基于高性能IO模塊的仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：仿生機(jī)器人由于其高度的靈活性和適應(yīng)性，在各種復(fù)雜的場景中得到越來越多的適用性。仿生機(jī)器人的研究也越來越多的得到科研人員的重視，如今仿生機(jī)器人逐步改變?nèi)藗兩畹姆椒矫婷妗，F(xiàn)階段仿生機(jī)器人雖然外形各不相同，但其控制系統(tǒng)都大同小異。文章針對仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)的相似性，提出了建立具有較強(qiáng)移植性的控制系統(tǒng)，并應(yīng)用在具有多個(gè)IO接口的模塊，實(shí)現(xiàn)通用仿生機(jī)器人的控制。文章通過系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、硬件選型、硬件連接、軟件通訊協(xié)議編制、仿真軟件設(shè)計(jì)、限位開關(guān)的設(shè)計(jì)等實(shí)現(xiàn)了基于高性能IO模塊的仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)，其中還運(yùn)用了485串口、Modbus通訊協(xié)議等理論，并通過軟件仿真試驗(yàn)和系統(tǒng)穩(wěn)定性驗(yàn)證，證明該系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。研究結(jié)果表明，該仿生機(jī)器人控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對高性能IO模塊的控制，并且該系統(tǒng)具有較高的通用性以及較高的可靠性。因此，本系統(tǒng)達(dá)到了對仿生機(jī)器人通用控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的。

關(guān)鍵詞：仿生機(jī)器人；通用系統(tǒng)；高性能IO模塊；Modbus通訊協(xié)議

1 概述

仿生學(xué)是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的一門綜臺(tái)性邊緣學(xué)科，它由生命科學(xué)與工程技術(shù)科學(xué)相互滲透、相互結(jié)合而成。它在精密雷達(dá)、水中聲納、導(dǎo)彈制導(dǎo)等許多應(yīng)用領(lǐng)域中都功不可沒。

當(dāng)代機(jī)器人研究的領(lǐng)域已經(jīng)從結(jié)構(gòu)環(huán)境下的定點(diǎn)作業(yè)中走出來，向航空航天、星際探索、軍事偵察攻擊、水下地下管道、疾病檢查青療、搶險(xiǎn)救災(zāi)等非結(jié)構(gòu)環(huán)境下的自主作業(yè)方面發(fā)展。人們也把目光對準(zhǔn)了生物界，力求從豐富多彩的動(dòng)植物身上獲得靈感，將它們的運(yùn)動(dòng)機(jī)理和行為方式運(yùn)用到對機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)理和控制的研究中。這就是仿生學(xué)在機(jī)器人科學(xué)中的應(yīng)用，這一應(yīng)用已經(jīng)成為機(jī)器人研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，勢必推動(dòng)機(jī)器人研究的蓬勃發(fā)展。

仿生機(jī)器人的移動(dòng)方式有輪、腿、履帶和無肢運(yùn)動(dòng)等。多足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式是典型的足肢運(yùn)動(dòng)。美國、日本、德國、英國、法國等國家都開展了多足機(jī)器人工作， 并研制出許多樣機(jī)。國內(nèi)， 上海交通大學(xué)、中國科學(xué)院、沈陽自動(dòng)化所、國防科技大學(xué)等單位也相繼研制出了多足機(jī)器人樣機(jī)。如中科院沈陽自動(dòng)化所研制成功水下的六足步行機(jī)，清華大學(xué)開發(fā)出的DTWN框架式雙三足不行機(jī)器人，上海交通大學(xué)研制出的JTUWM系列四足行足機(jī)器人等。

文章就是對爬行類仿生機(jī)器人的研究，通過對高性能IO模塊的仿生機(jī)器人的研究設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)通過上位機(jī)控制IO模塊來實(shí)現(xiàn)使仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)。文章先從理論方面分別介紹了仿生機(jī)器人的概念、高性能的IO模塊、485串口通信、Modbus通訊協(xié)議以及仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制邏輯。

2 系統(tǒng)的方法與理論

2.1 仿生機(jī)器人

根據(jù)上述仿生機(jī)器人的定義，我們將機(jī)器人設(shè)計(jì)成帶有六足步行功能的蜘蛛型多足機(jī)器人，此類機(jī)器人用途廣泛，靈活度高且更具代表性，具備系統(tǒng)移植的條件。

正是因?yàn)榉律鷻C(jī)器人的高度靈活性，所以也就造成了仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。為了完成復(fù)雜精準(zhǔn)的控制動(dòng)作，需要多部件的共同作用。為了達(dá)到這樣的效果，我們需要使用能同時(shí)輸出多路控制開關(guān)的串口通訊即485串口通信。

2.2 485串口通信

典型的串口通信標(biāo)準(zhǔn)是RS232和RS485，它們定義了電壓，阻抗等，但不對軟件協(xié)議給予定義，區(qū)別于RS232， RS485的特性包括：

（1）RS-485的電氣特性：RS-485接口信號(hào)電平低，不易損壞電器元件。

（2）RS-485的數(shù)據(jù)最高傳輸速率為10Mbps 。

（3）RS-485接口是采用平衡驅(qū)動(dòng)器和差分接收器的組合，抗共模干擾能力增強(qiáng)，即抗噪聲干擾性好。

（4）RS-485接口擁有最遠(yuǎn)3000米的傳輸距離，而且RS-485接口在總線上是允許連接多達(dá)128個(gè)收發(fā)器。

為了實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多的傳輸方式以及保證傳輸過程具有較強(qiáng)的抗干擾能力，我們選用RS485串口通信。

2.3 ModBus通訊協(xié)議

ModBus網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)工業(yè)通信系統(tǒng)，由帶智能終端的可編程序控制器和計(jì)算機(jī)通過公用線路或局部專用線路連接而成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)既包括硬件、亦包括軟件。它可應(yīng)用于各種數(shù)據(jù)采集和過程監(jiān)控。ModBus網(wǎng)絡(luò)只有一個(gè)主機(jī)，所有通信都由他發(fā)出。網(wǎng)絡(luò)可支持247個(gè)之多的遠(yuǎn)程從屬控制器，但實(shí)際所支持的從機(jī)數(shù)要由所用通信設(shè)備決定。

在ModBus系統(tǒng)中有2種傳輸模式可選擇。這2種傳輸模式與從機(jī)PC通信的能力是同等的。選擇時(shí)應(yīng)視所用ModBus主機(jī)而定，每個(gè)ModBus系統(tǒng)只能使用一種模式，不允許2種模式混用。一種模式是ASCII（美國信息交換碼），另一種模式是RTU（遠(yuǎn)程終端設(shè)備）。

3 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 場景描述

本系統(tǒng)所采用的機(jī)器人就是多足型的仿生機(jī)器人，該機(jī)器人的足肢可以實(shí)現(xiàn)奇數(shù)足和偶數(shù)足的分開控制，當(dāng)奇數(shù)足運(yùn)動(dòng)時(shí)，偶數(shù)組用于支撐軀體；同樣，當(dāng)奇數(shù)足運(yùn)動(dòng)時(shí)，偶數(shù)組用于支撐軀體。這樣反復(fù)運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人就可以實(shí)現(xiàn)前后移動(dòng)。該機(jī)器人足肢的往復(fù)運(yùn)動(dòng)不同與輪子或履帶的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，足肢的往復(fù)運(yùn)動(dòng)能更好地適應(yīng)復(fù)雜的地形。而且，多足肢共同運(yùn)動(dòng)也可避免單個(gè)足肢故障造成機(jī)器人不能運(yùn)動(dòng)的情況。

3.2 硬件選型與實(shí)現(xiàn)

3.2.1 硬件選型

高性能IO模塊：為了達(dá)到多路控制開關(guān)同時(shí)輸入同時(shí)輸出，選用騰控科技的STC系列高性能IO模塊。該模塊可同時(shí)輸入輸出多達(dá)16路。輸入和輸出模塊分選用STC-101、STC-102。通訊協(xié)議采用適用于工業(yè)現(xiàn)場總線的modbus協(xié)議。該模塊通過485串口通信與上位機(jī)連接。該模塊的額定最大輸入電壓是220v，與上位機(jī)傳輸?shù)?85接口有兩路，驅(qū)動(dòng)電壓是24V。該模塊可是通過地址碼進(jìn)行區(qū)分，如果使用485串口通信，理論上最多可實(shí)現(xiàn)256個(gè)模塊同時(shí)連接。

3.2.2 硬件實(shí)現(xiàn)

線路連接如圖1所示。

3.3 軟件實(shí)現(xiàn)

3.3.1 modbus通訊協(xié)議形成

modbus通訊協(xié)議由上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，首先根據(jù)命令要求確定命令代碼、設(shè)備地址、寄存器起始地址、寄存器個(gè)數(shù)等息息，將以上信息通過CRC校驗(yàn)算法生成CRC校驗(yàn)碼。將上述信息與CRC校驗(yàn)碼按通訊格式合并，合并后通過485串口發(fā)給IO設(shè)備。設(shè)備接收到指令代碼后會(huì)進(jìn)行CRC校驗(yàn)，只有校驗(yàn)成功才會(huì)執(zhí)行該指令，保證指令的完整性。IO設(shè)備執(zhí)行完指令后還會(huì)返回給上位機(jī)一個(gè)指令，表示執(zhí)行完畢。流程圖如圖2所示

（1）Modbus傳輸模式

用戶選擇想要的模式，包括串口通信參數(shù)（波特率、校驗(yàn)方式等），在配置每個(gè)控制器的時(shí)候，在一個(gè)Modbus網(wǎng)絡(luò)上的所有設(shè)備都必須選擇相同的傳輸模式和串口參數(shù)。所選的ASCII或RTU方式僅適用于標(biāo)準(zhǔn)的Modbus網(wǎng)絡(luò)，它定義了在這些網(wǎng)絡(luò)上連續(xù)傳輸?shù)南⒍蔚拿恳晃?，以及決定怎樣將信息打包成消息域和如何解碼。

ASCII可打印字符便于故障檢測，而且對于用高級(jí)語言（如Fortran）編程的主計(jì)算機(jī)及主PC很適宜。RTU則適用于機(jī)器語言編程的計(jì)算機(jī)和PC主機(jī)。因此，該系統(tǒng)選用RTU傳輸模式。

（2）Modbus傳輸格式

上位機(jī)發(fā)送的指令：[設(shè)備地址][命令號(hào)01][起始寄存器地址高8位][低8位][讀取的寄存器數(shù)高8位][低8位][CRC校驗(yàn)的低8位][CRC校驗(yàn)的高8位]

每一個(gè)括號(hào)內(nèi)有兩位十六進(jìn)制數(shù)組成。

a.設(shè)備地址：在一個(gè)485總線上可以掛接多個(gè)設(shè)備，此處的設(shè)備地址表示想和哪一個(gè)設(shè)備通訊。

b.命令號(hào)：不同的命令號(hào)執(zhí)行不同的功能，例如：讀取數(shù)字量的命令號(hào)為01。

c.起始地址高8位、低8位：表示想讀取的開關(guān)量的起始地址。每個(gè)設(shè)備都有自己的寄存器地址。

d.寄存器數(shù)高8位、低8位：表示從起始地址開始讀多少個(gè)開關(guān)量，與起始寄存器地址共同使用。

e.CRC校驗(yàn)：數(shù)據(jù)的最后一部分，對前面的數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。此處需要注意，CRC校驗(yàn)在命令中的高低字節(jié)的順序和其他的相反。

Modbus傳輸格式如圖3所示。

（3）CRC校驗(yàn)碼生成過程

CRC域是兩個(gè)字節(jié)，包含一16位的二進(jìn)制值。它由傳輸設(shè)備計(jì)算后加入到消息中。接收設(shè)備重新計(jì)算收到消息的CRC，并與接收到的CRC域中的值比較，如果兩值不同，則有誤。

CRC是先調(diào)入一值是全“1”的16位寄存器，然后調(diào)用一過程將消息中連續(xù)的8位字節(jié)各當(dāng)前寄存器中的值進(jìn)行處理。僅每個(gè)字符中的8Bit數(shù)據(jù)對CRC有效，起始位和停止位以及奇偶校驗(yàn)位均無效。

CRC產(chǎn)生過程中，每個(gè)8位字符都單獨(dú)和寄存器內(nèi)容相或（OR），結(jié)果向最低有效位方向移動(dòng)，最高有效位以0填充。LSB被提取出來檢測，如果LSB為1，寄存器單獨(dú)和預(yù)置的值或一下，如果LSB為0，則不進(jìn)行。整個(gè)過程要重復(fù)8次。在最后一位（第8位）完成后，下一個(gè)8位字節(jié)又單獨(dú)和寄存器的當(dāng)前值相或。最終寄存器中的值，是消息中所有的字節(jié)都執(zhí)行之后的CRC值。CRC校驗(yàn)過程如圖4所示。

3.3.2 運(yùn)動(dòng)控制及限位開關(guān)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)過程是整個(gè)系統(tǒng)按照一定的控制邏輯運(yùn)行的。將蜈蚣型仿生機(jī)器人的步足以左右分別劃分為奇數(shù)足和偶數(shù)足，左右奇數(shù)足為一組共同運(yùn)動(dòng)，左右偶數(shù)足為另一組共同運(yùn)動(dòng)。蜈蚣型仿生機(jī)器人足步的前向運(yùn)動(dòng)行為周期仿生為抬起、前劃、落下、后劃四個(gè)行為動(dòng)作；后向運(yùn)動(dòng)行為周期仿生為抬起、后劃、落下、前劃四個(gè)運(yùn)動(dòng)行為。抬起和落下為一個(gè)低速電機(jī)控制，前劃和后劃為一個(gè)低速電機(jī)控制。運(yùn)動(dòng)過程如圖5所示。

每只步足的前后上下設(shè)置一個(gè)金屬觸點(diǎn)用于讀取步足當(dāng)前的位置并實(shí)現(xiàn)限位開關(guān)的功能。當(dāng)運(yùn)動(dòng)著的步足接觸到某一位置的金屬觸點(diǎn)時(shí)，由系統(tǒng)讀取到該觸點(diǎn)閉合，并停止該動(dòng)作驅(qū)的低速電機(jī)，此動(dòng)作完成，系統(tǒng)進(jìn)入下一運(yùn)動(dòng)周期。限位開關(guān)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 限位開關(guān)

4 系統(tǒng)的試驗(yàn)與穩(wěn)定性驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)功能簡介

上位機(jī)用戶界面如圖7所示，該界面可用于控制仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)并實(shí)時(shí)顯示。當(dāng)點(diǎn)擊前進(jìn)按鈕時(shí)，機(jī)器人向前行走：當(dāng)奇數(shù)足運(yùn)動(dòng)時(shí)，奇數(shù)足顯示為綠色，如圖8所示；當(dāng)偶數(shù)足運(yùn)動(dòng)時(shí)，偶數(shù)足顯示為紅色，如圖9所示。后退時(shí)實(shí)時(shí)顯示相同。按下暫停按鈕時(shí)，機(jī)器人屬于暫停狀態(tài)，所有足肢顯示為黑色，如圖7所示。

4.2 試驗(yàn)場景設(shè)定

本系統(tǒng)適用于對多足機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，試驗(yàn)場景設(shè)定為控制蜈蚣型仿生機(jī)器人在路面行走。實(shí)現(xiàn)該種機(jī)器人的前進(jìn)、后退等運(yùn)動(dòng)行為。該型機(jī)器人可適用于多種路面狀況，對環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)性。尤其是在一些常規(guī)機(jī)器人和大型機(jī)器人達(dá)不到的復(fù)雜場景中，該種機(jī)器人可以自如的穿梭。

在現(xiàn)實(shí)場景中，該控制系統(tǒng)還可適配多種具有開關(guān)量的復(fù)雜仿生機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)對該類型的運(yùn)動(dòng)控制。如蛇形機(jī)器人，魚形機(jī)器人等。適配該系統(tǒng)時(shí)，只需要將IO模塊的輸出線纜連接至機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)開關(guān)處，并適配好正確的驅(qū)動(dòng)電源，即可使用該系統(tǒng)控制一些仿生機(jī)器人。

4.3 功能穩(wěn)定性驗(yàn)證

在多次測試實(shí)驗(yàn)的過程中，該系統(tǒng)并沒有出現(xiàn)故障，多次對控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的開關(guān)量進(jìn)行的開閉動(dòng)作準(zhǔn)確及時(shí)，能夠正確完成前進(jìn)、后退等動(dòng)作。因此，經(jīng)多次測試驗(yàn)證證明該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制功能的成功率高，故障率低，能夠完成具有一定要求的仿生機(jī)器人的控制任務(wù)。準(zhǔn)確率高達(dá)99%。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖10所示。

圖10 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)束語

文章針對控制軟件和仿生機(jī)器人的接口控制方案，提出了基于485串口和Modubus通訊協(xié)議的控制方案，設(shè)計(jì)了通信協(xié)議，并基于軟件仿真驗(yàn)證了控制軟件的有效性。硬件部分用到了高性能IO模塊、485串口、簡易限位開關(guān)；軟件部分主要應(yīng)用到了CRC校驗(yàn)、Modbus通訊協(xié)議、配合限位開關(guān)的軟件部分。

在以后的研究中可以針對仿生機(jī)器人的多種運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行進(jìn)一步的研究，如蛇形機(jī)器人的爬行，昆蟲機(jī)器人的飛行以及運(yùn)動(dòng)方向的靈活性。

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