，而活动范围很大，这就为机械臂提供了更大的工作空间。 仿人机器人的设计目标在于：希望机器人可以与人类一起生活与工作，在各种环境中，包括医院、办公室和家里，更好地为老年人及残疾人服务 3。因此，仿人机器人必须满足以下基本
17、要求：体积轻，灵活度高，配有多种传感器，并具有一定的智能，具备一定的学习能力，可以适应新的环境并在动态多变的环境中工作。这就对机器人的机械结构及驱动装置提出了许多特殊要求。另外，从控制角度来看，仿人机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系第一章 绪论 2 统，为机器人的运动学、动力学及控制理论的研究提供了一个非常理想的实验平台 4。另外，仿人机器人研究还可以推动仿生 学、人工智能、计算机图形、通信等相关学科的发展。因此，仿人机器人的研 制具有十分重大的价值和意义56。 1.2 国外仿人机器人研究概况 仿人机器人的研制开始于上世纪 60 年代末，只有四十多年的历史。但研究工作进展
18、迅速，已成为机器人技术领域的主要研究方向之一 7。同时，国内外也有许多学者正在从事这一领域的研究 8。 1968 年， 美国通用电气公司的 R.Smosher 试制了一台操纵型双足步行机器人Rig9。 1969 年，日本早稻田大学的加藤一郎研制出 WAP-1 平面步行机。该机器人具有六个自由度，每条腿有髋、膝、踝三个关节。利用人造橡胶肌肉为关节，通过注气、排气引起肌肉收缩牵引关节转动 10。 1971 年，加藤一郎又研制出了WAP-3 型双足机器人， 具有 11 个自由度， 可以在平地、 斜坡和阶梯上行走。 1973年研制出 WL-5 双足步行机器人，该机器人具有 11 个自由度，采用液压驱动
19、，可实现步幅 15cm，每步 45s 的静态步行。 1973 年在 WL-5 的基础上配置机械手及人工视觉、听觉装置组成自主式机器人 WAROT-1。 1980 年又推出 WL-9DR 双足机器人，实现了步幅 45cm，每步 9s 的准动态步行。 1984 年研制出 WL-10RD双足机器人， 实现了步幅 40cm， 每步 1.5s 的平稳动态步行。 1986 年研制 WL-12R机器人，实现了步行周期 1.3s，步幅 30cm 的平地动态步行。 日本早稻田大学开发了 WABIAN-RV 仿人机器人，具有与人类相近的高度，头部可俯仰、侧摆、转动，肩部可回转，手腕可前后、左右、旋转，还具有视觉、
20、听觉，能够根据手势和声音调整运动状态，如方向、步速、步幅等。其控制系统如图 1-2 所示。该控制系统上位机由两台 PC 机组成，分为主从机。主机负责控制关节运动系统，包括计数器板， D/A 板，并通过 ISA 总线和 CPU、双口 RAM通信。 D/A 板发送控制数据给各个关节的伺服驱动器，并控制伺服电机执行相应动作，关节码盘则作为位置传感器将位置信息传回计数器板，然后再与伺服驱动器中的指定值比较。由于 WABIAN-RV 机器人共有 43 个关节，因此有 43 套执行装置，分布在各个关节，集中接受上位机的控制。从机则负责处理获取到的视第一章 绪论 3 频及音频信号，并且在线生成步态。 图 1
21、-1 WABIAN-RV 仿人机器人 Fig.1-1 WABIAN-RV Humanoid Robot 主板 1主双口RAM计数器板D/A板从双口RAM主板 2视觉跟踪头部装置伺服驱动器码盘伺服电机听觉视觉关节控制计算机ISA总线PCI总线步态生成计算机USB总线执行装置 *43WABIAN-RV图 1-2 WABIAN-RV 控制系统结构图 Fig.1-2 WABIAN-RV Control System Structure 第一章 绪论 4 WABIAN-RV 的控制系统整体采用了具有二级 CPU 结构的主从控制方式：其中一级 CPU 为步态生成计算机，为分析环境生成步态数据，并定时地把运
22、算结果作为关节运动的增量送到公用内存，供二级 CPU 读取；二级 CPU 为关节控制计算机，负责所有关节的位置数字控制。由于各个关节执行装置直接受控于主机，因此关节位置控制部分是一个集中式控制系统。此种系统的两个 CPU 之间基本没有总线联系，仅通过公用内存交换数据，是一个松耦合的关系，很难用更多的 CPU 进一步分散功能。 日本东京大学的 Jouhou System Kougaka 实验室研制了 H5、 H6 型仿人型双足步行机器人。总共具有 30 个自由度， H5 双足机器人的头部安装有两个 CCD彩色摄像头，可以定位前方物体并在 CCD 的协助下用 7 自由度的手来抓取 11。 日本本田
23、公司于 1986 年开始进行仿人机器人的研制 12，至今已经推出了 P系列 1， 2， 3 型机器人。 P1 是本田公司第一代行走机器人，主要是对双足步行机器人进行基础性研究工作，能够实现速度达到 3km/h 的动态行走，上下楼梯及推运物体等等。 P2 型机器人通过重力感应器和脚底 的触觉感应器把地面的信息传给机器人的大脑，大脑再根据情况进行判断，从而完成平衡身体与行走。 P2 的中央控制模块由四个微处理器（微型 SPARC II 处理器）构成，运行Vxworks 实时操作系统，分别用于手臂控制、腿部控制、关节局部控制以及视觉处理。其内部采用 VME 串行总线交换数据，在异步、非复用传输模式下
24、，最大传输速率可达 40Mbps。控制计算机通过中央控制模块中的 I/O 板分别控制各个关节单元， P2 的关节单元由直流伺服放大器 和带有码盘反馈的有刷直流电机组成，并且通过谐波减速来驱动关节运动。另外，身体倾斜传感器、手臂操作力传感器、地面反力传感器的数据也通过 I/O 板反馈到中央控制系统。采用了自载式无缆技术，所有控制计算机和传感器都装载在机器人本体上，通过无线通讯方式与工作站通信，执行一些工作站发送的简单指令。 第一章 绪论 5 图 1-3 P2 控制系统结构图 Fig.1-3 P2 Control System Structure 1997 年本田公司推出了 P3 型双足步行机器人
25、，重量由原来的 210kg 降为130kg，高度由 1800mm 降为 1600mm，且使用了新型的镁材料 13。 图 1-4 ASIMO Fig.1-4 ASIMO 本田公司于 2000 年又推出了新型双足步行机器人 “ ASIMO (Advanced Step in Innovative Mobility)” 。 ASIMO 与 P3 相比，实现了小型轻量化，更容易适应人类第一章 绪论 6 的生活空间。如图 1-4 所示， ASIMO 高 120cm，体重 43kg，使用个人电脑或便携式控制器操控步行方向、关节以及手的动作。双脚步行方面，采用了新开发的技术“ I-WALK(Intellig
26、ent Real-time Flexible Walking)” ，可以更加自由的步行。其智能系统包含四个处理器，分别用于图像获取，图像处理，语音识别合成以及控制规划，另外还有一套可与外界通讯的广播 通讯控制器件和检测声源的 DSP板卡。其控制规划系统是一个基于智能体的分布式体系结构，规划系统通过无中央控制的事件驱动方式来处理无法预料的情况 14。 ASIMO 拥有一套用于正常环境和人机交互导航的视听系统，装在头上的两个彩色摄像机获取处理成计算深度的立体 图像，一个帧获取器通过高速的 PCI总线连接到视觉计算机，该视觉系统与机器人控制规划系统是分离的。两个用于获取声源的麦克风装在头部正面，各个
27、部分分别以不同的速率通过以太网通讯。 图 1-5 ASIMO 控制系统结构图 Fig.1-5 ASIMO Control System Structure ASIMO 用了几种不同的操作系统，并且用一块信息板卡处理内部异步通讯以完成任务或运动。控制系统需要很快的处理速度来执行相应动作。相对控制而言，视觉处理的速度稍慢一些，而规划系统不得不同时处理快和慢的情况。在控制规划部分，本田将 ASIMO 机器人的控制计算机分别放在相应的腿臂关节上控制关节运动， 上位机只负责完成整体的控制规划， 因此属于分布式关节控制系统。 日本索尼公司于 1997 年启动仿人机器人研究计划， 2000 年推出 SDR-
28、3X（ Sony Dream Robot） ，如图 1-615。 第一章 绪论 7 图 1-6 SDR-3X Fig.1-6 SDR-3X 图 1-7 SDR-3X 控制系统结构图 Fig.1-7 SDX-3X Control System Structure SDR-3X 身高 50cm，重 5kg，每分钟可以步行 15 米，具备声音识别和图像识别功能，可以挥手、转身，还可以同时进行双脚步行。 SDR-3X 在头部安装了2 个关节，躯干部 2 个，每条手臂 4 个，每条腿 6 个，共计 24 个关节，这些关节通过 2 个 64bit RISC 微处理器进行实时控制。使用索尼独立开发的“ Ap
29、eries”第一章 绪论 8 实时操作系统。其控制系统如图 1-7 所示。 SDR-3X 的控制体系结构和机器狗AIBO.ERS-100 类似，都是基于 OPEN-R 总线构建的。 OPEN-R 总线可以便于开发各种仅在外形和功能有所不同的娱乐机器人。在 SDR-3X 上，索尼重新利用了AIBO 的一些设备，包括摄像头，红外位置传 感器以及连接控制接口等设备。SDR-3X 有两个 CPU 模块，通过 OPEN-R 总线连接，一个负责感知行为控制（ PBC） ，另一个负责电机控制（ MC） 。两个 CPU 都是有 MIPS R4000 系列的 64位指令集的芯片，其管道线时钟为 100Mhz，另
30、外有 32M 的 SDRAM，一个自制的用来控制 OPEN-R 总线和外围设备的 LSI。 LSI 内含的颜色分离引擎，有 8 个通道用于颜色检测，因此系统可以不依赖于 CPU 的计算而检测出 8 种不同的颜色。另外， LSI 还集成了用于处理音频信号的 DSP 芯片。头部传感器以及除颈部外的所有电机都通过 OPEN-R 连接。 从图中看出， SDR-3X 的控制体系由 OPEN-R连接而成的并行控制系统组成，且各个关节中只有伺服电机和传感器，而没有计算单元，因此这也是一种集中式的控制系统。 第 4 代样机 SDR-4X 具有尺度小巧、体态轻盈、造型可爱等特点，几何尺寸为 580 260 19
31、0mm、体重 6.5kg，拥有 38 个自由度。它有较强的运动能力，在平坦路面上最快每分钟行走 20m，最大步幅 100mm，正常步幅 65mm，步行周期 0.2s/step；在不平坦地面上最快每分钟行走 6m。还可以通过 CCD 相机来识别障碍物，并自行设计避开这些障碍物的路线。另外，它还能在凹凸路面上以及倾角接近 10 度的斜坡路面上稳定行走，还能够顺着挤压、牵引等外力作用做出适当的姿势防止跌倒。即使遇到意外情况跌倒，也可以自己站起来。 日本还有许多其它科研机构和高等院 校从事仿人机器人的研制和理论研究工作，如松下、富士通、日立等，在仿人机器人的研制和理论研究方面做了大量的工作，并取得了一
32、定的成就。 1.3 国内仿人机器人的研究现状 国内仿人机器人的研制工作起步较晚，在现有的几家研究机构中，以哈尔滨工业大学、国防科技大学、北京理工大学及清华大学最为典型。 哈尔滨工业大学自 1985 年开始研制双足步行机器人，迄今为止已经完成了三个型号的研制工作：第一个型号 HIT-1 为 10 个自由度，重 100kg，高 1.2m，第一章 绪论 9 关节由直流伺服电机驱动，属于静态步行。第二个型号 HIT-2 为 12 个自由度，该机器人髋关节和腿部结构采用了平行四边形结构。第三个型号 HIT-3 为 12 个自由度，踝关节采用两电机交叉结构，同时实现两个自由度，腿部结构采用了圆筒形结构。
33、HIT-3 实现了静态步行和动态步行，能够完成前后行、侧行、转弯、上下台阶及上斜坡等动作。 图 1-8 HIT 机器人 Fig.1-8 HIT Robot 国防科技大学于 1988 年研制成功我国第一台平面型六自由度的两足机器人“先行者” 。该机器人高 1.4 米，重 20 公斤，不仅具有类人的头部、眼睛、脖颈、身躯、双臂与两足，而且具备了一定的语言功能，可实现每秒两步的快速动态行走， 1989 年实现了准动步态步行， 1990 年实现了实验室环境中的全方位行走，1995 年实现动态步行 16。 第一章 绪论 10 图 1-9 “先行者”仿人机器人 Fig.1-9 Advancer Human
34、oid Robot 北京理工大学开发出的 BHR-01仿人机器人，身高 1.58米，体重 76公斤，具有33个自由度，步速达到 1公里 /小时，步幅 0.33米，操作灵活，不仅可演示中国传统的武术太极拳，还可根据自身的平衡状态和地面高度变化，实现未知路面的稳定行走。 图 1-10 BHR-1 仿人机器人 Fig.1-10 BHR-1 Humanoid Robot 清华大学研制了 THBIP-1仿人机器人，身高 170厘米，重 140公斤，共有 32个自由度，利用安装在身体内部的各种传感器，该仿人机器人可以在路面上实现稳定行走、上下楼梯和抓取简单物体 17。 第一章 绪论 11 图 1-11 T
35、HBIP-1 仿人机器人 Fig.1-11 THBIP-1 Humanoid Robot 1.4 本章小结 本文针对上海交通大学智能机器人研究中心开发的小型仿人机器人 MIH-I，设计运动控制系统，主要包括以下内容： 1针对小型仿人机器人在材料、机构、 传感、控制、通讯等方面的特点，分析与之相对应的功能需求，提出控制系统应满足的功能及参数指标。 2根据以上提出的系统需求，进行总体 系统设计，确定系统架构及各主要功能模块，设定数据流格式及传输路径。 3进行控制系统硬件设计： 1）设计以数字信号处理器（ DSP）为核心处理器的运动控制器； 2）扩展正交解码模块及电机控制模块， 设计电机驱动器以驱动
36、全身关节电机； 3）设计并实现通信模块，实现各部分信息共享与交互； 4）设计并实现机器人数据采集与测量模 块，实现快速、准确、灵活的测量与监控。 4设计底层控制器软件，主要涉及电机 转角精确控制、与中央处理器间信息通讯、传感器配置及数据采集、底层控制器通讯等。 5在此基础上，设计控制系统的功能验 证实验，调试并验证各模块的性能表现。第二章 仿人机器人运动控制系统结构 12 第二章 仿人机器人运动控制系统结构 2.1 引言 从控制算法的处理方式来看，已有的机器人控制器主要分为串行和并行两种结构 18。 串行处理结构是指机器人的控制算法是由串行机来处理，可分为以下几种： 1）单 CPU 结构，集中
37、控制方式：由一台功能较强的机器人完成所有控制功能，多用于早期机器人。如日本本田公司的 P2 型机器人，由控制计算机通过中央控制模块中的 I/O 板分别控制各个关节单元，本体上的各种传感器的数据也通过 I/O 板反馈到中央控制系统。 2）二级 CPU 结构，主从控制方式：一级 CPU 为主机 ,作为系统管理和人机接口，并将运算数据送入二级 CPU；二级 CPU 完成全部关节位置数字控制。两个 CPU 总线之间通过公用内存交换数据。 如日本早稻田大学开发的 WABIAN-RV机器人。 3）多 CPU 结构，分布式控制方式：为上下二级分布式结构，上位机负责系统管理和轨迹规划，下位机由多 CPU 组成
38、，每个 CPU 控制一个关节运动，这些CPU 和主控机之间通过总线形成紧耦合，使 得控制器工作速度和控制性能显著提高。本田公司的双脚步行机器人 ASIMO 采用四个处理器的智能系统，控制计算机分别放在相应的腿臂关节上控制关节运动， 上位机只负责完成整体的控制规划。清华大学研制的 THBIP-I 机器人，分布式控制单元分为顶层和底层控制，顶层控制由两个 PC104 嵌入式计算机分别负责机器人上肢和下肢， 底层由 11 个 PID伺服控制单元组成。目前大多数商品化的机器人控制器为这种结构。 串行结构的缺点在于：计算负担重，实时性差，所以多采用离线规划来减轻实时控制负担。但当机器人运行时受到干扰，偏
39、离设定规划时，性能将受到严重影响。针对以上不足，有两种可能的解决方法。一是使用更先进、性能更好、运算速度更快的处理器；二是采用多处理器并行计算。 并行处理结构控制器虽然能从计算速度上有了很大突破，能保证实时控制的需要，但还存在许多问题，如程序设计不当则易出现锁死与通讯堵塞等现象。 第二章 仿人机器人运动控制系统结构 13 纵观这些仿人机器人的控制系统，可以发现当前仿人机器人控制系统有以下一些发展趋势： 1）由外置到内置：早期的机器人受制于计算机技术，电子技术等相关学科，一般都利用控制柜放置整套操作系统，机器人本体上只放置电机，传感器等元器件，并且通过电缆传输相关控制数据。而近期的机器人都以控制
40、系统内置式作为基本的目标，并且通过无线通讯完成简单的操作任务，实现无缆化。 2）由庞大到小巧：同样由于电子技术、材料技术、制造工艺等方面的限制，早期的机器人为了完成一定功能，对体积要求较大，因此一般都身形高大。例如 P2 身高 1.82m，体重 210kg，而 ASIMO 则通过重新设计机器人的骨骼结构，以及采用锰骨架等措施将机器人的身形大大缩小，至身高 1.20m，体重 43kg，索尼的 SDR-3X 机器人则身高仅为 50cm，体重只有 5kg。机器人整体的缩小，必然也导致控制系统体积的缩小，同时也对其能耗提出了新的要求。 3）由集中到分布：由于集中式控制系统 在开放性，可靠性，协调性等方
41、面的不足，控制系统逐渐从集中式转变到分布式 19。如 P2 机器人由于采用集中式控制系统，各个关节单元需要各自连线到 I/O 板， P2 的计算机板在它的背部，直接与每一个关节驱动电机相连总共需要 650 根线， 这大大增加了机器人的连线复杂度，同时也降低了其可靠性和服务能力。而 P2 的更新产品 P3 由于采用了分布式控制系统，将机器人的控制计算机分别放 在相应的腿臂关节上控制关节运动，使连线总数从 650 根减至 30 根，连接器和接触器的数量也从 2000 个减少到500 个，大大提高了机器人的可靠性。 当前的控制系统主要存在以下方面不足 20： 1）系统移植性差：控制系统基本上都是 各
42、个开发者基于自己的独立结构进行开发的，采用专用计算机、专用机器人语言、专用操作系统、专用微处理器，导致系统移植性差，限制了开放性 21。 2）体积和重量大：系统多采用成品化的 电机控制器和驱动器。成品化电机控制器可控制电机的数目有限，导致电机控制器占据的空间大而且非常沉重，这一问题在小型仿人机器人上表现得尤为明显。 3）实现关节之间的耦合困难：仿人机器 人运动控制的过程中，关节之间存在很强的耦合关系，需要多个电机协调一致的运动。现有的运动控制系统因为需第二章 仿人机器人运动控制系统结构 14 要的电机控制器比较多， 这些电机控制器之间必须依赖大量的通讯来实现运动控制的耦合关系。这种做法一方面增
43、加了系统连线的数目，降低了系统的可靠性；另一方面牺牲了系统通讯的带宽，增加了控制环节的延时。 因此需要一种更先进，效率更高的控制系统以应用于仿人机器人各种行为的控制。近年来，随着机器人控制技术的发展，针对结构封闭的机器人控制器的缺陷，开发“具有开放式结构的模块化、标准化机器人控制器”是当前机器人控制器的一个发展方向 2223。日本、美国和欧洲一些国家都在开发具有开放式结构的机器人控制器，如日本安川公司基于 PC 开发的具有开放式结构、网络功能的机器人控制器 24。 具体说来，开放式结构机器人控制器是指：控制器设计的各个层次对用户开放，用户可以方便的扩展和改进其性能，其主要思想 25是： 1）利
44、用基于非封闭式计算机平台的开发 系统，有效利用标准计算机平台的软、硬件资源为控制器扩展创造条件。 2）利用标准的操作系统，如 Unix、 Vxworks 和标准的控制语言，如 C， C+，采用标准操作系统和控制语言， 从而可以改变各种专用机器人语言并存且互不兼容的局面。 3）采用标准总线结构，使得各种用于扩展控制器性能的硬件，如传感器、 I/O板、运动控制板等易于集成到系统。 4）利用网络通讯，实现资源共享或远程通讯。 根据上述思想设计具有开放式结构的机器人控制器，设计过程中要尽可能做到模块化。按模块化方法设计，系统由多种功能模块组成，各模块完整而单一，使得系统性能好、开发周期短、成本低、开放
45、性好，并易于修改、重构和添加配置功能 26。 2.2 机器人运动系统组成及其相互关系 控制系统的基本功能是按一定的控制 方式和所要求的精度移动负载驱动系统作为一个整体。主要组成部件包括主机、电源、控制器和驱动部件（电机、齿轮箱和机械驱动机构） 、传感器等。其基本关系如图 2-1 所示。 第二章 仿人机器人运动控制系统结构 15 图 2-1 控制系统典型组成 Fig.2-1 Typical Control System Components 1) 主机 主机负责整个系统的控制和协调，发送运动指令给控制器单元，控制器独立执行和控制运动。主机控制系统典型的例子是可编程控制器 PLC、工业控制计算机和
46、 PC。 2) 运动控制器 运动控制器作为一个从属单元执行运动指令。 控制器将系统实际数值 （电流、旋转速度和位置）与设定值进行比较，并进行修正，直到消除任何偏差。运动控制器是驱动系统的核心单元，必须设计成能处理从主机系统、电机和传感器接受到的信号，并且包括从控制电路接受信号的放大器。放大后的信号送到电机，功率驱动必须和被控电机的类型兼容。 3) 传感器 反馈传感器通常用于测量电机轴的实际转速和位置。常用的传感器类型包括增量式编码器、绝对式编码器、直流测速机和旋转变压器 4) 电机 电机是将电能（电流、电压）转换到机械能（转矩、转速）的元件。在 500W的功率范围内，通常采用直流电机和步进电机
47、。 第二章 仿人机器人运动控制系统结构 16 5) 电源 6) 传动装置、驱动机构 为了得到更低的速度和更高的转矩，使用齿轮减速装置以完成机械功率转换27。 2.3 仿人机器人机构 为了满足当前以小型化、多功能、低成本、家用化为目标的仿人机器人研究需要，本实验室设计和加工了小型仿人机器人样机 MIH-I28。 2.3.1 机械结构 图 2-2 为 MIH-I 原型机的实际外观图，机器人双腿伸直站立时，从脚底至头顶的高度为 798mm，左右肩宽为 385mm，身体前后纵深距离为 208mm，身体总重 26kg（不包括电池） 。 图 2-2 MIH-I 外形尺寸（单位 mm） Fig.2-2 Di
48、mension of MIH-I (mm) MIH-I 共有 25 个自由度，如图 2-3 所示，其中头部 2 个，上肢共 5*2 个（包括肩部 3 个，肘部 1 个，腕部 1 个） ，腰部 1 个，下肢 6*2 个（臀部 3 个，膝部1 个，踝部 2 个） 。各关节的运动范围如表 2-1 所示。 第二章 仿人机器人运动控制系统结构 17 图 2-3 MIH-I 自由度配置 Fig.2-3 DOF Configuration of MIH-I Robot 表 2-1 MIH-I 各个关节的运动范围 Table 2-1 Movable Range of Joints 关节 人类 仿人机器人 R-
49、50度 - 50 度 无 P-50度 -60 度 -30 度 45 度 头 Y-90度 - 90 度 -180 度 - 180 度 R-90度 - 0 度 -90 度 - 90 度 P -180 度 - 50 度 -180 度 - 180 度 肩关节 Y-90度 - 90 度 -90 度 - 90 度 P -145 度 - 0 度 无 肘关节 Y-90度 - 90 度 -90 度 - 90 度 R-5度 - 25 度 无 上臂 腕关节 P-70度 - 90 度 -70 度 - 90 度 手 P0度 - 90 度 无 R-50度 - 50 度 无 P-30度 - 45 度 -3 度 - 90 度 腰 Y-40度 - 40 度 无 第二章 仿人机器人运动控制系统结构 18 R-45度 - 20 度 -90 度 - 25 度 P -125 度 - 15 度 -67 度 - 35 度 臀部 Y-45度 - 45 度 -65 度 - 25 度 膝盖 R0度 - 130 度 0度 - 125 度 P-20度 - 30 度 -22 度 - 25 度 腿 脚踝 Y-20度 - 45 度
