陶　龙　张国良　孙大卫

摘 要：为了简化仿人机器人控制系统结构，增强机器人系统的功能。采用PC/104嵌入式系统作为仿人机器的主控计算机，完成图像处理，做出控制决策，计算并生成运动序列。关节控制器选用C8051F310单片机，采用串口与主控计算机通信，接收来自主控计算机的运动序列指令，产生PWM波，经过放大电路，实现21路电机的控制。经过实验，得到图像采集分析结果和仿人机器人稳态步行。实验表明，这种控制系统能够实现仿人机器人的控制。

关键词：仿人机器人；主控制计算机；关节控制器；PWM波

中图分类号：TP183文献标识码：B

文章编号：1004 373X(2009)02 145 03

Design of Humanoid Robot Control System Based on PC/104 and Single Chip Computer

TAO Long,ZHANG Guoliang,SUN Dawei

(Second Artillery Engineering University,Xi′an,710025,China)

Abstract：In order to simplify system structure and strengthen the function of humanoid robot system,embedded PC/104 system is applied as main computer of humanoid robot,which is used to accomplish image processing,make a control decision,calculate and generate movement sequence.The joint controller chooses C8051F310,receives the movement sequence instruction came from main computer,generats PWM wave,the control of 21 load electric circuit is realized by enlarge electric circuit.An analytical result of image collection,and humanoid robot steady on foot are gained by experiment.Results show that this kind of control system can carry out the control of humanoid robot.

Keywords：humanoid－robot;main－controller computer;joint controller;PWM wave

0 引 言

机器人作为一个各学科交叉的复杂系统，越来越多的科研者采用机器人作为实验平台，因为它包括机械结构的设计，控制系统的构建，信息的采集与处理，运动学和动力学分析，人工智能等多方面知识的融合。仿人机器人从最初简单模拟人的外形、动作、行走等，逐渐向人的思维、视觉、触觉、智能等方面转变，这就对机器人整个系统提出了更高的要求，不但要进一步完善机器人的机械结构和安装，而且要增强控制系统的功能和处理能力。

对于控制系统而言，目前在仿人机器人上常用的控制芯片有DSP，ARM或其他一些单片机等，为了进一步增强机器人的可扩展性，这里采用嵌入式系统PC/104作为机器人的主控制计算机，它具有实时性好，成本低，小型化的优点，克服了传统的基于单片机控制系统功能不足和基于PC控制系统非实时性的缺点，在仿人机器人应用中具有广泛前景。

1 仿人机器人结构及控制系统

该机器人共有21个自由度，其中头部2个自由度，可以实现头部的俯仰和左右偏转，在头上装有一个CCD摄像机，并且带有视觉采集卡以及视觉处理计算机，能够实现目标的识别和定位，为主控计算机直接提供目标信息。每个手臂3个自由度，能够完成伸展和弯曲等动作，在机器人摔倒后可以提供支撑力，让机器人可以自行起立。腰上1个自由度，实现仿人机器人躯干的前倾和后仰，便于机器人在行走或执行手上动作时重心的调节，增强机器人的可控性和稳定性。下肢6个自由度，其中踝关节处2个自由度，髋关节处3个自由度，与人的腿部结构相似，能够灵活的完成下肢的各种动作。仿人机器人的整个结构采用框架式结构，有利于减轻机器人结构上的重量，提高机器人的承载能力，为机器人控制系统的改进提供了更大的空间。如图1所示为仿人机器人实物图。

仿人机器人控制系统以ACS－4051VEPC/104主板模块作为主控制器，通过USB直接连接摄像头，一个RS 232串行口与关节控制器相连，实现主控制计算机与关节控制器的通信。驱动模块和关节控制器集成在一个PC板上，主要实现PWM波的产生,驱动电机转动。ACS－4051VE主板集成了Intel 82559ER10/100 Mb/s以太网卡，外接一个无线网卡可以实现与外部无线网络的通信。仿人机器人控制系统总体上主要分为2个部分：主控制器模块和关节控制器模块。它的总体结构实物图如图2所示。

2 关节控制器的设计

如图3所示关节控制器主要集成了C8051F310器件，它是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片。主要特性有：

(1) 高速、流水线结构的8051兼容的CIP－51内核（可达25 MIPS）,70%的指令的执行时间为1个或2个系统时钟周期,能满足关节控制器的需要。

(2) 有4个通用16位计数器/定时器,以及16位可编程计数器/定时器阵列,5个捕捉/比较模块，29个端口I/O。通过对片内进行编程，以及合理地分配比较器与I/O口，实现在C8051F310芯片上产生21路PWM波。由于单片机输出的是数字形式的控制量，必须经过D/A转换变成模拟控制量，经伺服放大器驱动电机。

在此采用MAXIIM的12位串行D/A芯片MAX531作为数/模转换芯片，将MAX531工作在双极性电压方式下，其输出模拟量的范围在-2.048~+2.048 V,精度为1 mV。输出的模拟量经过运算放大器进行放大，进入伺服放大器驱动电机。

C8051F310作为关节控制器控制核心，它主要负责21路PWM的产生,在C8051F310芯片中集成了4个通用的16位计数器/定时器,5个捕捉/比较模块，运用1个计数器/定时器和1个比较模块控制6路I/O端口，其他3个计数器/定时器和3个比较器控制15路I/O口，来实现21路PWM波的产生。这里以6路PWM波的产生来说明运用C8051F310实现电路，其电路图如图4所示：CEXn引脚产生脉宽调制PWM输出，PWM输出的频率取决于PCA计数器/定时器的时基，使用模块的捕捉/比较寄存器PCA0CPLn改变PWM输出信号的占空比。当关节控制器接收给定的6个电机转动角度序列数据后,由软件将6个数据从小到大排列,并依次求出相邻2个数的差值,按照最小的数、前2个数的差值到最后两个数的差值排列好，并将从小到大的数据对映的交叉开关的地址依次对映。

程序将第一个最小角度数放入比较寄存器的低8位PCA0CPLn中，当PCA计数器/定时器的低字节（PCA0L）与PCA0CPLn中的值相等时，CEXn引脚上的输出被置“1”；同时程序将第二个数据即差值放入比较寄存器的PCA0CPLn中， PCA计数器/定时器清零，并将交叉开关置位到相应的输出脚，当PCA计数器/定时器的低字节（PCA0L）与PCA0CPLn中的值再次相等时，CEXn引脚上的输出被置“1”，直到这组数据完毕。PCA0L中的计数值溢出，CEXn输出被复位，准备第二轮的PWM波的产生。

3 实 验

3.1 图像采集处理

为了使机器人能够达到预定目标，必须对软件系统进行设计规划。主控计算机上安装了WIN98系统,图像采集与处理采用VC进行编程，下面是图像采集处理的程序运行界面如图5所示。

3.2 仿人机器人稳定步行

运用这种控制系统来实现DF－1仿人机器人行走的控制，通过实验表明，此系统能够完成仿人机器的动态稳定行走，图6是一系列行走连续行走的截图。

4 结 语

基于PC/104嵌入式计算机和 C8051F310 芯片设计了仿人机器人的控制系统，实现了机器人的图像采集和处理，以及机器人的稳定步行。PC/104 嵌入式计算机功能齐备，运算能力强，可扩展性好，作为仿人机器人控制系统有它独特的优点。单片机实现仿人机器人的关节控制，由于其计算能力有限，难以实现复杂的控制，因此这种控制系统可以用来作为实验用和教学用机器人。

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作者简介 陶 龙 男，1984年出生，硕士研究生。研究方向为仿人机器控制系统。

张国良 男，1971年出生，博士。研究方向为仿人机器人控制系统。

贾 哲 男，1980年出生，硕士研究生。研究方向为仿人机器人传器系统。