自平衡人形機器人的多關(guān)節(jié)協(xié)調(diào)控制一直是機器人學(xué)研究的難點和熱點，目前采用的最多的是在大的反饋控制環(huán)路中對機器人進(jìn)行關(guān)節(jié)空間的控制，這種控制方式結(jié)構(gòu)緊湊，實時性強，但在以控制器為核心的輻射式控制鏈路上，所有信息的交換都集中在機器人主控制器上，當(dāng)機器人處于復(fù)雜的環(huán)境中時，可能會有過多的信息需要處理，這種復(fù)雜程度往往是不可預(yù)知的，因此機器人的穩(wěn)定性也不能保證。
    機器人主控制器是機器人的核心處理器，是提高人形機器人的信息處理能力的主要部件。其主要任務(wù)是控制機器人在空間的運動位置、姿態(tài)、軌跡、操作順序和操作時間，因此必須保證主控制器能夠為解決復(fù)雜信息處理而穩(wěn)定可靠地工作。機器人動作控制器是為解決機器人動作控制而設(shè)計的，它將主處理器發(fā)出任務(wù)處理命令分配到3個16位超低功耗單片機(MSP430F149)上去執(zhí)行，實現(xiàn)多層次的控制管理。該人形機器人具有多關(guān)節(jié)，多自由度，自平衡的控制需求，需要動作控制器在機器人系統(tǒng)控制中起到關(guān)鍵性的作用。

1 動作控制器的設(shè)計
1．1 體系結(jié)構(gòu)
    自平衡人形機器人需要獲取不可預(yù)知的環(huán)境信息以及自身姿態(tài)信息進(jìn)行綜合運算并及時進(jìn)行自身姿態(tài)的調(diào)整。機器人的這種行為特點決定了機器人的整體控制結(jié)構(gòu)要采用反饋控制。如圖1所示，描述了這種反饋控制結(jié)構(gòu)的硬件實現(xiàn)。
    同時，在圖1中可見從機器人主控制器到執(zhí)行元件(舵機)之間，有一層動作控制器的結(jié)構(gòu)。這一層結(jié)構(gòu)的任務(wù)是實現(xiàn)控制命令到舵機控制信號之間的功能轉(zhuǎn)換，這種體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計，就是借鑒計算機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的分層結(jié)構(gòu)體系思想。采用這種分層的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了軟件和硬件、命令和動作的相對隔離。其突出的優(yōu)點體現(xiàn)在能夠使主控制器專注于數(shù)據(jù)的處理，而對下行設(shè)備只負(fù)責(zé)發(fā)送指令，對于硬件的復(fù)雜的操作時序，由動作控制器負(fù)責(zé)產(chǎn)生。

1．2 實現(xiàn)過程
1．2．1 硬件實現(xiàn)
    為滿足機器人整體控制體系結(jié)構(gòu)中指令到執(zhí)行的層次性要求，動作控制器需要完成命令解析，信號驅(qū)動等任務(wù)。如圖2描述了動作控制器內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，其主要由串行總線、3個可并行工作的16位單片機、信號驅(qū)動部分構(gòu)成。這種結(jié)構(gòu)能夠從總線接收命令，單片機進(jìn)行指令解析并輸出控制電信號，外部電路對控制信號驅(qū)動放大，從而分別實現(xiàn)對執(zhí)行舵機的控制。圖3為動作控制器中一個單片機工作模塊的硬件原理圖。

    動作控制器主要由3個MSP430F149并行工作，每個MSP430F149控制8個舵機，總共實現(xiàn)對24個舵機的控制。每個MSP430F149有定時器TA和定時器TB兩個模塊，其中定時器TA通過比較模式輸出2路PWM波控制2個舵機，定時器TB通過比較模式輸出6路PWM波控制6個舵機。而且定時器工作在比較模式下時，能在一次設(shè)置完成后，不需要CPU干預(yù)的情況下持續(xù)進(jìn)行PWM輸出，同時保證各路信號之間沒有干擾，因此一路比較輸出即可獨立控制一個舵機，動作控制器可實現(xiàn)對多達(dá)24個舵機的控制，對多關(guān)節(jié)人形機器人提供足夠的控制通道。
    采用比較輸出PWM波形的方法相比較采用中斷方式的控制方法，具有簡單，輸出PWM波形穩(wěn)定，整個控制系統(tǒng)的魯棒性高等特點。該課題也曾采用過中斷控制方式，但用示波器觀察輸出的PWM波形，波形極不穩(wěn)定。而且中斷嵌套過多之后，單片機程序很容易跑飛，完全不能滿足控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求。而采用文中所述動作控制器的設(shè)計方法后，比較輸出的PWM波波形穩(wěn)定，而且單片機也沒出現(xiàn)死機或跑飛的現(xiàn)象。
    MSP430F149輸出為3．3 V TTL電平，而舵機控制信號要5 V TTL電平，在實際電路設(shè)計中要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換?？紤]到舵機的控制信號對功率沒有要求，必要加專用驅(qū)動芯片，而采用CMOS工藝的CD4081四2輸入與門進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，利用其門電路輸入電壓門限寬的特點即可解決電平轉(zhuǎn)換的問題。
    舵機動態(tài)工作時，需要脈沖式的電流，通過普通的電源供電，實驗表明：由于舵機瞬時供電不足，致使舵機力矩不夠，運動不能達(dá)到預(yù)先的姿態(tài)效果，在反復(fù)探索后，決定采用電容的快速放電特性來提供瞬時大電流，由于舵機數(shù)量大，設(shè)計時在舵機電源處并接大容量電容，總?cè)萘?．22F×6。正常小電流工作時，電容被充電處于飽和，當(dāng)需要瞬時大電流時，電容能快速放電，從而保證舵機正常穩(wěn)定的工作。
    3個MSP430F149分別控制部分關(guān)節(jié)上的舵機，這要求3個MSP430F149充分協(xié)調(diào)一致的工作。因此采用總線通信方式，將3個MSP430F149掛接到串行通信總線上，并留出總線接口，以接收主控制器的命令。
1．2．2 軟件實現(xiàn)
    動作控制器的軟件設(shè)計，是以硬件為基礎(chǔ)，接收主控制器的命令，對命令進(jìn)行解析，并控制產(chǎn)生具體的PWM波形對舵機進(jìn)行動作控制。圖4描述了動作控制器中軟件的實現(xiàn)流程。

    機器人的動作方式，方向，幅度等全部是由主控制器通過對外部信息的獲取而產(chǎn)生的輸出，這種輸出是基于命令格式的，而機器人最終的一切行為都是一系列舵機的配合運轉(zhuǎn)，從命令到執(zhí)行，這其中就是動作控制器起到了關(guān)鍵作用。
    基于上述要求，動作控制器的首要任務(wù)就是接收命令。雖然在硬件上采用了多機通信的模式，但并不采用傳統(tǒng)的通信協(xié)議(每個從機都具有一個獨立的地址)，而是對動作控制器上的3個MSP430F149定義完全相同的地址，這樣就會使其接收到完全相同的命令。這樣進(jìn)行設(shè)計，原因在于要保證舵機響應(yīng)的同時性，即是機器人動作的協(xié)調(diào)性提出的要求。如表1示例了主控制器與動作控制器的命令傳輸格式。來自主控制器的命令是一個數(shù)組序列，動作控制器上的每個MSP430F149都能完全接收到全部序列，而每個MSP430F149根據(jù)預(yù)先定義只使用這個序列中特定的子序列，這個子序列就是對應(yīng)于這個MSP430F149所控制的舵機的命令，這樣就可以保證同時性。

    動作控制器的最終目的是產(chǎn)生PWM波，而這是通過寫MSP430F149片內(nèi)TA、TB模塊的寄存器實現(xiàn)的。在解析函數(shù)進(jìn)行一系列的解析運算后，產(chǎn)生出各舵機所需的PWM波形的脈沖寬度值，將這些值寫入到相應(yīng)的寄存器中，就可以產(chǎn)生需要的PWM波。

2 實驗及結(jié)論
    根據(jù)文中提出的動作控制器的設(shè)計思想與方法，制作出機器人動作控制器。按照設(shè)計的基本思想對動作控制器進(jìn)行測試，測試中采用一個MSP430F425作為機器人主控制器，下行控制一個十二個關(guān)節(jié)的簡易人形機器人。在MSP430F425中規(guī)劃好機器人的步態(tài)，同時根據(jù)規(guī)劃好的步態(tài)參數(shù)發(fā)送舵機動作命令。
    實驗中，首先實測舵機的精度，通過向特定定時器通道預(yù)裝不同值，測量舵機響應(yīng)角度，并以此數(shù)據(jù)擬合出舵機響應(yīng)角度方程。實驗中由于采用的MSP430F425資源有限，方程僅進(jìn)行了線性擬合。
    表2為測試機器人上一處關(guān)節(jié)的舵機測定數(shù)據(jù)，根據(jù)此數(shù)據(jù)擬合出以下方程：

    舵機實際角度α=(X-3 000)／20+75．5運用擬合出的方程進(jìn)行命令到舵機角度的解析，得到表3所示數(shù)據(jù)

    從表中數(shù)據(jù)可以看出，在舵機的性能范圍內(nèi)(舵機的精度為0．5°～1°)，控制是精確的。
    同時，在舵機響應(yīng)的及時性方面，也得到了保證。從主控制器發(fā)送命令到舵機響應(yīng)開始運動共經(jīng)歷了命令傳輸、命令解析兩大時間段。
    命令傳輸在特定的速率下傳輸完所有命令數(shù)據(jù)用時4．5 ms，而命令解析即單片機內(nèi)程序執(zhí)行，其用時遠(yuǎn)小于1 ms。相比較，舵機的機械響應(yīng)時間在百ms級，因此動作控制器保證了響應(yīng)的及時性。
    實驗證明，在設(shè)計思想指導(dǎo)下的硬件和軟件實現(xiàn)，充分符合既定的目標(biāo)，體現(xiàn)在機器人的多關(guān)節(jié)能夠協(xié)調(diào)動作，預(yù)先規(guī)劃的步態(tài)能夠很好的表現(xiàn)出來。
    在機器人的實際控制系統(tǒng)中，動作控制器作為主控制器(ARM 9)的下級從屬設(shè)備，完成其特定的管理范圍內(nèi)工作。在這種分層控制的體系結(jié)構(gòu)下，自平衡的檢測與控制達(dá)到了理想的效果。

3 結(jié)束語
    由于自平衡人形機器人具有內(nèi)在不穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，國內(nèi)外機器人愛好者對其控制策略進(jìn)行了多方面的探索，但通常都是采用反饋控制環(huán)路或者是分層體系結(jié)構(gòu)的方法。采用這些傳統(tǒng)的方式大體都是中央處理器(ARM、DSP等)接收收集到的信息，進(jìn)行處理，再根據(jù)獲取的信息運用一定的算法控制執(zhí)行元件(舵機、直流電機等)。這類體系結(jié)構(gòu)一般以惟一的處理器為核心，與外界直接進(jìn)行信息交換，但其處理器的工作量大，在大量的處理中實時性難以保證。
    而本設(shè)計對應(yīng)的雙足自平衡人形機器人采用了這兩種經(jīng)典結(jié)構(gòu)的復(fù)合，其中執(zhí)行控制器、主控制器和執(zhí)行電機之間體現(xiàn)出了明顯的層次結(jié)構(gòu)，這種設(shè)計減輕了各層次的任務(wù)難度，明顯提高了設(shè)備調(diào)試或故障排查效率，充分體現(xiàn)出這種體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。