摘要：提供了采用TMS320F206 DSP芯片進(jìn)行冗余度TT-VGT機器人運動學(xué)計算方案。該方案充分利用DSP并行特性進(jìn)行機器人位姿逆解計算，在程序設(shè)計中采用了多種技巧以實現(xiàn)優(yōu)化計算，并對四重四面體變幾何桁架（TT-VGT）機器人進(jìn)行了仿真計算。

    關(guān)鍵詞：DSP 并行計算 TT-VGT機器人 運動學(xué)

20世紀(jì)90年代以來，數(shù)字信號處理器（DSP）在自動控制中得到越來越廣泛的應(yīng)用。這主要是因為它具有以下優(yōu)點：（1）并行體系結(jié)構(gòu)和專用的硬件乘法器使得DSP運算能力極強；（2）高速特性使得DSP能實現(xiàn)實時處理和實時控制。

    據(jù)調(diào)查，目前將DSP應(yīng)用于機器人控制系統(tǒng)的方案，通常是將機器人位置控制中運動學(xué)計算任務(wù)交給PC機完成，PC機將計算結(jié)果（機器人各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角）下載到以DSP芯片為核心的電機控制器，實現(xiàn)機器人控制[2]。本文提出將機器人運動學(xué)計算任務(wù)直接交給DSP的控制方案，利用DSP的并行性計算特點，提高了計算速度，縮小了控制系統(tǒng)的體積。仿真結(jié)果表明，該方案計算精度和實時性都較好。

1 TMS320F206 DSP結(jié)構(gòu)特點

TMS320F206DSP基本結(jié)構(gòu)特點包括：①哈佛結(jié)構(gòu)；②流水線操作；③專用的硬件乘法器；④特殊的DSP指令；⑤快速的指令周期（25ns）；⑥芯片內(nèi)部集成了4.5KRAM和32K FLASH RAM，大多數(shù)程序及數(shù)據(jù)可存放在DSP芯片內(nèi)。這些特點使得該芯片可以實現(xiàn)快速的DSP計算，并能使大部分運算能夠在一個指令周期內(nèi)完成。TMS320F206的并行性表現(xiàn)在以下兩方面：

    （1）哈佛結(jié)構(gòu)是不同于傳統(tǒng)的馮諾曼結(jié)構(gòu)的并行體系結(jié)構(gòu)，其主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間，因此取指令和執(zhí)行能完全重疊運行。

（2）DSP芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行時間。指令流水線由一系列總線操作組成。TMS320F206流水線具有4個獨立的操作階段：取指令、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行，如圖1所示。由于4個操作階段是獨立的，因此，這些操作可交疊地進(jìn)行。

2 TT-VGT機器人的位姿逆解

TT-VGT（Tetrahedron-Tetrahedron-Variable Geometry Truss）機器人是由多個四面體組成的變幾何桁架機器人，平面ABC為機器人的基礎(chǔ)平臺，基本單元中各桿之間由球校連接，通過可伸縮構(gòu)件li(i=1,2,…n)的長度，來改變機構(gòu)的構(gòu)形，如圖2所示。

設(shè)冗余度TT-VGT機器人操作手由N個伸縮關(guān)節(jié)組成，圖3所示為兩個單元的TT-VGT構(gòu)成。設(shè)變量qi(i=1，2，…N)為平面ACB和平面BCD的夾角，其相應(yīng)的速度和加速度分別為qi,qi(i=1,2,…N)。

它們與li,li,li(i=1，2，…N)的關(guān)系如下[1]：

式中，d表示TT-VGT中不可伸縮構(gòu)件的長度

li,l'i,l''I分別表示機器人可縮構(gòu)件的長度、速度和加速度

相鄰兩個四面體單元的坐標(biāo)系的建立如圖3所示。坐標(biāo)系XiYiZi相對于坐標(biāo)系Xi-1Yi-1的變換矩陣可表示為：

    摘要：提供了采用TMS320F206 DSP芯片進(jìn)行冗余度TT-VGT機器人運動學(xué)計算方案。該方案充分利用DSP并行特性進(jìn)行機器人位姿逆解計算，在程序設(shè)計中采用了多種技巧以實現(xiàn)優(yōu)化計算，并對四重四面體變幾何桁架（TT-VGT）機器人進(jìn)行了仿真計算。

    關(guān)鍵詞：DSP 并行計算 TT-VGT機器人 運動學(xué)

20世紀(jì)90年代以來，數(shù)字信號處理器（DSP）在自動控制中得到越來越廣泛的應(yīng)用。這主要是因為它具有以下優(yōu)點：（1）并行體系結(jié)構(gòu)和專用的硬件乘法器使得DSP運算能力極強；（2）高速特性使得DSP能實現(xiàn)實時處理和實時控制。

    據(jù)調(diào)查，目前將DSP應(yīng)用于機器人控制系統(tǒng)的方案，通常是將機器人位置控制中運動學(xué)計算任務(wù)交給PC機完成，PC機將計算結(jié)果（機器人各關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角）下載到以DSP芯片為核心的電機控制器，實現(xiàn)機器人控制[2]。本文提出將機器人運動學(xué)計算任務(wù)直接交給DSP的控制方案，利用DSP的并行性計算特點，提高了計算速度，縮小了控制系統(tǒng)的體積。仿真結(jié)果表明，該方案計算精度和實時性都較好。

1 TMS320F206 DSP結(jié)構(gòu)特點

TMS320F206DSP基本結(jié)構(gòu)特點包括：①哈佛結(jié)構(gòu)；②流水線操作；③專用的硬件乘法器；④特殊的DSP指令；⑤快速的指令周期（25ns）；⑥芯片內(nèi)部集成了4.5KRAM和32K FLASH RAM，大多數(shù)程序及數(shù)據(jù)可存放在DSP芯片內(nèi)。這些特點使得該芯片可以實現(xiàn)快速的DSP計算，并能使大部分運算能夠在一個指令周期內(nèi)完成。TMS320F206的并行性表現(xiàn)在以下兩方面：

    （1）哈佛結(jié)構(gòu)是不同于傳統(tǒng)的馮諾曼結(jié)構(gòu)的并行體系結(jié)構(gòu)，其主要特點是將程序和數(shù)據(jù)存儲在不同的存儲空間，因此取指令和執(zhí)行能完全重疊運行。

（2）DSP芯片廣泛采用流水線以減少指令執(zhí)行時間。指令流水線由一系列總線操作組成。TMS320F206流水線具有4個獨立的操作階段：取指令、譯碼、取操作數(shù)和執(zhí)行，如圖1所示。由于4個操作階段是獨立的，因此，這些操作可交疊地進(jìn)行。

2 TT-VGT機器人的位姿逆解

TT-VGT（Tetrahedron-Tetrahedron-Variable Geometry Truss）機器人是由多個四面體組成的變幾何桁架機器人，平面ABC為機器人的基礎(chǔ)平臺，基本單元中各桿之間由球校連接，通過可伸縮構(gòu)件li(i=1,2,…n)的長度，來改變機構(gòu)的構(gòu)形，如圖2所示。

設(shè)冗余度TT-VGT機器人操作手由N個伸縮關(guān)節(jié)組成，圖3所示為兩個單元的TT-VGT構(gòu)成。設(shè)變量qi(i=1，2，…N)為平面ACB和平面BCD的夾角，其相應(yīng)的速度和加速度分別為qi,qi(i=1,2,…N)。

它們與li,li,li(i=1，2，…N)的關(guān)系如下[1]：

式中，d表示TT-VGT中不可伸縮構(gòu)件的長度

li,l'i,l''I分別表示機器人可縮構(gòu)件的長度、速度和加速度

相鄰兩個四面體單元的坐標(biāo)系的建立如圖3所示。坐標(biāo)系XiYiZi相對于坐標(biāo)系Xi-1Yi-1的變換矩陣可表示為：