基于DSP的双足机器人运动控制系统设计

近年来，仿人机器人一直是自动控制领域研究的热点。在模仿人类进行迈步行走时，由于仿人机器人的重心经常要处于中心线以外的区域，使得它的身体很难保持站姿平衡，能够稳定地实现双足行走是仿人机器人研究的重点也是难点。人类需要大脑和肢体的相互配合来协调动作，机器人需要的则是运动控制器和驱动装置的强大支持，尤其是运动控制器，需要有高效率的芯片为基础，才能最迅速地采集数据、完成计算和发送指令。在本次设计中机器人关节使用的是大功率三相无刷直流电机，控制器采用TMS320F2812芯片，它是TI公司推出的一款针对控制领域做优化配置的数字信号处理器，器件上集成了多种先进的外设，为电机高速度和高精度控制提供了良好的平台。1 系统概述 双足机器人每条腿设有5个自由度，这样既可以实现基本的步行功能，又尽可能的简化了控制变量，系统整体结构如图1所示，L1～L5分别对应左腿髋侧向、髋前向、膝前向、踝前向、踝侧向关节电机，R1～R5对应右腿。考虑到成本因素和驱动性能，选用Maxon的EC-max系列三相无刷直流电机来驱动关节活动，其中1号和5号电机选用EC-max35型，其他均为EC-max30型。受安装空间所限，每条腿的运动控制器都为独立的个体，各运动控制器通过主控计算机进行协调控制并可基于运动指令单独完成动作，类似于人类反射弧的原理，减轻主控计算机的工作量，加快反应速度，主控计算机和运动控制器之间通过CAN总线来传递数据。

本文引用地址： 机器人双足步行时，主控计算机根据运动周期向底层运动控制器发送运行和停止等指令，完成对行走状态的监控和数据运算。单个运动控制器由DSP处理和电机控制两部分组成：DSP处理电路负责与主控计算机和传感器之间交换各类信息、分析接收到的数据并运算输出相应关节电机的控制信号；电机控制电路根据控制信号驱动相应的电机动作，达到要求的速度和角度，并对光电编码器信号进行处理，将执行结果反馈给DSP形成闭环控制，保证执行的精度。 数据处理器选用的是TMS320F2812，它拥有基于C／C++高效32位DSP内核，提高了运算的精度；时钟频率高达150 MHz，增强了系统的处理能力；集成了128 KB的FLASH存储器、4 KB的引导ROM、数学运算表以及2 KB的OTP ROM，改善了芯片应用的灵活性；两个事件管理器模块为电机及功率变换控制提供了良好的控制功能；16通道高性能12位ADC单元提供了两个采样保持电路，可以实现双通道信号同步采样，适合整个运动控制器的开发需求，其代码和指令与F24x系列完全兼容，更是保证了项目开发和产品设计的可延续性。

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