基于CANopen通信协议的外骨骼控制系统设计研究

陈丹惠，顾潇宇，周 雄，赵江海，李子建

(1.常州先进制造技术研究所，江苏 常州 213164；2.中国科学院合肥物质科学研究院，安徽 合肥 230031；3.昆明理工大学农业与食品学院，云南 昆明 650500)

0 引言

外骨骼机器人使用人群广泛：用于肌肉萎缩或脑或脊髓功能损伤的人群，可提高该人群的生活质量；用于战场士兵以及部队后勤等健康人群，可提升特殊领域作业人员的作业能力[1-4]。国内外外骨骼机器人按驱动系统分类，主要包括电机驱动、液压驱动、气缸驱动以及气动人工肌肉驱动等类型[5-9]。国外的研究成果有日本筑波大学研制的Hybrid Assistive Leg系列、美国范德堡大学的 “Indego”外骨骼，但都存在系统自重过重、价格昂贵等问题。国内研究机构、高校和公司对外骨骼的研制[10]，大多还处于样机研制阶段，系统线路复杂、稳定性低。

本文针对国内外骨骼机器人的不足进行设计。控制系统设计采用控制器局域网络(controller area network,CAN)总线，连线少，结构清晰。CANopen通信协议在实时性和可靠性方面具有优势，可避免点对点连接造成的连线多、线路复杂、系统稳定性低的问题。

1 基本原理

外骨骼机器人从穿戴者需求出发，通过传感器检测穿戴者有无行走趋势，判断是否需要助力，从而实现有效、实时助力。助力大小可根据穿戴者的适应情况进行选取。外骨骼机器人与穿戴者连接单元从人机舒适度角度出发，可拟合人体曲线，选用柔性材料，提高穿戴者舒适度。

外骨骼机器人系统集成包括虚拟样机设计、控制系统设计与软件编制、研制样机性能试验三部分。系统集成框图如图1所示。

图1 系统集成框图Fig.1 System integration block diagram

2 CAN协议

2.1 概述

CANopen的基础是CAN。串行总线网络由Robert Bosch GmbH设计，用于协调汽车中的多个控制系统。CAN模型适用于分布式控制。任何设备都可以在网络上广播信息。每个设备都可以接收所有信息，并使用过滤器滤除不合适的信息。因此，单个信息可以到达多个节点，从而减少了需要发送的信息数量。这也大大减少了寻址所需的带宽，从而允许在整个系统中以实时速度进行分布式控制。

CAN在汽车和许多其他行业中的广泛使用，为用户提供了可用的廉价硬件和持续的支持。现有标准组件的可用性也减少了系统设计工作。CAN的相对简单性降低了培训要求。通过将控制分配给设备，CAN消除了设备与中央控制器之间多线连接的需求。更少的线路连接可在恶劣的工作条件下提高可靠性，而基于设备的错误检查和处理方法使CAN网络更加可靠。

CAN的物理层是差分驱动的两线总线，首末两端各有120 Ω电阻连接。 CAN所支持的最大波特率是1 Mbit/s，最长为25 m；较长的网络长度需要较低的波特率。

2.2 报文格式

CANopen报文在CAN报文内传输。CAN报文也称为通信对象(communication object,COB)。

CAN报文以网络数据包的形式，通过总线进行通信。每个数据包均包含1个标志符(CAN报文ID)、控制位和0～8个字节的数据。

每个CAN报文都有1个CAN报文ID(也称为COB-ID)。报文ID扮演着2个重要角色：提供节点接收或拒绝报文的标准；确定待传输消息的优先级。CAN报文的优先级被编码在报文ID中。报文ID的值越小，报文的优先级越高。当2个或更多设备尝试同时发送数据包时，优先级最高的数据包将成功，而其他设备将被退回并重试。与其他网络技术相比，这种冲突处理方法可以提高带宽利用率。例如，以太网通过要求2个设备中止传输并重试来处理冲突。

2.3 CRC错误检查

CAN协议突出的特点是错误检测、限制和处理。CAN协议与其他总线系统的不同之处在于：它没有定义用于识别错误类型的握手方法。向每个数据包发送循环冗余校验(cyclic redundancy check,CRC)信息，使控制器识别并重新发送格式错误的数据包。

2.4 CANopen设备模型

设备的基本模型包含通信单元、应用过程和对象字典3个部分。通信单元由CAN收发器、CAN控制器和CANopen通信协议栈组成。协议栈中包括实现通信的通信对象和状态机。通信对象包括过程数据对象(process data object,PDO)和服务数据对象(service data object,SDO)。

图2 CANopen设备模型Fig.2 CANopen device model

2.5 通信对象

CANopen应用层详细描述了各种不同类型的COB。这些通信对象都是由1个或多个CAN报文来实现的。通信对象分为以下4种类型。

①过程服务数据(PDO消息)，用于传输实时数据。

②服务数据对象(SDO服务器消息和SDO客户端消息)，用于读/写其他CANopen设备的对象字典。

③预定义对象(同步、时间和紧急报文)。

④网络管理对象，用于控制网络管理(network management,NMT)状态机(NMT消息)和监测设备(心跳、启动报文)。

3 控制系统设计

3.1 硬件系统组成

外骨骼机器人硬件系统结构图如图3所示。

图3 硬件系统结构图Fig.3 Hardware system structure diagram

硬件系统设计包括工业主板、显示器、PCAN-miniPCIe CAN卡、伺服驱动器模块、伺服电机模块和扭矩传感器。工业主板是整个控制系统的核心，负责数据处理和各个设备与系统的通信。PCAN-miniPCIe CAN卡与计算机相连，实时监测系统各设备状态，负责系统的监控和管理工作。该接口的CAN卡在汽车行业应用广泛，目前在机器人、医疗、传感器等行业也发展迅速。伺服系统由伺服驱动器模块和伺服电机模块组成，是整个控制系统的执行模块。良好的伺服性能对整个系统的控制非常关键。扭矩传感器通过驱动器的模拟量输入口，将数据上传到CAN总线。

硬件系统设计是外骨骼机器人良好运行的基础，因此各关键部件的选型尤为重要。硬件设计不仅要考虑器件本身发挥的作用，还要兼顾其接口与整体系统的匹配、兼容。

3.2 关键器件选型

根据硬件系统组成，对关键器件选型。工业主板从系统所需硬件接口及计算处理能力方面进行选型。本设计选择了台湾LexSYSTEM公司的1I386H嵌入式主板。该主板接口丰富，包含系统所需的MiniPCIe、USB、mSATA.M.2接口，且体积小、功耗低。

CAN卡的稳定直接关系到系统的通信质量。本设计选用的PCAN-miniPCIe CAN卡能够把嵌入式电脑和带有PCI Express Mini插槽的笔记本电脑连接到CAN总线网络。该CAN卡有单通道和双通道型号。在电脑和CAN之间的电气隔离达到300 V。套装内含CAN监视软件PCAN-View for Windows和用于开发CAN连接的编程接口PCAN-Basic。

驱动器在选型方面要考虑周全，比如通信口、模拟量口(及分辨率)、数字输入/输出口(电平5 V/24 V)及功耗尺寸等。根据系统的实际需求，本设计选择了美国Copley Controls Accelnet Micro Module。Accelnet Micro Module支持的CiA 402模式包括插值位置(PVT)，位置，速度，扭矩和回零。有10个逻辑输入。1个专用于Amp Enable功能，其他9个是可编程的。通过CMETM软件操作，可以进行驱动器调试，在Windows©下通过Accelnet Micro Module进行通信CAN或RS-232连接。

电机选择了maxon EC flat,由机械模型和助力要求分析选出具体型号。该系列电机重量轻，输出力矩大，且便于关节安装。

力传感器选用宇立公司自主研发的M221X系列单轴扭矩传感器。其特别适用于机器人关节的扭矩测量，在协作机器人上有大量应用。SRI的扭矩传感器厚度薄至7 mm，直径为53～100 mm，扭矩量程为20～300 Nm。传感器内置放大器，直流 5 V输入，0～5 V输出。

4 系统软件设计

4.1 系统软件组成

外骨骼机器人控制系统软件由初始化模块、通信模块、运动控制模块、算法规划模块、驱动控制模块和采集模块组成。

初始化模块对系统进行基本参数初始化。通信模块用于在上位机与下位机之间建立通信。采集模块是对力传感器数据的实时采集。驱动控制模块是由驱动器单元实现对电机的驱动。运动控制模块基于上位计算机控制实现。算法规划模块基于计算机编程实现。

系统软件如图4所示。

图4 系统软件框图Fig.4 System software block diagram

4.2 系统软件流程图

软件基于Ubuntu16.04，采用C语言实现。首先，进入主程序对系统进行初始化，配置并打开上位机CAN总线通信，并检测下位机系统所有CAN节点设备通信情况。然后，启动线程，进行数据采集。接着，判断是否需要助力：需要则进入助力线程；不需要则返回到启动线程后的状态。最后，结束任务，退出主程序。软件流程图如图5所示。

图5 软件流程图Fig.5 Software flowchart

5 系统试验

5.1 试验平台

试验平台基于外骨骼机器人、Win10操作系统计算机，PCAN-USB(USB转CAN接口)转接线缆和PCAN-View软件。

5.2 建立通信

打开PCAN-View软件，点击Connect，选择与所有节点一致的波特率即可连接成功。若完成上述操作不能正常操作节点，可从以下几个方面解决：①更改驱动器指令源方式为CANopen；②总线首末端的节点添加120 Ω的终端电阻；③布线的拓扑结构选用“手牵手”式连接；④线缆采用屏蔽双绞线；⑤降低波特率。

5.3 试验例子

外骨骼运行时，力矩信息、位置信息和速度信息需要实时上传到总线上进行分析、处理，从而进行指令下发。传输实时数据由CANopen中的PDO实现。 每个PDO包括通信参数和映射参数。CANOpen包括多种通信方式:主从站方式、客户服务器方式以及生产者消费者模式。其中，PDO采用生产者消费者模式。

PDO配置有明确的步骤。首先，激活节点，设置同步消息周期，激活同步功能；然后，配置PDO，关闭原有PDO通信参数配置，设置PDO每个同步消息更新一次，清空默认配置，将映射对象映射到映射参数中，设置映射参数映射对象数目；最后，打开PDO最高位设为0，使其有效。

按照上述步骤就可以实现所需数据的实时传输。通过PCAN-View软件逐一发送力矩采集的PDO配置报文，然后使用PCAN-View软件的跟踪功能，记录数据trc文件，将其导入MATLAB中，绘制出扭矩曲线。扭矩曲线如图6所示。该曲线与预期一致。

图6 扭矩曲线Fig.6 Torque curve

6 结论

由本文设计及试验可发现，通过基于CANopen通信协议的外骨骼机器人控制系统设计，可实现外骨骼机器人控制系统数据的稳定采集。稳定的系统性能对外骨骼机器人的推广和研究具有重要意义。