Tekken是什么意思ken在线翻译读音例句

西北工业大学

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

ＡＢＳＴＲＡＣＴ

Ｍｏｖｉｎｇｆｌｅｘｉｂｌｅａｎｄ

ｈａｖｉｎｇｓｔｒｏｎｇａｄａｐｔｉｖｅ

ｍｏｖｅｍｅｎｔ

ａｂｉｌｉｔｙｔｏｔｈｅ

ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ

ｔｅｒｒａｉｎ，ｑｕａｄｒｕｐｅｄｒｏｂｏｔ

ｈａｓｗｉｄｅ

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

ｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｂｅｃａｕｓｅｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍ

ａｎｄｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅ

ｑｕａｄｒｕｐｅｄ

ｒｏｂｏｔａｒｃｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ，ａｎｄｒｅｌｅｖａｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓａｒｃ

ｉｍｍａｔｕｒｅ，ｔｈｅ

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

ｏｆｔｈｅ

ｑｕａｄｒｕｐｅｄ

ｒｏｂｏｔｓｔｉｌｌｗｉｔｈｉｎｔｈｅｌａｂｏｒａｔｏｒｙｌｉｍｉｔｓ．Ｔｈｅ

ｑｕａｄｒｕｐｅｄ

ｒｏｂｏｔ

ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｇｅｎｅｒａｌｌｙ

ｍｏｖｅｓ

ｓｌｏｗｌｙ，ｈａｓｐｏｏｒａｄａｐｔｉｖｅ

ｍｏｔｉｏｎ

ａｂｉｌｉｔｙ

ｔｏ自奠豫ｉｌｌａｎｄｈａｓ

ｐｏｏｒｌｏａｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅ

ｐｒｏｂｌｅｍｓｇｅｎｅｒａｌｌｙｅｘｉｓｔｉｎｇ

ｉｎｍｏｓｔ

ｑｕａｄｒｕｐｅｄ

ｒｏｂｏｔｓ；ｔｈｉｓｔｈｅｓｉｓ

ｅｍｐｈａｔｉｃａｌｌｙ

ｓｔｕｄｉｅｓｔｈｅｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆｔｈｅ

ｑｕａｄｒｕｐｅｄ

ｂｉｏｎｉｃ

ｒｏｂｏｔ．１１ｌｅｍａｉｎｃｏｎｔｅｎｔｉＳａｓｆｏ［１０ｗｓ＂

１．Ｂａｓｅｄｏｎｌｏｔｓｏｆ

ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ

ａｎｄ

ａｎａｌｙｓｉｓ

ｏｆｔｈｅ

ｑｕａｄｒｕｐｅｄ

ｒｏｂｏｔｓｂｏｔｈ

ｈｏｍｅａｎｄ

ａｂｒｏａｄ，ｔｈｅｏｖｅｒａｌｌ

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ｑｕａｄｒｕｐｅｄ

ｂｉｏｎｉｃｒｏｂｏｔｉｓ

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ｍａｍｍａｌｓ，ｔｙｐｉｃａｌｌｙ

ｐｈｙｓｉｏｌｏｇｉｃａｌ

ｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｄｏｇ，ａｎ

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｅ

ｏｆｔｈｅ

ｑｕａｄｒｕｐｅｄ

ｂｉｏｎｉｃｒｏｂｏｔｉｓ

ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ

ｔｏｔｈｅ

ｆｕｎｃｔｉｏｎ

ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ

ｏｆｑｕａｄｒｕｐｅｄｂｉｏｎｉｃｒｏｂｏｔｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ，ａｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌ

ａｎｄ

ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌ

ｓｙｓｔｅｍｓｔｒｕｃｔｕｒｅｉｓｇｉｖｅｎ．Ａｎｄ

ｔｈｅｓｃｈｅｍｅｏｆ

ｄａｔａｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

ｂａｓｅｄｏｎＣＡＮｂｕｓａｎｄｓｅｒｉａｌｉｓ

ｄｅｓｉｇｎｅｄａｃｃｏｒｄｉｎｇ

ｔｏｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｎｄ

ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ

ｏｆｔｈｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌ

ｓｙｓｔｅｍ．

２．ＢｉｏｎｉｃＣＰＧ（ＣｅｎｔｒａｌＰａｔｔｅｒｎＧｅｎｅｒａｔｏｒ）ａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｓｓｔｕｄｉｅｄ，ｗｈｉｃｈ

ｈｅｌｐ

ｔｏ

ｒｅａｌｉｚｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｄｍｏｔｉｏｎｆｕｒｍｕｌｔｉｐｌｅｊｏｉｎｔｓｏｆｔｈｅ

ｑｕａｄｒｕｐｅｄ

ｂｉｏｎｉｃｒｏｂｏｔ．Ｔｈｅ

ａｌｇｏｒｉｔｈｍｃａｎｂｅｓｏｌｖｅｄａｔａｌｌｉｇｈｓｐｅｅｄｂｙｄｅｓｉｇｎｉｎｇａｊｏｉｎｔｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｉｔｈ

ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌｓｉ鄹Ｉａｌ

Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）ａｓｉｔｓ

ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ．

３．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅ

ｓｉｎｇｌｅｊｏｉｎｔ’Ｓｍｏｔｉｏｎｏｆｔｈｅ

ｒｏｂｏｔ，ａｊｏｉｎｔｆｆ嘲＇ＶＯ

ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｗｈｉｃｈ

ｉｎｔｅｇｒａｔｅｓ

ｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌａｎｄ

ｄｒｉｖｉｎｇ

ｏｆｔｈｅＤＣｍｏｔｏｒｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａ

ｄｉｇｉｔａｌＳＣＴＶＯｃｏｎｔｒｏｌ

ｓｙｓｔｅｍ

ｉｓｃｏｎｓｔｒｕｃｔｅｄ，ｗｈｉｃｈｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆ

ｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐ

ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ

ＡＴ８９Ｓ５２，ｄｅｄｉｃａｔｅｄ

ｍｏｔｉｏｎ－ｃｏｎｔｒｏｌ

ｃｈｉｐＬＭ６２９，ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ

ａｎｄ

ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｐｏｗｅｒｏｕｔｐｕｔａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎ

ｃｉｒｃｕｉｔＬＭＤｌ８２４５

ａｎｄＩｎｃｒｅｍｅｎｔａｌ

Ｏｐｔｉｃａｌ

Ｅｎｃｏｄｅｒ．

４．Ｔｈｅｒｅａｌ－ｔｉｍｅ

ｓｏｆｔｗａｒｅ

ｏｆｔｈｅｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ

ｓｙｓｔｅｍｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈ

ｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆＣＰＧ

ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓｏｌｖｉｎｇ

ｍｏｄｕｌｅ，ＣＡＮ

ｂｕｓ

ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ

ｍｏｄｕｌｅ，Ｄａｔａ

Ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ

ｍｏｄｕｌｅａｎｄ

ｓｇｒｖｏ

ｃｏｎｔｒｏｌｍｏｄｕｌｅｅｔｅ．Ｆｏｒｔｈｅｓａｋｅｏｆ

ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ

ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．ｂｏｔｌｌ

ｔｉｍｅｒ

ｉｎｔｅｒｒｕｐｔ

ａｎｄｏｕｔｓｉｄｅ

ｉｎｔｅｒｒｕｐｔａｒｅｕｓｅｄ．

ＩＩ

’ｎ伦ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｒｅｓｕｌｔｓｉｎｄｉｃａｔｅｔｈａｔｔｈｅｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ

ｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｅｄ

ｉｎｔｈｉｓ

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ｒｅｌｉａｂｌｅ；ｔｈｅ

ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ

ｓｙｓｔｅｍ

ｒｅａｌ－ｔｉｍｅｃｏｎｔｒｏｌ

ｏｆｑｕａｄｒｕｐｅｄ

ｂｉｏｎｉｃｒｏｂｏｔｉｓ

ｒｅａｌｉｚｅｄ．Ⅱ圮ｒｅａｌ－ｔｉｍｅｃｏｎＵ＇ｏｌｔｏｔｈｅｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｔｈｅ

ｑｕａｄｒｕｐｅｄ

ｂｉｏｎｉｃｒｏｂｏｔｉＳ

ｒｅａｌｉｚｅｄ．ａｎｄｔｈｅｂｉｏｎｉｃｍｏｔｉｏｎ

ｇａｉｔ

ｉｓｇｅｎｅｒａｔｅｄ．ｎｅｍｏｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌ

ｓｙｓｔｅｍ

ｈａｓ

ｂａｓｉｃａｌｌｙ

ｒｅａｃｈｅｄｔｈｅ

ｄｅｓｉｇｎｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ．１１ｌｉｓ

ｐｌａｔｆｏｒｍ

ｈａｓ

ｃｅｒｔａｉｎｅｘｔｅｎｓｉｂｌｅ

ａｂｉｌｉｔｙ，ｉｔｃａｌｌｗｏｒｋａｓｂａｓｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｆｏｒｈｉｅｒａｒｃｈｉｃａｌａｎｄ

ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｃｏｎｔｒｏｌ

ｓｙｓｔｅｍ，

ａｎｄｉｔｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｓａｓｏｕｎｄｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｆｏｒｔｈｅｆｕｔｕｒｅ

ｓｔｕｄｙ

ｏｆｔｈｅ

ｑｕａｄｒｕｐｅｄ

ｂｉｏｎｉｃ

ｒｏｂｏｔ．

Ｋｅｙ－Ｗｏｒｄｓ：ＱｕａｄｒｕｐｅｄＲｏｂｏｔ，ＭｏｔｉｏｎＣｏｎｔｒｏｌ

Ｓｙｓｔｅｍ，ＣＡＮＢｕｓ，

ＣｅｎｔｒａｌＰａｔｔｅｒｎＧｅｎｅｒａｔｏｒ（ｃｐＧｌ

ＵＩ

西北工业大学业

学位论文知识产权声明书

本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期问论文工作

的知识产权单位属于西北工业大学。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复

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同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课题再撰写的文章一律注明作者单位为西北工业

大学。

保密论文待解密后适用本声明。

学位论文作者签名：ｌ二ｉＩ西咀

炒７年３月耀口

Ｉ

指导教师签名：呈堑监

，叼年乒月≯日

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

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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

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本人学位论文与资料若有不实，愿意承担一切相关的法律责任。

学位论文作者签名幽

堋年≥月留日

ｆ

西北工业大学硕士学静论文

第一章绪论

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

西北工业大学硕十学位论文第一章绪论

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

西北工业大学硕士学位论文第一章绪论

图１－１

ＬｉｔｔｌｅＤｏｇ

图１－２

ＢｉｇＤｏｇ

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－ＩＩｌｌ０１、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。

西北Ｔ业大学硕七学傍论文第一章绪论

（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。ＴＩＴＡＮＩＩＩ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ＴＩＴＡＮＩＩＩ的基础上于１９８５年开始研制的，腿长１．２ｍ，总

重１６０ｋｇ，行走速度达４０ｃｍ／ｓ，有３台ＴＩＴＡＮＩＶ在日本三菱重工业中使用，其

中一台在车载电池和计算机下能自主行走。ＴＩＴＡＮＶＩ是在１９９０～１９９４年为了让

机器人在平地上行走自如、爬越倾斜度达４０。的楼梯而研制的。机器人长１．５ｍ、

宽１ｍ、高１．５ｍ，总重１９０ｋｇ，用１２个１２０Ｗ的直流电机驱动。ＴＩＴＡＮＶＩＩ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

西北工业大学硕士学位论文第一章绪论

（ｂ）ＴＩＴＡＮＩＶ（ｃ）ＴＩＴＡＮＶＩ

（ｄ）ＴＩＴＡＮＶＩＩ（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

西北工业大学硕士学位论文第一章绪论

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３１０３１０３００ｒａｍ，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ＰｅｎｔｉｕｍＰＣ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

西北工业大学硕士学位论文

第一章绪论

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】

西北工业大学硕十学臂论文第一章绪论

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１－１１“４＋２”多足步行机器人图１．黄巢不丈夫什么典故 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：

西北工业大学硕士学位论文第一章绪论

１．行走速度慢。如ＴＩＴＡＮＩＶ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

西北工业大学硕士学俯论文第一章绪论

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。

１０

西北工业大学硕士学位论文第二章四足仿生机器人总体方案设计

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

关节分布如图２．１所示。样机尺寸为７０Ｘ３５４５ｃｍ（站立状态），机械本体重量

约为１０ｋｇ（含电机、减速机构），控制系统重量约为１．５ｋｇ。在该试验样机上开

展递阶分布式控制系统和仿生ＣＰＧ算法等研究内容。

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

西北工业大学硕＋学位论文第二章四足仿生机器人总体方案设计

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

西北工业大学硕士学位论文第二章四足仿生机器人总体方案设计

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２－２Ｋｉｍｕｒａ的ＣＰＧ振荡器模型

西北工业大学硕士学位论文第二章四足仿生机器人总体方案设计

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

Ｙ㈤』＝ｍａｘ（ｕ㈨，，０）’。公式（２－１）

ｆＶ∽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

西北工业大学硕士学位论文第二章四足仿生机器人总体方案设计

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。机适合告别的温柔文案 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。

西北工业大学硕士学位论文第二章四足仿生机器人总体方案设计

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

西北工业大学硕士学位论文第二章四足仿生机器人总体方案设计

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

西北工业大学硕士学位论文第二章四足仿生机器人总体方案设计

（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

西北工业大学硕士学位论文第二章四足仿生机器人总体方案设计

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、多十三经注疏 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

西北工业大学硕士学位论文

第二章四足仿生机器人总体方案设计

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；

西北工业大学硕七学位论文第二章四足仿生机器人总体方案设计

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。

西北工业大学硕士学位论文第二章四足仿生机器人总体方案设计

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、

西北工业大学硕士学位论文

第二章四足仿生机器人总体方案设计

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。

西北工业大学硕士学位论文第三章关节运动规划控制器硬件设计

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

西北工业大学硕士学位论文第三章关节运动规划控制器硬件设计

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（ＴｅｘａｓＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，简

ｐ称ＴＩ）、美国模拟器件公司（Ａｎａｌｏｇ

Ｄｅｖｉｃｅｓ，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；

西北工业大学硕士学位论文第三章关节运动规划控制器硬件设计

≯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

ＴＩＤＳＰ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

３．２．１ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ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

西北工业大学硕十学位论文第三章关节运动规划控制器硬件设计

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。

３．２．２ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ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。

西北工业大学硕士学位论文第三章关节运动规划控制器硬件设计

图３１ＳＺ－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。

３．２．３ＤＳＰ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．２４０７ＥＤＳＰ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，

西北工业大学硕士学位论文第三章关节运动规划控制器硬件设计

ＴＣＬＫＩＮ～ＴＣＬＫＩＮＢ／ＰＤＰＩＮＴＡ／ＰＤＰＩＮＴＢ／瓜Ｓ）引出口、ＳＰＩ接口、ＡＤＣ接口、

ＣＡＰ接口、ＣＰＬＤ引出的Ｉ／Ｏ口；下侧左半部分是４路数据总线引出口，右半部

分是３路地址总线引出口和ＰＷＭ接口。关节运动规划控制器丰富的接口为以后

系统的扩展提供了方便，如可外扩ＵＳＢ模块、数码管和液晶显示模块等。

图３－２扩展板实物照片

图３－３关节运动规划控制器扩展板与ＤＳＰ小系统板的连接

西北工业大学硕七学位论文第三章关节运动规划控制器硬件设计

３．３ＲＳ２３２通信接口设计

ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ具有串行通信接口（ＳＣＩ）模块，通过外接常用电平转换

芯片ＭＡＸ２３２１５０１来构成标准ＲＳ２３２串行通信接口（如图３－４所示）。由于

ＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ采用的是３．３Ｖ供电，而Ｍ√Ⅸ２３２是５Ｖ供电，因此在它们之间

要进行电平转换，通常有两种实现方法：①采用分压电路，②采用电压转换芯片，

如７４ＡＬⅣｃ１６４２４５等。采用分压电路的方法具有结构简单、容易实现、价格便宜

等优点，因此本文采用该方法来实现ＤＳＰ与ＭＡＸ２３２之间的电平转换。电容Ｃ９、

ＣＩＯ、Ｃｌｌ、Ｃ１２是ＭＡＸ２３２内部电压转换所需电容。采用的是ｌ／ＭＦ／２５ｒ的钽电

解电容，Ｃ１３为去耦电容，为提高通信系统的抗干扰能力，在安装时钽电容尽量

靠近ＭＡ）【２３２芯片。

图３－４ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ串口通信电路原理图

３．４ＣＡＮ总线通信接口设计

３。４．１ＣＡＮ总线通信概述

ＣＡＮ是控制器局域网（ＣｏｎｔｒｏｌＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）的简称【５“，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优点，在机器人

技术中应用越来越多。

ＣＡＮ总线最早由德国的ＢＯＳＣＨ公司为汽车的控制而设计的，随着时间的

推移，人们慢慢地认识到其特点，应用也向其它领域扩展，如过程控制、机器人、

机械工业、纺织工业、农用工业和医疗器械等。其主要特点如下１５２Ｊ：

１．标准化、规范化。ＣＡＮ符合国际标准ＩＳ０１１８９８。

２．通信方式灵活。ＣＡＮ为多主方式工作，网络上任一节点均可在任意时刻

西北１＝业大学硕士学位论文第三章关节运动规划控制器硬件设计

主动的向网络上其它节点发送信息，而不分主从，且无需站地址等节点信息。利

用这一特点可方便的构成多机备份系统。

３．实时性强。ＣＡＮ网络上的节点信息分成不同的优先级，高优先级的数据

在１３４微秒内可得到传输。

４．独特的总线仲裁技术。ＣＡＮ采用非破坏性的总线仲裁技术，当多个节点

同时向总线发送信息时，优先级较低的节点会主动退出发送，而高优先级的节点

可不受影响的继续传输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间，尤其是在网络

负载很重的情况下也不会出现网络瘫痪。

５．简单地实现多种方式收发数据。ＣＡＮ只需通过报文滤波便可以实现点对

点、一点对多点及全局广播等多种方式收发数据，无需专门的“调度”。

６．通信距离长、速率高。ＣＡＮ的直接通信距离最远可达１０ｋｍ（速率在５ｋｂｐｓ

以下）；通信速率最高可达１

Ｍｂｐｓ（此时的通信距离最长为４０ｍ）。

７．节点及报文标识符数目多。ＣＡＮ上的节点数主要取决于总线驱动电路，

目前可达到１１０个；报文标识符可达到２０３２种（ＣＡＮ２．０Ａ），而扩展标准（ＣＡＮ２．０Ｂ）

的报文标识符几乎不受限制。

８．短帧结构。ＣＡＮ总线通信格式采用短帧格式，一次传送的字节为８个

（ＣＡＮ２．０Ａ），而扩展标准（ＣＡＮ２，０Ｂ）传送的字节数为６４个，这样传输时间短，

受干扰概率低，具有良好的检错效果。

９．通信可靠。ＣＡＮ的每帧信息都有ＣＲＣ校验及其它检错措施，通信更加

可靠。

ｌＯ．通信介质类型多。ＣＡＮ的通信介质可以为双绞线、同轴电缆或光纤，可

根据实际需要灵活地选择。

１１．节点自关闭功能。ｃＡＮ节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出的功

能，以使总线上其它节点的操作不受影响。

ＣＡＮ属于串行通信，信号采用差分电压传送，两条信号线被定义为“ＣＡＮＨ”

和“ＣＡＮＬ”。ＣＡＮ总线上的信号共有两种状态：逻辑“Ｏ”和逻辑“１”，逻辑

“０”也称“显性”，指ＣＡＮＨ上的电平高于ＣＡＮＬ的电平。此时ＣＡＮＨ和

ＣＡＮ

Ｌ的电压通常为３．５Ｖ和１．５Ｖ；逻辑“ｌ”也称“隐性”，指ＣＡＮＨ和ＣＡＮＬ

的电平相等，通常为２．５Ｖ。

３．４．２ＣＡＮ总线通信节点的实现方法

组成ＣＡＮ总线通信节点的主要器件有：处理器（单片机、ＤＳＰ等）、ＣＡＮ

总线控制器和收发器，其各自用途为：处理器控制、协调整个通信过程；ＣＡＮ

西北工业大学硕士学位论文第三章关节运动规划控制器硬件设计

总线控制器负责数据的发送和接收；ＣＡＮ总线收发器是ＣＡＮ总线控制器和物理

总线间的接口，提供对总线的差动接收和发送能力。

机器人上常用到的处理器有ＰＣ机（包括台式电脑、工控机、嵌入式控制器）、

ＤＳＰ和单片机，以下介绍在不同硬件平台上实现ＣＡＮ总线通信的方法：

１．ＰＣ机：ＰＣ机不具备ＣＡＮ总线控制器和收发器，一般通过外接ＣＡＮ接

口卡来实现ＣＡＮ总线通信。根据通道数目的不同，ＣＡＮ接口卡可分为单通道、

双通道和多通道（大于两通道）三种类型。ＣＡＮ接口卡与ＰＣ机的通信方式通常

有：ＰＣＩ总线、ＩＳＡ总线、ＰＣＩ０４总线、ＵＳＢ、串口和并口。ＰＣＩ、ＩＳＡ、ＰＣＩ０４、

ＵＳＢ和并口的ＣＡＮ接口卡与ＰＣ机的通信速率大于ＩＭ，因此能保证ＣＡＮ的通

信速率达到ＩＭ；而串口的通信速率小于ＩＭ，因此串口形式的ＣＡＮ接口卡其

ＣＡＮ总线通信速率达不到ＩＭ，实际中较少使用。并口形式的ＣＡＮ接口卡在实

际中也较少使用，其产品也很少。

２．ＤＳＰ、单片机：这两类处理器（控制器）组成ＣＡＮ总线通信的方法通常

有两种，第一是选用自身带ＣＡＮ控制器的产品，第二是利用自身不带ＣＡＮ控

制器的的产品和ＣＡＮ控制器、收发器组成ＣＡＮ总线通信接口。利用第一种方

法组成ＣＡＮ接口只需外接ＣＡＮ收发器，硬件电路简单，使用方便，自身集成

ＣＡＮ控制器的芯片价格较高。第二种方法灵活性大，且在某些不带ＣＡＮ控制器

的处理器中只能采取该方法来实现ＣＡＮ总线通信。目前常用的ＣＡＮ控制器有

飞利浦公司生产的ＳＪＡｌ０００，ＣＡＮ收发器有飞利浦公司生产的通用收发器

ＰＣＡ８２Ｃ２５０、ＰＣＡ８２Ｃ２５１，高速收发器ＴＪＡｌ０４０、ＴＪＡｌ０５０，德州仪器公司生产

的３．３ＶＣＡＮ收发器ＳＮ６５ＨＶＤ２３０等。

３．４．３基于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的ＣＡＮ总线通信节点设计

ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ上集成ＣＡＮ２．０Ｂ模块，只需外接ＣＡＮ收发器便可构成

ＣＡＮ接口，由于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ是３．３Ｖ供电，因此我们选用也是３．３Ｖ供电

的ＣＡＮ总线收发器ＳＮ６５ＨＶＤ２３０，这样可以省去电压转换电路，简化了电路结

构，提高了其稳定性。ＳＮ６５ＨＶＤ２３０具有如下特点【５３］ＩＳ４Ｊ：３．３Ｖ供电；与ＰＣＡ８２Ｃ２５０

相比功耗更低；总线／Ｅｌ脚的ＥＳＤ保护超过１６ｋＶＩ－ＩＢＭ；高输入阻抗，允许挂１２０

个节点；未供电节点不会干扰总线；符合兼容ＩＳＯ１１８９８标准；低电流等待模式，

典型值为３７０倒；最高通信速率达１Ｍｂｉｔｓ／ｓ；过热保护；具有抗瞬间干扰，保

护总线的功能红梅花图片 ；斜率控制，降低射频干扰（ＲＦＩ）；差分接收器，具有抗宽范围的

共模干扰和电磁干扰（ＥＭＩ）能力。

１Ｍｓ３２０ＬＦ２４０７Ａ和ＣＡＮ收发器ｓＮ６５ＨＶＤ２３０组成的ＣＡＮ接口电路原理

西北工业大学硕士学位论文第三章关节运动规划控制器硬件设计

图如图３－５所示，ＤＳＰ的ＣＡＮＴＸ引脚与ＳＮ６５ＨＶＤ２３０的数据输入端Ｄ相连，

用于发送数据；ＣＡＮＲＸ引脚与ＳＮ６５ＨＶＤ２３０的数据输出端Ｒ相连，用于接收

数据。ＳＮ６５ＨＶＤ２３０的ＲＳ引脚通过一个１０Ｋ的电阻接地，工作在斜率控制模式。

电路共扩展了１６路接口，通信介质采用双绞线，实际应用中采用普通网线。

Ｈ

ＣＡＮｌＣ＾ｍ

Ｃ＾∞ＣＡｋｅ４

Ｃ＾郴Ｃ＾蜥ＣＡｂ＇７

Ｃ＾懈匾瓦函司瓦百玎西瓯

ｆ舌５ｌ舌５｜５舌｝６５５舌ｌ舌５１５６１５５

Ａ．、．Ｎ．．—９—ＣＡ．Ｎ．—１０—Ｃ．．．．．Ａ．Ｎ—ＩＩ—ｒ．－．．／．．．ｔ．Ｎ．．．—１２——ｔＴＡ—ＮＩ．．３．．．．Ｃ．．Ａ．．Ｎ．．—１４—Ｃ．Ａ．．Ｎ．．—１５—ＣＡＮ—Ｉ—６

１２ｌｌ１２１２１２ｌｌ１２ｌｌ

ＵＵＵＵＵＵＵＵＵＵＵＵＵＵｕＵ

Ｌ

３．５本章小结

图３－５ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７ＡＣＡＮ接口电路原理图

本章设计了以ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ为处理器的关节运动规划控制器，主要包括

ＤＳＰ系统板的设计、基于ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的ＣＡＮ总线通信以及串口通信的电

路设计。试验表明，关节运动规划控制器能完成仿生ＣＰＧ算法的高速求解，同

时具有一定的扩展功能。

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第四章关节伺服控制器硬件设计

第四章关节伺服控制器硬件设计

关节伺服控制器用于实现对直流电机的精确控制，由运动控制模块、电机驱

动模块、检测模块和ＣＡＮ总线通信模块组成，本章在简单介绍直流电机控制的

基础上着重说明关节伺服控制器各模块的硬件设计。

４．１直流电机的控制

４．１．１直流电机的控制原理

直流电机是将直流电能转化为机械能的装置，其控制包括转速和转矩的控

制。直流电机的等效电路如图４．１所示，设电枢两端的电压为Ｕｏ，流过电枢的

电流为Ｉｏ，电枢电路总电阻为疋，电枢电路总电感为工。，感应电动势为Ｅ，感

应电动势常数为Ｋ。，电机转速为ｎ，每极磁通为矿。由基尔霍夫电压定律可得直

流电机的电压平衡方程：

Ｕ４嗵＋Ｒ口ｌ一。警

另外感应电动势为：

Ｅａ＝Ｋ。加

由（４．１）和（４－２）可得：

既一（ＩｏＲｏ＋Ｌ

ｄ口７．ｏ）

恐≯

公式（４．１）

公式（４．２）

公式（４．３）

电机确定后，兄、乞和足。是定值，由式（４３）可知，电机转速与乩和妒有

关，因此直流电机转速控制方法有：电枢电压控制法和励磁磁通控制法。

电枢电压控制法是在励磁磁通不变的情况下，通过改变直流电机的电枢电压

来控制电机的转速，该方法具有调速范围广的特点，是目前常用的直流电机调速

方法。

励磁磁通控制法是在电枢电压不变的情况下，通过改变直流电机的励磁磁通

来控制电机的转速，该方法存在调速范围窄、动态响应较差、低速时受磁极饱和

的限制、高速时受换向火花和换向器的结构强度限制等缺点，因此在实际应用中

较少使用１５５Ｊ。

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第四章关节伺服控制器硬件设计

图４－１直流电机等效电路图

设％为直流电机的电磁转矩、瓦为负载转矩、Ｋ，为电机转矩常数、Ｊ为折

算到电机轴上的转动惯量、缈为电机角速度，则直流电机的转矩平衡方程为：

公式（４—４）

％＝岛Ｌ

公式（４—５）

由式（４—５）可知，直流电枫的电磁转矩与流过龟枢的电流成正比，可通过

控制电枢电流来控制转矩。

４．１．２直流电机的ＰＷＭ调速原理

ＰＷＭ是ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈ

Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（脉宽调制）的缩写，采用ＭＯＳＦＥＴ管对直

流电机进行ＰＷＭ调速的原理图如图铊所示，ＭＯＳＦＥＴ管起开关作用，输入控

制波形Ｕ，如图４－３（ａ）所示，输出电枢电压波形乩如图４－３（ｂ）所示。

Ｕｓ

２

Ｏｊ逝

图４－２Ｐ尉调速原理图

图４－３输入输出波形

在ｔ－－Ｏ时，Ｕ为高电平，ＭＯＳＦＥＴ管导通，电枢电压眈＝玑；＾时间后，

Ｖ为低电平，ＭＯＳＦＥＴ管截止，电枢电压Ｕ。＝Ｏ，ｆ：时间后，Ｕ，又为高电平，

以一吐

Ｊ＋瓦＝气

中其

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第四章关节伺服控制器硬件设计

重复前面的过程，由此可得电枢电压的平均值Ｕ。为：虬＝筹＝弘叫＾＋ｆ２

ｒ

公式（４－６）

定义口为占空比，指在一个周期里，高电平持续时间与周期的比。由上式可

知电枢电压的平均值眈与占空比口和电源电压ＵＪ有关，实际应用中，电源电压

一般不变，因此通过改变口便可实现直流电机的调速。ＰＷＭ调速的原理即为通

过改变占空比口来实现调速。由占空比的定义可知，有三种方法可以改变口，即

有三种ＰＷＭ调速方法：定宽调频法、定频调宽法和调频调宽法。定宽调频法是

指保证脉宽＾不变的情况下，通过改变周期Ｔ来改变口的大小；定频调宽法是指

保证周期Ｔ不变的情况下，通过改变脉宽ｔ，来改变口的大小；调频调宽法是指通

过改变脉宽ｔ。和周期Ｔ来改变口的大小。定宽调频率法和调频调宽法都改变了

ＰＷＭ的频率，当该频率与系统的固有频率相等时将会引起系统振荡，因此这两

种方法实际应用中较少。

直流电机的ＰＷＭ调速系统可分为可逆ＰＷＭ系统和不可逆ＰＷＭ系统，可

逆ＰＷＭ系统指在此系统的控制下电机可以正反两个方向旋转，不可逆ＰＷＭ系

统指在此系统的控制下电机只能作单向旋转。实际中，大多数电机都要求正反旋

转，因此，不可逆ＰＷＭ系统应用较少。可逆ＰＷＭ系统又有单极性驱动和双极

性驱动之分，单极性驱动指在一个ＰＷＭ周期里，电机电枢电压呈单一性；双极

性驱动指在一个ＰＷＭ周期里，电机电枢电压正负变化。它们各自的特点为：单

极性可逆ＰＷＭ系统由于在一个ＰＷＭ周期里电枢电压呈单一性，因此电流波动

较小，从而转矩波动小。双极性可逆ＰＷＭ系统在低速时的高频振荡有利于消除

负载的静摩擦，低速时平稳性好，但由于工作时四个开关管都处在频繁的开关状

态，功率损耗较大，因此常用于中小功率的直流电机。无论是单极性可逆ＰＷＭ

系统还是双极性可逆ＰＷＭ系统，为防止同侧的开关管同时导通，使用时都要加

“死区一。［５６１

４．１．３ＰＷＭ信号的产生

ＰｗＭ信号的产生可分为硬件法和软件法两种。硬件法是利用硬件电路产生

ＰｗＭ信号，目前，很多单片机或ＤＳＰ都内置了ＰＷＭ信号发生电路，如飞利浦、

新华龙、ＰＩＣ都有许多型号的单片机具有ＰＷＭ输出功能，ＴＩ公司生产的ＤＳＰ

ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０７等；使用硬件产生ＰＷＭ信号非常方便，只需通过少量的程序设

计便可实现，同时这类单片机或ＤＳＰ的价格也不高，因此，一般都是用硬件法

来产生ＰＷＭ信号。软件法是通过软件模拟来产生ＰＷＭ信号，一般是通过定时

西北工业大学硕士学位论文第四章关节伺服控制器硬件设计

器定时，在微处理器的Ｉ／Ｏ口上输出不同长度的高、低电平，从而输出不同占空

比的ＰＷＭ信号；该方法需要占用大量的ＣＰＵ时间，目前实际应用较少。

４．２关节伺服控制器设计方案

４．２．１机器人关节伺服控制方法

目前以直流电机为驱动器的机器人，其关节伺服控制的实现方法可大致分为

三类：

图４—４由通用控制器组成的伺服系统

１．采用通用控制器组成伺服系统（如图４－４所示）：该方法利用控制器的高

速运算能力来完成电机的控制算法（如ＰＩＤ控制、模糊控制等）和运动轨迹的规

划。通用控制器通常采用高性能的单片机或ＤＳＰ，如１ｒＩ公司生产的ＤＳＰ芯片

１Ｍｓ３２０ＬＦ２４０７Ａ的工作频率达４０Ｍ，具有带死区的ＰＷＭ电路、捕获单元和

Ａ／Ｄ转换器，非常适合用作电机控制。

２．采用电机专用控制芯片组成的伺服系统（如图４．５所示）：该方法是利用

电机专用控制芯片来完成电机的控制算法和运动轨迹规划，通过通用控制器来监

控电机的运行状态。直流电机专用控制芯片有许多，在机器入关节伺服控制中常

用的有ＬＭ６２８／６２９等。

通用控制器卜叫电机专用控制芯片｝＿叫电机驱动｝＿一直流电机｝＿叫执行机构

检测元件

图４－５由电机专用控制芯片组成的伺服系统

３．多轴运动控制器：多轴运动控制器将多个电机的伺服控制集成到一块电

路板上，配合相应的控制软件，以实现对多个电机的单独或协调控制，如ＰＭＡＣ

多轴运动控制卡等。

这三种方法各有所长，其特点比较如表４．１所示。

西北工业大学硕士学位论文第四章关节伺服控制器硬件设计

表４一ｌ三种关节伺服控制实现途径的特点比较

类别通用控制器组成的伺电机专用控制芯片多轴运动控制器

服系统组成的伺服系统

特点灵活性大精度高精度高、性能好

成本相对较低外部电路简单外部电路简单

对控制器的要求高价格适中价格高

需要编写大量的代码

代码编写量小

开放性较差

通用控制器组成的伺服系统对控制器硬件要求较高，同时需要编写大量的代

码，开发周期较长，难度较大；多轴运动控制器的价格昂贵，其接口多为ＰＣＩ、

ＩＳＡ总线，不便在机器人嵌入式控制系统中实现，因此这两种方法都不适合于本

文四足仿生机器人的关节伺服控制。电机专用控制芯片组成的伺服系统具有硬件

电路简单、软件实现容易、价格适中等优点，因此，本文采用该方法来实现机器

人关节的伺服控制。

电机专用控制芯片ＬＭ６２８／ＬＭ６２９的区别在于ＬＭ６２８具有能驱动８位或１２

位ＤＡＣ的８位输出口，而ＬＭ６２９具有直接驱动Ｈ桥的８位ＰＷＭ输出口。由

于目前直流电机通常采用Ｈ桥电路作为功率放大电路，采用ＰＷＭ方式调速，因

此本文采用ＬＭ６２９组成关节伺服控制系统（如图４《所示）。高度集成化芯片

ＬＭ６２９的应用简化了系统硬件电路、提高了系统的稳定性和精确度、同时减小

了控制器的体积和重量。

图４－６由Ｌｉｄ６２９组成的关节伺服控制系统

４．２．２关节伺服控制器设计

括：

关节伺服控制器的主要功能是对直流电机进行伺服控制，具体功能模块包

１．直流电机位置、速度、电流控制；

２．直流电机驱动；

３．执行器件转角位置信息检测；

４．ＣＡＮ总线通信接口；

５．足底开关和限位开关量的采集。

西北工业大学硕士学付论文

第四章关节伺服控制器硬件设计

由上述功能模块组成的关节伺服控制器原理框图如图４．７所示：单片机与关

节运动规划控制器通过ＣＡＮ总线通信，接收其发送的关节位置、速率等信息，

并向其反馈关节的转角，足底开关和限位开关量。单片机与ＬＭ６２９通过数据和

控制总线相连，向ＬＭ６２９写命令、设置ＰＩＤ参数以及运动控制参数，并从ＬＭ６２９

中读取电机的状态信息。ＬＭ６２９根据运动参数生成速度梯形图，对电机进行速

度控制。增量式光电编码器与直流电机的负载轴相连。用于检测负载的实际位置，

即机器人关节的关节位置；编码器的输出信号经ＬＭ６２９的四倍频后进行解码，

得到位置反馈值，该值与预设值进行比较，其偏差输入到ＬＭ６２９的数字ＰＩＤ控

制器，数字ＰＩＤ控制器根据给定的ＰＩＤ参数运算后输出相应的ＰＷＭ幅值和方向

信号，用于控制驱动模块输出电压的大小及方向，从而驱动电机按设定的方向运

转到指定位置，对电机进行闭环控制。单片机定时读取关节的转角值以及足底开

关量，并将此信息发送到关节运动规划控制器，为ＣＰＧ产生协调步态提供参考。

电机运动超过极限位置时相应的限位开关将闭合，引起单片机的外部中断，单片

机对该电机采取相应的处理。为方便调试及对系统运行情况进行监测，控制器上

装有相应的状态指示灯。

４．３单片机模块设计

图４．７关节伺服控制器原理框图

单片机的主要功能是通过ＣＡＮ控制器、收发器完成ＣＡＮ总线的通信、向

ＬＭ６２９写ＰＩＤ和运动轨迹参数、并通过ＬＭ６２９监控电机的运行状态。由于采用

了专用运动控制芯片ＬＭ６２９，数字ＰＩＤ控制、速度梯形图的生成、光电编码器

信号的倍频都由ＬＭ６２９完成，大大减轻了单片机的运算量，可以选用普通单片

４０

西北工业大学硕＋学位论文第四章关节伺服控制器硬件设计

机。存储器方面，关节伺服控制器的软件主要包括通信和对ＬＭ６２９的参数设计

和监控程序，初步估计程序为几Ｋ字节，小于８Ｋ字节。从性能、存储器上考虑，

单片机ＡＴ８９Ｓ５２可以满足要求，同时ＡＴ８９Ｓ５２的技术已经很成熟，相关资料很

多，可以大大节省开发时间；另一方面ＡＴ８９Ｓ５２的价格便宜，在经费较少的情

况下是一个不错的选择。因此，最终我们选择的是Ａｔｍｅｌ公司生产的ＡＴ８９Ｓ５２

单片机。

ＡＴ８９Ｓ５２是一款具有８Ｋ字节在系统可编程ＦｌａＳｈ存储器的低功耗、高性能８位

ＣＭＯＳ微控制器。它使用Ａｔｍｅｌ公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业级

８０Ｃ５１产品的指令和引脚完全兼容。片上Ｆｌａｓｈ允许程序存储器在系统编程或常规

非易失性存储器编程。通过结合通用８位ＣＰＵ的特性和在系统编程功能，ＡＴ８９Ｓ５２

为众多嵌入式控制应用提供了高灵活性和高性价比的解决方案，其具体性能如下

１５７１：与ＭＣＳ．５１产品兼容；８Ｋ字节在系统可编程Ｆｌａｓｈ存储器，可擦／写１０００次；

４．０Ｖ～５．５Ｖ的电源工作范围；全静态操作：０Ｉ－Ｉｚ～３３ＭＩ－Ｉｚ：２５６字节８为内部存储器；

三级加密程序存储器；３２个可编程ＦＯＥ线；三个１６位定时例。数器八个中断源；全

双工ＵＡＩ汀串行通道；低功耗空闲和掉电模式；掉电后中断可唤醒；看门狗定时器；

双数据指针；掉电标识符。

单片机最小系统包括单片机、存储器、晶振和复位电路，由于ＡＴ８９Ｓ５２内带

的８Ｋ字节Ｆｌａｓｈ存储器可以满足系统要求，单片机的时钟信号由ＣＡＮ控制器

ＳＪＡｌＯｏｏ输出的时钟信号提供，因此ＡＴ８９Ｓ５２只需外加复位电路。

４．４ＬＭ６２９模块设计

４．４．１ＬＭ６２９的设计要点

在电机的伺服控制系统中ＬＭ６２９的任务是执行数字ＰＩＤ控制、生成速度梯

形图、编码器信号的读取与倍频、生成ＰＷＭ信号、向单片机反馈电机运行情况。

ＬＭ６２９是美国国家半导体公司生产的全数字式电机专用运动控制器，它具有如

下特点１５８１１５９１：

＞３２位的位置、速度和加速度寄存器

＞１６位可编程数字ＰＩＤ控制器

＞可编积微分采样时间间隔

＞８位分辨率的ＰＷＭ输出

≯内部梯形速度图发生器

≯速度、目标位置和ＰＩＤ参数可以在运动过程中改变

４ｌ

西北工业大学硕士学位论文第四章关节伺服控制器硬件设计

＞位置和速度控制模式

》实时可编程中断

＞可对增量式光电编码器的输出进行４倍频处理

ＬＭ６２９的上述特点非常适合电机的数字伺服控制。结合本文的设计，以下

说明ＬＭ６２９的设计要点：

１．用途：直流有刷或无刷电机的运动控制器。本文采用ＬＭ６２９来控制直流

有刷电机。

２．ＬＭ６２９的选型：ＬＭ６２９具有两种结构，ＬＭ６２９Ｎ为Ｎ１ⅥＯＳ结构，采用

２８引脚双列直插封装，ＬＭ６２９Ｍ为２４引脚贴片封装，无论是ＬＭ６２９Ｎ还是

ＬＭ６２９Ｍ都有６Ｍ和８Ｍ的时钟可供选择，最终组合出４种ＬＭ６２９的型号：

ＬＭ６２９Ｎ．６、ＬＭ６２９Ｎ－８、ＬＭ６２９Ｍ－６、ＬＭ６２９Ｍ—ｓ。ＬＭ６２９Ｎ的体积比ＬＭ６２９Ｍ

大，但ＬＭ６２９Ｎ易插拔，科研使用非常方便。ＬＭ６２９的时钟通常采用外接有源

晶振。本文为了让伺服控制器的时钟统一，ＣＡＮ控制器ＳＪＡｔ０００输出的１２Ｍ时

钟为单片机提供时钟，同时其二分频信号为ＬＭ６２９提供时钟。因此本文选用

ＬＭ６２９Ｎ．６。

３．硬件设计：使用ＬＭ６２９构成伺服系统一般包括单片机、ＬＭ６２９、电机驱

动电路、电机和光电编码器，如图４．８所示。ＬＭ６２９为高电平中断，与单片机外

部中断相连时要反向。连接好硬件上电后先检查ＬＭ６２９的时钟信号，确保时钟

合格后再开始软件测试。

图４＿８由Ｌ１＾６２９构成的伺服系统框图

４．软件设计：包括ＬＭ６２９的初始化、设置ＰＩＤ参数和运动轨迹参数、读取

状态字等。ＬＭ６２９的复位非常重要，复位信号可由复位电路提供或者通过单片

杌的ＹＯ口输出一定时间的低电平来实现。不管采用那种方式，都必须将ＬＭ６２９

的复位引脚拉低至少８个ＬＭ６２９时钟周期。ＬＭ６２９的具体软件设计参见５＿３．２。

４．４．２ＬＭ６２９的电路设计

本文ＬＭ６２９选用的是ＬＭ６２９Ｎ．６，它与单片机ＡＴ９９Ｓ５２的连接如图４－９所

示。单片机与ＬＭ６２９通过数据总线和控制线相连，ＬＭ６２９的Ｄ０～Ｄ７分别与单

西北工业大学硕士学位论文第四章关节伺服控制器硬件设计

片机的Ｐ０．０～Ｐ０．７相连，ＬＭ６２９的ＲＳＴ、ＣＳ、ＰＳ、ＲＤ、ＷＲ、Ｈ１分别与单

片机的Ｐ１．２、Ｐ２．６、ＰＩ．３、Ｐ３．７／ＲＤ、Ｐ３．６／ＷＲ、Ｐ３．３／ｎ口１相连。ＬＭ６２９的时钟

信号来自于单片机的二分频时钟信号，其目的是使系统的时钟同步，同时减少元

器件的数目，提高系统可靠性。ＬＭ６２９是单片机的外设，当ＣＳ端为低电平时，

ＬＭ６２９被选中，其地址为０ｘＢＦ００。ＰＳ为程序，数据选通端，当ＰＳ端为低电平

时，单片机通过８位数据总线从ＬＭ６２９读状态或向ＬＭ６２９写指令；当ＰＳ端为

高电平时，单片机通过８位数据总线从ＬＭ６２９读数据或向ＬＭ６２９写数据。当

ｍ为高电平时，ＬＭ６２９向单片机申请中断，ＬＭ６２９有６个中断源，分别是命令

错、运动完成、Ｉｎｄｅｘ脉冲、位置信息错、位置超差和断点到，所有中断源都是

通过该引脚申请中断，单片机通过读取状态字来判断具体产生中断的中断源，相

应的中断处理程序就对该中断进行处理。ＬＭ６２９的ｚⅣ、Ａ、Ｂ引脚用来接收增

量式光电编码器的输出信号，为了降低电机运转所带来的干扰，从光电编码器出

来的信号经高速光耦６Ｎ１３７后与ＬＭ６２９相连。ＬＭ６２９的ＰＷＭ

ＭＡＧ和ＰＷＭ

ＳＩＧＮ引脚分别输出ＰＷＭ幅值和方向信号，用来控制直流电机。

ｖｏｃ｛

Ｐ０眦＾Ｄ０

ＸＴＡＬＩ

Ｐ０ｌ／ＡＤＩ）订ⅢＰ０２ｔＡＤ２

ＦＯ瓤＾Ｄ３

Ｐ０４／ＡＩＭｐＯ型埘

Ｐ０酣＾Ｄ６

Ｐ０７／ＡＤ７解

Ｅ～ｖＰＰＰ１㈣

ＰＳＥＮＰｌＩｆｆ２ＥＸ

ＡＬＦ弹ＲＯＧＰ１２

Ｐｌ３

Ｐ１４

Ｐ３讲Ｒ，ｏＰｌ

５／Ｍ（掏

Ｐ３１仃∞Ｐ１６＾ｆｌＳＯ

Ｐ３２／ＩＮｌ０Ｐｌ乃旺

Ｐ３弼ＮｒＩ

Ｐ３４ｉｆ０Ｐ２０／ＡＳ

Ｐ３盯ｌＰ２ｌ，Ａ９

Ｐ３６／ＷＲＰ２２／Ａ１０

Ｐ３７／ＲＤＰ２３／ＡＩｌ

Ｐ２４／Ａ１２

Ｐ２５／Ａ１３

Ｐ２

６，Ａ｜４

Ｖ嚣ｔ＇２７／Ａ１５

图４＿９ＡＴ８９Ｓ５２与ＬＭ６２９的连接

西北工业大学硕士学位论文

第四章关节伺服控制器硬件设计

４．５电机驱动模块设计

４．５．１电机驱动模块的设计方案

电机驱动芯片实质上是功率放大器，它为电机提供动力。机器人上所用的直

流电机通常工作在５ｖ以上，所需电流数安培，而对电机进行控制的控制器一般

工作在５ｖ或３．３Ｖ，其输出电流为毫安级别；因此，为了给直流电机提供其所需

的电压和电流，在控制器和直流电机之间增加电机驱动芯片成为了必要。

电机驱动芯片的实现途径可分为两类：①由分立元件搭建的驱动电路，②集

成驱动芯片。分立元件搭建的驱动电路的主要元件是半导体功率器件，如晶体管

或Ｍ０ｓＦＥＴ管，由单个晶体管或ＭＯＳＦＥＴ管组成的驱动电路只能让电机作单方

向运动，显然这在大多数机器人上是不合适的；因此，机器人上常用的电机驱动

电路是由４个晶体管或ＭＯＳＦＥＴ管组成的Ｈ桥驱动电路。集成驱动芯片是将由

晶体管或ＭＯＳＦＥＴ管组成的驱动电路、接口电路、保护电路等封装在一块芯片

上。其各自的特点如表４．２所示。

表４－２两类驱动电路特点比较

特点由分立元件搭建的驱动电路集成驱动芯片

优点量身定做，灵活性大稳定性好

具有各种保护功能

体积较小、重量轻

产品模块化，可节省开发时间

缺点稳定性不易保证选择范围受限

难度较高价格较高

体积、重量较大

需要一定的开发周期

由上表可知，集成驱动芯片内带各种保护电路，具有很好的性能，随着电子

技术的发展，电机驱动芯片的型号不断增加、价格也不断下降，同时可以缩短研

制周期，因此通常使用集成驱动芯片作为电机的驱动器。但是，在某些特定场合，

比如所需的电流较大，不易找到与其相对应的集成驱动芯片，此时一般采用分立

元件来搭建驱动电路。

驱动电路的搭建或驱动芯片的选择通常要考虑以下内容：

１．输出功率：输出电压和电流的范围；

２．电机的运行特点：单向运动还是双向运动，是否需要制动；

３．电机的控制方法：是否采用ＰＷＭ调速；

西北工业大学硕十学位论文第四章关节伺服控制器硬件设计

４．各种保护功能：如过热保护、过压保护、过流保护等；

５．接口：驱动器与控制器之间连接形式；

６．体积、价格和封装形式等。

直流电机集成驱动芯片的型号很多，目前在机器人中用得较多的有Ｌ２９３、

Ｌ２９８、ＬＭＤｌ８２００、ＬＭＤｌ８２４５等，其主要性能比较如表４．３所示１６０ｌ。

Ｌ２９３内部是晶体管组成的４个半桥，可以当着双Ｈ桥使用，使用时需外加

续流二极管，与其类似的芯片还有Ｌ２９３Ｂ、Ｌ２９３Ｃ、Ｌ２９３Ｄ、Ｌ２９３Ｅ。Ｌ２９８与Ｌ２９３

的功能类似，主要差别是Ｌ２９８的电流比Ｌ２９３大１Ａ，同时Ｌ２９８具有电流检测

功能，与Ｌ２９８类似的芯片有Ｌ２９８Ｎ。ＬＭＤｌ８２００和ＬＭＤｌ８２４５的性能相似，所

不同的是ＬＭＤｌ８２４５内带斩波电路和４位ＤＡＣ。ＬＭＤｌＳ２４５是这四种典型集成

驱动芯片中输出功率最大、功能最强的直流电机驱动芯片。

表４－３Ｌ２９３、Ｌ２９８、ＬＭＩ）１８２００、ＬＭＤｌ８２４５的主要性能比较

型号内部结构电压范围

持续工峰值保护功能

作电流电流

Ｌ２９３晶体管、４半桥＋４．５Ｖ～＋４６ＶＩＡ２Ａ过热保护

Ｌ２９８晶体管、双Ｈ桥＋４．８Ｖ～＋４６Ｖ２Ａ３７ｔ过热保护

ＬＭＤｌ８２００ＤＭＯＳ、单Ｈ桥＋１２Ｖ～＋５５Ｖ３Ａ６Ａ过压、过流、

过热保护

Ｌ＾ｍ１８２４５ＤＭｏＳ、单Ｈ桥＋１２Ｖ～＋５５Ｖ３Ａ６Ａ过压、过流、

过热保护

四足仿生机器人关节伺服控制器对驱动电路的要求是：

１．输出电压＋２４Ｖ；

２．输出持续工作电流２～３Ａ，峰值电流大于３Ａ：

３．控制器采用ＰＷＭ方式控制直流电机；

４．控制精度尽量高；

５．具有过压、过流、过热保护功能；

６．体积、重量尽量小；

根据以上要求，结合上述对各种驱动电路的分析，最终我们选择了智能功放

集成芯片ＬＭＤＩ８２４５作为驱动电路。

４．５．２ＬＭＤｌ８２４５的设计要点

ＬＭＤｌ８２４５是美国国家半导体公司生产的ＤＭＯＳ全桥电机驱动芯片，具有

如下特点：最高电源电压达５５Ｖ；提供３Ａ的持续输出电流，最大输出电流为６Ａ；

西北Ｔ业大学硕十学位论文

第四章关节伺服控制器硬件设计

低阻功率开关，效率高；内置钳位二极管；低功耗电流采样；提供电机电流的数

字或模拟控制；ｒｒＬ和ＣＭＯＳ电平输入；具有过流、过热保护，温度达到１５５

℃时，输出自动关断；无串通电流；１５引脚ＴＯ－２２０封装。ＬＭＤｌ８２４５的这些特

点非常适合用作中小功率直流电机或步进电机的驱动，以下从三方面来说明

ＬＭＤｌ８２４５的设计要点１６１】１６２】：

１．用途：步进电机或直流电机的驱动器。

２．外接器件：ＬＭＤｌ８２４５作为电机驱动芯片所需的外围器件很少，只需两个

电阻、四个电容。电源引脚（第９脚ｐ矗）与地之间通常要并联一个高频陶瓷电容

和一个铝电解电容，陶瓷电容的取值通常为１／ｉＦ，铝电解电容的取值原则为每安

培负载电流１００∥Ｆ，高频陶瓷电容的作用为消除脉冲电压，铝电解电容的作用为

消除浪涌电流。单稳电路定时端（第３脚ＲＣ）与地之问通常并联一个ＲＣ网络，电

阻Ｒ和电容Ｃ的值共同决定固定关断时间。一，胧，计算公式为：

瓴。＝１．１ＲＣ公式（４—７）

关断时间的长短与应用系统的具体要求有关。电流传感放大器输出脚（第１３脚ＣＳ

ＯＵＴ）与地之间通常也需并联一个ＲＣ网络，电阻Ｒ的作用是将电流传感器输出的

电流信号转换为电压信号，此电压值与Ｄ／Ａ转换器输出的阀值电压比较，进而触发

斩波过程；电容Ｃ的作用为滤除电流开关的噪声。电阻Ｒ值的确定：设电阻Ｒ两端

的电压为％，Ｄ／Ａ转换器输出的阀值电压为Ｕ，Ｄ／Ａ转换器的参考电压为％。二。，

Ｄ／Ａ转换器的输入电压为（ｋ。。，电机负载电流的最大值为，。。一一，由于电流传

感器输出的电流为负载电流的１／４０００倍，即每输出１Ａ的负载电流，电流传感器就

输出２５０，叫的电流，故以的计算公式为：

％＝２５０ｘ１０４‘“一一Ｒ

公式（４—８）

【ｋ。一。为Ｍ鸩坞心所组成的值，范围为十进制的Ｏ～１５，故：

ｕ：‰＝避！红￡＝型

１６

令％＝ｕ，得电阻Ｒ的计算公式：

Ｕｗ，ｍＦＵⅢ．ｍ

Ｒ：————｛￡—一２５０ｘ１０４ｏⅧ

公式（４－０）

公式（４一１０）。

３．输出方式：ＬＭＤｌ８２４５驱动直流电机的方式有两种：单极性输出方式和双

极性输出方式。单极性输出方式下ＬＭＤｌ８２４５的％（第８脚）、＾如（第７脚）、＾毛（第

６脚）、ｊｌ死（第４脚）连到一起，然后与ＰＶｖｌ、１４相连，ＤＩＲ（第１１脚）接方向信号，

ＢＲＥＡＫ（第１０脚）接刹车信号，电机的转速由ＰＷＭ的占空比决定，方向由ＤＩＲ端

西北工业大学硕士学位论文第四章关节伺服控制器硬件设计

的高低电平决定；该方式的特点是电机电流的波动小，但其阀值固定，无法软件

调节。双极性方式下ＰＷＭ与ＬＭＤｌ８２４５的ＤＩＲ（第ｌｌ脚）相连，ＢＲＥＡＫ接刹车信

号，电机的转速和转向都由ＰｗＭ决定；该方式的特点是微控制器可以通过Ｍ、

鸠、肘ｊ、Ｍ．来改变电机的负载电流阀值，从而改变力矩的大小，实现电机的灵

活控制，但由此带来的缺点是电机电流波动大。

４．５．３ＬＭＤｌ８２４５的电路设计

运动控制芯片ＬＭ６２９输出的是ＰＷＭ幅值和方向信号，它与ＬＭＤｌ８２４５的

连接如图４－１０所示。ＬＭ６２９输出的ＰＷＭＭＡＧ（第１９脚）、ＰＷＭＳＩＧＮ（第１８

脚）分别与ＬＩＶＩＤｌ８２４５的Ｍ１～Ｍ４和ＤＩＲ端相连，ＰＷＭ的幅值决定电机的运

转速度，ＰＷＭ的方向信号决定电机的转动方向，即ＬＭＤｌ８２４５采用的单极性方

式控制。单片机的Ｐ１．０脚与ＬＭＤｌ８２４５的ＢＲＡＫＥ端相连，用来制动电机；电

机正常运行时，该引脚为低电平，当该引脚为高电平时，Ｕ佃１８２４５内部Ｈ桥

的两个输入开关将负载短路，负载电流迅速衰减到零，从而对电机进行制动。由

于驱动电路接有２４Ｖ的电压，同时电机运行过程中容易产生各种干扰，为了保

护单片机及运动控制芯片、提高系统的抗干扰能力，由单片机和ＬＭ６２９输出的

信号经过光电耦合器隔离后再进入ＬＭＤｌ８２４５。

＋２４Ｖ

图４一ｌＯ电机驱动模块电路原理图

电路中电阻、电容参数的确定：Ｃｔ５为ｌ／ｚＦ陶瓷电容。负载持续工作电流

在２．８Ａ，峰值电流大于３Ａ，根据每安培负载电流１００．ｕＦ的取值原则，本文中

Ｃ１６取为４７０／ＩＦ的铝电解电容。电阻Ｒ１１的计算公式为：

５１５

胄＝———』垒一＝６．２５Ｋ

４７

西北工业大学硕士学位论文第四章关节伺服控制器硬件设计

电容Ｃ１７的值取为５００ｐＦ。按本文的电路连接，电机运行过程中ＬＭ６２９输出频

率１１．７Ｋ、占空比为９９％的ＰＷＭ波。ＰＷＭ波为低电平时，＾‘、肘２、Ｍ，、＇ｊＩ九

的输入都为零，Ｄ／Ａ转换器输出的阀值电压为零，负载电流大于阀值电流，将触

发单稳电路翻转，关断输出。关断的时间由电阻Ｒ１２和电容Ｃ１８共同决定。若

固定关断时间ｆＷ一。。大于一个周期中ＰＷＭ波低电平的持续时问，则ＰＷＩＶｌ波为

高电平时会有一段时间系统不响应，不响应的时间为固定关断时间与ＰＷＩＶｌ波低

电平持续时间之差，在这种情况下电机的转速比设定的要小，作者在试验过程中

就遇到过类似情况。在固定关断时间小于ＰＷＭ波低电平持续时间时也可能出现

类似情况，只有在ＰＷＭ波低电平的持续时间是固定关断时间的整数倍时不会出

现类似情况。本文Ｃ１８的值取为２．２ｎＦ，Ｒ１２的值为：

１Ｒ１２：且丛蝉。３５３Ｑ

１．１２．２１０１

取标准值为３６０１＇２。

４，６检测模块设计

由ＬＭ６２９构成的伺服系统采用增量式光电编码器作为反馈元件，本文采用

海德公司生产的５００线增量式光电编码器Ｉ－ＩＫＴ３０｛６３１（如图４－１１所示）。ＨＫＴ３０

采用直流５ｖ供电，频率响应范围为５０／１００ＫＨｚ，输出波形如图４．１２所示，Ａ、

Ｂ是两路正交的方波，Ｚ为码盘每转一圈产生一个脉冲所形成的脉冲信号。在与

ＬＭ６２９连接时，ｚ、Ａ、Ｂ三路信号分别接ＬＭ６２９的ｌ、２、３引脚；为了减小干

扰，码盘的输出信号经高速光耦６Ｎ１３７隔离后与ＬＭ６２９相连（如图４－１３所示）。卜——二Ｌ叫

ＯＵＴＡ：ｒ］广］一ＵＬ睦“与

ＯＷｌ＇Ｂ：：广１厂、Ｈ１／４４１／１２）Ｔ

小１ｘ列１胜ｌ，１２）７

ＯＵＴｚ

Ｈ广１Ｔｚ＝Ｉ／４Ｔ，１／２２＂，ｌＬ

图４－１１ＨＫＴ３０实物图４－１２ＨＫＴ３０输出波形图

西北工业大学硕士学位论文第四章关节伺服控制器硬件设计

图４－１３光码盘输出信号隔离电路

编码器可安装在电机输出轴或负载轴，以下分别予以讨论：

１．编码器安装在电机输出轴：此时构成的伺服系统为半闭环系统。电机输

出轴的转速很高，在单位时间内编码器计数多，可减小计数误差。但从电机输出

轴到负载轴之间有减速齿轮，存在齿隙误差，编码器安装在电机输出轴忽略了该

误差。

２．编码器安装在负载轴：此时构成的伺服系统为全闭环系统。编码器装在

负载轴上可检测关节的实际位置，消除了齿隙误差；但由于负载轴的转速比电机

输出轴转速小很多，计数误差将增大。

由于机器人的腿较长，髋关节和膝关节的细小误差将在足底产生较大的误

差。为减小计数误差，ＬＭ６２９对编码器的计数进行了４倍频。另外本文需要将

关节的转角值返回到ＣＰＧ算法，作为ＣＰＧ的外部输入。鉴于上述原因，我们将

编码器安装在负载轴。

４．７基于ＡＴ８９Ｓ５２的ＣＡＮ总线通信模块设计

单片机ＡＴ８９Ｓ５２不带ＣＡＮ控制器，采用“单片机＋ＣＡＮ控制器＋ＣＡＮ收

发器”的方法组成ＣＡＮ接口（如图４－１４所示）。ＣＡＮ控制器采用飞利浦公司生

产的常用ＣＡＮ控制器ＳＪＡｌ０００，其特点如下畔Ｊ：引脚和电气兼容ＰＣＡ８２Ｃ２００；

具备ＢａｓｉｃＣＡＮ和ＰｅｌｉＣＡＮ两种工作模式；６４字节ＦＩＦＯ；支持ＣＡＮ２．０Ｂ；同时

支持１１位和２９位标识符；位速率达１Ｍｂｉｔｓ／ｓ；２４ＭＨｚ时钟频率：支持多种微处

理器接口；可编程的ＣＡＮ输出驱动配置；扩展的环境温度范围（一４０～１２５℃）。

ＣＡＮ收发器采用飞利浦公司生产的通用收发器ＰＣＡ８２Ｃ２５０，具有如下特点１６５】：

完全符合“ＩｓＯ１１８９８”标准；最高速率达１Ｍｂｉｔｓ／ｓ；总线保护以防止汽车环境

西北工业大学硕士学位论文

第四章关节伺服控制器硬件设计

中的瞬问干扰；斜率控制以降低射频干扰；差分接收器具有宽的共模范围和抗电

磁干扰能力；过热保护；对电源和地的短路保护；具备低电流的待机模式；未供

电的节点不会干扰总线；最少可连接１１０个节点；

图４－１４单片机ＣＡＮ总线通信接／Ｚｌ框图

图４－１５ＡＴ￥９Ｓ５２ＣＡＮ援口电路原理图

由ＡＴ８９ｓ５２、ＳＪＡｌ０００和ＰＣＡ８２Ｃ２５０组成的单片机ｃＡＮ总线通信接口的

电路原理图如图４．１５所示，ＳＪＡｌＯｏｏ的八位数据口ＡＤＯ～ＡＤ７与ＡＴ８９Ｓ５２的

ＡＤＯＮＡＤ７相连，ＳＪＡｌ０００的ＡＬＥ／ＡＳ、／ＣＳ、／ＲＤ／Ｅ、愚喂、／ＩＮＴ、／ＲＳＴ引脚分

别与ＡＴ８９Ｓ５２的ＡＬＥ／ＰＲＯＧ、Ｐ２．７、Ｐ３．７／ＲＤ、丹．６／ＷＲ、Ｐ３．２，臻臂Ｏ、ＰＩ．４

引脚相连。为了提高ＣＡＮ总线通信的可靠性和安全性，采取了以下措施：

１．ＣＡＮ总线上各节点的电气隔离：ＳＪＡｌ０００的ＲＸ０和ＴＸ０经高速光耦

西北工业大学硕七学位论文第四章关节伺服控制器硬件设计

６Ｎ１３７隔离后与ＰＣＡ８２Ｃ２５０相连。

２．６Ｎ１３７前后电路的电源隔离：６Ｎ１３７的前后电路采用带隔离的电源模块

供电。

３．ＣＡＮ总线的过压保护：分别在ＣＡＮＨ和ＣＡＮＬ与地之间反接一个保

护二极管，当总线上出现较高的负电压时，通过二极管的短路来实现一定的过

压保护。

４．ＣＡＮ总线的过流保护：在ＰＣＡ８２Ｃ２５０的ＣＡＮＨ和ＣＡＮＬ上分别串连

一个小电阻，通过电阻的限流来保护ＰＣＡ８２Ｃ２５０免受过流冲击。

５．滤波：分别在ＣＡＮｒＩ和ＣＡＮ＿Ｌ与地之间并联一个小电容，以消除总线

上的高频干扰。

４．８关节伺服控制器

根据上述对各模块的硬件设计，本文最终设计的关节伺服控制器如图４－１６

所示。

４．９本章小结

图４—１６关节伺服控制器实物照片

本章详细分析了关节伺服控制器各模块的硬件设计，主要包括单片机模块、

ＬＭ６２９模块、电机驱动模块、检测模块、基于单片机的ＣＡＮ总线通信模块的电

西北工业大学硕士学位论文

第四章关节伺服控制器硬件设计

路设计。电路设计过程中采用了部分抗干扰措施：ＣＡＮ总线通信节点的信号隔

离、编码器输入信号的隔离、ＬＭ６２９输出信号的隔离、光耦前后电源采用双路

输出的电源模块隔离、电路板采用大面积的地网等。为了保证机器人运动过程中

各接插件连接牢靠，电路板上采用带锁紧功能的接插件。单关节伺服控制的试验

表明，本文设计的关节伺服控制器具有良好的响应速度和控制精度。

西北工业大学硕士学位论文第五章运动控制系统软件设计

第五章运动控制系统软件设计

软件是运动控制系统的灵魂，硬件和软件的有效组合才能实现运动控制系统

的功能，合理、高效的软件设计将提高运动控制系统的性能。本文采用定时器中

断和外部中断相结合的方法来提高系统的实时性，同时对整个软件系统进行优

化，以提高其执行效率。软件主要采用Ｃ语言编程，程序可读性、移植性强；

对部分时间要求严格的程序采用汇编语言编程，以提高程序的实时性和准确性。

５．１软件系统总体设计方案

运动控制系统的软件设计包括关节运动规划控制器和关节伺服控制器的软

件设计。采用模块化的编程思想，将整个软件系统分成多个功能模块，然后对每

个功能模块进行设计，关节运动规划控制器包括初始化模块、ｃＰＧ迭代运算模

块、数据处理模块、ＣＡＮ发送数据模块、ＣＡＮ接收数据模块、中断处理模块；

关节伺服控制器包括初始化模块、ＣＡＮ接收数据模块、ＣＡＮ发送数据模块、伺

服控制模块、数据采集模块、数据处理模块、中断处理模块。程序模块框图如图

５—１所示。

图５－１总体程序模块框图

系统上电后，关节运动规划控制器和关节伺服控制器各自执行初始化程序，

西北１＝业大学硕士学位论文

第五章运动控制系统软件设汁

初始化通过后关节伺服控制器等待关节运动规划控制器发送数据；关节运动规划

控制器迭代求解ＣＰＧ算法，将计算结果经数据处理模块处理后通过ＣＡＮ总线发

送到各个关节伺服控制器；关节伺服控制器接收到数据后，装载ＰＩＤ和运动轨迹

参数，启动电机，定时读取编码器的值和足底开关信息，并将这两个值发送给关

节运动规划控制器；关节运动规划控制器接收到各个关节的信息后又开始计算下

一个点的值，然后重复前面的流程。

５．２关节运动规划控制器软件设计

５．２．１关节运动规划控制器总体程序设计

关节运动规划控制器的程序功能是迭代求解ＣＰＧ算法，将运算结果发送到

各个关节伺服控制器，同时接收来自关节伺服控制器的信息，如图５．２所示。为

了保证ＣＰＧ迭代运算的时间间隔相等，关节运动规划控制器采用定时的方法来

迭代求解ＣＰＧ算法（如图５．３所示），定时时间ｔ为１０ｍｓ（注：定时时间与机器

人的行走速度有关）。ＣＰＧ迭代求解的结果作为位置信息发送到各个关节，由于

ＬＭ６２９对数据的格式有特殊要求，ＣＰＧ迭代求解的结果先经过数据处理模块处

理，然后通过ＣＡＮ总线发送到各个关节。为了保证通信的实时性，关节运动规

划控制器采用中断的方式接收ＣＡＮ总线上的数据（如图５－４所示），接收到的数

据有各个关节发送的足底开关信息和关节的转角值，这两个信息反馈到ＣＰＧ算

法中，用于下一步的迭代运算。其中，足底开关用于检测各足是否与地面接触。

正常情况下，机器人腿处于支撑相时，足底与地面接触，足底开关闭合；机器入

腿处于摆动相时，足底脱离地面，足底开关断开。关节运动规划控制器根据ＣＰＧ

的输出结果判断机器人处于支撑相还是摆动相，结合反馈回来的足底开关量判断

机器人足底是否踩实。如果足底未与地面接触（如地面有凹坑的情形），ＣＰＧ算

法在计算下一个该足的位置信息时就通过加（或减）一个增量值缸来保证该足

与地面接触，同时在该时间点，其它足的位置信息不变；在足与地面踩实后，

ＣＰＧ正常迭代计算。

西北工业大学硕七学位论文第五章运动控制系统软件设计

中断入口程序

＋

关中断

●

Ｔ＿Ｆｌａｇ＝ｌ

●

乏时器０赋初自

’

ｌ开中断

图５－２图５－３

图５－４

（图５－２主程序流程图图５＿３定时器０中断服务程序流程图图５－４ｃＡＮ

中断服务程序流程图）

５．２．２关节运动规划控制器ＣＡＮ总线通信程序设计

１Ｍｓ３２０ＬＦ２４０７Ａ的ＣＡＮ模块具有６个１６位的邮箱［６６１，分别是ＭＢＯＸ０、

ｌ、２、３、４、５，其中ＭＢＯＸ０、ｌ为接收邮箱，ＭＢＯＸ４、５为发送邮箱，ＭＢＯＸ２、

３可配置为接收或发送邮箱。本文中将ＭＢｏ）（２、３配置为发送邮箱，加上ＭＢＯｘ４、

５共四个发送邮箱，ＭＢＯＸ０为接收邮箱。ＤＳＰ通过对ＣＡＮ邮箱寄存器和ＣＡＮ

控制寄存器的操作来完成ＣＡＮ总线通信，具体包括ＣＡＮ初始化模块、ＣＡＮ发

送信息模块、ＣＡＮ接收信息模块的程序设计。

１．ＣＡＮ初始化程序设计

ＣＡＮ初始化模块主要是对ＣＡＮ控制器的位定时器、邮箱进行初始化。位定

时器主要由ＢＣＲｌ和ＢＣＲ２两个寄存器组成，它们共同决定ＣＡＮ控制器的通信

波特率、同步跳转宽度、采样次数和重同步方式。本文中，ＣＡＮ总线通信波特

率设为１Ｍｂｉｔ／ｓ，ＤＳＰ的时钟频率．名，。为４０ＭＨｚ，以下计算ＢＣＲｌ和ＢＣＲ．２的值：

ＣＡＮ总线通信波特率计算公式为：波特率＝／玉／［（ＢＲＰ＋Ｉ）’ＢｉｔＴｉｍｅ】

由此可得：（ＢＲＰ＋Ｉ）＊ＢｉｔＴｉｍｅ＝．岛。／波特率＝４０Ｍ／１Ｍ＝４０

西北工业大学硕十学位论文

第芤章运动控制系统软件设计

取ＣＡＮ控制器的时间片ＴＱ为０．１炒，则由ＴＱ＝（ＢＲＰ＋Ｉ）／‰可得：

波特率预分频值ＢＲＰ＝３

位时间（ＢｉｔＴｉｍｅ）的计算公式为：ＢｉｔＴｉｍｅ－＝（ＴＳＥＧＩ＋Ｉ）＋（ＴＳＥＧ２＋Ｉ卜１

由此可得：ＴＳＥＧＩ＋ＴＳＥＧ２＝７

ＴＳＥＧＩ由４位二进制数组成，ＴＳＥＧ２由３位二进制数组成，且ＴＳＥＧｌ和

ＴＳＥＧ２有以下要求：

（ＳＢＧ＋ＳＪ、ｎ１）≤ＴＳＥＧ２≤８

ＴＳＥＧ２≤ＴＳＥＧｌ

取ＳＢＧ＝Ｉ，ＳＪＷ＝Ｉ，则可得：

ＴＳＥＧｌ＝４．ＴＳＥＧ２＝３

最终得位配置寄存器ＢＣＲｌ和ＢＣＲ２的值为：

ＢＣＲｌ＝０ｘ０５２３，ＢＣＲ２＝０ｘ０００３

以下给出本文中位定时器初始化程序：

ＶｏｉｄＣＡＮＢｉｔＴ—Ｉｎｉｔ（）

（

＊ＭＣＲ＝０ｘ１０４０；／／ＣＣＲ＝］，进入改变配置模式

ｗｈｉｌｅ（’ＧＳＲ＆０ｘ００１０－－一０）

ｃｏｎｔｉｎｕｅ；／／当ｃｃＥ＝ｌ时才能设置ＢＣＲＩ、ＢＣＲ２

‘ＢＣＲ２＝０ｘ０００３；臌特率为１Ｍ

＋ＢＣＲｌ＝０ｘ０５２３：

＋ＭＣＲ＝’ＭＣＲ＆ｏｘＥＦＦＦ；／／ＣＣＲ＝０．进入正常工作模式

ｗｈｉｌｅ（＋ＧＳＲ＆０ｘ００１０１－－０）

ｃｏｎｔｉｎｕｅ；∥ＣＣＥ＝ｏ时ＢＣＲｌ、ＢＣＲ２配置成功

）

邮箱的初始化包括对邮箱控制字及ＩＤ的设计、控制域的设计、邮箱信息的

初始化等。本文中ＣＡＮ标识符采用标准格式，郎标识符为１１位，禁止相应的标

识符屏蔽，即接收邮箱的标识符必须与被接收邮箱标识符相符才能接收信息。关

节运动规划控制器和ｌ～８号关节伺服控制器的ＩＤ如表５．１所示，ＭＳＧＩＤｎＨ指

相应发送或接收邮箱标识符高位寄存器的值，例如ＭＳＧＩＤＯＨ的值为０ｘ０３４０。

由于只有４个发送邮箱，而有８个关节伺服控制器，因此４个发送邮箱分两次发

送。

西北工业大学硕士学位论文第五章运动控制系统软件设计

表５－１ＣＡＮ节点标识符

ＣＡＮ节点名称编号ＩＤＭＳＧ玎ＤｎＨ

１＃关节伺服控制器０１０００００００１００００Ｏｘ００４０

２＃关节伺服控制器０２００００００１０００００Ｏｘ００８０

３＃关节伺服控制器０３００００００１１ｏｏｏｏ０ｘＯＯＣＯ

４＃关节伺服控制器０４０００００１００Ｏ０００Ｏｘｏｌ００

５＃关节伺服控制器０５０００００１０ｌ００００ＯｘＯｌ４０

６＃关节伺服控制器０６０００００１１０００００Ｏｘｏｌ８０

７＃关节伺服控制器０７０００００１ｌｌ００００ＯｘＯｌＣＯ

８＃关节伺服控制器０８０００００１１１０００００ｘ０２００

关节运动规划控制器（ＤＳＰ）ＯＤＯＯ００１１０１０００００ｘ０３４０

２．ＣＡＮ接收信息程序设计

ＤＳＰ采用中断接收信息，接收到的信息依次存放在数组ＣＡＮ＿Ｒｅｃｅｉｖｅ＿Ｄａｔａ［４】

中，ＣＡＮ接收子程序如下：

ｖｏｉｄ

ｉｎｔｅｒｒｕｐｔＭＢＸ０．＿Ｉｎｔ（）

｛

ｓｗｉｔｃｈ（＋ＰＩＶＲ）

｛

ｃａｓｅ６４：ＣＡＮ＿Ｒｅｃｅｉｖｅ（）：ｂｒｅａｋ；

／／如果是邮箱０的接收中断

∥则转ＣＡＮ接收子程序

Ｄｅｆａｕｌｔ：ｂｒｅａｋ；

｝

）

ｖｏｉｄＣＡＮ＿Ｒｅｃｅｉｖｅ＿Ｄａｔａ（）

｛

ＣＡＮ＿Ｒｅｃｅｉｖｅ＿Ｄａｔａ［Ｏ］＝＋ＭＢＸＯＡ；

ＣＡＮ＿Ｒｅｃｅｉｖｅ＿Ｄａｔａ［１］＝＋ＭＢＸＯＢ：

ＣＡＮ＿Ｒｅｃｅｉｖｅ＿Ｄａｔａ［２］＝＋ＭＢＸＯＣ：

ＣＡＮ＿Ｒｅｃｅｉｖｅ＿Ｄａｔａ［３］２＋ＭＢＸＯＤ；

＊ＲＣＲ＝０ｘ００１０；／／置位ＲＭＰ０

ＣＡＮ＿Ｆｌａｇ＝ｌ；／／置位ＣＡＮ标志

，

３．ＣＡＮ发送信息程序设计

西北工业大学硕十学位论文第五章运动控制系统软件设计

ＤＳＰ采用定时方式发送数据，邮箱４的发送子程序如下，其它邮箱类似。

ｖｏｉｄＭＢＯＸ４＿Ｓｅｎｄ＿Ｄａｔａ（）

｛

‘ＭＢＸ４Ａ＝ＣＡＮ＿Ｓｅｎｄ＿Ｄａｔａ［０］：

‘ＭＢＸ４Ｂ＝ＣＡＮ＿Ｓｅｎｄ＿Ｄａｔａ［Ｉ］：

＋ＭＢＸ４Ｃ＝ＣＡＮ＿Ｓｅｎｄ＿Ｄａｔａ［２］；

’ＭＢＸ４Ｄ－－ＣＡＮ＿Ｓｅｎｄ＿Ｄａｔａ［３］；

ＴＣＲ＝Ｏｘ００４０：

ｗｈｉｌｅ（＋ＴＣＲ＆０ｘ４０００＝＝ｏ、

ｃｏｎｔｉｎｕｅ；

＊ＴＣＲ＝０ｘ４０００；

｝

５．２．３ＤＳＰ系统程序结构

／／要发送的数据依次存放在

／／ＣＡＮ＿Ｓｅｎｄ＿Ｄａｔａ［４］数组中

／／ＭＢＸ４请求发送

／／等待发送成功

“清ＴＡ３标志链

ＤＳＰ软件设计在集成开发环境ＣＣＳ（ＣｏｄｅＣｏｍｐｏｓｅｒＳｎｌｄｉ０）内完成｛６７１。ＣＣＳ

集代码编辑、编译、调试等功能于一体，方便了ＤＳＰ软件的开发。采用ＣＣＳ开

发一个Ｃ语言应用程序一般包括以下五类文件‘６８ｌ【６９ｌ：头文件、Ｃ语言文件、汇

编语言文件、命令文件、库文件。其中，头文件用来定义ＤＳＰ内部寄存器的地

址；Ｃ语言文件是应用程序的主体，本文中的应用程序基本上是Ｃ语言文件，Ｃ

语言文件中有且只有一个ｍａｉｎＯ函数；汇编语言文件一般包括复位、中断向量、

一些对时间要求较严格的应用程序；命令文件用来分配ＤＳＰ的存储器空间，包

括堆栈、程序存储器、数据存储器的分配。库文件指ｒｔｓ２ｘｘ．１ｉｂ文件，该文件不

需要自己编写，只要加载就可以。

关节运动规划控制器的命令文件如下：

一ｌｒｔｓ２ｘｘ．１ｉｂＩ＊力１１载库文件‘／

ＭＥＭＯＲＹ严指示存储空间，

｛

Ｐ：ＡＧＥ０：严程序空间＋／

ＶＥＣＳ：

ｏｒｉｇｉｎ＝Ｏｘ００００，ｌｅｎｇｔｈ＝０ｘ００４０

ｆｌａｓｈ：

ｏｎｇｉｎ＝０ｘ００４４，ｌｅｎｇｔｈ＝０ｘ７ＦＢＣ

ＳＡＲＡＭ

Ｐ：ｏｆｉｇｉｎ＝０ｘ８０００，ｌｅｎｇｔｈ＝０ｘ０８００

ＸＲＡ！ＶＩ：

ｏｎｇｉｎ＝ｏｘ８８００，ｌｅｎｇｔｈ－－０ｘ７７００

Ｂ０Ｐ：

ｏｒｉｇｉｎ＝０ｘＦＦ００．１ｅｎｇｔｈ＝０ｘ０１００

５８

西北工业大学硕士学位论文

第五章运动控制系统软件设计

ＰＡＧＥ

ｌ：严数据空间＋／

Ｂ２：

ｏｆｉｇｉｎ＝０ｘ００６０，ｌｅｎｇｔｈ＝０ｘ００２０

‘ＢＯＢＩ：ｏｆｉｇｉｎ＝０ｘ０２００，ｌｅｎｇｔｈ＝０ｘ０２００

ＳＡＲＡＭ＿Ｄ：ｏｎｇｉｎ＝０ｘ０８００，ｌｅｎｇｔｈ＝０ｘ０８００

ＲＡＭ：

ｏｆｉｇｉｎ＝０ｘ８０００．１ｅｎｇｔｈ＝Ｏｘ８０００

）

ＳＥｃＴＩｏＮＳ／．分配段到存储空间’，

｛

．ｖｅ．瓜ｔｏｒｓ：ｌｏａｄ＝、，ＥＣＳＰＡＧＥ０

．ｔｅｘｔ：ｌｏａｄ＝ｆｌａｓｈＰＡＧＥ０

．ｃｉｎｉｔ：ｌｏａｄ＝ｆｌａｓｈ

ＰＡＧＥ

０

．ｓｗｉｔｃｈ：１０ａｄ＝ｆｌａｓｈＰＡＧＥ０

．ｂｓｓ：ｌｏａｄ＝ＳＡＷＭＤＰＡＧＥ１

．ｓｔａｃｋ：ｌｏａｄ＝ＢＯＢｌＰＡＧＥ１

）

关节运动规划控制器的汇编语言文件如下：

．ｔｉｔｌｅ“ｖｅｃｔｏｒｓ．ａｓｍ”

．ｒｅｆ

＿ｃ＿ｉｎｔ０，＿＿ｎｏｔｈｉｎｇ，＿ＭＢＸ０＿ｉｎｔ

．ｓｅｃｔ”．ｖｅｃｔｏｒｓ”

ＲＥＳＥＴ：Ｂ

＿ｃ＿ｉｎｔ０

ＩＮＴＩ：Ｂ

＿ｎｏｔｈｉｎｇ

ＩＮＴ２：

．Ｂ

＿ｎｏｔｈｉｎｇ

ＩＮＴ３：Ｂ

＿ｎｏｔｈｉｎｇ

ＩＮＴ４：Ｂ＿ｎｏｔｈｉｎｇ

ＩＮＴ５：Ｂ＿ＭＢＸＯ＿ｉｎｔ

ＩＮＴ６：Ｂ

＿ｎｏｔｈｉｎｇ

ｎ畸Ｔ３ｌ：ＢＤ丌３１

５．３关节伺服控制器软件设计

５．３．１关节伺服控制器总体程序设计

关节伺服控制器的软件设计主要包括ＣＡＮ总线通信、运动控制和数据采集

西北工业大学硕士学位论文第五章运动控制系统软件设计

三部分，其主程序框图如图５－５所示。系统上电复位后执行初始化程序，包括单

片机初始化、ＬＭ６２９初始化和ＣＡＮ总线通信初始化，并打开中断，然后等待关

节运动规划控制器发送数据。关节伺服控制器采用中断方式接收数据，如图５－６

所示。单片机将ＰＩＤ参数和运动轨迹参数（包括加速度、速度和位置值）装载到

ＬＭ６２９，并启动电机，电机按给定参数运转。启动电机后，定时器０开始定时，

定时￥ｍｓ（注：根据机器人行走速度的不同，定时时间也不一样）后单片机开始

读取关节的转角值和足底开关量，经过必要的数据处理后将这两个值通过ＣＡＮ

总线发送到关节运动规划控制器，如图５．７所示。单片机的外部中断ｌ连接的是

电机位置超限和ＬＭ６２９中断。电机由于异常运动超过其限定位置后，相应的限

位开关闭合，产生中断，控制器对电机紧急刹车，并进行相应的错误处理。ＬＭ６２９

有６个中断源可以产生中断，单片机通过读取状态字来判断具体的中断源，并转

入相应的中断处理模块，如图５．８所示。

（中断入口程序）

，

关中断

◆

划接收数据模块

，

Ｉ开中断ｌ

图５－５伺服控制模块主程序流程图图５－６外部中断０服务程序流程图

西北工业大学硕七学位论文第五章运动控制系统软件设计

（中断入口程序）

事

关中断

’

数据采集模块

’

数据处理模块

事

ｊＡＮ发送数据模块

●

ｌ开中断Ｉ

图５—７定时器０中断服务程序流程图图５－８外部中断１服务程序流程图

５．３．２ＬＭ６２９的软件设计

ＬＭ６２９对电机的运动控制是通过设置指令字来完成。ＬＭ６２９的片选信号ＣＳ

与单片机的Ｐ２．６引脚相连，单片机对ＬＭ６２９的操作地址为０ｘＢＦ００。ＬＭ６２９提

供了２２条编程指令【７０Ｊ【７ｌ】（如表５．２所示），可将其分成五类：初始化指令（３条）、

中断指令（７条）、ＰＩＤ控制指令（２条）、运动控制指令（２条）、信息反馈指令

（８条），初始化指令用于初始化ＬＭ６２９；中断指令用于ＬＭ６２９向控制器申请中

断，共有６个中断源（命令错中断、运动完成中断、Ｉｎｄｅｘ脉冲中断、位置信息

错中断、位置误差中断和端点中断）；ＰＩＤ控制指令用于将ＰＩＤ参数写入到

ＬＭ６２９；运动控制指令用于将运动参数（速度、加速度、位置值）写入到ＬＭ６２９，

同时通过ｓＴＴ指令来启动电机；信息反馈指令用于读取ＬＭ６２９的状态信息。

关节伺服控制器通过ＬＭ６２９来实现电机的位置控制，其软件流程图如图５－９

所示。在使用ＬＭ６２９前必须先对它初始化，只有初始化通过才能进行下一步操

作，初始化的方法是将ＬＭ６２９的复位引脚电平拉低至少８个时钟周期。本文使

用的ＬＭ６２９时钟为６Ｍ，ＬＭ６２９的复位引脚与单片机的ＰＩ．４相连，通过该引脚

输出１．５脚的低电平来对ＬＭ６２９复位，复位正确后初始化ＬＭ６２９的输出端口，

然后就可以装载Ｐ１Ｄ和运动控制参数了。在装载ＰＩＤ参数之前，需向ＬＭ６２９写

两个字节长的控制字，高字节为微分采样时间间隔，其值本文采用１倍的系统采

６１

西北工业大学硕士学位论文第五章运动控制系统软件设计

样周期；低字节的高四位不用，低四位用于决定是否装载Ｋ，、Ｋ，、ｊ毛、ＩＬ，

本文这四个量都装载，最后得到控制字为０）【０００Ｆ。装载运动控制参数前同样要

向ＬＭ６２９写两个字节的命令控制字，控制字用于决定控制方式、停车方式、装

载的参数及其值的类型，本文采用位置控制模式，装载加速度、速度、位置值，

值的类型为相对值，最后得到控制字为０ｘ００３Ｆ。

表５－２

ＬＭ６２９的指令说明

指令类型指令名称操作码字节数指令描述

初始化指令ＲＥＳＥＴ００

Ｏ复位指令

（３条）ＰＯＲＴ８０５Ｏ选择８位ＰＷＭ输出

ＤＦＨ

０２

Ｏ定义原点

ＳＩＰ０３Ｏ设定Ｉｎｄｅｘ位置

ＬＰＥＩ１Ｂ２位置误差超差中断

中断指令ＬＰＥＳ１Ａ２误差停

（７条）

ＳＢＰＡ２０

４设定绝对端点

ＳＢＰＲ２１４设定相对端点

ＭＳⅪ

１Ｃ

２中断屏蔽

ＲＳＴＩｌＤ２复位中断

ＰＩＤ控制指令ＬＦＩＬ

１Ｅ

２～１０

装载ＰＩＤ参数

（２条）ＵＤＦ０４ＯＰＩＤ参数生效

运动控制指令ＬＴＲＪ１Ｆ２～１４装载运动参数

（２条）ＳＴＴ０１Ｏ运动参数生效

ＲＤＳＴＡＴ无ｌ读ＬＭ６２９状态

ＲＥＳｌＧＳＯＣ２读信号寄存器

ＲＤＩＰ０９４读Ｉｎｄｅｘ位置值

信息反馈指令ＲＤＤＰ０８４读设定位置值

（８条）

ＲＤＲＰＯＡ４读实际位置值

ＲＤＤＶ０７４读设定速度值

ＲＤＲＶＯＢ２读实际速度值

ＲＤＳＵＭＯＤ２读积分和值

西北工业大学硕士学位论文第五章运动控制系统软件设计

图５．９ＬＭ６２９伺服控制软件流程图

５．３．３单片机ＣＡＮ总线通信软件设计

单片机ＣＡＮ总线通信的软件设计主要是单片机对ＳＪＡｌ０００寄存器的设计。

本文中ＳＪＡｌ０００工作在ＢａｓｉｃＣＡＮ模式，在该模式下其内部寄存器分布于Ｏ～３１

个连续的地址空间，包括控制寄存器和发送、接收缓冲区。文中ＳＪＡｌ０００的片

选信号接的是单片机的Ｐ２．７引脚，因此ＳＪＡｌ０００的基地址ｓＪＡ—ＢａｓｅＡｄｒ＝

０】【７Ｆ００，寄存器的地址等于基地址加寄存器的偏移地址，例如状态寄存器

ＳＴＡＴＵＳ位于ＳＪＡｌ０００的第２个地址空间，其偏移地址为０ｘ０００２，单片机对状

态寄存器的操作地址为０ｘ７Ｆ０２。单片机对ＳＪＡｌ０００内部寄存器的访问有两种模

式，分别是工作模式和复位模式。两种模式下的访问有区别，当硬件复位、控制

器掉线、置位复位请求时ＳＪＡｌ０００进入复位模式，当清除内部控制寄存器中的

复位请求时ｓＪＡｌｏｏＯ进入工作模式。单片机的ＣＡＮ总线通信软件设计与ＤＳＰ

的类似，具体也包括ＣＡＮ初始化模块、ＣＡＮ发送信息模块、ＣＡＮ接收信息模

西北工业呔学硕士学位论文第无章运动控制系统软件设计

块，下面给出ＣＡＮ接收和发送信息的子程序Ｉ”Ｉ。

ｂｉｔＢＣＡＮ』）ＡｒＡ删ＴＥ（ｕ１１ｓｉｇｎｅｄｃｈａｒＳｅｎｄＤａｔａＢｕｆ）

｛

ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒＴｅｍｐＣｏｕｎｔ；

ＳＪＡ＿ＢＣＡＮＡｄｒ＝ＲＥＧ＿ＳＴＡＴＵＳ；

ｉｆ【（＋ＳＪＡ＿ＢＣＡＮＡｄｒ＆０ｘ０８）＝０）

｛

ｒｅｔｕｌｌｌ

１；

）

ｉｆ（（＋ＳＪＡ＿ＢＣＡＮＡｄｒ＆０ｘ０４）一－０）

｛

ｒｅｔｌｉ＿ｒｌｌ

１；

，

ＳＪＡ＿ＢＣＡＮＡｄｒ＝ＲＥＧ＿ＴｘＢｕｆｆｅｒｌ；

ｉｆ（（ＳｅｎｄＤａｔａＢｕｆｆｌ］＆０ｘ１０）一０）

还是远程帧

｛

∥访问地址指向状态寄存器

，／判断上次发送是否完成

／／判断发送缓冲区是否锁定

／／访问地址指向发送缓冲区ｌ

／／判断ＲＴＲ，从而得出是数据帧

ＴｅｍｐＣｏｕｎｔ－－（ＳｅｎｄＤａｔａＢｕｔ［１］＆ＯｘＯｆｙ－２；／／输入数据帧

｝

ｅｌｓｅ

｛

ＴｅｍｐＣｏｕｎｔ＝－２；／／远程帧

，

ｍｅｍｅｐｙ（ＳＪＡ＿ＢＣＡＮＡｄｒ，ＳｅｎｄＤａｔａＢｕｆ，ＴｅｍｐＣｏｕｎｔ）；

ｒｅｔｕｒｌｌ０：

｝

ｂｉｔＢＣＡＮＤＡＴＡ＿ＲＥＣＥＩＶＥ（ｕｎｓｉｇｎｅｄｃｈａｒ＋ＲｃｖＤａｔａＢｔｔ０

｛

ｕｎｓｉｇｎｅｄ

ｃｈａｒＴｅｍｐＣｏｕｎｔ；

ＳＪＡ＿ＢＣＡＮＡｄｒ＝ＲＥＧ＿ＳＴＡＴＵＳ；

ｉｆ【（＋ＳＪＡ＿ＢＣＡＮＡｄｒ＆０ｘ０１）＝０）

｛

彭访问地址指向状态寄存器

，，判断报文是否有效

西北工业大学硕士学位论文

第五章运动控制系统软件设计

ｒｅｔｕｒｎ１：

＇

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ｍｅｍｅｐｙ（ＲｅｖＤａｔａＢｕｆ，ＳＪＡ＿ＢＣＡＮＡｄｒ，ＴｅｍｐＣｏｕｎｔ）；，／读接收缓冲区报文

ｒｅｔｕｒｎ０：

５．４本章小结

运动控制系统的软件主要实现ＣＰＧ算法求解、ＣＡＮ总线通信和伺服控制三

大功能。ＣＰＧ算法采用四阶龙格一库塔法迭代求解：ＣＡＮ总线通信软件设计的

要点是通信速率的设定、邮箱的操作、接收和发送数据相关寄存器的操作；伺服

控制的软件设计主要是设定伺服控制的ＰＩＤ参数和运动轨迹参数。本文通过对各

功能模块的编程，实现了ＣＰＧ算法的高速求解、ＣＡＮ总线的实时通信以及各关

节的精确控制。软件主要采用Ｃ语言编程，对部分时间要求严格的程序（如定

时程序）采用汇编语言编程，程序可读性和实时性强、易移植、具有一定的扩展

性。

西北工业大学硕士学位论文

第六章四足仿生机器人试验样机

第六章四足仿生机器人试验样机

６．１四足仿生机器人运动控制系统

图６－ｌ四足仿生机器人运动控制系统总体框图

（注：其中虚线部分为递阶分布式控制结构的上层控制器，不在本文研究内容中。）

本文设计的运动控制系统由关节运动规划控制器和８个关节伺服控制器组

成，关节运动规划控制器与关节伺服控制器之间通过ＣＡＮ总线通信，系统总体

框图如图６－ｌ所示，实物如图６．２所示。关节运动规划控制器由ＤＳＰ

西北工业大学硕士学何论文

第六章四足仿生机器人试验样机

ＴＭ３２０ＬＦ２４０７Ａ、ＲＳ２３２通信接口电路、ＣＡＮ总线通信接口电路、状态指示模

块组成，关节伺服控制器由单片机ＡＴ８９Ｓ５２、电机专用控制芯片ＬＭ６２９、电机

驱动芯片ＬＭＤｌ８２４５、ＣＡＮ总线通信接口电路和状态指示模块组成。关节运动

规划控制器的ＲＳ２３２通信接口是一个备用接口，用于扩展导航、路径规划层，

同时用于部分电路的调试。ＤＳＰ运算仿生ＣＰＧ算法，将计算的结果（关节的位

置、速率等信息）通过ＣＡＮ接口发送到ＣＡＮ总线上；各个关节伺服控制器通

过ＣＡＮ接口接收ＣＡＮ总线上的数据，并根据这些数据生成电机运动控制指令，

电机运动控制芯片ＬＭ６２９执行这些指令，从而实现直流电机的伺服控制。单片

机通过限位开关量来判断电机是否超过限定位置。通过足底开关来检测足底是否

与地面接触。关节运动规划控制器和关节伺服控制器的状态指示模块用于电路的

调试及监控。８个关节伺服控制器分成两组，每组４个；上下控制器之间通过铜

柱连接，拆装方便；关节运动规划控制器与关节伺服控制器之间的ＣＡＮ总线通

信介质为双绞线，试验中使用普通网线，每根网线内有四根双绞线，共用了两根

网线。

（ａ）正面图（ｂ）侧面图

图６－２四足仿生机器人运动控制系统

６．２四足仿生机器人试验样机

本文所设计并装配完成的四足仿生机器人试验样机如图６．３所示。机器人尺

西北工业大学硕士学位论文第六章四足仿生机器人试验样机

寸为７０Ｘ３５Ｘ４５ｅｒａ（站立状态），重量约为１１．５埏。运动控制系统通过安装导轨

固定在机器人中部，其它各主要部件如图标注。在该样机上开展了仿生ＣＰＧ算

法研究，实现了四足仿生运动步态；还开展了关节伺服控制、ＣＡＮ总线通信等

试验。在该四足仿生机器人试验样机平台上可进一步开展算法、机器人感知系统

和平衡问题等研究。

（ａ）侧视图

图６－３四足仿生机器人试验样机

（ｂ）前视图

西北工业大学硕士学位论文第七章总结与展望

７．１总结

第七章总结与展望

四足仿生机器人具有多关节、强耦合、非线性等特点，其运动控制难度较大。

本文开展四足仿生机器人运动控制研究，设计了四足仿生机器人试验样机及其运

动控制系统。经过试验，本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

生机器人的后续研究奠定了良好的基础。本文主要开展了以下工作：

１．通过收集资料，调研了国内外四足机器人的研究现状，分析了目前四足

机器人普遍存在的问题及其原因，在此基础上确立了本文的研究内容。

２．根据四足仿生机器人运动控制的功能要求以及各功能模块问的特点，制

定了递阶分布式控制系统结构。

３，通过对四足动物一狗的生理结构分析，在Ｐｒｏ／Ｅ里建立四足仿生机器

人的３Ｄ模型，利用ＡＤＭＡＳ对模型进行运动学和动力学分析，通过分析来指导

结构设计，最终设计的四足仿生机器入长７０ｅｍ、宽３５ｅｍ、高４５ｃｍ，重量约为

１１．５ｋｇ。

４．设计了关节运动规划控制器。开展了仿生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。通过对关节运动规划控制器功能要求

的分析，选择了处理器为１ＭＳ３２０ＬＦ２４０７Ａ的ＤＳＰ系统板，设计了与ＤＳＰ系统

板配套的扩展板以及基于ＤＳＰ的ＣＡＮ总线通信和串口通信电路。

５．设计了关节伺服控制器。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Ａ＝ｒ８９Ｓ５２、电

机控制芯片ＬＭ６２９、电机驱动芯片ＬＭＤｌ８２４５和增量式光电编码器来实现。详

细分析了单片机模块、ＬＭ６２９模块、电机驱动模块、检测模块、基于单片机的

ＣＡＮ总线通信模块、电源模块、光电隔离模块的硬件设计。

６．通过对机器人常用通信方式的比较，提出了四足仿生机器人运动控制系

统的通信方案，详细介绍了ＣＡＮ总线通信的实现方法。

７．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。

西北工业大学硕十学位论文第七章总结与嘎望

８．完成了四足仿生机器人试验样机的安装、调试。

７．２展望

研究四足仿生机器人的最终目的是实用化，本文只对其运动控制开展了研

究，实用化还有一定距离。本文研究过程中存在的不足及下一步应该开展的工作

主要有：

１．机械结构的改进。本文研制的四足仿生机器人试验样机对狗腿作了较大

的简化，只有１２个关节，机器人灵活性受到一定限制。鉴于经费、到货周期等

原因，机器人驱动器选用普通直流减速电机，其体积、重量均较大，限制了机器

入的速度和负载。在后续设计中，可模仿狗的生理结构在腿上增加自由度，同时

在躯干上加自由度，做到更真实的结构仿生。驱动器可选用性能更好的直流伺服

电机，或者是一些新型驱动器。

２．加入导航、路径规划层。本文设计的运动控制系统可作为四足仿生机器

人递阶分布式控制系统的底层控制器，主要控制机器人各关节的协调运动，功能

较单一，通过加入导航、路径规划层来完善机器入的功能。

３．仿生ＣＰＧ算法的进一步研究。仿生ＣＰＧ算法应用于四足仿生机器人的

运动控制还处于探索、试验阶段，还有许多问题需要解决，如模型的优化、参数

的整定、融合更多的运动反射等。

４，多传感器数据融合技术的研究。四足仿生机器人要在户外复杂环境下执

行任务，必须借助各类传感器来感知机器入自身和环境的信息，如通过ＧＰＳ、距

离传感器、视觉传感器来导航等。目前各类传感器的数据融合技术还不成熟，以

后要进一步开展这方面的研究，以提高机器人的环境适应能力。

５，平衡问题的研究。平衡是四足机器人的一大难题，尤其在诸如坡面、台

阶等复杂地形下的运动。本文没有开展平衡问题的研究，后续研究中可考虑在髋

关节处增加侧摆电机。当机器人出现不平衡状态时。通过侧摆电机迅速调整腿的

位置，以保持机器人的平衡。同时，可考虑设计合理的平衡机构或者开展相关平

衡算法的研究，以保持机器人的动态平衡。

６．能源问题。本文研制的四足仿生机器人试验样机采用拖缆供电，而机器

人要走出实验室，必须有自身的能源系统，后续设计可考虑用电池或其它动力系

统。

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【６３】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｈｅｄｓｓ．ｃｏｍ．ｃｎ

［６４】ＳＪＡｌ０００Ｓｔａｎｄ－ａｌｏｎｅＣＡＮｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ

ＤＡＴＡＳＨＥＥＴ【Ｍ】．ＰｈｉｌｉｐｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ

ＣｏｍｐａｎｙＪ９９７．

［６５】ＰＣＡ９２Ｃ２５０ＣＡＮ

ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｎｔｅｒｆａｃｅＤＡＴＡＳＨＥＥＴ【Ｍ】．ＰｈｉｌｉｐｓＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ

Ｃｏｍｐａｎｙ，１９９７．

【６６】刘和平，王维俊，江渝等．ＴＭＳ３２０ＬＦ２４０ｘＤＳＰＣ语言开发应用【Ｍ】．北京：北京航空航天大

学出版社。２００３．１

［ａＴｌ彭启琮，管庆等．ＤＳＰ的集成开发环境【Ｍ】．北京：电子工业出版社，２００４．７

【６ｓ】王潞钢＇陈林康，曾岳南等，ＤＳＰＣ２０００程序员高手迸阶【Ｍ】．北京：机械工业出版社，２００５．１

【６９】高爽．基于ＤＳＰ的仿生步行机器人平台开发与研究【Ｄ】．西北工业大学硕士学位论

文．２００６

【７０】ＬＭ６２８／６２９Ｕｓｅｒ

ｇｕｉｄｅｌＮａｔｉｏｎａｌ

ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

ｎｏｔｅ７０６１Ｏｃｔｏｂｅｒ１９９３

【７１】ＬＭ６２５／６２９

ＰｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｇｕｉｄｅｌＮａｔｉｏｎａｌ

ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ

ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

ｎｏｔｅ６９３１

Ｊａｎｕａｒｙ

１９９９

［７２１周立功等．增强型８０Ｃ５１单片机速成与实战【Ｍ】，北京：北京航空航天大学出版社，２００３．７

西北工业大学硕士学位论文

攻读硕士学付期间参加科研和发表论文情况

攻读硕士学位期间参加科研和发表论文情况

一、参与课题：

１．基于仿生ＣＰＧ的四足机器人运动控制研究（西北工业大学研究生创业种

子基金项目，编号：Ｚ２００５２２）

２．国防基础科研项目（编号：Ａ２７２００６０２７５）

３．西航外贸订单动态管理信息系统（－－期）

二、发表的论文：

陈德明，王润孝，冯华山，段清娟．四足仿生机器人关节运动控制器的设计与实

现．组合机床与自动化加工技术，２００７．０５．

西北工业大学硕士学位论文

致谢

致谢

本文是在导师王润孝教授的悉心指导与热情帮助下完成的。王老师以其渊博

的知识、严谨的治学态度、敏锐的学术洞察力、高尚的人格修养教导我们如何学

习、如何做人，让我受益终生。近三年来，王老师在科研、生活等方面给予了我

无微不至的关怀，值此论文完成之际，谨向王老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。

感谢机电学院的秦现生老师、徐娅萍老师、杨旭东老师、汤军社老师、顾学

民老师等对我的指导与帮助。

感谢冯华山博士、段清娟博士在课题和论文工作中对我的指导与帮助。

感谢教研室的博士生王东勃、李涛、雷健、库祥臣、杨亚罗、姜晓鹏、高琳、

张光辉、丁良宏，硕士生高爽、周海涛、曹兰景、王小舟、赵维刚、胡志强、张

锦荣、路新亮、赵茜、杨云涛、张志亮、宋丽君、王雅静、李军、姬昌睿、赵国

斌、王宗坤等，大家共同组成了一个温馨、融洽、积极向上的大家庭，让我度过

了美好、快乐的硕士生活。

感谢我的家人，特别是我的父母，他们无私的奉献和关爱使得我的学业顺利

完成。

感谢所有关心、帮助过我的入。

四足仿生机器人运动控制系统的设计与实现

作者：陈德明

学位授予单位：西北工业大学

1.刘极峰.易际明机器人技术基础2006

2.蔡自兴机器人学2003

3.徐轶群.万隆君四足步行机器人腿机构及其稳定性步态控制2003(01)

4.王鹏飞.孙立宁.黄博地面移动机器人系统的研究现状与关键技术2006(07)

SDevelopmentofquadrupedwalkingrabotTITAN-VIII1996

SDevelopmentofthequadrupedwalkingrobot\"TITAN-IX\"2001

7.查看详情

8.查看详情

iAkiyamaDynamicWalkingandRunningoftheQuadrupedUsing

NeuralOscillator1998

agaAdaptiveDynamicWalkingofaQuadrupedRobotUsinga

NeuralSystemModel2001(08)

tsuTakaseThree-dimensionalAdaptiveDynamic

WalkingofaQuadruped-rollingmotionfeedbacktoCPGscontrollingpitchingmotion-2002

roFukuokaAdaptiveWalkingofaQuadrupedRobotinOutdoorEnvironmentbased

onBiologicalConcepts2004

ohenAdaptiveDynamicWalkingofaQuadrupedRoboton

NaturalGroundbasedonBiologicalConcepts2007

KatabutiMechanicalDesignofaQuadruped\"Tekken3&4\"and

NavigationSystemUsingLaserRangeSensor2005

15.查看详情

16.查看详情

17.查看详情

zuKikuchiTITANⅢ:AQuadrupedWalkingVehicle-ItsStructure

andBasicCharacteristics-1985

shiIbeDesignofPrismaticQuadrupedWalkingVehicle

TITANⅥ1991

kiTsukagoshiTITANⅦ:QuadrupedWalkingandManipulatingRobotona

SteepSlope1997

HiroseDevelopmentofQuardrupedWalkingRobot,TITAN-Ⅸ-MechanicalDesign

ConceptandApplicationfortheHumanitarianDetainingRobot-2001(02)

Hirose,ToshihitoOkamoto,JunichiMoil

\"DevelopmentofTITANⅪ:aQuadrupedWalkingRobottoWorkonSlopes-Designofsystemandmechanism

2004

23.查看详情

CriteriaforDynamicWalkoftheQuadruped1988

25.查看详情

daptivecontrolofthefour-leg-gedwalkingmachineBISAM1998

hemammalian-likequadrupedalwalkingmachineBISAM1998

28.陈佳品.程君实.冯萍.马培荪四足机器人对角小跑步态的研究1997(06)

2《菩萨蛮》全文 9.陈东良仿生机器蟹两栖步行机理与控制方法研究2006

30.张秀丽四足机器人节律运动及环境适应性的生物控制研究[学位论文]博士2004

31.陈学东.孙翊.贾文川多足步行机器人运动规划与控的制2006

32.田文罡多足步行机器人控制系统的研究[学位论文]硕士2004

33.孙立宁.王鹏飞.黄博四足仿生机器人嵌入式多关节伺服控制器的研究2005(06)

34.陈恳.杨向东.刘莉.杨东超机器人技术与应用2006

35.郑浩峻.张秀丽.李铁民基于CPG原理的机器人运动控制方法2003

HAdaptivedynamicwalkingofaquadrupedrobotonirregularterrain

basedonbiologicalconcepts2003(02)

37.查看详情

38.方建军.何广平智能机器人2004

Niku.孙富春.刘国栋机器人学导论2004

40.尔桂花.窦日轩运动控制系统2002

41.瞿晓荣仿生机器蟹控制系统及驱动技术研究[学位论文]硕士2003

42.王沫楠.孙立宁多运动方式运动机器人控制系统设计2005(04)

43.徐士良常用算法程序集2004

44.江思敏TMS320LF240xDSP硬件开发教程2003

45.查看详情2004

46.张雄伟.邹霞.贾冲DSP芯片原理与应用2005

nstrumentsIncTMS320LF/LC240xDSPcontrollersreferenceguide2001

48.刘和平TMS320LF2407xDSP结构、原理及应用2002

49.林晓春.过润秋AlteraEPLD系列器件EP1VI7128性能特点及应用1998(11)

50.刘国勇MAX232/MAX232A收发器及其应用1997(01)

51.邬宽明CAN总线原理和应用系统设计1996

52.饶运涛.邹继军.郑勇芸现场总线CAN原理与应用技术2003

53.陈育良.许爱强.李文海.汪定国SN65HVD230型CAN总线收发器的原理及应用2005(09)

65HVD230Datasheet

55.王晓明.王玲电动机的DSP控制2004

56.王晓明电动机的单片机控制2002

57.8-2001

629/LM629PrecisionMotion/ControllerNationalSemiconductor1999

59.王华.王立权.韩金华电机专用运动控制器LM629的应用研究2005(02)

60.谭建成智能功率集成电路及其在电机控制中的应用(二)1997

61.韩壮志.李伟.王田苗方便易用的功放集成电路LMDlS2452000(04)

62.田玉敏LMDl8245DMOS全桥电机驱动器的原理及应用2001

63.查看详情

000Stand-a10neCANcontrollerDATASHEET1997

82C250CANcontrollerinterfaceDATASHEET1997

66.刘和平.王维俊.江渝TMS320LF240xDSPC语言开发应用2003

67.彭启琮.管庆DSP的集成开发环境2004

68.王潞钢.陈林康.曾岳南DSPC2000程序员高手进阶2005

69.高爽基于DSP的仿生步行机器人平台开发与研究[学位论文]硕士2006

628/629UserguidelNationalsemiconductorapplicationnote70611993

628/629Programmingguide1Nationalsemiconductorapplicationnote69311999

72.周立功增强型80C51单片机速成与实战2003

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