四足仿生机器人运动控制系统的设计与实现

硕士学位论文

（学位研究生）

题目： 四足笾生狃墨厶运动控趔 丕统鲍遮让皇塞现

作 者： 陈德明

学科专业： 扭越电王工程

指导教师： 王涸耋教援

２００７年３月

摘要

四足机器人运动灵活、对复杂地形的自适应运动能力强，具有广阔的应用前 景。由于四足机器人的机构和控制相对复杂，相关技术还不成熟，目前四足机器 人大多处于实验室研制阶段，所研制的四足机器人普遍存在运行速度慢、地形自 适应运动能力差、负载轻等问题。论文针对目前四足机器人普遍存在的问题，着 重开展四足仿生机器人运动控制研究，主要内容如下：

１．在对国内外四足机器人研究现状调研、分析的基础上，提出了四足仿生 机器人的总体设计方案；通过对四足哺乳类动物——狗的生理结构进行分析，设 计了仿生物四足机器人试验样机；根据四足仿生机器人运动控制的功能要求，确 定了递阶分布式控制系统结构；针对控制系统信息传输的特点和要求，设计了基 于ＣＡＮ总线和串口的数据通信方案。

２．开展仿生ＣＰＧ算法的研究，采用该算法实现了四足仿生机器人多关节的 协调运动。设计了关节运动规划控制器，处理器采用数字信号处理芯片（ＤＳＰ），

完成算法的高速求解。

３．针对机器人单关节的运动控制，设计了集直流电机运动控制和驱动于一 体的关节伺服控制器。硬件上采用单片机ＡＴ９９Ｓ５２、电机运动控制专用芯片 ＬＭ６２９、智能集成功放电路ＬＭＤｌ８２４５和增量式光电编码器来构成全数字伺服 控制系统。

４．编写了实时性较强的运动控制系统软件，主要包括ＣＰＧ算法求解模块、

ＣＡＮ总线通信模块、数据采集模块、伺服控制模块等。采用定时器中断和外部 中断相结合的方法来提高实时性。

经过试验，论文设计的运动控制系统性能可靠，实现了对四足仿生机器人机 械系统的实时控制，产生了仿生运动步态，基本达到项目设计要求。该平台具有 一定的扩展能力，可以作为递阶分布式控制系统的底层控制器，为四足仿生机器 人后续研究奠定了良好的基础。

关键词：四足机器人，运动控制系统，ＣＡＮ总线，中枢模式发生器

Ｍｏｖｉｎｇｆｌｅｘｉｂｌｅ ａｎｄ ｈａｖｉｎｇ ｓｔｒｏｎｇ ａｄａｐｔｉｖｅ ｍｏｖｅｍｅｎｔ ａｂｉｌｉｔｙ ^{ｔｏｔｈｅ}ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｔｅｒｒａｉｎ，ｑｕａｄｒｕｐｅｄ ^{ｒｏｂｏｔ ｈａｓ} ｗｉｄｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ^ｉｎｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ．Ｂｅｃａｕｓｅ ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｑｕａｄｒｕｐｅｄ ｒｏｂｏｔ ^ａｒｃ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ，ａｎｄ ^{ｒｅｌｅｖａｎｔ} ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ^ａｒｃ ｉｍｍａｔｕｒｅ，ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｑｕａｄｒｕｐｅｄｒｏｂｏｔｓｔｉｌｌ ｗｉｔｈｉｎ ｔｈｅｌａｂｏｒａｔｏｒｙ^{ｌｉｍｉｔｓ．Ｔｈｅ}

ｑｕａｄｒｕｐｅｄｒｏｂｏｔｄｅｖｅｌｏｐｅｄ ｇｅｎｅｒａｌｌｙｍｏｖｅｓ ｓｌｏｗｌｙ，ｈａｓ ｐｏｏｒ ａｄａｐｔｉｖｅ ｍｏｔｉｏｎ_{ａｂｉｌｉｔｙ} ｔｏ自奠豫ｉｌｌ ａｎｄ ｈａｓ ｐｏｏｒ ｌｏａｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ^ｔｏ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｇｅｎｅｒａｌｌｙ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｉｎ ｍｏｓｔ ｑｕａｄｒｕｐｅｄｒｏｂｏｔｓ；ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅ_{ｑｕａｄｒｕｐｅｄ} ｂｉｏｎｉｃｒｏｂｏｔ．１１ｌｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔ ｉＳａｓｆｏ［１０ｗｓ＂

１．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｌｏｔｓ ｏｆ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ａｎｄ _{ａｎａｌｙｓｉｓ} ｏｆ ｔｈｅ _{ｑｕａｄｒｕｐｅｄ} ｒｏｂｏｔｓ ｂｏｔｈ

ｈｏｍｅ ａｎｄａｂｒｏａｄ，ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｄｅｓｉｇｎｐｌａｎ ｏｆ ｑｕａｄｒｕｐｅｄ ｂｉｏｎｉｃ ｒｏｂｏｔｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂｙ

ａｎａｌｙｍｇ

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｏｆ ｔｈｅ _{ｑｕａｄｒｕｐｅｄ}ｂｉｏｎｉｃｒｏｂｏｔ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ^ｏｆ ｑｕａｄｒｕｐｅｄ ^{ｂｉｏｎｉｃ} ｒｏｂｏｔ ｍｏｔｉｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ，ａ ｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ ａｎｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ _{ｓｙｓｔｅｍ}ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｉｓ ｇｉｖｅｎ．Ａｎｄ ^{ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｄａｔａ}ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

ｂａｓｅｄ ｏｎ ＣＡＮ ｂｕｓ ａｎｄ ｓｅｒｉａｌ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ^{ｔｏ ｔｈｅ} ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ａｎｄ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ ｏｆｔｈｅ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｏｆｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ_{ｓｙｓｔｅｍ．}

２．ＢｉｏｎｉｃＣＰＧ（Ｃｅｎｔｒａｌ^{Ｐａｔｔｅｒｎ}Ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍ^ｉｓｓｔｕｄｉｅｄ，ｗｈｉｃｈｈｅｌｐ^ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄｍｏｔｉｏｎ ｆｕｒｍｕｌｔｉｐｌｅｊｏｉｎｔｓ ^{ｏｆｔｈｅ}ｑｕａｄｒｕｐｅｄ ｂｉｏｎｉｃ

ｒｏｂｏｔ．Ｔｈｅ

ａｌｇｏｒｉｔｈｍ^{ｃａｎｂｅ} ｓｏｌｖｅｄａｔａｌｌｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｂｙｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ａｊｏｉｎｔ^{ｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｉｔｈ} ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉ鄹Ｉａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）ａｓ ｉｔｓ ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ．

３．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ _{ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ} ｊｏｉｎｔ’Ｓ ^{ｍｏｔｉｏｎ} ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ，ａｊｏｉｎｔ ^{ｆｆ嘲＇ＶＯ} ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｈｉｃｈ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓｍｏｔｉｏｎ^{ｃｏｎｔｒｏｌ}ａｎｄ_{ｄｒｉｖｉｎｇ}ｏｆｔｈｅＤＣ ｍｏｔｏｒｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａ ｄｉｇｉｔａｌ ^{ＳＣＴＶＯ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ} ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ， ^{ｗｈｉｃｈ} ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ・ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ＡＴ８９Ｓ５２，ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ｍｏｔｉｏｎ－ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ ＬＭ６２９，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ａｎｄ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｐｏｗｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ ^{ｃｉｒｃｕｉｔ}ＬＭＤｌ８２４５ ａｎｄ Ｉｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｃｏｄｅｒ．

４．Ｔｈｅ

ｃｏｎｓｉｓｔｓ ｏｆ ＣＰＧ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｓｏｌｖｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ，ＣＡＮ ｂｕｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ，Ｄａｔａ Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ^{ｓｇｒｖｏ}ｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅ ｅｔｅ．Ｆｏｒｔｈｅ ｓａｋｅ ｏｆｉｍｐｒｏｖｉｎｇ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ｂｏｔｌｌ ｔｉｍｅｒ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ ａｎｄｏｕｔｓｉｄｅ ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ^ａｒｅｕｓｅｄ．

ＩＩ

ｔｈｅｓｉｓｉｓ ｒｅｌｉａｂｌｅ；ｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｃａｌ_{ｓｙｓｔｅｍ}ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｃｏｎｔｒｏｌｏｆｑｕａｄｒｕｐｅｄｂｉｏｎｉｃ ｒｏｂｏｔ ｉｓ ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ⅱ圮ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｃｏｎＵ＇ｏｌ ｔｏ ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ ｔｈｅ ｑｕａｄｒｕｐｅｄ ｂｉｏｎｉｃ ｒｏｂｏｔ ^ｉＳ

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ｒｏｂｏｔ．

Ｋｅｙ－Ｗｏｒｄｓ：ＱｕａｄｒｕｐｅｄＲｏｂｏｔ，Ｍｏｔｉｏｎ^{Ｃｏｎｔｒｏｌ}Ｓｙｓｔｅｍ，ＣＡＮ^Ｂｕｓ，

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学位论文作者签名：ｌ§二ｉＩ西咀

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指导教师签名：呈堑监

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西北工业大学 学位论文原创性声明

秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人郑重声明：所呈交的学位论文，是 本人在导师的指导Ｆ进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的 内容和致谢的地方外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表或撰写过的研 究成果，不包含本人或其他已申请学位或其他用途使用过的成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。

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学位论文作者签名

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第一章绪论

四足机器人运动灵活、对复杂地形的自适应运动能力强，具有广阔的应用前 景。本章首先介绍四足机器人的研究背景和意义，并调研了国内外四足机器人的 发展现状，在此基础上分析了四足机器人存在的问题、提出了本文的主要研究内 容。

１．１研究背景和意义

自世界上第一台机器人诞生以来，机器人经历了示教再现、具备一定感知功 能和智能化三个阶段ｆｌｌｏ目前，机器人在工业生产中已得到广泛地应用Ⅲ，这些 机器人大多属于位置固定机器人，如焊接、喷漆机器人。这类机器人移动范围有 限，只能在结构化环境中开展活动。随着技术的发展、各种应用的需要，出现了 移动机器人，如自动导向车、足球机器人以及各类足式机器人等。

表Ｉ－！地面移动机器入主要运动方式的特点比较

类别 优点 缺点

轮式机器入 速度快、效率高 对路况要求高，环境适应能

易平衡、稳定性好 力较差

易控制、技术较成熟 跨越障碍的高度受轮子直 实现机构相对简单 径的限制

履带式机器人 稳定性好 体积、重量较大 野外作业能力强 对路况有～定要求 足式机器人 对路况要求不高，可以是不 结构复杂、不易平衡

连续的地形 控制和设计难度较大 自由度多、运动灵活 相关技术不成熟 适应复杂地形能力强

目前，地可移动机器人的运动方式有轮式、履带式、足式、蠕动式等，其中 应用较多的有轮式、履带式和足式机器人，各自的优缺点如表卜ｌ所示。轮式机 器人在平坦的硬质地面上运动具有履带式和足式机器人无法比拟的优点，在目前 的移动机器人中应用最多，如美国斯坦福大学的斯坦利（ＳＴＡＮＬＥＹ）无人驾驶汽 车、用于火星表面探测的“勇气号”和“机遇号”以及大多数足球机器人等。履 带式机器人最大的优点是野外作业能力强，如在阿富汗和伊拉克战场上使用的战

地机器人ＰＡＣＫＢＯＴＳ，它能够在崎岖不平的地形表面行走，可以在建筑物里执行 搜救任务、抛掷手榴弹等。足式机器人最大的优点是对路况要求不高，在不连续 的地形条件下具有很大优势，运动灵活，适应复杂地形的能力强，但其控制和设 计难度较大，相关技术还不是很成熟，目前大多处于实验室研制阶段。

目前研究较多的腿式机器人有双足、四足和六足机器人。四足机器人与双足 机器人相比具有更好的稳定性和承载能力，与六足、八足机器人相比机构更简单，

更加受到各国机器入研究人员的重视１３ｌ。日本东京工业大学机器人课题组从事四 足机器人研究已有２０多年历史，他们从实用性、机构的复杂度、稳定性等方面 考虑，认为四足是足式机器入最佳的结构形式㈨５】【６Ｊ。

由于技术等原因，目前投入实用的四足机器人较少，但是四足机器人具有很 强的环境适应能力，可以在平坦硬质地、沙石地、雪地、松软地、草地等复杂地 面行走，可以爬越一定角度的坡面，跨越一定宽度的障碍和沟壑，在不久的将来 会在以下方面发挥重大作用：

战场上的应用：运输、侦察、排雷等；

危险及特殊环境下的作业：反恐中的排雷、排爆，星球表面的探测，地震等 引发的灾后搜救，核工业中放射性原料的运输、处理等；

狭小空间下的作业：废墟、山洞的探测，管道检测、维修等；

人类生活的助手：娱乐、服务、导盲等。

总之，四足机器人具有广阔的应用场合，而目前的相关技术还不成熟，四足 机器人难以发挥其特殊的作用。因此，开展四足机器人相关技术的研究具有重大 的现实意义。

１．２四足机器人国内外研究现状

自２０世纪８０年代以来，四足机器人技术得到了快速的发展，国外的发展领 先于国内，国外已研制出一定数量的四足机器人样机，并有少量投入了使用，以 下从几个典型的四足机器人来阐述国外四足机器人的研究现状。

一、四足机器人小狗（ＬｉｔｔｌｅＤｏｇ）和大狗（ＢｉｇＤｏｇ）ｆ７】

２

图１－１ ＬｉｔｔｌｅＤｏｇ 图１－２ＢｉｇＤｏｇ

ＬｉｔｔｌｅＤｏｇ是由ＤＡＲＰＡ（美国国防部高级研究项目署）资助，波士顿动力公 司研制的四足机器人（如图１－１所示）。ＬｉｔｔｌｅＤｏｇ采用电机驱动，每条腿上装有 ３个电机，采用便携式计算机控制，机器人装有检测关节角度、电机电流、航向、

脚与地之间的接触等用途的传感器，采用无线通信模块传送数据，随身携带的锂 离子聚合物电池可以保证机器人运行３０分钟。科学家们通过该机器人来研究电 机、动力控制、对环境的感知和粗糙地形下的运动等问题。

ＢｉｇＤｏｇ也是由ＤＡＲＰＡ资助，波士顿动力公司研制的四足机器入（如图１．２ 所示），ＢｉｇＤｏｇ与ＬｉｔｔｌｅＤｏｇ相比性能得到了大幅度的提高，号称是目前世界上 最先进的四足机器人。ＢｉｇＤｏｇ长为ｌ米、高为Ｏ．７米、重量为７５千克，采用液 压驱动，由汽油发动机提供动力，采用随身携带的计算机控制，装有位置、力、

陀螺仪等传感器。ＢｉｇＤｏｇ的环境适应能力特别强，可以在山地、沼泽地、雪地 等路面上行走，目前可以３．３英里／４，时的速度小跑，可以爬越３５度的坡面，负 载１２０磅。

二、四足机器人Ｐａｔｒｕｓｈ和Ｔｅｋｋｅｎ［８Ｊ

日本电信大学的Ｈ．ＫｉＩｌｌｕＩａ等于十几年前开始研究四足机器人，先后研制出 四足机器人Ｐａｔｒｕｓｈ－１１９１、Ｐａｔｒｕｓｈ－ＩＩｌｌ

０１、Ｔｅｋｋｅｎ－Ｉ［“Ｉ、Ｔｅｋｋｅｎ－ＩＩ［１２】【１３１和Ｔｅｋｋｅｎ．Ⅳ【１４】

（如图ｌ－３所示）。以Ｔｅｋｋｅｎ－ＩＩ为例来介绍其特征，Ｔｅｋｋｅｎ－ＩＩ的外形尺寸为３０

Ｘ１４Ｘ２７．５ｃｍ，含电池重４．３ｋｇ，共１６个关节（每条腿４个关节，３个主动关节，

一个被动关节），采用直流伺服电机驱动、并配有减速箱，配有编码盘、陀螺仪、

倾角计和接触传感器，控制器采用ＰＣ机、操作系统为ＲＴ－Ｌｉｎｕｘ，通过遥控器操 作机器人Ｉｌ”。

Ⅺｍｎｆａ将中枢模式发生器ＣＰＧ网络与牵张反射、伸肌反射、屈肌反射等机 理结合，实现了所研制的四足机器人Ｔｅｋｋｅｎ在复杂地形下的自适应运动，可以 实现行走（ｗａｌｋ）、同侧跑（ｐａｃｅ）、对角跑（ｔｒｏｔ）和奔跑（ｇａｌｌｏｐ）步态，能避 障、越障、爬坡，Ｔｅｋｋｅｎ．ＩＶ最高速度达１．５ｍ／ｓ［１６Ｊ。

（ｂ）Ｐａｔｒｕｓｈ－１１

（ｃ）Ｔｅｋｋｅｎ－Ｉ（ｄ）Ｔｅｋｋｅｎ－ＩＩ（ｅ）Ｔｃｋｋｅｎ－ＩＶ 图１．３四足机器入ＰａＷｎｓ和Ｔｅｋｋｃｎ

三、四足机器人ＴＩＴＡＮ［”】

耵，ｒＡＮ是日本东京工业大学研制的四足机器人，它具有多种型号 ＩＩＳ］１１９】【２０ｌ【２１１１２２１（如图１．４所示），东京工业大学有几十年的机器人研究历史并取得 了巨大的成就，研制的机器人包括步行机器入、轮式机器人、蛇形机器人、医疗 机器人和机器人群等。ＴＩＴＡＮ ＩＩＩ是ＴＩＴＡＮ系列最早的型号，于１９８１～１９８４年 研制的，其足部装有须状传感器和数字信号处理系统，用于自动检测足与地的接

触情况。为了智能地处理传感器的信息和实现对地形的自适应稳定行走，ＴＩＴＡＮ

ｍ上装有姿态传感器和智能步态控制系统“ＰＥＧＡＳＵＳ”。机器人腿长１．２ｍ，重

８０ｋｇ。ＴＩＴＡＮ ＩＶ是在ＴＩＴＡＮ

重１６０ｋｇ，行走速度达４０ｃｍ／ｓ，有３台ＴＩＴＡＮ

中一台在车载电池和计算机下能自主行走。ＴＩＴＡＮ

宽１ｍ、高１．５ｍ，总重１９０ｋｇ，用１２个１２０Ｗ的直流电机驱动。ＴＩＴＡＮ^{ＶＩＩ是出} 于改善在修建铁路和高速公路等交通设施时工人们须爬上山坡从事危险性的工

作目的于１９９４年开始研制的。ＴＩＴＡＮⅨ是为了在矿山开采中代替人类的劳动而

研制的。ＴＩＴＡＮⅪ是为了应用于道路两旁山坡的加固而于２００２年开始研制的。

ＴＩＴＡＮ系列机器人体积、重量均较大，多个型号已投入实际应用。

４

（ｂ）ＴＩＴＡＮ ＩＶ（ｃ）ＴＩＴＡＮ^ＶＩ

（ｄ）ＴＩＴＡＮ ＶＩＩ（ｅ）Ｔｎ＇ＡＮ１Ｘ（ｆ）ＴＩＴＡＮⅪ 图１．４四足机器人ＴＩＴＡＮ

四、四足机器人Ｃｏｌ｜ｉｅｌ２３ｌｆ２４ｌ

（ａ）Ｃｏｌｌｉｅｌ （ｂ）Ｃｏｌｌｉｅ２

图Ｉ－５四足机器人Ｃｏｌｌｉｅ

日本东京大学的Ｍｉｕｒａ和Ｓｈｉｍｏｙａｍａ教授于１９８４—１９８６研制了四足机器人 Ｃｏｌｌｉｅｌ（如图１－５（ａ）所示），随后两年（１９８６—１９８８）研制了Ｃｏｌｌｉｅ２（如图１－５ｑ［ｂ）

所示）。Ｃｏｌｌｉｅ２的长、宽、高分别为４２０ｍｍ、２４０ｒａｍ和３８０ｍｍ，重量为７ｋｇ，

采用装有实时操作系统的ＭＣ６８０２０控制。每条腿有５个关节，３个主动关节，２ 个被动关节。Ｃｏｌｌｉｅ２可在平地上实现ｐａｃｅ和ｔｒｏｔ步态，以及相互间的转换。Ｍｉｕｒａ

和Ｓｈｉｍｏｙａｍａ在该平台上开展了四足机器人动态行走等方面的研究。

五、四足机器人ＳＩＬ０４１２５ｌ

图１．６四足机器人Ｓ！Ｌ０４ 图１．７四足机器人ＢＩＳＡＭ

四足机器人ＳＩＬ０４是西班牙工业自动化协会出于教育和基础研究目的而开 发的，如图１－６所示，机身尺寸为３１０×３１０×３００ｒａｍ，总重量约为３０ｋｇ，有效 载荷约为１５ｋｇ，每条腿３个回转关节，装有编码器、倾角计、可选择的电位计 和３轴力传感器。主控制器采用４８６或Ｐｅｎｔｉｕｍ ＰＣ机，每条腿用一块三轴直流 电机控制板控制，每个电机配一块驱动板，ＳＩＬ０４还提供了一块Ａ／Ｄ转换板、用 于接收传感器的信息，各板之问通过总线连接。ＳＩＬ０４可在不规则的地形上行走，

可跨越２５０ｍｍ的障碍，携带１５ｋｇ有效载荷时的最大行走速度约为１．５ｍ／ｍｉｎ。

六、四足机器人ＢＩＳＡＭＥ４１１２６ｌ【２７】

ＢＩＳＡＭ（如图ｌ一７所示）是德国１９９８年开发的四足机器人，由主体、４条 腿和头部组成，总重１４．５ｋｇ。机器人４条腿完全相同，每条腿分为４个部分，之 间用３个平行的转动关节互连，第４个转动关节连接腿部和躯干。内部装有微控 制器、处理器、电池及立体摄像头。该机器入通过三级控制结构对控铝怕Ｅ务进行 了分担，三级结构为：由西门子高性能单片机Ｃ１６７负责单腿运动控制；由嵌入 式系统ＰＣＩ０４负责多腿协调控制；由外部高性能ＰＣ机负责入机接口交互。ＰＣＩ０４ 与外部高性能ＰＣ机通过无线局域网进行通信。ＢＩＳＡＭ还具有两个摄像头，可识 别障碍物的形状和距离，并对数据作了简化处理，从而实现了实时控制。

与国外相比，我国四足机器人研究相对落后，属于起步阶段，自２０世纪８０ 年代中期以来，先后有多所高校开展了这方面的研究并取得了一定的成果。国内 具有代表性的四足机器人主要包括：

一、四足机器人ＪＴＵＷＭ－ＩＩＩ“１

四足机器人ＪＴＵＷＭ—ＩＩ（如图１．８所示）是由上海交通大学研制的关节式哺乳 动物型步行机器人。机器人的长、宽、高分别为８１ｃｍ、７５ｃｍ、３０ｃｍ，重３７．５ｋｇ，

６

腿为开式链关节型结构，膝关节为一纵摇自由度，髋关节为纵摇和横摇两个自由 度，各自由度由直流电机经谐波齿轮驱动，用电位器、测速电机作为位置和速度 传感器，脚底为直径１２ｃｍ的圆盘，是一个被动的纵摇自由度。该机器人为足式机 器人的经典结构，但速度缓慢，步行速度０．２ｋｍ／ｈ。

图１－８四足机器人ＪＴＵＷＭ—ＩＩ 二、四足机器人ＱＷｏｌＩ和Ｂｉｏｓｂｏｔ

ＱＷ－ＩＩ［２９１（如图１－９所示）是清华大学在１９９０年研制的全方位四足步行机器 人，每条腿有三个自由度，大小腿垂直布置，各足沿圆周均匀分布；机器人由电 机驱动。在此样机基础上做了直走，横走和转弯等实验研究。

图ｌ－９四足机器人ＱＷｏｌｌ 图１－１０四足机器人Ｂｉｏｓｂｏｔ

Ｂｉｏｓｂｏｔ｜３０】（如图１．１０所示）是清华大学研制的四足仿生机器人，采用仿生 ＣＰＧ运动控制方案，总体尺寸为４００ｍｍＸ３２０ｍｍＸ３００ｒａｍ，总质量为５。７ｋｇ，

能够实现稳定的节律运动，速度可达每秒１／４．１／２身长（Ｏ．１３一Ｏ．２４ｍ／ｓ）；实现 了ｗａｌｋ、ｔｒｏｔ两种步态和步态相互转换；具有一定的非结构化环境适应性，能 够自主应付复杂地形，完成１０。上下坡、跨越相当于腿长１３．３％高度（２０ｍｍ）

的障碍。

三、“４＋２”多足步行机器人和ＭｉｎｉＱｕａｄ多足步行机器人川【３２】

在国家８６３计划和国家自然科学基金的资助下华中科技大学先后研制了

“４＋２”多足步行机器人（如图１．１１所示）和ＭｉｎｉＱｕａｄ多足步行机器人。“４＋２”

多足步行机器人共有六条腿，当其中两条腿用作工作臂时就成为了四足机器人，

机器人每条腿四个关节，三个主动关节和一个被动关节。控制上采用上、下位机 的分级控制，上位机为普通ＰＣ机，采用的是ＷｉｎｄＯＷ￥操作系统；下位机是工控 机，采用的是ＤＯＳ操作系统。ＭｉｎｉＱｕａｄ多足步行机器人是一种可重构的机器人，

其四足构型如图１．１２所示，其控制系统由三部分组成，分别是ＰＣ机、机身控制 器和关节控制器。ＰＣ机用来生成运动控制指令，经ＵＳＢ传送给机身控制器；机 身控制器将ＰＣ端传来的指令转为关节运动控制指令，并通过ＣＡＮ总线传送到 关节控制器；关节控制器将来自机身控制器的指令转成电机运动控制指令，并通 过电机专用运动控制器ＬＭ６２９来实现电机的精确控制。

图１－１ １“４＋２”多足步行机器人 图１．１２多足步行机器人ＭｉｎｉＱｕａｄ

四、多运动方式四足机器人１４】１３３】

多运动方式四足机器人是哈尔滨工业大学机器人研究所正在研制的足轮混 合式移动机器人。控制系统采用了分层的模块化设计思想，提出了以ＣＡＮ总线 为基础的嵌入式分级控制系统方案。自行设计了基于ＤＳＰ的嵌入式多电机伺服 控制与驱动单元，采用了流水线采样软件策略和带修正函数的自调整模糊控制规 则。

１．３存在的主要问题分析

综上所述，Ｂｉｇｄｏｇ是目前世界上技术领先的四足机器人，它能在负载１２０ 磅的情况下以３．３英里每小时的速度小跑，具有很强的地形适应能力，可以在山 地、沼泽地、雪地等路面上行走，爬越３５度的坡面。目前，四足机器人普遍存 在以下问题：

１．行走速度慢。如ＴＩＴＡＮ ＩＶ最大行走速度为４０ｃｍ／ｓ，ＳＩＬ０４在携带１５ｋｇ 有效载荷时的最大行走速度约为１．５ｍ／ｒａｉｎ，ＪＴＵＷＭ．ＩＩ的步行速度为０．２ｋｍ／ｈ，

Ｂｉｏｓｂｏｔ的速度可达０．１３—０．２４ｍ／ｓ。

２．地形自适应运动能力差。大多数四足机器人只能在实验室或户外较简单 的地形下行走，跨越的障碍物高度及爬越的坡度范围均较小。

３．负载轻。目前大多数四足机器人没有考虑其负载问题。

通过调研以及详细分析四足机器人的现状，笔者认为影响目前四足机器人 存在上述三个问题的原因有：

１．控制方法。许多四足机器人采用基于模型的控制方法，该方法需要对机 器人自身及环境建模，机器人自身的模型比较好确定，但对环境的建模比较复杂，

同时对非结构化环境的建模也难以实现。在复杂的模型下，控制器的计算时间较 长，实时性难以保证，控制难度也较大，从而限制了机器人的行走速度。

２．控制系统。为了保证四足机器人的实时控制，需要有相应的硬件及软件 来支持。传统的控制器件，如普通的单片机难以满足四足机器人的控制要求，同 时一般的软件结构及策略也难以保证实时性。

３．感知系统。四足机器人要在非结构化环境中行走，须要有相应的感知系 统来检测机器人自身及环境的信息。需要的传感器数量多、信号处理复杂，而现 有的多传感器信息融合技术还不是很成熟，影响着四足机器人的地形自适应运动 能力。

４．调节机制。四足机器人具有的关节多，多个关节的协调运动才能实现机 器人稳定、快速的行走。很多学者对四足机器人的多关节协调运动进行了研究，

并取得了巨大的成绩；但由于四足机器人多关节协调运动的复杂性，目前还属于 四足机器人研究中的难题之一。

５．机械结构及驱动。四足机器人的机械结构和驱动影响其运动的速度、稳 定性、功耗、负载等问题。目前四足机器人的机械结构及驱动与自然界中的四足 动物相比还有很大的差别。

１．４课题来源、研究内容及论文结构安排

本文来源于西北工业大学研究生创业种子基金项目“基于仿生ＣＰＧ的四足 机器人运动控制研究”（编号：Ｚ２００５２２），同时也是某四足仿生机器人项目（编 号：Ａ２７２００６０２７５）的一部分。本文着重开展四足仿生机器人运动控制研究，设 计了一套四足仿生机器人嵌入式运动控制系统以及一个四足仿生机器人试验样 机，将控制系统在试验样机上验证，构建了一个四足机器人平台，为后续四足仿

９

生机器人项目的研究奠定基础，主要研究内容如下：

１．总体方案设计。通过调研、详细分析国内外四足机器人的现状，提出了 四足仿生机器人运动控制系统的总体方案，包括机械结构的设计、运动控制系统 的总体方案设计、通信系统的总体方案设计等内容。

２．递阶分布式控制系统的研究。在分析比较现有机器人控制系统的基础上，

设计了四足仿生机器人递阶分布式运动控制系统。

３．多关节协调运动的研究与实现。开展仿生ＣＰＧ算法的研究，采用该算法 来实现四足仿生机器人多关节的协调运动，硬件上用数字信号处理器 ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ来实现，并设计了关节运动规划控制器。

４．关节伺服控制器的设计与实现。设计了集直流电机运动控制和驱动于一 体的关节伺服控制器，硬件上主要由单片机ＡＴ８９Ｓ５２、电机控制芯片ＬＭ６２９、

电机驱动芯片Ｕ加Ｄ１８２４５和增量式光电编码器来实现。

５．四足仿生机器人通信系统的设计。开展了四足仿生机器入通信系统的研 究，并设计了基于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ和ＡＴ８９Ｓ５２的ＣＡＮ总线通信电路，以及基 于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的串口通信电路。

６．运动控制系统的软件设计。编写了实时性较高的控制系统软件。

全文结构按照“调研、现状分析一提出闯题一解决问题一总结与展望”的路 线来组织安排。第一章为调研、现状分析，提出问题；第二至五章为解决问题；

第六、七章为对所做工作的总结与展望；各章具体安排为：第一章绪论，第二 章四足仿生机器人总体方案设计，第三章关节运动规划控制器硬件设计，第四 章关节伺服控制器硬件设计，第五章运动控制系统软件设计，第六章四足仿 生机器人试验样机，第七章总结与展望。

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第二章四足仿生机器人总体方案设计

四足仿生机器入由机械系统和控制系统两大部分组成，它们之间相互耦合，

形成了复杂的机器人运动方式。本章将总体介绍四足仿生机器人的设计方案，其 中重点介绍机器人仿生ＣＰＧ控制算法、机器人机械结构设计、运动控制系统设 计和通信系统设计。

２．１四足仿生机器人试验样机设计概况

本文构建的四足仿生机器人试验样机用于开展机器人运动控制系统研究。样

机采用仿四足哺乳类动物——狗的生理结构，并对其关节进行了简化，简化后的

图２．１四足仿生机器人关节分布图

２．２仿生ＣＰＧ算法研究

２．２．１机器人运动控制算法

Ｘ

算法是机器人控制系统的重要组成部分，目前机器人的运动控制算法可大 致分为两类：

１．传统规划算法：传统规划算法先对机器人本体建模，运动中确定目标位 置和运行速度后需实时地再建立精确的环境模型，在这基础上通过动力学及运动 学方程的数值求解，获得各关节在下一时刻的位置信息。该方法适合机器人在结 构化环境下的运动控制，具有算法成熟、控制精度高等优点。其缺点是对移动机

器人系统建模复杂、计算量大、实时性难以保证，同时在非结构化环境中，很难 对环境精确建模。

２．仿生控制算法：仿生控制算法是模仿生物的运动机理来实现对机器人的 运动控制，常见的有仿生ＣＰＧ算法、遗传算法、基于行为的控制方法等。仿生 ＣＰＧ算法能够产生稳定的相位关系，实现步态的协调，不需要对环境精确建模，

具有算法简单、易于计算机程序化、对地形的适应性强等特点。目前该算法已应 用于四足机器入Ｔｅｋｋｅｎ和Ｂｉｏｓｂｏｔ，同时在仿生机器鱼、机器蛇和双足机器人中 已初见成效。遗传算法是对生物进化机制的仿生，其特点是具有高度的并行处理 能力，鲁棒性强，易于实现全局优化。特别适用于非线性复杂大系统的优化。基 于行为控制的机器人运动由一系列同时发生的简单动作或“能力”组成，通过自 组织实现系统的复杂行为，具有即时性和自组织的特点，在非结构化环境中具有

良好的适应性１３４］。

２．２．２仿生ＣＰＧ控制算法

动物常见的运动形式有走、跑、跳、泳和飞等，这些运动具有时闻和空间对 称的周期性运动，被称作节律运动。经过生物界漫长的进化，动物的节律运动具 有运动灵活、稳定性好、对环境的适应性好等优点，将其引入到机器入的运动控 制中将使机器人的运动性能大幅度提高。生物学家普遍认为，动物的节律行为是 低级神经中枢的自激行为，由位于脊椎动物的脊髓或无脊椎动物的胸腹神经节中 的ＣＰＧ控制，这种控制方式为机器人的运动提供了一种新的控制方法，即基于 ＣＰＧ的机器人运动控制方法。单个ＣＰＧ的输出可作为机器人单关节控制的位置、

力矩、速度等控制信号，由多个ＣＰＧ组成的ＣＰＧ网络则可控制机器人的多关节 协调运动。ＣＰＧ网络具有如下特点【３５】：

１．自动产生稳定的节律信号。ＣＰＧ网络可以在缺乏高层命令和外部反馈的 情况下自动产生稳定的节律信号，而反馈信号或高层命令又可以对ＣＰＧ的行为 进行调节。

２．多关节的协调。ＣＰＧ网络通过相位锁定，可以产生多种稳定、自然的相 位关系，使多关节协调运动，从而实现不同的运动模式。

３．ＣＰＧ网络易于各类传感器的接入，传感器的信号作为ＣＰＧ的外部输入，

为机器人提供环境信息。

４．环境适应性强。

５．结构简单。

上述这些特点决定了ＣＰＧ算法非常适合用于多关节移动机器人的运动控制。

１２

要采用ＣＰＧ控制算法， 需先建立ＣＰＧ建模。目前已有很多学者通过各种 方法来建立ＣＰＧ模型，其中Ｍａｔｓｕｏｋａ的神经元振荡器模型得到了广泛的采用，

该模型是日本九州工学院的松冈清利（ＫｉｙｏｔｏｓｈｉＭａｔｓｕｏｋａ）通过对生物神经细胞 的研究，在漏极积分器微分方程的基础上改进的模型，以该模型为基础的ＣＰＧ 控制方法已经在多个四足仿生机器人中得到了应用。日本电气信息大学的 ＫｉＩｎｕＦｄ在Ｍａｔｓｕｏｋａ神经元振荡器模型的基础上采用两个神经元（对应动物的伸 肌和屈肌控制神经元）相互抑制构成振荡器，两个神经元的输出之差作为整个振 荡器的输出，如图２－２所示，数学描述如公式２．１所示【３６ｌ。ｇｉｎｌｕｌ．ａ将这个模型应 用于其研制的四足机器人Ｐａｔｒｕｓｈ和Ｔｅｋｋｅｎ，取得了良好的效果。清华大学的张 秀丽以Ｍａｔｓｕｏｋａ振荡器的ＣＰＧ模型为构建单元，对Ｋｉｍｕｒａ的ＣＰＧ模型进行了 修改，将修改后的模型应用于其研究的四足仿生机器人Ｂｉｏｓｂｏｔ，实现了机器人 稳定的节律运动。

ｇｗｕｙ鹰Ｕ０

其

其

图２－２ Ｋｉｍｕｒａ的ＣＰＧ振荡器模型

ｆⅣｋ，｝ｌ＝一Ⅳ｛ｅ．，”＋ｗ／，Ｙ｛Ｉ，Ｊ，一伊｛ｆｔ，”＋１．ｔｏ＋Ｆｅｅｄ｛ｆ，，ｐ＋∑ｗｖｙｉ，，／１，

Ｙ㈤』＝ｍａｘ（ｕ㈨，，０）

ｆ

Ｖ∽ｐ＝—’，ｌｔ．，｝，＋．），扣，，”

ｙｌ ２一ｙｄ＋ｙ８

各参数的意义为：ｉ为第ｆ个振荡器，ｅ代表伸肌神经元，厂代表屈肌神经元，

ｆ和ｆ’为时问常量，”为神经元膜电压，ｖ为神经元疲劳适应性，ｗ，为神经元ｉ 和．，之间的连接权重，卢为疲劳适应系数，％为外部输入常量，Ｆｅｅｄ为外部反馈，

Ｙ为神经元的输出。由上述微分方程组可知，ＣＰＧ算法具有多变量、强耦合、非 线性等特点。

由多个ＣＰＧ构成的ＣＰＧ网络有链状和网状两种结构，由四个ＣＰＧ单元构 成的网状ＣＰＧ网络可用来控制四足机器人的四个髋关节，如图２．３所示。四足 动物通常有四种步态：行走（ｗａｌｋ）、同侧跑（ｐａｃｅ）、对角跑（ｔｒｏｔ）和奔跑（ｇａｌｌｏｐ）

步态，通过ＣＰＧ网络的相位锁定可以实现这四种步态。

图２．３四个ＣＰＧ单元组成的网状ＣＰＧ网络

２．３四足仿生机器人结构设计

许多四足动物的运动非常灵活，对环境的自适应运动能力强，这其中一部分 得归功于其合理的生理结构。本文研制的四足仿生机器人试验样机采用仿四足动 物狗的生理结构。狗的全身骨骼如图２．４所示，狗的每条腿由５段组成，共有５ 个关节，每个关节有１～３个自由度。狗腿的结构具有的冗余自由度多，在现阶 段四足机器人要完全模仿这种结构几乎不可能，只能通过合理的简化，尽量让它 接近这种结构。鉴于目前的研究水平及实验室条件，我们将狗腿结构简化，目前 研制的四足仿生机器人试验样机每条腿具有三个关节，分别是髋关节、膝（肘）

关节和踝关节。其中髋关节、膝（肘）关节为主动关节，采用直流电机驱动：踝 关节为被动关节，关节上装有弹簧。

１４

１上颌骨；２颧骨：３顶骨；４下颌骨；５第一颈椎（寰椎）；６第二颈椎（枢椎）；７胸 椎；８腰椎；９尾椎；１０肩胛骨：１１肱骨；１２桡骨；１３尺骨；１４腕骨；１５掌骨；１６ 指骨；１７胸骨：１８髂骨；１９坐骨；２０股骨；２１髌骨；２２胫骨；２３腓骨；２４跟突；２５ 跗骨；２６踬骨；２７趾骨

图２－４狗的骨骼图【３７】

为了让设计的机械结构更加合理，我们先参照狗腿各个关节的比例关系，通 过Ｐｒｏ／Ｅ建立四足仿生机器人３Ｄ模型（如图２．５所示），然后在ＡＤＭＡＳ中进 行运动学和动力学仿真（如图２－６所示），通过观察机器人的运动仿真效果，从 而修改模型的设计，经过多次交互，最终得到比较合理的模型。机器人试验样机

（如图２．７所示）由躯干和４条腿组成，材质主要采用铝型材，部分要求强度高 的部件（如轴套）采用钢结构。机器人机械本体重量约为ｌＯｋｇ（含电机、减速 机构），控制系统重量约为１．５ｋｇ。躯干主体是一根横梁，两端装有机架，用于髋 关节电机的固定（如图２．８所示）。四条腿采用相同的结构（如图２－９所示），髋 关节采用直流减速电机直接驱动。为了尽量让每条腿上的惯量匹配，膝关节电机 没有直接安装在膝关节上，而是安装在机器人大腿的另一侧，距离髋关节９ｃｍ 处，电机经齿轮减速后通过皮带轮传动。踝关节是一个被动关节，没有用电机驱 动，而是通过扭簧连接。足底安装有橡胶块，以减小地面对机器人的冲击、提高 机器人的柔性。

图２－５四足仿生机器人３Ｄ模型

图２－６四足仿生机器人模型ＡＤＭＡＳ仿真图

１６

图２．７四足仿生机器人结构图

图２－８四足仿生机器人躯干图

１７

（ａ）侧视图

∞正视图

图２－９四足仿生机器人腿结构

２．４四足仿生机器人控制系统设计

２．４．１机器人驱动器

驱动器是将来自电、液压和气压等各种能源的能量转化为关节的直线运动和 旋转运动的装置１３８Ｊ；从仿生学角度看，连杆和关节构成机器人的骨骼。驱动器起 肌肉的作用，它通过直线运动或旋转运动来改变机器人的构型ｐ“。机器人的运动 与驱动器密切相关，驱动器决定机器人的运动，要得到理想的运动就必须选择合 理的驱动器，选择时需要考虑的因素通常有性能、体积、重量、价格等。

迄今为止，出现了各式各样的驱动器，包括电气驱动器、液压驱动器、气压 驱动器和新型驱动器（如形状记忆合金驱动器、人工肌肉、静电驱动器、压电驱 动器等）。电气驱动器利用各种电动机产生的力或力矩，直接或经过减速机构驱 动负载，从而获得要求的机器入运动：它具有控制性能好、精度高、体积小、质

１８

量轻、成本低、污染小、维护简单等优点，适合于不同种类、不同大小的机器人，

是目前应用最广泛的驱动器。液压驱动器具有功率大、响应快、刚性好等优点，

其缺点是液体存在泄漏，维护较复杂、有环境污染以及由于附加设备所带来的体 积大、重量重、价格高等，通常用于需要大功率的非移动机器人中。气压驱动器 具有结构简单、安全可靠、价格低廉等优点，但存在精度差、不易控制和体积大 等缺点，目前的机器人中应用较少。新型驱动器目前还处于实验、发展阶段，目 前现实应用中较少，随着机器人技术的不断发展，在不久的将来其应用将得到推 广。

机器人常用的电气驱动器有直流电机、步进电机和交流电机。直流电机的优 点是功率大、控制性能好、效率高，易于实现微处理器的数字化控制，实现对电 机速度、位置的精确控制，它是目前应用最多的机器人驱动器。步进电机最大的 特点是控制精度高，但较直流电机其输出的功率和转矩较小，控制更加复杂，因 此应用较少。交流电机在大功率负载下其性能价格比最好，可以满足高速场合，

在易燃、易爆、多尘的环境中无需过多保护【４０】；其缺点是不便在移动机器人中实 现。

目前在一些小型或教育型机器人中常用舵机作为驱动器，其特点是易控制、

接口简单、能保证一定的精度，缺点是负载能力和速度调节范围小。

我们研制的四足机器人所需功率较大，具有不同的步态以及运动速度，因此 要求驱动器具有较大的功率和转矩、控制性能好等特点，最终我们选择了实际中

用得最多的机器入驱动器一直流电机作为驱动器。

２．４．２四足仿生机器人常用控制系统结构

在国内外机器人中，常见的控制系统结构有１３２】［４１１１４２】：

１．集中式：集中式控制系统只用一台计算机来完成机器人的所有控制任务。

由于一台计算机既要计算又要控制，因此对计算机的性能要求较高，适用于简单 的控制系统，对复杂系统而言实时性难以保证，系统的可靠性也难以保证，计算 机一出问题，整个系统就瘫痪；其优点是控制系统结构简单、便于实现。

２．分布式：分布式结构将机器人控制系统分为多个子系统，每个子系统采 用一个独立的ＣＰＵ来控制，彼此间通过总线交换信息。控制系统模块化，具有 扩展性好、实时性较高、可靠性较高等优点；其缺点是控制系统结构较复杂、协 调有一定的难度。

３．分层递阶【３ｓＪ：ＧＮ．萨里迪斯提出了智能控制系统的分层递阶的组成结构 形式，如图２．１０所示。该结构形式将控制系统分成三级：组织级、协调级、执

１９

行级，组织级的作用是组织决策、规划任务，协调级用来协调执行级的动作，执 行级执行具体的控制任务。该分层递阶的智能控制系统的特点是；

ａ）对控制来讲，自上而下控制的精度越来越高。

ｂ）对识别来讲，自下而上信息回馈越来越多，智能程度越来越高。

图２．１０分层递阶智能控制结构

２．４．３四是仿生机器人控制系统设计

为了使本文所研制的四足仿生机器人运动平台能扩展为一个全自主移动机 器人，能在户外复杂地形下行走，并具有一定的负载能力。因此，控制系统须完 成导航、路径规划、步态规划、关节伺服控制、各类传感器信息的采集与处理等 任务，具体设计要求如下：

１．整个控制系统需装在机器人上，尺寸和重量尽可能小：

２．尽可能模块化，扩展性好，便于后续功能模块的增加；

３．实时性强；

４．具备友好的人机界面，为系统的调试、监控提供方便；

５．实现导航、路径的规划；

６．单关节的伺服控制，机器人的运动是通过各关节的协调运动来实现的，

单关节实时、准确的控制是实现机器人协调运动的前提；

７．多关节的协调控制，四足仿生机器人运动是通过各关节之间的协调运动 来实现，因此多关节的协调控制直接关系到机器人步态的合理性以及运动的协调 性；

８．平衡控制，保证机器人在不平整的地形能稳定运行，机器人受一定干扰 力时仍然能保持稳定状态；

９．各类传感器信息的采集与处理，要实现机器人的自主运动，须借助各类 传感器来获取环境及机器人自身的信息；

１０．具有～定的容错能力，当机器人出现某些异常时，控制系统能根据需要 做出一定的处理。

将上述要求归类，控制系统由以下三大功能模块组成：

１．机器人宏观规划、决策模块：根据外部给定的目标任务，

器，确定机器人的行走路线；

２．多关节协调控制模块：将机器人的任务分解到各个关节，

协调运动来完成具体的行走任务；

借助各类传感

通过多关节的

３．单关节运动控制模块：通过对机器人驱动器的伺服控制，驱动关节完成 运动。

这三大功能模块分别完成不同的任务，模块间相互联系，需要交换数据。整 个控制系统是一个多层次、多级别的复杂系统，单ＣＰＵ很难胜任如此复杂的控 制任务。为了实现对多个层次的单独控制以及不同层次间的协调管理，将控制系 统分解成多个子系统，不同层次上用单独的控制器控制，各层间通过通信来交换 数据，即采用递阶分布式控制系统结构（如图２－１１所示）。

图２．１ｌ四足仿生机器人分层分布式控制系统框图

控制系统共分为三层：导航、路径规划层，关节运动规划层和运动执行层。

导航、路径规划层是任务规划层，根据高层的命令，结合传感器对环境的感知信 息生成机器人的行走路线。关节运动规划层将上层的任务转化为多关节的协调步 态，将步态信息细分到各个关节伺服控制器；在机器人运行过程中通过对环境的 感知，对步态做出适当的调整；运动执行层是控制系统的底层，执行具体的动作 指令。

本文主要研究控制系统的关节运动规划层和运动执行层，具体功能为：

１．产生多关节协调步态，将此步态信息分配到各个关节，每个关节按照此 信息执行伺服控制；

２．对每个电机的位置检测以及每条腿着地情况的检测；

３．关节运动规划层和运动执行层之间稳定、快速的通信，同时为了以后导 航、路径规划层的加入，需留下与其通信的接口；

４．对部分传感器信息及开关量的采集。

根据这些要求，在本文的后续章节将从关节运动规划控制器和关节伺服控 制器的软、硬件设计来阐述四足仿生机器入运动控制系统的设计与实现。

２．４．４控制系统通信方案设计

四足仿生机器人递阶分布式控制系统是一个复杂的系统，具有的功能模块 多，各模块问通过通信系统来实现数据的交换，因此通信模块是整个控制系统的 重要模块之一，合理的通信系统设计将提高控制系统的性能。

机器入常用通信方式有并行通信、Ｒｓ２３２通信、ＲＳ４８５通信、ＵＳＢ通信、

ｃＡＮ总线通信、无线通信等。并行通信中数据的各位同时传送，有多少位数据 就要多少条传送线，数据传输的速率高，但占用的硬件资源多，当传输的数据位 数多且通信距离长时该缺点更加突出。ＲＳ２３２通信、ＲＳ４８５通信、ＵＳＢ通信和 ＣＡＮ总线通信都属于串行通信，串行通信中数据逐位顺序传送，速率比并行通 信要慢，其突出优点是所需要的传输线少，接口电路简单，同时其速率能满足机 器人的通信要求，目前应用最多。ＲＳ２３２通信是一种很成熟的通信方式，在ＰＣ 机、ＤＳＰ、单片机上具有很多应用实例，它是点对点的通信方式，通信距离一般 不大于１５ｍ，传输速率最大为２０Ｋｂｉｌ／ｓ。ＵＳＢ是近些年流行起来的通用串行总线，

支持热插拔，通信速率ＵＳＢｌ．１达１２Ｍｂｉｔ／ｓ，ＵＳＢ２．０达４８０Ｍｂｉｔ／ｓ。ＲＳ４８５是一 种多发送器的电路标准，允许一个发送器驱动多个负载设备，最大传输距离可达 １５ｋｍ，最大通信速率１０Ｍｂｉｔ／ｓ。ＣＡＮ总线是唯一具有国际标准的现场总线，有 可靠性高、实时性强、应用灵活和性价比高等优点，最大传输距离１０ｋｍ，最大 通信速率１Ｍｂｉｔ／ｓ，此时的传输距离为４０ｍ。无线通信最大的优点是两通信设备 可以相隔一定距离，常用于机器人的遥控操作和多机器人系统。

四足仿生机器人控制系统的导航、路径规划层与关节运动规划层之间交换的 数据主要是机器人运动的轨迹信息，对通信系统的要求是：①点对点通信；②通 信距离２０ｃｍ左右：③通信速率要求不高。根据上述对机器人常用通信方式的分 析，ＲＳ２３２通信可以满足要求，同时ＲＳ２３２接口电路容易在嵌入式ＰＣ机、ＤＳＰ、

单片机等机器人常用控制器中实现，具有的相关实例多，易于开发，因此本文选 择ＲＳ２３２通信作为导航、路径规划层与关节运动规划层之间的通信。

关节运动规划层与运动执行层之间交换的数据主要是关节的位置、速率等，

对通信系统的要求是：①多点通信；②通信距离３０ｃｍ左右；⑧实时通信。ＣＡＮ 总线通信可以满足这些要求，同时ＣＡＮ凭借其先进的技术和独特的设计，具有 可靠性高、实时性强、应用灵活和性价比高等众多优点，在机器人技术中应用越 来越多，被公认为最有前途的现场总线之一，ＣＡＮ接口电路在ＤＳＰ、单片机上 容易实现，相关技术资料也多，开发方便。因此本文选择ＣＡＮ总线作为关节运 动规划层与运动执行层之间的通信，如图２．１２所示。

图２．１２运动控制系统ＣＡＮ总线通信网络框图

２．４．５机器人电源、系统抗干扰设计

本次研究的四足仿生机器人试验样机重点开展其运动控制系统研究，试验样 机上暂不考虑安装电池，采用外部开关电源拖缆供电。为了提高运动控制系统的 抗干扰能力，在具体硬件设计中采取了抗干扰措施，如在强、弱电之间采用隔离 器件，电路板采用大面积的地网，信号线采用屏蔽线等，同时对电路也采取了一 定的抗震措施。

第三章关节运动规划控制器硬件设计

关节运动规划控制器通过实时解算仿生ＣＰＧ算法，得到可供各个关节执行 的位置、速率等信息，实现机器人多关节的协调运动。关节运动规划控制器的处 理器采用ＤＳＰ，选择ＤＳＰ小系统板，设计了与ＤＳＰ小系统板配套的扩展板、基 于ＤＳＰ的ＣＡＮ总线通信和串口通信电路。

３．１关节运动规划控制器设计方案

３．１．１控制系统对关节运动规划控制器的要求

关节运动规划控制器的功能是实时解算仿生ＣＰＧ算法，得到可供各个关节 执行的位置、速率等信息，将信息通过ＣＡＮ总线发送到各个关节，同时接收各 关节反馈的转角值，足底开关量等信息。概括而言，关节运动规划控制器执行计 算和通信两大任务，功能较单一，硬件设计上主要考虑其运算能力和通信接口。

仿生ＣＰＧ算法由一阶非线性微分方程组表示，根据该微分方程组的特点，

采用四阶龙格一库塔（Ｒｕｎｇｅ．Ｋｕｔｔａ）法求解１４３１，通过迭代运算对微分方程组积 分。计算过程除加（减）运算外还有大量乘法运算，要实现该微分方程组的实时 求解，对控制器的性能要求较高。

关节运动规划控制器处于四足仿生机器人控制系统的中间层，是控制系统信 息传输的纽带。根据控制系统总体方案的设计要求，关节运动规划控制器与上层 采用串口通信（预留接口），与下层采用ＣＡＮ总线通信。

综合上述分析，控制系统对关节运动规划控制器的设计有以下要求：

１．仿生ＣＰＧ算法的实时求解；

２．具备ＲＳ２３２和ＣＡＮ总线通信接口；

３．具有一定的数字、模拟接口，便于功能模块的增加。

３．１．２关节运动规划控制器的设计

目前常用的机器人控制器有Ｐｃ机、ＰＣＩ０４、ＤＳＰ、单片机等。Ｐｃ机的计算 能力强，用户界面友好，但受体积和重量的限制，一般不适合用于移动机器人。

普通单片机的乘法计算能力不足，不适合复杂算法的实时求解。ＰＣＩ０４是体积很 小的通用计算机，常用于嵌入式控制系统，具有计算能力强、接口丰富、可靠性

高等优点，其缺点是价格很高。ＤＳＰ（也称数字信号处理器）是一种具有特殊结 构的微处理器，其内部采用程序和数据分离的哈佛结构，具有专门的硬件乘法器，

广泛采用流水线操作，提供特殊的ＤＳＰ指令，可以用来快速地实现各种数字信 号的处理算法。根据数字信号处理的要求，ＤＳＰ一般具有如下主要特点［４４１：

１．在一个指令周期内可完成一次乘法和一次加法。

２．程序和数据空间分开，可以同时访问指令和数据。

３．具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持。

４．快速的中断处理和硬件∞接口支持。

５．具有在单周期内操作的多个硬件地址产生器。

６．可以并行执行多个操作。

７．支持流水线操作，取指、译码和执行等操作可以重叠执行。

同时ＤＳＰ也具备常用的外设接口。功能上ＰＣＩ０４和ＤＳＰ都能满足关节运动 规划控制器的要求，但ＤＳＰ与ＰＣＩ０４相比还具有如下特点；

１．价格便宜。一般ＤＳＰ芯片的价格是几十～几百元，而ＰＣＩ０４一般在几千～

几万元。

２．灵活性大。根据需要设计电路，做到既能满足当前需要又易于功能模块 的扩展。

３．易于实现ＣＡＮ总线通信。一些型号的ＤＳＰ内置ＣＡＮ控制器，只需外接

ＣＡＮ收发器便可构成ＣＡＮ总线通信节点；而ＰＣＩ０４需要通过外接ＣＡＮ接口卡

来实现ＣＡＮ总线的通信，目前ＣＡＮ接口卡价格较高，一般在数百至上千元。

４．操作系统。ＤＳＰ可在没有操作系统的情况下通过简单的编程来实现系统 功能，ＰＣＩ０４一般需安装操作系统。

５．体积小、重量轻、功耗低。

总之，ＤＳＰ独特的结构非常适合数字信号的处理，与ＰＣＩ０４相比具有价格 便宜、灵活性大、易于实现ＣＡＮ总线通信、功耗低等优点，本文最终选择ＤＳＰ 作为关节运动规划控制器。

世界上生产ＤＳＰ的公司很多，如美国德州仪器公司（Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，简 ｐ称ＴＩ）、美国模拟器件公司（ＡｎａｌｏｇＤｅｖｉｃｅｓ，简称ＡＤ）、摩托罗拉公司（Ｍｏｔｏｒｏｌａ）

等，目前使用最多的通用型ＤＳＰ是１ｒＩ公司生产的系列产品。１１公司的ＤＳＰ产 品具有如下特点１４５１：

≯高效的算术引擎；

≯集成功率电子外设；

≯高效、灵活、可升级的平台；

≯极高的可靠性；减少产品的上市时间；

＞性价比极高的系统方案；

＞针对各个市场的多个系列产品。

１１公司生产的ＤＳＰ可大致归纳为以下三大系列［４６１：

≯ＴＭ￥３２０Ｃ２０００系列：包括ＴＭＳ３２０Ｃ２ｘｘ／Ｃ２４ｘ／Ｃ２８ｘ等。

》ＴＭ￥３２０Ｃ５０００系列：包括ＴＭＳ３２０Ｃ５４飙，ｃ５５ｘ／ｏＭＡＰ等。

＞ＴＭＳ３２０Ｃ６０００系列：包括ＴＭＳ３２０Ｃ６２ｘ／Ｃ６７ｘ／Ｃ６４ｘ等。

ＴＭＳ３２０Ｃ２０００系列是定点ＤＳＰ芯片，主要面向自动控制领域，目前主推的 型号是ＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘ和ＴＭＳ３２０Ｃ２８ｘ。ＴＭＳ３２０Ｃ２４ｘ以ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７应用最 多，它内部集成了ＰＷＭ、捕获、ＡＤＣ等工业控制所需的资源，采用３．３Ｖ供电。

ＴＭＳ３２０Ｃ２８ｘ是最近几年推出的高性能芯片，ＣＰＵ为３２位的，运算速度达 １５０ＭＩＰＳ，片内同样集成了许多资源，可以单片实现大部分应用系统。

ＴＭＳ３２０Ｃ５０００系列也是定点ＤＳＰ芯片，主要面向通信、信息技术领域，目前主 推的型号有ＴＭＳ３２０Ｃ５４ｘ、ＴＭＳ３２０Ｃ５５ｘ和ＯＭＡＰ。ＴＭＳ３２０Ｃ６０００系列是目前

ＴＩ ＤＳＰ最先进的产品，具有最高的性能，便于高级语言编程，特别适用于高性 能的处理场合，如图像和视频处理等。

根据上节控制系统对控制器的要求，结合１ｒＩ三大系列ＤＳＰ的特点，最终我 们选择ＴＭＳ３２０Ｃ２０００系列中的ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ作为关节运动规划控制器的处 理器。

３．２ＤＳＰ系统设计

３．２．１

ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的特点

ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ是１ｒＩ公司１９９９年推出的高度集成化ＤＳＰ芯片，运算速度 达４０ＭＩＰＳ，具备丰富的外围接口，是一款功耗低、性能价格比高的数字信号处 理芯片。具有如下特点［４７１１４８１：

＞响应速度快、实时性强。时钟频率最高达４０ＭＨｚ，最短指令周期为２５ｎｓ。

＞内置、外扩丰富的存储器。片内具有高达３２Ｋ字的ＦＬＡＳＨ程序存储器、

１．５Ｋ字的数据，程序ＲＡＭ、５４４字双口ＲＡＭ（ＤＡＲＡＭ）和２Ｋ字的单口ＲＡＭ

（ＳＡＲＡＭ），可扩展１９２Ｋ字的外部存储器：６４Ｋ字程序存储器空间、６４Ｋ字数 据存储器空间和６４Ｋ字Ｉ／Ｏ寻址空间。

≯丰富的Ｉ／Ｏ接口。高达４０个可单独编程或复用的通用输入／输出引脚。

≯两个事件管理器模块ＥＶＡ和ＥＶＢ，每个包括２个１６位通用定时器、３

个比较单元、３个捕获单元和２个正交编码脉冲电路ＱＥＰ。

》５个外部中断，分别是２个电机驱动保护中断、１个复位、２个可屏蔽 中断。

》ｌＯ位Ａ／Ｄ转换器，最小转换时间为５００ｎｓ。

≯ＣＡＮ２．０Ｂ模块。

＞串行通信接口（ＳＣＩ）模块。

》１６位的串行外设（ＳＰＩ）模块。

≯看门狗定时器（ｗＤＴ）模块。

》基于锁相环的时钟发生器。

＞采用高性能静态ＣＭＯＳ技术，供电电压降为３．３Ｖ。

》电源管理包括３种低功耗模式，每个外设都能独立地进入低功耗模式。

＞实时仿真ＪＴＡＧ接口。

＞丰富的开发工具。

３．２．２

ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ小系统板设计

根据运动控制系统对关节运动规划控制器的设计要求，ＤＳＰ小系统板应包含 电源电路、晶振和复位电路、ＲＳ２３２和ＣＡＮ总线通信电路、数字／模拟量接口电 路、仿真及程序下载接口。根据这些要求，考虑到自行设计ＤＳＰ系统板的开发 周期较长、可靠性难以保证，同时目前市面上有许多可供选择的ＤＳＰ小系统板，

最终我们选择了长沙三知公司生产的１ＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ小系统板Ｓｚ．２４０７Ｅ（如 图３．１所示）。

ＳＺ－２４０７Ｅ的板上资源包括：

１．组成ＤＳＰ最小系统所需的电源电路、复位电路；

２．外扩２５６Ｋ的存储器ＩＤＴＴＩＶ４１６；

３．通过ＣＰＬＤ芯片ＥＰＭ７１２８ＡＥＴＱＦＰｌ００扩展Ｉ／Ｏ口；

４．ＤＳＰ－ＪＴＡＧ口和ＣＰＬＤ下载口；

５．５Ｖ与３．３Ｖ电源转换电路；

６．输出引脚包括ＤＳＰ的片上资源和经ＣＰＬＤ扩展的Ｉ，０口；

７．状态指示灯。

图３・１ ＳＺ－２４０７Ｅ板照片

ＥＰＭ７１２８ＡＥ是ＡＩＴＥＲＡ公司生产的ＣＰＬＤ（复杂可编程逻辑器件）ＭＡｘ７０００ 系列中的型号之一，具有如下特点【４９１：以第二代多阵列矩阵结构为基础的高性能

３．３ＶＥＥＰＲＯＭ可编程逻辑器件；通过ＪＴＡＧ接口实现３．３Ｖ在系统编程；具有８

个逻辑阵列模块，１２８个逻辑宏模块，２５００个逻辑门，１００个∞口；引脚到引

脚的逻辑延时为４．５ｎｓ，计数频率达１９２．３ＭＨｚ；支持热插拔；可编程的功率节省 模式，每个宏单元的功耗可降低５０％或更低；可编程寄存器具有单独的清除、

置位和时钟使能控制；可配置的扩展乘积项分配，每个宏单元可扩展３２个乘积 项；可编程的安全位设计。这些特点为开发关节运动规划控制器提供了方便。

３．２．３

ＤＳＰ扩展板设计

由于Ｓｚ．２４０７Ｅ没有扩展ＣＡＮ和串行通信接口，本文制作了一块与ＳＺ．２４０７Ｅ 配套的接口扩展板（如图３－２所示），包括输入电源接口电路、ＲＳ２３２接口电路、

ＣＡＮ总线通信接口电路、用于与ＳＺ－２４０７Ｅ板连接的两排双排８０针插座、各类 Ｉ／Ｏ口线的归类引出插座或插针。关节运动规划控制器扩展板与ＤＳＰ小系统板的 连接如图３．３所示。中间是ＳＺ．２４０７Ｅ ＤＳＰ板，四周是扩展口，左侧下半部分是 电源接口，扩展了六个５Ｖ电源引出口，左侧上半部分是ＲＳ２３２通信接口；右侧

为ＣＡＮ总线通信接口，共扩展了１６路接口；上侧从左到右依次是其它（ＣＬＫＯｕＴ，