自平衡人形機器人動作控制器的設計
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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，從命令到執(zhí)行，這其中就是動作控制器起到了關鍵作用。
基于上述要求，動作控制器的首要任務就是接收命令。雖然在硬件上采用了多機通信的模式，但并不采用傳統的通信協議(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。這樣進行設計，原因在于要保證舵機響應的同時性，即是機器人動作的協調性提出的要求。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根據預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于這個MSP430F149所控制的舵機的命令，這樣就可以保證同時性。本文引用地址：http://www.bjwjmy.cn/article/162361.htm
動作控制器的最終目的是產生PWM波，而這是通過寫MSP430F149片內TA、TB模塊的寄存器實現的。在解析函數進行一系列的解析運算后，產生出各舵機所需的PWM波形的脈沖寬度值，將這些值寫入到相應的寄存器中，就可以產生需要的PWM波。
2 實驗及結論
根據文中提出的動作控制器的設計思想與方法，制作出機器人動作控制器。按照設計的基本思想對動作控制器進行測試，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)，同時根據規(guī)劃好的步態(tài)參數發(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裝不同值，測量舵機響應角度，并以此數據擬合出舵機響應角度方程。實驗中由于采用的MSP430F425資源有限，方程僅進行了線性擬合。
表2為測試機器人上一處關節(jié)的舵機測定數據，根據此數據擬合出以下方程：
舵機實際角度α=(X-3 000)／20+75．5運用擬合出的方程進行命令到舵機角度的解析，得到表3所示數據
從表中數據可以看出，在舵機的性能范圍內(舵機的精度為0．5°～1°)，控制是精確的。
同時，在舵機響應的及時性方面，也得到了保證。從主控制器發(fā)送命令到舵機響應開始運動共經歷了命令傳輸、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據用時4．5 ms，而命令解析即單片機內程序執(zhí)行，其用時遠小于1 ms。相比較，舵機的機械響應時間在百ms級，因此動作控制器保證了響應的及時性。
實驗證明，在設計思想指導下的硬件和軟件實現，充分符合既定的目標，體現在機器人的多關節(jié)能夠協調動作，預先規(guī)劃的步態(tài)能夠很好的表現出來。
在機器人的實際控制系統中，動作控制器作為主控制器(ARM 9)的下級從屬設備，完成其特定的管理范圍內工作。在這種分層控制的體系結構下，自平衡的檢測與控制達到了理想的效果。
3 結束語
由于自平衡人形機器人具有內在不穩(wěn)定性和結構的復雜性，國內外機器人愛好者對其控制策略進行了多方面的探索，但通常都是采用反饋控制環(huán)路或者是分層體系結構的方法。采用這些傳統的方式大體都是中央處理器(ARM、DSP等)接收收集到的信息，進行處理，再根據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)。這類體系結構一般以惟一的處理器為核心，與外界直接進行信息交換，但其處理器的工作量大，在大量的處理中實時性難以保證。
而本設計對應的雙足自平衡人形機器人采用了這兩種經典結構的復合，其中執(zhí)行控制器、主控制器和執(zhí)行電機之間體現出了明顯的層次結構，這種設計減輕了各層次的任務難度，明顯提高了設備調試或故障排查效率，充分體現出這種體系結構的優(yōu)越性。
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