肖志锋，段玉琴，蔡 勇，蒋 刚

(西南科技大学 制造科学与工程学院，四川 绵阳 621010)

为了能够充分表达人类的情感，仿人机器人通过多个运动机构牵动仿真人面皮实现人类表情[1-3]。这种面部机构具有自由度众多、运动复杂、控制精度要求高等特点。实践表明，由于指令顺序执行，单个单片机很难完成多任务系统的设计。然而，采用多个单片机分布控制的方式，虽然能够满足设计需求，但系统稳定性较差，设计成本增加。

本文选用非定制逻辑器件FPGA作为控制芯片来完成整个驱动系统的设计。区别于单片机，FPGA并行的设计理念可使系统模块独立运行，在简化系统架构的同时，提高执行机构的协同性。

1 面部运动分析与系统硬件结构

图1 MSR2仿人机器人

图2 面部自由度分布

本系统用于驱动西南科技大学自主研发的MSR2型仿人机器人面部产生人类表情,如图1所示。其面部具有21个基本动作单元AU(Action Unit),主要集中分布于眉毛、眼球、眼睑、嘴巴和下颌等 5个部位,如图2所示。表1给出了5个部位的驱动电机和传感器分布情况。

表1 面部驱动电机和传感器的分布

面部驱动系统是仿人机器人控制系统的一个组成部分，面部单元运动指令由上层PC机完成。因此，本文将面部驱动系统划分成电机控制、反馈信号采集和上位机通信三个部分，图3所示为硬件结构示意图。

图3 硬件结构示意图

2 FPGA模块化设计

本设计选择Altera公司Cyclone II系列FPGA器件EP2C5Q208C8，作为驱动系统核心控制芯片。

2.1 电机驱动模块设计

仿人机器人头部空间狭小，选用的微型舵机型号为H301，其旋转角速度为 500°/s。……