八面體變幾何桁架機(jī)器人是通過(guò)八面體機(jī)構(gòu)中可伸縮構(gòu)件的長(zhǎng)度li(i=1,2,…，6)變化實(shí)現(xiàn)桁架機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的機(jī)器人。它具有剛度大、承載能力強(qiáng)和靈巧性好等特點(diǎn)，并能設(shè)計(jì)成可折疊機(jī)構(gòu)。
　　本文根據(jù)八面體變幾何桁架微動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特性，提出基于TMS320VC5410 DSP的微動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)方案，并研制出相應(yīng)的控制系統(tǒng)。
1 微動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
　　根據(jù)八面體變幾何桁架微動(dòng)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作特性，采用如圖1所示的主從計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用PC機(jī)作為主控計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能和運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃；以六個(gè)TMS320LC5410 DSP芯片對(duì)機(jī)器人的六個(gè)壓電陶瓷" title="壓電陶瓷">壓電陶瓷微位移器進(jìn)行控制。

　　系統(tǒng)中各部分的功能如下：
　　(1)主計(jì)算機(jī)
　　直接接收外界的控制命令和參數(shù)，對(duì)機(jī)器人位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并顯示信息；向下級(jí)DSP控制器發(fā)出各種控制命令等。
　　(2)DSP控制器
　　接收主計(jì)算機(jī)送來(lái)的命令和相應(yīng)的位置信息，實(shí)時(shí)檢測(cè)被控壓電陶瓷微位移器的狀態(tài)值；依據(jù)給定量和實(shí)際檢測(cè)量的差值進(jìn)行控制策略的計(jì)算，以求出被控對(duì)象應(yīng)有的控制信息。
　　(3)應(yīng)變計(jì)和A/D" title="A/D">A/D輸入
　　系統(tǒng)中壓電陶瓷的位置反饋信號(hào)來(lái)源于貼在彈性變形體上的電阻應(yīng)變片的電壓，此電壓經(jīng)精密運(yùn)算放大器電路和A/D轉(zhuǎn)換電路送入到DSP內(nèi)部。
　　(4)D/A" title="D/A">D/A輸出和驅(qū)動(dòng)電源
　　DSP控制器輸出的數(shù)字信號(hào)要經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器變?yōu)槟M電壓信號(hào)，并經(jīng)功率放大驅(qū)動(dòng)壓電陶瓷。系統(tǒng)中采用自制的壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)電源。
2 DSP控制器工作原理
　　在對(duì)壓電陶瓷微位移器的控制中，采用TI公司的TMS320VC5410 DSP芯片作為處理器，加上外圍電路(A/D和D/A)構(gòu)成DSP應(yīng)用系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微位移器的閉環(huán)控制，如圖2所示。該系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的DSP應(yīng)用系統(tǒng)，外部配有64K×16位SRAM，可作程序或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器用；128K×8位FLASH(閃存)E²PROM，存放程序和常數(shù)。在boot loader方式下，把E²PROM中程序安裝在TMS320VC5410程序SRAM中，并接著運(yùn)行該程序。該系統(tǒng)配有USB接口芯片，通過(guò)1K×8位的雙向FIFO與TMS320VC5410 DSP進(jìn)行通信。該USB芯片是一個(gè)從USB接口芯片，可直接與PC機(jī)或筆記本電腦進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸。

　　另外，本系統(tǒng)還采用TLC320AD50C芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制，該芯片的工作過(guò)程直接由TMS320VC5410控制。TLC320AD50C內(nèi)部有一路A/D和D/A，字長(zhǎng)16位，最高采樣率為22.05kHz。TLC320AD50C使用過(guò)采樣(Over Sampling)的∑-Δ技術(shù)提供從數(shù)字至模擬(D/A)和模擬至數(shù)字(A/D)的高分辨率低速轉(zhuǎn)換。該器件包括兩個(gè)串行的同步轉(zhuǎn)換通道(用于各自的數(shù)據(jù)方向)；在DAC之前有一個(gè)插入濾波器(Interpolation Filter)，在ADC之后有一個(gè)抽取濾波器(Decimation Filter)；其它的高級(jí)功能有片內(nèi)時(shí)序和控制?！?Δ結(jié)構(gòu)在低系統(tǒng)速度和低價(jià)格下實(shí)現(xiàn)高分辨率的模/數(shù)和數(shù)/模轉(zhuǎn)換。該器件的選項(xiàng)和電路結(jié)構(gòu)可通過(guò)串行接口進(jìn)行編程。其選項(xiàng)包括：復(fù)位、掉電、通信協(xié)議、串行時(shí)鐘率、信號(hào)采樣率、增益控制及測(cè)試方式等。TLC320AD50C的工作溫度范圍為0°C～70°C，適用于一般工業(yè)機(jī)器人的工作環(huán)境。圖3為TMS320VC5410與TLC320AD50C的連接電路。
　　在機(jī)器人工作環(huán)境中存在很多干擾，為提高機(jī)器人的抗干擾性能，在DSP中加入了濾波程序，濾波器結(jié)構(gòu)采用橫向FIR結(jié)構(gòu)，濾波方法采用自適應(yīng)濾波。在算法方面，雖然RLS算法效率高、向最佳估計(jì)值收斂得快，但比較復(fù)雜；LMS算法簡(jiǎn)單而易于實(shí)現(xiàn)，能滿足本項(xiàng)目的要求，足以保證性能，所以選用LMS算法。在階數(shù)選取上，低則濾波效果不好，高則計(jì)算量大、不能滿足實(shí)時(shí)性要求。為此，在滿足實(shí)時(shí)性的前提下，同時(shí)兼顧濾波效果也盡可能好，經(jīng)實(shí)驗(yàn)選取濾波器階數(shù)為32階。濾波器基本算法如下：
　?、賔or (k=0,k＜32,k++)y(n)=w(k)*x(n-k)
　?、趀(n)=d(n)-y(n)
　?、踗or(k=0,k＜32,k++)w(k)=w(k)+μ*e(n)*x(n-k)
　　算法程序流程如圖4所示。

　　圖5(a)為濾波前的信號(hào)，圖5(b)為加入高斯噪聲的信號(hào)，圖5(c)是經(jīng)過(guò)32階FIR濾波器進(jìn)行自適應(yīng)濾波后的信號(hào)波形?？梢?jiàn)能很好地去除干擾，取得比較好的濾波結(jié)果，提高了機(jī)器人的抗干擾性能。

3 微動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析
　　通過(guò)計(jì)算機(jī)控制微動(dòng)機(jī)器人關(guān)節(jié)上的DSP控制器產(chǎn)生方波電壓，加在壓電陶瓷微位移器上，使微動(dòng)機(jī)器人產(chǎn)生位移。從示波器上可讀出，微位移器階躍響應(yīng)時(shí)間為713.6ns(見(jiàn)圖6)。由此實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，通過(guò)DSP控制可以提高微動(dòng)機(jī)器人的輸出響應(yīng)速度。采用合適的控制算法，可進(jìn)一步提高其動(dòng)態(tài)性能" title="動(dòng)態(tài)性能">動(dòng)態(tài)性能。