仿人机器人的分布式控制系统设计

    杨斌，苏创波

上海交通大学自动化系，上海200240)

摘    要：针对仿人机器人系统自由度多，实时性与可靠性要求高的特点，设计了基于

CAN总线的具有windows与RT-Linux系统的双主机的主控层结构的分布式控制系统，整个控制系统采用集中管理分散控制的方式，按照控制系统的结构和功能划分为主控层、通信层、协调执行层3层。CAN总线与一般通信总线相比，它的数据通信具有较强的实时性，并且CAN总线连线简单，降低了系统连线的复杂程度，增强了系统的可靠性：其中基于Windows的控制系统负责仿人机器人关节电机的调试以及传感数据的显示；基于RT-Linux的系统实现机器人的实时运动控制一实验表明提出的分布式控制系统操作简便、安全可靠、实时性强，能充分满足仿人机器人系统调试与运动控制的要求

关键词：仿人机器人；分布式控制；双主机；买时性

中图分类号：TP 27    文献标识码：A

Distributed Control System Design for Humanoid Robots

    YANGBin．SU  Jian-bo

    (Automalion Department，Shanghai Jiao Tong University，Shan曲ai 200240，China)

Abstract：A humanoid robot contr01 system with distnbuted modularization is presented based on CAN bus a nd double PC control archi-tecture，tomeetthe requirements ofmuhi-degree-offreedom．real-time a nd stability pelrformanee Based onthe principle of centralizedmanagement a nd decentralized control，the control system is divided into three layers：main control layer，communication layer a nd actuating layer．CAN bus is a kind of field bus with better real-time performanee a nd stronger reliability．The main control layer system is based on Windows OS，responsible for testing a nd display of the sensor data received The other one is under RT-Linux 0S，aiming at realizing hulnanoid robot real tilne motion control Experilnental results show that the presented control s3 stem has good perfommnce of convenient operation，stability a nd real-time，meeting the requiremenls of humanoid robot testing a nd motion control

Key words：humanoid robot：distributed control：double PC：reaI-time

1引  言

    近年来，仿人机器人已成为机器人领域研究的热点。仿人机器人具有其他类型机器人无法比拟的优势，便于融人人类日常生活和工作环境中，协助人类完成具体的任务^[1]。然而仿人机器人作为一个复杂的多自由度系统，需要有效利用自身多传感信息来感知外界环境及自身状态变化，并对其运动执行机构进行调整，因此要求其控制系统需要有很高的可靠性和实时性。

    本文针对仿人机器人的特点，从系统可靠性，稳定性，实时性以及整体性能的优化等多方面出发，设计了基于CAN总线协议的系统总线以及Windows和RT-Linux双系统的仿人机器人主控层结构的分布式控制系统。本文所设计的系统在MIH-I(Mini Intelligent Humanoid robot-I)仿人机器人平台上进行了实验，结果表明，该设计方案系统调试方便，可很好地控制仿人机器人的各驱动电机协调工作，保证仿人机器人运动的稳定性和实时性。

2基于CAN总线的分布式控制系统

    以往采用的集中式控制系统，控制功能高度集中，具有较快的数据传输速度和精度，但局部的故障就可能造成系统的整体失效。相对于传统的集中式的控制系统，分布式控制系统具有高可靠性，易于维护，开放性和灵活性等特点，更能满足仿人机器人运动控制的要求。因此，韩国的KHR-^[2]。美国的Guroo^[3]等先进系统都是采用了基于CAN(Controller Area Network)总线的分布式的体系结构，该结构可以简化机器人控制系统的布线，提高了系统的可扩展性。CAN总线在工业领域中得到广泛应用，具有成本低、可靠性高、结构简单和开

放性好等特点，适于仿人机器人的控制系统^[4]。

    早先的机器人控制系统的设计中，较多使用的是windows，DOS等分时操作系统。这种操作系统追求系统整体平均性能的优化，操作界面友好，系统成熟，便于开发调试，但却无法保证特定的任务在限定的时间内得到响应，也即不能满足高实时性的要求，