仿人機(jī)器人的分布式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    楊斌，蘇創(chuàng)波

上海交通大學(xué)自動(dòng)化系，上海200240)

摘    要：針對(duì)仿人機(jī)器人系統(tǒng)自由度多，實(shí)時(shí)性與可靠性要求高的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于

CAN總線(xiàn)的具有windows與RT-Linux系統(tǒng)的雙主機(jī)的主控層結(jié)構(gòu)的分布式控制系統(tǒng)，整個(gè)控制系統(tǒng)采用集中管理分散控制的方式，按照控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能劃分為主控層、通信層、協(xié)調(diào)執(zhí)行層3層。CAN總線(xiàn)與一般通信總線(xiàn)相比，它的數(shù)據(jù)通信具有較強(qiáng)的實(shí)時(shí)性，并且CAN總線(xiàn)連線(xiàn)簡(jiǎn)單，降低了系統(tǒng)連線(xiàn)的復(fù)雜程度，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性：其中基于Windows的控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)仿人機(jī)器人關(guān)節(jié)電機(jī)的調(diào)試以及傳感數(shù)據(jù)的顯示；基于RT-Linux的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)控制一實(shí)驗(yàn)表明提出的分布式控制系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、安全可靠、實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能充分滿(mǎn)足仿人機(jī)器人系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)動(dòng)控制的要求

關(guān)鍵詞：仿人機(jī)器人；分布式控制；雙主機(jī)；買(mǎi)時(shí)性

中圖分類(lèi)號(hào)：TP 27    文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Distributed Control System Design for Humanoid Robots

    YANGBin．SU  Jian-bo

    (Automalion Department，Shanghai Jiao Tong University，Shan曲ai 200240，China)

Abstract：A humanoid robot contr01 system with distnbuted modularization is presented based on CAN bus a nd double PC control archi-tecture，tomeetthe requirements ofmuhi-degree-offreedom．real-time a nd stability pelrformanee Based onthe principle of centralizedmanagement a nd decentralized control，the control system is divided into three layers：main control layer，communication layer a nd actuating layer．CAN bus is a kind of field bus with better real-time performanee a nd stronger reliability．The main control layer system is based on Windows OS，responsible for testing a nd display of the sensor data received The other one is under RT-Linux 0S，aiming at realizing hulnanoid robot real tilne motion control Experilnental results show that the presented control s3 stem has good perfommnce of convenient operation，stability a nd real-time，meeting the requiremenls of humanoid robot testing a nd motion control

Key words：humanoid robot：distributed control：double PC：reaI-time

1引  言

    近年來(lái)，仿人機(jī)器人已成為機(jī)器人領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。仿人機(jī)器人具有其他類(lèi)型機(jī)器人無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，便于融人人類(lèi)日常生活和工作環(huán)境中，協(xié)助人類(lèi)完成具體的任務(wù)^[1]。然而仿人機(jī)器人作為一個(gè)復(fù)雜的多自由度系統(tǒng)，需要有效利用自身多傳感信息來(lái)感知外界環(huán)境及自身狀態(tài)變化，并對(duì)其運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，因此要求其控制系統(tǒng)需要有很高的可靠性和實(shí)時(shí)性。

    本文針對(duì)仿人機(jī)器人的特點(diǎn)，從系統(tǒng)可靠性，穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)性以及整體性能的優(yōu)化等多方面出發(fā)，設(shè)計(jì)了基于CAN總線(xiàn)協(xié)議的系統(tǒng)總線(xiàn)以及Windows和RT-Linux雙系統(tǒng)的仿人機(jī)器人主控層結(jié)構(gòu)的分布式控制系統(tǒng)。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在MIH-I(Mini Intelligent Humanoid robot-I)仿人機(jī)器人平臺(tái)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)調(diào)試方便，可很好地控制仿人機(jī)器人的各驅(qū)動(dòng)電機(jī)協(xié)調(diào)工作，保證仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性。

2基于CAN總線(xiàn)的分布式控制系統(tǒng)

    以往采用的集中式控制系統(tǒng)，控制功能高度集中，具有較快的數(shù)據(jù)傳輸速度和精度，但局部的故障就可能造成系統(tǒng)的整體失效。相對(duì)于傳統(tǒng)的集中式的控制系統(tǒng)，分布式控制系統(tǒng)具有高可靠性，易于維護(hù)，開(kāi)放性和靈活性等特點(diǎn)，更能滿(mǎn)足仿人機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制的要求。因此，韓國(guó)的KHR-^[2]。美國(guó)的Guroo^[3]等先進(jìn)系統(tǒng)都是采用了基于CAN(Controller Area Network)總線(xiàn)的分布式的體系結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化機(jī)器人控制系統(tǒng)的布線(xiàn)，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。CAN總線(xiàn)在工業(yè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，具有成本低、可靠性高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和開(kāi)

放性好等特點(diǎn)，適于仿人機(jī)器人的控制系統(tǒng)^[4]。

    早先的機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，較多使用的是windows，DOS等分時(shí)操作系統(tǒng)。這種操作系統(tǒng)追求系統(tǒng)整體平均性能的優(yōu)化，操作界面友好，系統(tǒng)成熟，便于開(kāi)發(fā)調(diào)試，但卻無(wú)法保證特定的任務(wù)在限定的時(shí)間內(nèi)得到響應(yīng)，也即不能滿(mǎn)足高實(shí)時(shí)性的要求，