一種蛇形機(jī)器人閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計

一種蛇形機(jī)器人閉環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計
徐 敏1???? 鄒 瑩2
（1 廈門理工學(xué)院電子與電氣工程系? 廈門 361024）
（2北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所 北京 100191）

摘? 要：針對SolidSnake2蛇形機(jī)器人開環(huán)控制結(jié)構(gòu)，運(yùn)動和控制精度不能得到有效保證等問題，提出了一種對底層數(shù)據(jù)采樣的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，分別從蛇形機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路硬件結(jié)構(gòu)、舵機(jī)控制與反饋信號的采集、單點對多點的廣播式多機(jī)通信等方面進(jìn)行分析與設(shè)計，經(jīng)過硬件平臺的搭建和軟件程序的實現(xiàn)，驗證了這種閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)的可行性，實現(xiàn)了SS-2的閉環(huán)控制及局部自主控制，提高了運(yùn)動和控制精度，這對多機(jī)協(xié)調(diào)的控制應(yīng)用也具有一定指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：閉環(huán)控制；通信協(xié)議；單片機(jī)；蛇形機(jī)器人
中圖分類號：TP242　　　文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

1. 引言
基于仿生學(xué)理論的先進(jìn)機(jī)器人技術(shù)在非結(jié)構(gòu)環(huán)境以及極限環(huán)境下的應(yīng)用已成為智能機(jī)器人技術(shù)研究和發(fā)展的重點之一。國內(nèi)外專家對自然界蛇的結(jié)構(gòu)和運(yùn)動進(jìn)行了長時間的觀察和研究，發(fā)現(xiàn)蛇類的冗余度結(jié)構(gòu)有著獨特的靈活性，基于這種結(jié)構(gòu)的蛇類的各種無肢運(yùn)動形式表現(xiàn)出了相當(dāng)?shù)牡匦芜m應(yīng)性，具有反饋、感知和自主能力的蛇形機(jī)器人，為代替人類很多危險而且復(fù)雜的工作提供了新的思路和方法，而同樣環(huán)境下的車型機(jī)器人則可能被卡死或者絆倒；另外，具有傳感裝置緊貼地面的運(yùn)動令蛇形機(jī)器人具有優(yōu)于其他類型戰(zhàn)場機(jī)器人的隱身性能，使得蛇形機(jī)器人的戰(zhàn)場生存能力大為提高，如果配上多種傳感器，蛇形機(jī)器人將可以很出色的執(zhí)行隱蔽的戰(zhàn)場偵察任務(wù)[1]。
由于蛇形機(jī)器人有其獨特的的優(yōu)勢和作用，世界各國都抓緊開展蛇形機(jī)器人方面的研究，并取得了很多突出的成果。國內(nèi)如國防科技大學(xué)、北京航空航天大學(xué)、中科院沈陽自動化研究所等也開展了蛇形機(jī)器人的研究, 在控制方式上有采用集中式控制和分布式控制的，但在運(yùn)動控制和局部自主方面仍有待提高[2]?；谶@種情況，閉環(huán)控制的研究對于實現(xiàn)蛇形機(jī)器人運(yùn)動控制和局部自主就顯得格外重要。如圖1所示，由北京航空航天大學(xué)機(jī)器人研究所開發(fā)的SolidSnake系列蛇形機(jī)器人，其第二代SS-2蛇形機(jī)器人具有三維的運(yùn)動結(jié)構(gòu)，從動輪運(yùn)動，典型機(jī)具有8單元體16關(guān)節(jié)靈活運(yùn)動，驅(qū)動部件為舵機(jī)，使用主從分布式開環(huán)控制，廣播式多機(jī)通信結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)蜿蜒游動，蠕動的前進(jìn)、后退、側(cè)滾、轉(zhuǎn)彎、抬頭等等動作，但由于其仍使用開環(huán)控制，運(yùn)動控制不具有反饋，大多數(shù)控制數(shù)據(jù)依賴于上下位機(jī)單向通信方式，因此在實際使用中復(fù)雜地形環(huán)境下難以保證運(yùn)動的精度。針對這個問題，本文將在該平臺的閉環(huán)控制與反饋通信上進(jìn)行一些探索，以實現(xiàn)其閉環(huán)控制和局部自主控制，提高運(yùn)動和控制精度。

2. 蛇形機(jī)器人的控制結(jié)構(gòu)
蛇形機(jī)器人不同于其他類型機(jī)器人的最大特點就是具有多個關(guān)節(jié)和多個連接的復(fù)雜運(yùn)動，因此它在針對多個關(guān)節(jié)的協(xié)調(diào)控制上是一個難點。SS-2蛇形機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)，以及對它的驅(qū)動部件──舵機(jī)的控制。
2.1 蛇形機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)