基于ARM9的仿人机器人分布式控制系统

1 引言

仿人型机器人具有类似于人类基本外貌特征和步行运动功能，还具有视觉、听觉等功能，它可以实现类似人类的行走，灵巧轻便，对行走环境有良好的适应性，既能在平地上行走，又能在非结构的复杂地面上行走，如上下台阶，跨越、绕过障碍物等。另外，仿人型机器人是集材料、机械、电子、能源驱动、计算机感知、传感、控制、虚拟现实与人工智能等多门学科于一体的综合性平台，它的研究能够带动诸多相关学科和技术的交叉发展与进步，并为相关学科的研究提供一个平台。因而，近年来，仿人型机器人的研发受到国内外学者的广泛关注。小型机器人是近年发展起来的仿人机器人的一种，主要的研究集中在日本。小型仿人机器人，结构轻巧，集成度高，运动灵活；未来可在工业、民用、军事等许多方面发挥作用，是机器人技术的发展方向之一。小型机器人的控制不仅要求实时，还要求重量轻，体积小以及低功耗等。

传统的仿人机器人控制系统结构采用集中式控制，如日本仿人机器人HRP-2[1]，通常由一台或多台计算机通过多块A/D,D/A模块与下层的驱动器和传感器连接通信。由上位机完成轨迹规划和任务调度，协调下层各控制板对各关节进行控制。这样的控制系统模块繁多，模块之间的连接复杂，依赖性强且相互耦合，降低了系统的开放性和可靠性，增加了功耗，难以完成多轴同步协调运动控制。

随着计算机技术和网络技术的发展，各种新型的控制方式应用于机器人控制。分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的，是生产过程的一种比较完善的控制与管理系统。与计算机多级控制系统相比，分布式控制系统在结构上更加灵活、布局更为合理和成本更低。分布式控制结构成为机器人控制系统发展的方向。文[2]中作者设计了一种基于CAN总线的分布式的仿人机器人的控制系统。

为此，我们研制了新型的小型仿人机器人控制系统。本实验室研制的小型仿人机器人各关节采用舵机控制，根据要求，本设计需要实现小型仿人机器人腿部的运动控制，达到小型化，低功耗。

2 小型仿人娱乐机器人分布式控制系统

2.1总体方案设计

本文研究的小型仿人娱乐机器人运动控制系统由主控制器ARM9，C8051F320单片机与4片CD4017外部计数器构成的控制单元组成，控制结构简单灵活。USB通信方案满足了主从控制和通信速度的需求。关节执行机构采用舵机，控制方法简单实用。总体控制方式简图见图1。

主控制器端，采用ARM9（S3C2410）作为管理控制器负责协调控制，向单片机发送规划好的运动控制数据并扩展语音，视频等。S3C2410主控制器有一个USB host，连接C8051F320单片机。

单片机端，利用C8051F320中的PCA捕捉比较模块产生PWM控制信号。当单片机通过USB总线接收到由ARM管理控制器发来的数据包时，根据设定的对应关系将数据包中16位控制数据转化为PCA比较值，由PCA模块产生相应占空比的PWM控制信号，分别输出给4片CD4017外部计数器。同时PCA模块还定时产生一路复位脉冲，同时发送给4片CD4017，确保CD4017多路PWM输出与单片机接收到多舵机控制数据对应关系正确。

CD4017外部计数器将CP引角输入的PWM转化为多路PWM，分别控制与之相连的各舵机转动，实现各杆件位置的开环控制。

2.2 USB通信的实现

在计算机和单片机的控制数据传输领域内，长期以来广泛的使用RS-232，RS-485等通信方式，这些通信方式讯的实时性较差， 故障率较高， 出现故障时， 不容易排查[3]。不能够满足小型仿人机器人的实时性和大批量数据传输的要求。USB总线通信方式作为新一代计算机外设的接口技术，随着USB技术的日益成熟，及独特的优点(对多种设备的广泛适用性，自动配置，容易扩充，易于连接，热插拔，即插即用、高可靠性，低成本，低功耗等)，应用前景非常广泛[4]。

本控制系统中的管理控制器ARM9（S3C2410）集成了一个USB host，采用Linux操作系统；C8051F320器件集成了全速/低速USB功能控制器，用于实现USB接口的外部设备，均支持USB2.0通信协议。单片机端设计了通信固件程序和应用程序，用于接收USB通信内容。

2.3 基于C8051单片机和CD4017外部计数器的关节控制器设计

采用一片单片机与4片CD4017外部计数器的关节控制器设计方案，极大限度的精简了硬件数量，节省了空间，降低了软硬件出错的可能性，也为系统运动功能的扩展提供了足够空间和灵活性（自由度数量设置可在36个以内任意增减）。

基于C8051的设计中有很多方法用于产生PWM波形：软件循环、查询或中断驱动的定时器等。使用可编程计数器阵列PCA产生PWM相对于