基于CAN总线的仿人机器人力信息检测系统

　　在国家863计划支持下，国防科技大学机器人实验室于2003年研制出一台新型仿人机器人；同时与合肥智能机械研究所合作，在该机器人脚掌上安装了可检测地面反力信息的集成五维力/力矩传感器。本文通过对仿人机器人运动控制系统结构和传感器电路结构的分析，提出了一种基于CAN总线的力信息检测系统；通过实验表明，该力信息检测系统能够满足力信息采集的基本要求，为其他外部环境信息的采集建立了一定基础。

　　仿人机器人控制结构分析与外部传感信息采集结构

　　将仿人机器人控制系统的大开环变成大闭环对控制系统的上位计算机处理能力、上下位机与传感器信息之间的传输通道结构以及传感器信息采集与处理提出了挑战。它要求上位计算机具备实时多任务处理能力，控制系统具有便于扩展的多传感器信息采集与处理通道。增加外部信息传感器是控制结构改进的最基本条件。

　　增加外部信息传感器，首先要在现有控制系统硬件结构的基础上，扩展外部信息采集与处理模块，形成开放的分层信息采集与处理结构。结构的底层节点由多个传感器信息采集和预处理模块(包括解耦和滤波等)构成，得到的处理信息通过合适的物理通道传送到决策层计算机，形成一个从环境信息到机器人动作序列产生的过程。

　　选择实时性强且易于扩展的物理通道，可以增强控制系统的外部传感扩展能力。在仿人机器人运动控制系统中，上下位机之间通过PC/104总线和RS232串行总线交换信息。当系统需要扩展外部传感器时，由于PC/104总线的有限驱动能力，通过PC/104总线只能扩展相当有限的外部信息传感器且扩展不便(涉及到地址的重新分配等问题)；RS232串行总线不能满足高速实时信息传输与处理要求，因此考虑采用现场总线方式，如CAN总线，作为外部信息传输通道，同时设计其与上位机的通信接口。理想信息采集结构如图1所示。

　　
　　图1　理想的信息采集网络

　　图1所示的信息采集结构，具有较强的易扩展性和较高容错性能。每一个外部信息传感器都可以独立设计；在整个信息采集结构中，每个模块都是对等的，之间可以点对点通信；上位机可对各个传感器信息处理模块的广播，信息处理模块的增减不会对整个信息传输通道产生影响，有利于传感器及其处理模块的扩展和维护。另外，从底层通信协议角度而言，这种采集结构亦具有较高容错性能。

　　力/力矩传感器的电路结构及工作原理

　　五维力/力矩传感器的电路结构如图2所示。传感器基本采集处理原理：当传感器受到外力或外力矩作用时，弹性体产生形变，导致全桥桥路中的应变片阻值发生改变，改变桥路输出电压；桥路输出电压通过前置滤波与放大进入SoC，通过A/D变换得到的数字信号通过CAN总线或
RS232传输到上位机。

　　力/力矩传感器与控制系统的电路接口设计方法

　　接口电路的基本功能
　　仿人机器人底层控制器与上位机接口采用PC/104总线方式，力/力矩传感器信息传输采用CAN总线结构，因此需设计CAN总线与PC/104总线之间的接口，实现已有控制系统与传感器之间的通信及对力/力矩信息的预处理，如图3所示。

　　
　　图2　传感器电路原理

　　
　　图3　接口电路基本功能和结构

　　接口电路的硬件结构与基本设计原理
　　综合考虑接口电路对主处理器的要求，如对力/力矩信息的实时处理能力、外设扩展能力等，选用TMS320LF2407作为主处理器，通过对CAN总线和双端口RAM的读写控制，实现力信息的读取、预处理和上传。接口电路基本原理如图4所示。