專利名稱：分布式仿人機器人通用控制系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種分布式仿人機器人通用控制系統(tǒng)，實現(xiàn)仿人機器人控制系統(tǒng)模 塊的標準化和通用化，涉及機器人、計算機工程、人機接口技術等領域。
背景技術：
近年來，仿人機器人已成為機器人領域研究的熱點。仿人機器人具有其他類型 機器人無法比擬的優(yōu)勢，便于融入人類日常生活和工作環(huán)境中，協(xié)助人類完成具體 的任務。然而仿人機器人作為一個復雜的具有30多個自由度的系統(tǒng)，需要有效利 用自身多傳感信息來感知外界環(huán)境及自身狀態(tài)變化，并對其運動執(zhí)行機構進行調 整，因此要求其控制系統(tǒng)需要有很高的可靠性和實時性。
以往采用的集中式控制系統(tǒng)，控制功能高度集中，具有較快的數(shù)據傳輸速度和 精度，但局部的故障就可能造成系統(tǒng)的整體失效。因此，韓國的K服-2、美國的Guroo 等先進系統(tǒng)都是采用了基于CAN (Controller Area Network)總線的分布式的體系結 構，該結構可以簡化機器人控制系統(tǒng)的布線，提高了系統(tǒng)的可擴展性。
早先的機器人控制系統(tǒng)的設計中，較多使用的是Windows、 DOS等分時操作系 統(tǒng)。這種操作系統(tǒng)追求系統(tǒng)整體平均性能的優(yōu)化，操作界面友好，系統(tǒng)成熟，便于 開發(fā)調試；但卻無法保證特定的任務在限定的時間內得到響應，不能滿足高實時性 的要求，從而無法保證多關節(jié)的實時協(xié)調運動。因此，對于仿人機器人的穩(wěn)定行走， 實時操作系統(tǒng)是不可或缺的。目前許多機器人都采用實時操作系統(tǒng)進行運動控制， 如日本的ASIMO、德國的Johnnie等。然而實時操作系統(tǒng)對于機器人多媒體性能支 持較差，編程繁瑣及用戶界面不友好，因此增加了仿人機器人系統(tǒng)整體調試的難度。
發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術的不足以及仿人機器人自身的特點，提出一種分布式仿人機器人通用控制系統(tǒng)，可以獨立于仿人機器人平臺，各功能模塊標準化 通用化，提高系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性、實時性，實現(xiàn)整體性能的優(yōu)化。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明設計的分布式仿人機器人通用控制系統(tǒng)采用雙主機的 控制結構作為相應的主控層方案，并使用智能體作為基本的協(xié)調執(zhí)行層控制單元， 主控層與協(xié)調執(zhí)行層之間的信息傳輸通過通信層實現(xiàn)。雙主機的主控層結構中，基 于Windows系統(tǒng)的主機主要負責仿人機器人的調試和多媒體信息的處理，基于實時 系統(tǒng)的主機負責仿人機器人實時運動控制。每個智能體具有自己的光電信號處理 器、關節(jié)控制器和關節(jié)驅動電路。每個智能體都具有一定的自主性，不僅可以將相 應傳感器的數(shù)據轉換為機器人的實際狀態(tài)，而且可以直接對機器人的一些異常情況 進行處理，以提高系統(tǒng)處理突發(fā)事件的實時性。
本發(fā)明的仿人機器人通用控制系統(tǒng)的核心是三個相互獨立的子系統(tǒng)主控層、 協(xié)調執(zhí)行層和通信層。
本發(fā)明的主控層負責產生機器人關節(jié)運動序列，協(xié)調各個關節(jié)完成指定的動 作，接收協(xié)調執(zhí)行層發(fā)出的反饋信號并進行相應處理。主控層由兩臺主控計算機組 成， 一臺工作于實時系統(tǒng)下，完成機器人的步態(tài)規(guī)劃與行走控制；另一臺工作于 Windows系統(tǒng)下，進行機器人關節(jié)電機的調試、電機發(fā)送信號的檢查、傳感信息的 獲得以及用于例外情況的緊急處理。
本發(fā)明的協(xié)調執(zhí)行層由若干個獨立的智能體構成，負責仿人機器人關節(jié)伺服控 制。每個智能體由l個關節(jié)控制器、若干個關節(jié)驅動電路和相應的光電信號處理器 構成；關節(jié)控制器向驅動電路發(fā)送信號，再由驅動電路控制電機運動，光電信號處 理器接收光電編碼器信號，再將光電編碼器信號傳回關節(jié)控制器。基于智能體的分 層控制系統(tǒng)通過充分發(fā)揮智能體的智能性來提高仿人機器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和 實時性。
本發(fā)明所述通信層主要負責主控層和協(xié)調執(zhí)行層之間信息的傳輸交換，為了實 現(xiàn)實時性的要求，采用了雙總線分布式的控制方法，詳見上海交通大學申請的"仿人機器人分布式雙總線運動控制系統(tǒng)"專利(專利申請?zhí)?00810038844. X)。主 控計算機將控制指令封裝為CAN數(shù)據包后，通過CAN接口卡將CAN數(shù)據包放入通信層， 然后通過CAN總線傳送至協(xié)調執(zhí)行層的各個智能體，由智能體增加進行數(shù)據的接收 與處理，并對電機進行控制；同時智能體將接收到的光電編碼器信號封裝為CAN數(shù) 據包后再通過CAN總線傳回主控計算機。
本發(fā)明的有益效果表現(xiàn)在通過使用分布式的系統(tǒng)結構，使整個控制系統(tǒng)具有 高可靠性，易于維護，開放性和靈活性高等特點，從而能更好地滿足仿人機器人運 動控制的要求。通過使用基于通用的操作系統(tǒng)的主控層，基于通用現(xiàn)場總線的傳輸 層，降低了整個系統(tǒng)的開發(fā)難度和成本，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，便于移植和改進。 使用雙主機雙系統(tǒng)的主控層，既保留了 Windows操作系統(tǒng)的優(yōu)點，又利用實時系統(tǒng) 滿足了仿人機器人運動的高穩(wěn)定性和高實時性的要求。使用雙總線分布式的控制方 法，大大降低了CAN總線上的數(shù)據的傳輸量，滿足系統(tǒng)對于高實時性的要求。使用 智能體作為執(zhí)行層的基本單元，提高仿人機器人控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實時性，特別 是遇到異常情況時的穩(wěn)定性和實時性。
圖1為本發(fā)明分布式仿人機器人通用控制系統(tǒng)的結構示意圖。 圖2為本發(fā)明中的智能體結構圖。
圖3為本發(fā)明實施例1基于Windows的主控計算機控制系統(tǒng)結構示意圖。 圖4為本發(fā)明實施例2工作于實時系統(tǒng)的主控計算機控制系統(tǒng)結構示意圖。
具體實施例方式
以下結合附圖和具體的實施例對本發(fā)明的技術方案作進一步詳細描述。以下實 施例不構成對本發(fā)明的限定。
圖l是本發(fā)明分布式仿人機器人通用控制系統(tǒng)的結構示意圖。整個控制系統(tǒng)采 用集中管理分散控制的方式，按照控制系統(tǒng)的結構和功能劃分為三層主控層、通 信層、協(xié)調執(zhí)行層。所述主控層采用雙主機結構，產生機器人關節(jié)運動序列，協(xié)調各個關節(jié)完成指 定的動作。主控層由兩臺主控計算機組成， 一臺工作于實時系統(tǒng)下，實時系統(tǒng)具有 可靠的穩(wěn)定性和實時性，所以該主控計算機主要完成機器人的步態(tài)規(guī)劃與行走控 制。另一臺工作于Windows系統(tǒng)下，由于在Windows下能更直觀的顯示各個關節(jié)電機 的工作情況，對于多媒體傳感信息的支持更好，因此方便進行機器人關節(jié)電機的調 試，電機發(fā)送信號的檢査，傳感信息的獲得以及用于例外情況的緊急處理。兩臺主 控計算機既可以同時合作控制機器人的運動，也可以相互獨立操作機器人的調試與 運動控制。
所述協(xié)調執(zhí)行層主要負責機器人關節(jié)伺服控制。為了提高機器人的實時性和穩(wěn) 定性，本發(fā)明提出用若干個獨立的智能體來實現(xiàn)協(xié)調執(zhí)行層的功能。 一方面，智能 體通過關節(jié)控制器接收主控層發(fā)送的關節(jié)運動序列，對關節(jié)電機進行伺服控制；另 一方面，智能體接收傳感器信息，協(xié)同主控層直接處理仿人機器人的異常情況?；?于智能體的分層控制系統(tǒng)通過充分發(fā)揮智能體的智能性來提高機器人控制系統(tǒng)的 穩(wěn)定性和實時性。
圖2所示為協(xié)調執(zhí)行層中智能體的組成結構。各個智能體之間是獨立的，每個 智能體由l個關節(jié)控制器、若干個關節(jié)驅動電路和相應的光電信號處理器構成；關 節(jié)控制器向驅動電路發(fā)送信號，再由驅動電路控制電機運動，光電信號處理器接收 光電編碼器信號，再將光電編碼器信號傳回關節(jié)控制器。
本發(fā)明所述通信層主要負責主控層和協(xié)調執(zhí)行層之間信息的傳輸。主控計算機 與電機控制器之間通過CAN總線進行通信。CAN總線與一般通信總線相比，它的數(shù)據 通信具有較強的可靠性、實時性和靈活性。具體連接方式為主控計算機通過CAN 總線接口卡連接到通信總線上，各運動控制器也都通過總線收發(fā)器掛接到總線上， 而且可以根據實際情況增減數(shù)目，而不會對系統(tǒng)本身產生影響。
主控計算機將控制指令封裝為CAN數(shù)據包后，通過CAN接口卡將封裝后的數(shù)據放 入通信層，然后通過CAN總線，傳送至智能體，由智能體進行數(shù)據接收并對電機進行控制。同時智能體將接收到的光電編碼器信號封裝為CAN數(shù)據包后，再由CAN總線 傳回主控計算機。
在本發(fā)明的實施例l中，本發(fā)明基于Windows的主控計算機控制系統(tǒng)組成結構如 圖3所示，根據其功能，可將主控計算機的整個軟件系統(tǒng)分為表示層、數(shù)據層、業(yè) 務層。整個系統(tǒng)在VC6.0環(huán)境下，采用面向對象的方法進行編寫，便于模塊改寫、 升級以及系統(tǒng)移植。
表示層作為仿人機器人人機交互界面，用戶可以設置系統(tǒng)參數(shù)和運行模式，實 時監(jiān)測仿人機器人當前的狀態(tài)，提供環(huán)境信息的動態(tài)顯示功能。
數(shù)據層負責保存和設置各種數(shù)據和環(huán)境信息，包括傳感器數(shù)據，步態(tài)規(guī)劃數(shù)據等。
業(yè)務層包括命令處理，任務處理，軌跡生成，運動控制功能以及傳感信號的采 集與處理等。
其中，業(yè)務層是三層模式的核心，它對動態(tài)變化的環(huán)境信息進行處理，向機器 人發(fā)送關節(jié)步態(tài)規(guī)劃運動序列數(shù)據。任務處理模塊是調度中心，負責協(xié)調業(yè)務層各 個模塊工作，它接受來自命令處理模塊的用戶命令，來自全局信息模塊的環(huán)境信息， 以及讀取數(shù)據層的歷史數(shù)據。運動控制模塊負責產生機器人關節(jié)步態(tài)規(guī)劃運動序 列，將關節(jié)電機信號封裝為CAN數(shù)據包并通過CAN設備發(fā)送。傳感信號采集及處理模 塊負責仿人機器人各關節(jié)傳感信息數(shù)據的采集和處理，并根據用戶要求，將其有選 擇地顯示至狀態(tài)序列圖上。
表示層接收用戶操作之后，將用戶指令放入業(yè)務層，由業(yè)務層對命令進行解釋， 然后轉化為具體任務實現(xiàn)。業(yè)務層將接收到的傳感器數(shù)據轉化為用戶可見的數(shù)據。 所有的數(shù)據信息存儲至數(shù)據層。
在本發(fā)明實施例2中，工作于實時系統(tǒng)下的主控計算機的控制系統(tǒng)結構組成如 圖4所示。該系統(tǒng)由用戶操作模塊，仿人機器人運動控制模塊以及CAN設備驅動模塊 組成。由于RT-Lirmx是一個源碼開放的實時操作系統(tǒng)，便于開發(fā)研究，且能夠提供更多的功能，比如網絡TCP/IP協(xié)議等，因此選用RT-Linux作為仿人機器人的實時操
作系統(tǒng)。用戶操作模塊主要負責用戶界面，用戶消息接收等。
用戶操作模塊為非實時任務模塊，負責用戶界面、用戶消息接收等。 CAN設備驅動模塊和仿人機器人運動控制模塊構成實時任務模塊。其中，CAN設
備驅動模塊提供應用程序與CAN總線設備的接口，實現(xiàn)基本的CAN數(shù)據的發(fā)送和接收功能。
仿人機器人實時控制模塊運行于RT-Linux內核空間，是軟件的核心部分，該模 塊實現(xiàn)了關節(jié)電機轉角數(shù)據發(fā)送、傳感數(shù)據接收，控制算法實現(xiàn)等功能，并通過調 用設備驅動模塊的接口函數(shù)實現(xiàn)CAN協(xié)議棧。
用戶操作模塊接收到用戶操作指令后將指令放入RT-FIFO中，再由仿人機器人 實時控制模塊讀取RT-FIFO的指令，將控制信號通過CAN設備驅動模塊，作為CAN數(shù) 據包發(fā)送。同時由CAN設備驅動模塊接收CAN信號，再由仿人機器人實時控制模塊將 接收到的信息放入RT-FIFO中，由用戶操作模塊顯示給用戶。
采用本發(fā)明分布式仿人機器人通用控制系統(tǒng)進行仿人機器人的研究開發(fā)，實驗 表明，研發(fā)的仿人機器人系統(tǒng)具有很高的實時性與穩(wěn)定性。系統(tǒng)設計遵循通用、標 準的原則，便于系統(tǒng)的擴展，升級和移植。各個系統(tǒng)模塊，包括硬件和軟件，都采 用統(tǒng)一規(guī)范的接口，便于用戶進行修改和替換，而不需要修改系統(tǒng)整體構架，大大 提高了研發(fā)效率，節(jié)約了成本和研發(fā)人力的投入，縮短了整個控制系統(tǒng)的研發(fā)周期。
權利要求
1、一種分布式仿人機器人通用控制系統(tǒng)，由主控層、協(xié)調執(zhí)行層和通信層構成，其特征在于采用雙主機的主控層結構和基于智能體的協(xié)調執(zhí)行層結構；所述主控層由兩臺主控計算機組成，一臺工作于實時系統(tǒng)下，完成機器人的步態(tài)規(guī)劃與行走控制；另一臺工作于Windows系統(tǒng)下，進行機器人關節(jié)電機的調試、電機發(fā)送信號的檢查、傳感信息的獲得以及用于例外情況的緊急處理；所述協(xié)調執(zhí)行層由若干個獨立的智能體構成，負責仿人機器人關節(jié)伺服控制；每個智能體由1個關節(jié)控制器、若干個關節(jié)驅動電路和相應的光電信號處理器構成；關節(jié)控制器向驅動電路發(fā)送信號，再由驅動電路控制電機運動，光電信號處理器接收光電編碼器信號，再將光電編碼器信號傳回關節(jié)控制器；所述通信層采用CAN總線實現(xiàn)主控層和協(xié)調執(zhí)行層之間信息的傳輸；主控計算機將控制指令打包為CAN數(shù)據包后，通過CAN接口卡將數(shù)據放入通信層，然后通過CAN總線傳送至協(xié)調執(zhí)行層的各個智能體，由智能體進行數(shù)據接收并對電機進行控制；同時智能體接收到的光電編碼器信號再由CAN總線傳回主控計算機。
2、 根據權利要求1的分布式的仿人機器人通用控制系統(tǒng)，其特征在于工作于Windows系統(tǒng)下的主控計算機的軟件系統(tǒng)分為表示層、數(shù)據層、業(yè)務層；表示層作為仿人機器人人機交互界面，由用戶設置系統(tǒng)參數(shù)和運行模式，實時監(jiān)測仿人機器人當前的狀態(tài)，提供環(huán)境信息的動態(tài)顯示功能；表示層接收用戶操作之后，將用戶指令放入業(yè)務層，由業(yè)務層對命令進行解釋，然后轉化為具體任務實現(xiàn)；業(yè)務層將接收到的傳感器數(shù)據轉化為用戶可見的數(shù)據信息存儲至數(shù)據層。
3、 根據權利要求l的分布式的仿人機器人通用控制系統(tǒng)，其特征在于工作于實時系統(tǒng)下的主控計算機的軟件系統(tǒng)由用戶操作模塊、仿人機器人運動控制模塊以及CAN設備驅動模塊組成；用戶操作模塊為非實時任務模塊，負責用戶界面、用戶消息接收；CAN設備驅動模塊和仿人機器人運動控制模塊構成實時任務模塊；CAN設備驅動模塊提供應用程序與CAN總線設備的接口 ，實現(xiàn)基本的CAN數(shù)據的發(fā)送和接收功能；仿人機器人實時控制模塊實現(xiàn)關節(jié)電機轉角數(shù)據發(fā)送、傳感數(shù)據接收，控制算法實現(xiàn)，并通過調用CAN設備驅動模塊的接口函數(shù)實現(xiàn)CAN協(xié)議棧。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種分布式仿人機器人通用控制系統(tǒng)，采用雙主機的主控層結構和基于智能體的協(xié)調執(zhí)行層結構，主控層的兩臺主控計算機分別工作于實時系統(tǒng)和Windows系統(tǒng)下，完成機器人的步態(tài)規(guī)劃與行走控制，機器人關節(jié)電機調試、電機發(fā)送信號的檢查、傳感信息的獲得及例外情況的緊急處理。協(xié)調執(zhí)行層由若干個獨立的智能體構成，負責仿人機器人關節(jié)伺服控制；每個智能體由1個關節(jié)控制器、若干個關節(jié)驅動電路和相應的光電信號處理器構成；關節(jié)控制器向驅動電路發(fā)送信號，再由驅動電路控制電機運動，光電信號處理器接收光電編碼器信號并傳回關節(jié)控制器。主控層和協(xié)調執(zhí)行層之間信息傳輸采用CAN總線實現(xiàn)。本發(fā)明分布式的系統(tǒng)結構具有高可靠性、靈活性及易于維護等特點。
文檔編號G05B19/418GK101592951SQ20091005432
公開日2009年12月2日 申請日期2009年7月2日 優(yōu)先權日2009年7月2日
發(fā)明者劉成剛, 斌 楊, 蘇劍波 申請人:上海交通大學