前言

機器人是近年來發展起來的一門綜合學科，它集中了機械工程、電子工程、計算機工程、仿生學、自動控制工程以及人工智能等眾多學科的最新科研成果，代表了機電一體化的最高成就，是目前科技發展最活躍的領域之一。目前，機器人技術已經取得了很大的發展，產生了各種各樣的機器人，如工業機器人，爬壁機器人，排爆機器人，水下機器人，它們都已經在生產和生活中得到了廣泛的應用，發揮了巨大的作用。

智能步行機器人是機器人中科技水平最高的，隨著人工智能和自動控制等技術的不斷發展，有了許多成功地例子，如本田的P2，ASIMO，索尼的SDR-3X，SDR-4X等。它們在靈活性，穩定性，步行速度等方面都得到了很大的改進，已經能夠行走和擺出各種動作，可以演奏樂曲，跳舞和踢球。盡管如此，這些步行機器人的用處還是十分的有限，在長距離行走、負重、成本以及在復雜環境下的適應能力等方面存在許多的問題，還不能廣泛的應用于人們的日常生活中，現在主要用于示教、展覽和禮儀接待。

CAN(ControllerAreaNetwork)總線最早是由德國Bosch公司推出，用于汽車內部測量與執行部件之間的數據通信協議。其總線規范已被ISO國際標準組織制定為國際標準，并且廣泛應用于離散控制領域。它也是基于OSI模型，但進行了優化，采用了其中的物理層、數據鏈路層、應用層，提高了實時性。其節點有優先級設定，支持點對點、一點對多點、廣播模式通信。各節點可隨時發送消息。傳輸介質為雙絞線，通信速率與總線長度有關。CAN總線采用短消息報文，每一幀有效字節數為8個；當節點出錯時，可自動關閉，抗干擾能力強，可靠性高。基于CAN總線具有以上的特點，為工業控制系統高可靠性的數據傳輸提供了一種新的解決方案。CAN總線已成為最有發展前途的現場總線之一。

1 控制系統組成

控制系統是機器人的大腦，它的性能優劣直接影響到機器人的先進程度和功能強弱。助力行走機器人是一個機電一體化的設備，從控制系統觀點來看，整個系統可分為五部分：機器人結構、控制器、傳感器、環境和佩戴者，其中的控制器、機器人結構、傳感器等部分構成了控制系統，各部分之間的關系如圖1所示。

圖1 控制系統相互關系

機器人控制器是根據傳感器信息并按照一定的控制算法控制機器人完成一定的動作或作業任務的裝置。機器人控制器有多種不同的控制策略：非伺服(開環)控制、伺服控制、基于傳感信息的控制、最優PID控制、非線性反饋的動態補償控制、自適應控制、變結構(滑模)控制、模糊控制等。

由于控制器功能的增多和速度的不斷提高，控制器的研究已經由硬件過渡到軟件、由具體控制器過渡到通用開放式體系結構、由單獨控制過渡到多機協調控制，開發“具有開放式結構的模塊化、標準化機器人控制器”已成為機器人控制器發展的一個方向

2 CAN總線

控制器局域網CAN為串行通信協議，能有效地支持具有很高安全等級的分布實時控制。CAN已經成為國際標準，并已被公認為幾種最有前途的現場總線之一。

2.1CAN總線性能特點

CAN屬于總線式串行通信網絡，由于其采用了許多新技術及獨特的設計，與一般的通信總線相比，CAN總線的數據通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。其特點可概括如下：

1、CAN是采用國際標準(ISO-11898)的現場總線，協議規范為CAN2.0PARTA，PARTB。

2、CAN為多主方式工作，網絡上任一節點均可在任意時刻主動地向網絡上其它節點發送信息，通信方式靈活。

3、在報文標識符上，CAN上的節點分成不同的優先級，可滿足不同的實時要求，優先級高的數據最多可在134μs內得到傳輸。

4、CAN采用非破壞總線仲裁技術。當多個節點同時向總線發送信息出現沖突時，優先級較低的節點會主動地退出發送，而最高優先級的節點可不受影響地繼續傳輸數據，從而大大節省了總線沖突仲裁時間。尤其是在網絡負載很重的情況下，也不會出現網絡癱瘓情況。

5、CAN節點只需對報文的標識符濾波即可實現點對點，一對多及全局廣播等幾種方式傳送接收數據。

6、CAN的直接通信距離最遠可達10km(速率5kbps以下)；通信速率最高可達1Mbps(此時通信距離最長為40m)。

7、采用短幀結構，一次傳送的字節為8個(CAN2.0A)，而擴展標準(CAN2.0B)傳

送的字節數為64個。這樣傳輸時間短，受干擾概率低，具有良好的檢錯效果。

8、CAN總線具有較高的性能價格比。它結構簡單，器件容易購置，每個節點的價

格較低，而且開發技術容易掌握，能充分利用現有的單片機開發工具。

2.2CAN總線分層結構

CAN協議是建立在國際標準組織的開放系統互聯模型基礎上的，其模型結構只有3層，如圖2所示，即只取OSI底層的物理層、數據鏈路層和應用層。由于CAN的結構簡單，又是范圍較小的局域網，一般不需要其他的中間層，應用層數據直接取自數據鏈路層或直接向鏈路層寫數據。結構層次少，有利于系統中實時控制信號的傳送。

圖2 CAN總線OSI模型

數據鏈路層包括邏輯鏈路控制子層(LLC,LogicalLinkControl)，介質訪問控制子層(MAC,MediumAccessControl)。

3 CAN總線的控制網絡設計

節點是網絡上信息的接收和發送站，CAN總線系統中共有兩種類型的節點；不帶微處理器的非智能節點和帶微處理器的智能節點。本文所設計的行走機器人系統采用的是智能節點，通過各個智能節點采集信號和執行上位機的指令。

圖3中所設計的控制網絡的主要通信單元組成，整個行走機器人主要有主控單元，信號采集單元，底層電機驅動單元三部分組成，三個部分通過CAN總線組成一個有機的整體，共同實現控制任務。其中的信號采集部分包括左右腳底的壓力信號采集單元和下肢主要肌群部位的壓力信號采集單元；底層電機驅動單元主要包括位于左右腿上髖關節和膝關節部位的智能驅動單元。

圖3 基于CAN總線的控制網絡

4 結論

本文主要介紹了步行機器人的發展狀況，對CAN總線方式進行分析研究。結合行走機器人的特點進行控制系統和通信方式的選擇，設計了基于CAN總線的行走機器人控制網絡。本控制網絡的主要由通信單元組成，整個行走機器人主要有主控單元，信號采集單元，底層電機驅動單元三部分組成，三個部分通過CAN總線組成一個有機的整體，共同實現控制任務。