基于復(fù)雜可編程邏輯器件和MCU實現(xiàn)機器人小腦網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)

1 引言

隨著機器人各相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，機器人本體功能越來越趨于模塊化，機器人的核心控制部分已經(jīng)逐漸從機器人本體中分離出來。以我們自行設(shè)計、開發(fā)的“TUT03-A型醫(yī)療服務(wù)機器人”為代表的基于遠(yuǎn)程腦概念［1，2］的機器人，將大腦脫離機器人本體，大腦置于母環(huán)境中，并用無線通訊與本體進行交互。而服務(wù)機器人本體中的小腦具體實現(xiàn)接收機器人大腦發(fā)出的各種命令，控制機器人各個執(zhí)行和感知機構(gòu)，進而實現(xiàn)機器人本體各個功能模塊之間相互協(xié)調(diào)配合的功能?！癟UT03-A型醫(yī)療服務(wù)機器人” 的小腦主要由CPLD（Complex Programmable Logic Device，復(fù)雜可編程邏輯器件）和多個MCU（Micro Control Unit， 微控制器或單片機）組成。

2機器人小腦的實現(xiàn)

2.1小腦總體結(jié)構(gòu)

服務(wù)機器人本體主要由傳感器感知模塊、機械手執(zhí)行模塊、本體運動控制模塊、語音發(fā)聲模塊和其它控制模塊等構(gòu)成。機器人小腦的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。各個模塊都是由單片機作為主要控制器件，而CPLD在機器人小腦中起到網(wǎng)絡(luò)中樞的作用。CPLD通過規(guī)定的通訊協(xié)議，將無線通訊接收到的大腦命令輸送給相應(yīng)的模塊，將各個模塊接收到命令的反饋信息通過無線通訊傳輸給大腦，將各個功能模塊之間的數(shù)據(jù)進行交互。由于CPLD具有速度快、集成度高、I/O口資源豐富等優(yōu)點，將其應(yīng)用在服務(wù)機器人小腦的網(wǎng)絡(luò)中，大大提高小腦的運行速度，并對提高機器人小腦的可擴展性具有重要的意義。

2.2 小腦中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的硬件實現(xiàn)

服務(wù)機器人中的小腦是由單片機與CPLD組合成的一個硬件網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在服務(wù)機器人的小腦中，網(wǎng)絡(luò)中樞采用ALTERA公司的EPM7128S8415型CPLD。根據(jù)規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，CPLD可以通過無線通訊模塊接收機器人大腦發(fā)出的命令，根據(jù)同步碼判斷是否為機器人大腦發(fā)送的命令：如果接收到的同步碼為D7H，CPLD中的接收門控單元導(dǎo)通，根據(jù)接收到的地址碼與預(yù)先設(shè)置的地址碼進行比較，選通相應(yīng)功能模塊的數(shù)據(jù)通道，將數(shù)據(jù)暫存到FIFO中，同時發(fā)出該地址模塊的中斷信號，將后面的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的地址終端。各功能模塊的單片機在接收到中斷信號后，進入串行通訊中斷子程序，將FIFO中的數(shù)據(jù)讀出；機器人小腦中的功能模塊需要向大腦傳送數(shù)據(jù)時，CPLD根據(jù)接收到請求信號的先后，給各功能模塊發(fā)送允許信號，得到允許的功能模塊將向CPLD發(fā)送數(shù)據(jù)，CPLD根據(jù)各個功能模塊發(fā)出的地址碼，選通單元導(dǎo)通，根據(jù)接收到的地址碼與預(yù)先設(shè)置的地址碼進行比較，選通相應(yīng)功能模塊的數(shù)據(jù)通道，將數(shù)據(jù)暫存到FIFO中，同時發(fā)出該地址模塊的中斷信號，將后面的數(shù)據(jù)傳送到相應(yīng)的地址終端。各功能模塊的單片機在接收到中斷信號后，進入串行通訊中斷子程序［7］，將FIFO中的數(shù)據(jù)讀出。CPLD的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

服務(wù)機器人小腦中，各個功能模塊的主控單片機的RXD、TXD和INT0端分別與CPLD相連，無線通訊模塊的RXD和TXD端與CPLD相連。具體的連接示意圖如圖3所示。

2.3小腦中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的確定

在服務(wù)機器人大腦和小腦以及小腦內(nèi)部各個模塊的通訊中，為確保通訊順暢，預(yù)先規(guī)定了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。協(xié)議包括同步碼、地址碼、信息碼、數(shù)據(jù)和結(jié)束碼五個部分。具體格式如圖4所示。同步碼是傳輸數(shù)據(jù)的開始，由于無線通訊模塊在數(shù)據(jù)傳送中加入的同步碼為D7，所以在大腦與小腦網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的同步碼為D7H。地址碼表示網(wǎng)絡(luò)中各個通訊終端的地址，在一個字節(jié)的地址碼中，將高四位定義為機器人大腦的地址，低四位定義為小腦中各個模塊的地址，即在服務(wù)機器人網(wǎng)絡(luò)地址碼中，1FH代表機器人的大腦，F(xiàn)1H代表機器人小腦中的本體運動控制模塊，詳細(xì)的地址分配見表1。信息碼代表將要傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)字節(jié)數(shù)。數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中按字節(jié)方式傳送，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議中的結(jié)束碼為90H。

3幾個相關(guān)的問題

3.1大腦與小腦的連接

基于指標(biāo)的要求與工作環(huán)境，在服務(wù)機器人的大腦與小腦的連接中，選擇 “SA68D11”型無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。無線傳輸模塊主要完成遠(yuǎn)程大腦和機器人小腦之間的信息傳輸。實現(xiàn)任務(wù)的下達和執(zhí)行的反饋。

遠(yuǎn)程大腦處理操作者所發(fā)出的命令并將其編碼后，通過計算機RS232串口與無線傳輸模塊連接發(fā)送到小腦，小腦接收數(shù)據(jù)經(jīng)解碼后加以執(zhí)行。

3.2系統(tǒng)的可靠性與抗干擾措施

考慮到大腦與小腦通訊可靠性的要求，在無線通訊協(xié)議中除加入同步碼外，還通過信息碼和結(jié)束碼判斷通訊數(shù)據(jù)的正確性。對小腦的各個終端控制模塊進行統(tǒng)一編址，并在接收到同步信號后反饋相應(yīng)的允許發(fā)送信號，完成大腦與小腦、小腦中各個終端模塊的握手過程，大大提高了系統(tǒng)通訊的抗干擾性。

在機器人本體和小腦硬件設(shè)計中，充分考慮到傳感器與單片機、單片機與執(zhí)行機構(gòu)的電源干擾問題，將控制部分的電源與執(zhí)行機構(gòu)的電源隔離。在傳感器與小腦的連接中，加入了單穩(wěn)態(tài)、光電隔離等抗干擾電路，將控制模塊與執(zhí)行模塊分離等。上述手段和技術(shù)大大提高了硬件系統(tǒng)的可靠性。

4 結(jié)論

本文在介紹基于遠(yuǎn)程腦概念的醫(yī)療服務(wù)機器人小腦結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，闡述了小腦在系統(tǒng)中的地位和作用，具體分析了小腦的總體結(jié)構(gòu)、小腦中網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的硬件實現(xiàn)、小腦中網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的確定，以及其他相關(guān)問題。實際開發(fā)實踐和應(yīng)用結(jié)果表明，基于CPLD和多單片機實現(xiàn)機器人小腦功能的解決方案，大大縮短了服務(wù)機器人的開發(fā)周期、提高了開發(fā)平臺的靈活性、安全性與可靠性。

責(zé)任編輯：gt