專利名稱：一種分布式多自由度機器人控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于機器人控制技術(shù)領(lǐng)域。具體涉及一種分布式多自由度機器人控制系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
機器人作業(yè)任務和作業(yè)環(huán)境的日趨復雜，對機器人控制系統(tǒng)的性能要求也不斷提高。開發(fā)出響應速度快、可擴展性強、可遠程操作的多自由度機器人控制系統(tǒng)，已成為一個重要研究方向。
多自由度機器人運動規(guī)劃中，機器人控制器與各自由度關(guān)節(jié)模塊控制驅(qū)動器需進行大量的數(shù)學計算和數(shù)據(jù)交換，如坐標變換、正逆運動學方程求解、高次插補計算等。這一系列的運算和數(shù)據(jù)交換均需采用高速的處理器才能滿足運動規(guī)劃控制的實時性要求?！盎诜植际娇刂频募床寮从脵C械臂系統(tǒng)”(CN 200410053259.9)采用8位單片機來實現(xiàn)對機械臂的運動規(guī)劃控制，其運算能力和數(shù)據(jù)處理能力有限，難以滿足運動規(guī)劃控制的實時性要求。
多自由度機器人控制系統(tǒng)還應滿足開發(fā)周期短、可擴展性強以及維護方便的特點?！耙环N模塊化可變結(jié)構(gòu)蛇形機器人”(ZL 02144565.6)機器人由多個相同結(jié)構(gòu)的關(guān)節(jié)模塊組成，主機與中間層控制板通過串口通訊，控制板與多個底層伺服控制器連接，該系統(tǒng)具有模塊化、可變結(jié)構(gòu)的特點，便于加工制造、調(diào)試，易于維護和更換。但每個關(guān)節(jié)的位置控制不是采用專用的運動規(guī)劃器，而是由主控計算機完成，處理速度有限，當關(guān)節(jié)模塊較多時，其擴展性受到了一定的限制。
另外，隨著機器人應用領(lǐng)域的擴展，如危險環(huán)境下機器人作業(yè)，本地控制已難以滿足要求，機器人需具備遠程操作能力。采用自下而上的分層設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理(王沫楠，孫立寧.多運動方式移動機器人控制系統(tǒng)設(shè)計.電機與控制學報.2005第9卷第4期)，但由于上位機與DSP5410之間采用串口通訊方式，最大波特率為115200bps，系統(tǒng)的實時規(guī)劃性受到一定的限制，同時，也限制了對機器人的遠程控制。因此，其通訊速度以及控制的靈活性有待進一步提升。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、響應速度快、可擴展性強、可遠程操作、具有實時運動規(guī)劃能力、能夠?qū)崿F(xiàn)機器人關(guān)節(jié)精確控制的分布式多自由度機器人控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)可用于工業(yè)機器人、機械臂、空間機器人、類人機器人等具有多個自由度模塊的機器人控制系統(tǒng)。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是采用本申請人同日申請的“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”的專利技術(shù)和“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”的專利技術(shù)，組成“系統(tǒng)+子系統(tǒng)+模塊”的三級分布式控制系統(tǒng)。
其具體技術(shù)方案是將工業(yè)計算機通過以太網(wǎng)以有線或無線連接方式與一個或多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”相連；一個或多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”通過CAN-bus分別與一個或多個“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”相連。直流電源分別與一個或多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”和一個或多個“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”相連。其中所述的以太網(wǎng)有線連接方式為工業(yè)計算機或直接與一個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”相連、或通過路由器與多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”相連；以太網(wǎng)無線連接方式為工業(yè)計算機以無線通訊方式通過路由器與一個或多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”相連。路由器或為無線路由器或為有線路由器。
所采用的“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”包括電源轉(zhuǎn)換模塊、DSP芯片、以太網(wǎng)控制器、以太網(wǎng)連接器、CAN總線連接器、CAN總線接口芯片。電源轉(zhuǎn)換模塊的輸出端分別與DSP芯片、以太網(wǎng)控制器、以太網(wǎng)連接器、CAN總線接口芯片連接，DSP芯片分別與以太網(wǎng)控制器、CAN總線接口芯片連接，以太網(wǎng)控制器與以太網(wǎng)連接器連接，CAN總線接口芯片與CAN總線連接器連接。多自由度機器人運動規(guī)劃控制軟件集成在DSP芯片中。
以太網(wǎng)連接器或直接與工業(yè)計算機相連、或通過路由器與工業(yè)計算機相連，CAN總線連接器與CAN-bus相連，電源轉(zhuǎn)換模塊的24V、COM輸入端與直流電源相連。
所采用的“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”包括直流電源接口、電源轉(zhuǎn)換單元、DSP芯片、信息采集反饋單元、直流電機、控制驅(qū)動單元、自我保護單元、接近開關(guān)、CAN通訊單元。電源轉(zhuǎn)換單元分別與CAN通訊單元、DSP芯片、信息采集反饋單元、控制驅(qū)動單元、自我保護單元、接近開關(guān)、直流電源接口連接，DSP芯片分別與CAN通訊單元、信息采集反饋單元、控制驅(qū)動單元、自我保護單元、接近開關(guān)連接，控制驅(qū)動單元分別與自我保護單元、直流電機、直流電源接口連接，信息采集反饋單元與直流電機軸連接。模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器的軟件程序集成在DSP芯片中。
CAN通訊單元與CAN-bus相連，直流電源接口的24V、COM輸入端與直流電源相連。
所采用的直流電源的輸出端24V分別與“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”的輸入端24V、“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”的輸入端24V連接。直流電源的輸出端GND分別與“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”的輸入端COM、“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”的輸入端COM連接。
本發(fā)明的工作流程為系統(tǒng)啟動后，首先對系統(tǒng)各控制器初始化，包括對上位工業(yè)計算機、路由器、“一種基于網(wǎng)絡的多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”、“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”的初始化。然后，判斷用戶是否發(fā)送機器人終端運動指令，當用戶沒有發(fā)送機器人運動指令時，系統(tǒng)處于等待狀態(tài)；當用戶通過以太網(wǎng)或路由器發(fā)送機器人運動指令后，“一種基于網(wǎng)絡的多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”接收以太網(wǎng)總線信息，進行機器人運動規(guī)劃，并依次發(fā)送機器人各關(guān)節(jié)運動控制指令至CAN總線，“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”通過CAN總線接收運動控制指令，并驅(qū)動相應的電機運動，同時發(fā)送各關(guān)節(jié)自由度電機位置信息至CAN總線?！耙环N基于網(wǎng)絡的多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”通過CAN總線接收“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”發(fā)出的獨立關(guān)節(jié)運動信息，并計算出機器人當前位姿，最后通過以太網(wǎng)或路由器將該位姿信息發(fā)送給上位工業(yè)計算機。
由于采用上述技術(shù)方案，“一種基于網(wǎng)絡的多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”通過以太網(wǎng)通訊單元接收并解析工業(yè)計算機下傳的機器人運動指令，實現(xiàn)機器人各自由度模塊的軌跡規(guī)劃，并通過CAN總線下傳規(guī)劃后的運動控制指令。
“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”通過CAN總線接收“一種基于網(wǎng)絡的多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”下傳的運動控制指令，控制電機以期望的速度、加速度運動到期望的位置，以保證機器人運動到期望的位姿。
“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”實質(zhì)上就是一個獨立的智能模塊，集供電、通訊、控制驅(qū)動和自我保護于一體。面對不同的作業(yè)任務，可以很方便地將多個獨立關(guān)節(jié)控制器通過連接件連接在一起，組成一個多自由度機器人。當環(huán)境和任務有特殊需求時，將兩個或多個“一種基于網(wǎng)絡的多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”通過以太網(wǎng)有線或無線方式分別與工業(yè)計算機相連，多個“一種基于網(wǎng)絡的多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”通過CAN總線分別與多個“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”連接，可構(gòu)建多自由度的雙臂、多臂或類人機器人，具有很強的可擴展性。
“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”與“一種基于網(wǎng)絡的多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”之間僅需要四根電氣接口線電源線24V、接地(GND)、CAN控制線(CANH和CANL)，故結(jié)構(gòu)簡單，方便自由度關(guān)節(jié)重構(gòu)和維護。
系統(tǒng)采用標準工業(yè)計算機、標準以太網(wǎng)、CAN總線通訊接口、標準路由器、Windows NT計算機操作系統(tǒng)及Visual C++標準語言編程，增強了系統(tǒng)的開放性、可移植性和可交換性。
可見，該控制系統(tǒng)采用組合式結(jié)構(gòu)，以系統(tǒng)設(shè)計為中心，以“分級模塊化設(shè)計”為原則，每一級控制器任務完整而又單一。不僅結(jié)構(gòu)簡單、性能好、開發(fā)周期短，成本低，而且響應速度快、可擴展性強、可遠程操作、具有運動實時規(guī)劃能力，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人精確控制。因而可廣泛應用于工業(yè)機器人、機械臂、空間機器人、類人機器人等具有多個自由度模塊的機器人控制系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明的一種控制系統(tǒng)示意圖；圖2為圖1中的一種以太網(wǎng)有線連接方式的示意圖；圖3為圖1中的一種以太網(wǎng)無線連接方式的示意圖；圖4為圖1中的“一種基于網(wǎng)絡的多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2的遠程控制方式的示意圖；圖5為圖1中的“一種基于網(wǎng)絡的多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2的本地控制方式的示意圖；圖6為圖1中的“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3在本系統(tǒng)中的連接示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的描述實施例1一種分布式多自由度機器人的有線控制系統(tǒng)。
該系統(tǒng)如圖1、圖5所示，將工業(yè)計算機1通過雙絞線以有線連接方式直接與一個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2相連，“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2通過CAN-bus分別與多個“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3相連。直流電源4分別與“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2和多個“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3相連。
所采用的“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2的專利技術(shù)如圖5所示，包括電源轉(zhuǎn)換模塊6、DSP芯片7、以太網(wǎng)控制器8、以太網(wǎng)連接器9、CAN總線連接器10、CAN總線接口芯片11；電源轉(zhuǎn)換模塊6的輸出端分別與DSP芯片7、以太網(wǎng)控制器8、以太網(wǎng)連接器9、CAN總線接口芯片11連接，DSP芯片7分別與以太網(wǎng)控制器8、CAN總線接口芯片11連接，以太網(wǎng)控制器8與以太網(wǎng)連接器9連接，CAN總線接口芯片11與CAN總線連接器10連接。多自由度機器人運動規(guī)劃控制軟件集成在DSP芯片7中。
CAN總線連接器10與CAN-bus相連，電源轉(zhuǎn)換模塊6的24V、COM輸入端與直流電源4相連。
所采用的“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3的專利技術(shù)如圖6所示，包括直流電源接口12、電源轉(zhuǎn)換單元13、DSP芯片14、信息采集反饋單元15、直流電機16、控制驅(qū)動單元17、自我保護單元18、接近開關(guān)19、CAN通訊單元20。電源轉(zhuǎn)換單元13分別與CAN通訊單元20、DSP芯片14、信息采集反饋單元15、控制驅(qū)動單元17、自我保護單元18、接近開關(guān)19、直流電源接口12連接，DSP芯片14分別與CAN通訊單元20、信息采集反饋單元15、控制驅(qū)動單元17、自我保護單元18、接近開關(guān)19連接，控制驅(qū)動單元17分別與自我保護單元18、直流電機16、直流電源接口12連接，信息采集反饋單元15與直流電機16軸連接。模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器的軟件程序集成在DSP芯片14中。
CAN通訊單元20與CAN-bus相連，直流電源接口12的24V、COM輸入端與直流電源4相連。
直流電源4的輸出端24V如圖5、圖6所示，分別與“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3的輸入端24V、“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2的輸入端24V連接；直流電源4的輸出端GND分別與“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3的輸入端COM、“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2的輸入端COM連接。
實施例2一種分布式多自由度機器人的有線控制系統(tǒng)。
該系統(tǒng)如圖1、圖2、圖4所示，將工業(yè)計算機1通過路由器5以有線連接方式與多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2相連，多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2通過CAN-bus分別與多個“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3相連。直流電源4分別與多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2和多個“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3相連。
“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2與“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3之間的連接方式同實施例1。
實施例3一種分布式多自由度機器人的無線控制系統(tǒng)。
該系統(tǒng)如圖1、圖3、圖4所示，將工業(yè)計算機1通過無線路由器5以無線連接方式與一個或多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2相連，一個或多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2通過CAN-bus分別與多個“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3相連。直流電源4分別與一個或多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2和多個“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3相連。
“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2與“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3之間的連接方式同實施例1。
該實施方式采用組合式結(jié)構(gòu)，以系統(tǒng)設(shè)計為中心，以“分級模塊化設(shè)計”為原則，每一級控制器任務完整而又單一。不僅結(jié)構(gòu)簡單、性能好、開發(fā)周期短，成本低，而且響應速度快、可擴展性強、可遠程操作、具有運動實時規(guī)劃能力，能夠?qū)崿F(xiàn)機器人精確控制。因而可廣泛應用于工業(yè)機器人、機械臂、空間機器人、類人機器人等具有多個自由度模塊的機器人控制系統(tǒng)。
權(quán)利要求
1.一種分布式多自由度機器人控制系統(tǒng)，其特征在于將工業(yè)計算機1通過以太網(wǎng)以有線或無線連接方式與一個或多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2相連；一個或多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2通過CAN-bus分別與一個或多個“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3相連；直流電源4分別與一個或多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2和一個或多個“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式多自由度機器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述的以太網(wǎng)有線連接方式為工業(yè)計算機1或直接與一個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2相連、或通過路由器5與多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2相連；以太網(wǎng)無線連接方式為工業(yè)計算機1以無線通訊方式通過路由器5與一個或多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的分布式多自由度機器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述的路由器5或為無線路由器或為有線路由器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式多自由度機器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述的“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2包括，電源轉(zhuǎn)換模塊6、DSP芯片7、以太網(wǎng)控制器8、以太網(wǎng)連接器9、CAN總線連接器10、CAN總線接口芯片11；電源轉(zhuǎn)換模塊6的輸出端分別與DSP芯片7、以太網(wǎng)控制器8、以太網(wǎng)連接器9、CAN總線接口芯片11連接，DSP芯片7分別與以太網(wǎng)控制器8、CAN總線接口芯片11連接，以太網(wǎng)控制器8與以太網(wǎng)連接器9連接，CAN總線接口芯片11與CAN總線連接器10連接，多自由度機器人運動規(guī)劃控制軟件集成在DSP芯片7中；以太網(wǎng)連接器9或直接與工業(yè)計算機1相連、或通過路由器5與工業(yè)計算機1相連；CAN總線連接器10與CAN-bus相連；電源轉(zhuǎn)換模塊6的24V、COM輸入端與直流電源4相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式多自由度機器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述的“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3包括，直流電源接口12、電源轉(zhuǎn)換單元13、DSP芯片14、信息采集反饋單元15、直流電機16、控制驅(qū)動單元17、自我保護單元18、接近開關(guān)19、CAN通訊單元20；電源轉(zhuǎn)換單元13分別與CAN通訊單元20、DSP芯片14、信息采集反饋單元15、控制驅(qū)動單元17、自我保護單元18、接近開關(guān)19、直流電源接口12連接，DSP芯片14分別與CAN通訊單元20、信息采集反饋單元15、控制驅(qū)動單元17、自我保護單元18、接近開關(guān)19連接，控制驅(qū)動單元17分別與自我保護單元18、直流電機16、直流電源接口12連接，信息采集反饋單元15與直流電機16軸連接，模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器的軟件程序集成在DSP芯片14中；CAN通訊單元20與CAN-bus相連，直流電源接口12的24V、COM輸入端與直流電源4相連。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的分布式多自由度機器人控制系統(tǒng)，其特征在于所述的直流電源4的輸出端24V分別與“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3的輸入端24V、“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2的輸入端24V連接；直流電源4的輸出端GND分別與“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3的輸入端COM、“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2的輸入端COM連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分布式多自由度機器人控制系統(tǒng)。其技術(shù)方案是將工業(yè)計算機1通過以太網(wǎng)以有線或無線連接方式與一個或多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2相連；一個或多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2通過CAN－bus分別與一個或多個“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3相連；直流電源4分別與一個或多個“一種多自由度機器人運動規(guī)劃控制器”2和一個或多個“一種基于DSP的模塊化機器人獨立關(guān)節(jié)控制器”3相連。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、性能好、開發(fā)周期短、成本低，且響應速度快、可擴展性強、可遠程操作、具有運動實時規(guī)劃能力、能夠?qū)崿F(xiàn)機器人精確控制。
文檔編號B25J13/00GK101045297SQ20071005184
公開日2007年10月3日 申請日期2007年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月12日
發(fā)明者吳懷宇, 趙偉, 胡琳萍, 程磊, 余亞強, 方恒, 劉亮, 張巍 申請人:武漢科技大學