CN100361792C - 一种移动机械手控制系统 - Google Patents

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李新春
邓旭玥
李佳宁
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Abstract

本发明涉及一种移动机械手的控制系统,适用于移动平台、机械手和视觉系统等模块并行、协调的工作,其所控制的移动机械手系统包括移动平台和机械手,所述控制系统,包括主控计算机、显示器、单片机、伺服电机、伺服电机驱动器、光电编码器、步进电机、步进电机驱动器、两块运动控制卡、摄像头、图像采集卡、红外传感器、超声传感器、电源和PCI总线;根据待执行的任务,及移动平台和机械手的当前位置,主控计算机进行移动平台和机械手的路径规划;操作人员以显示器对主控计算机下达开始命令;控制移动机械手系统完成移动操作任务。本发明能在复杂未知环境中完成指定任务,并保证系统综合性能最优地实现移动平台、机械手、视觉系统的协调控制。

Description

一种移动机械手控制系统
技术领域
本发明涉及移动机械手的一种控制系统,特别适用于移动平台、机 械手和视觉系统等模块并行、协调的工作,可以完成对大范围移动操作 的移动机械手的控制任务。
背景技术
传统意义上的机械手和移动机器人都有其固有的缺陷,机械手因为 底座固定,而限制了其工作空间。移动机器人又只具有移动功能,无法 完成操作任务。因此在工程中迫切需要一种即具有移动性又具有操作性 的机械系统,移动机械手应运而生。所谓移动机械手就是将机械手固定 于移动平台之上,机械手用来实现一些动作如抓取、操作等,通过平台 的移动来扩大机械手的工作空间,使机械手能以更合适的姿态执行任务。 移动机械手有着广泛的应用,既可以代替人在危险环境中作业又可以在 制造业及服务业中大显身手。目前我国对移动机械手的研究多集中在理 论方面,尚无实践中的应用。
移动机械手系统一般包括:移动平台、机械手、传感器和控制系统 等。在办公室等平坦路面环境中工作的移动平台多采用轮式驱动,若能 实现平面上全部3个自由度的运动则为全方位移动平台,否则为非全方 位移动平台。机械手的结构可以很简单,也可以釆用6自由度的工业机 械手来实现任意姿态的抓取和操作任务。传感器通常包括超声波、红外、 视觉传感器等,用来感知外部环境信息实现定位、避障等功能。控制系 统通常由计算机和控制卡等组成,实现传感器的信号处理,移动平台和 机械手的协调控制。
对于移动机械手系统而言,平台与机械手的动态特性相差较大,系 统整体并不均匀,平台和机械手之间存在耦合作用。并且移动机械手系 统具有很大的运动冗余性,即移动机械手的自由度(移动平台的自由度+
机械手的自由度)大于完成任务所需的最少自由度。这些问题给移动机 械手的规划和控制带来了很大的困难。目前大多数的移动机械手控制系 统在规划与控制时往往仅把系统看成移动平台和机械手两个子系统,没 有进行统一的规划和控制,这样并不能充分发挥移动机械手的性能。
发明内容
本发明的目的就是克服上述缺陷,综合考虑移动平台、机械手、视 觉系统等模块的特点和移动机械手完成大范围移动操作的任务要求,设 计出一种能够在复杂未知环境中完成指定任务并保证系统综合性能最优 的移动机械手的控制系统,实现移动平台、机械手、视觉系统的协调控 制,以及各个模块并行处理的功能。
为达到上述目的,本发明的技术解决方案是提供一种移动机械手控 制系统,其所控制的移动机械手系统包括一个全方位移动平台和一个五 自由度的机械手,其中,移动平台为封闭容体,其下方设有复数个偏心 万向轮,其顶端中心部位垂直设一柱状滑轨,柱状滑轨一侧设有机械手, 机械手由肩、上臂、前臂、腕和手五部分以及连接各部分的关节组成,
机械手的肩连接在滑轨一侧的滑块上;所述控制系统,包括主控计算机、 显示器、单片机、伺服电机、伺服电机驱动器、光电编码器、步进电机、 步进电机驱动器、两块运动控制卡、摄像头、图像采集卡、红外传感器、 超声传感器、电源系统和PCI总线;其中,
主控计算机设有显示器和PCI总线,两块运动控制卡(MC1、 MC2) 和图像采集卡安装在主控计算机的PCI插槽中;
单片机、伺服电机、伺服电机驱动器、光电编码器和电源系统置于 移动平台的容腔内,红外传感器和超声传感器设于移动平台外周圆面上;
运动控制卡MC1分别与单片机、伺服电机驱动器输入端和光电编码
器输出端电连接,单片机分别与红外传感器和超声传感器电连接,伺服 电机分别与伺服电机驱动器输出端和光电编码器输入端电连接,且伺服 电机分别与移动平台下方的偏心万向轮动连接;
步进电机驱动器置于移动平台容腔内,其输入端与运动控制卡MC2 电连接,输出端与步进电机电连接,步进电机分别设于机械手的各个关
节处,并与关节动连接;
摄像头固设于柱状滑轨顶端,与图像采集卡电连接。 所述的控制系统,其所述主控计算机设于移动平台容腔内,以有线
方式与移动机械手系统通讯。
所述的控制系统,其所述显示器固设于移动平台上的柱状滑轨一
所述的控制系统,其所述超声传感器安装在移动平台的外周圆面中 间位置,红外传感器安装在移动平台的外周圆面下部。
所述的控制系统,其所述伺服电机和伺服电机驱动器,都为复数个, 每个偏心万向轮有两组伺服电机和伺服电机驱动器,分别控制偏心万向 轮的滚动与转向。
一种移动机械手控制系统的操作方法,包括下列步骤:
a) 首先,移动平台按照漫游方式或人工操作方式在未知环境中运 动,进行环境地图的构建;
b) 根据待执行的任务,以及移动平台和机械手的当前位置,主控计 算机进行移动平台和机械手的路径规划,使得路径尽量短,且尽量 光滑;
c) 路径规划好后,由操作人员通过显示器对主控计算机下达开始控 制命令;
d) 主控计算机按照规划好的路径,计算出各个伺服电机和步进电机 的控制量,然后通过运动控制卡MC1和运动控制卡MC2,将控制量 发给伺服电机驱动器和步进电机驱动器,驱动伺服电机和步进电 机,使得移动平台和机械手按照规划好的路径运动。
e) 完成任务。
所述的操作方法,其所述b)步中,在进行路径规划时,有三种模 式可以选择:
1) 如果待操作目标远离移动平台,则首先规划移动平台的运动 路径,使得移动平台接近待操作目标;
2) 如果待操作目标进入了机械手的操作空间,则进行机械手的 运动路径规划;3)如果单独靠机械手的运动无法有效完成任务,则将移动平台 和机械手作为一个整体考虑,规划出二者并行、协调运动的路 径。
所述的操作方法,其所述d)步,在运动过程中,摄像头、超声传 感器、红外传感器和光电编码器互相配合,实时地进行定位和路径跟踪 检测,主控计算机根据返回的数据和信息与规划路径进行比较,采用先 进的控制算法保证跟踪精度,实时校正误差,保证移动机械手按照规划 的路径完成移动和操作。
所述的操作方法,其所述d)步,在运动过程中,如果检测到环境 中有未知障碍物存在,主控计算机将根据检测到的障碍物的位置、大小、 是否运动的信息,重新进行路径规划;整个过程反复进行,直到移动机
械手系统完成最终的移动操作任务。
所述的操作方法,其所述d)步,在运动过程中,如果出现死锁或 其它异常情况,操作人员可以通过显示器向主控计算机下达停止命令。
所述的操作方法,其所述控制系统具有开放性,维护人员可以通过 修改主控计算机的控制程序,提高控制系统的性能,完成指定任务。
本发明的特点与效果有:
1、 釆用两块运动控制卡MC1、 MC2分别控制移动平台MR和机械手MA 的运动,使得移动平台MR和机械手MA可以同时接受来自主控计算 机M的控制命令,为它们的并行、协调运动提供了硬件保证。
2、 主控计算机M功能强大,负责完成环境地图构建、路径规划、路径 跟踪等任务,采用高级编程语言实现多线程任务处理,为各个模块 系统的并行、协调工作提供了软件保证。
3、 采用PCI总线连接各个控制模块,保证了整个控制系统工作时的数 据和信息共享,也为添加新的控制模块提供了方便途径。
4、 通过控制摄像头V的上下俯仰和水平旋转,扩大了视觉系统的工作 范围,有利于环境地图的构建、定位、避障等任务的完成。
5、 显示器D提供了操作人员H与移动机械手MA的交互界面,将人纳 入闭环控制系统,负责下达开始控制命令、监视移动机械手的工作 状态和异常情况的处理。
6、 超声传感器U、红外传感器I的数据首先通过单片机S进行处理, 然后通过运动控制卡MC1的I/O接口将数据传送给主控计算机M, 减轻了主控计算机M的负担,同时省去了专用数字I/0卡。
7、 控制系统具有开放性,维护人员H可以通过修改主控计算机M的控 制程序,提高控制系统的性能,完成指定任务。
附图说明:
图l为控制系统结构示意图; 图2为移动机械手立体示意图。
具体实施方式:
本发明的移动机械手控制系统所控制的移动机械手系统MM包括 一个全方位移动平台MR和一个五自由度的机械手MA。图2为其立体实 物图,其中,移动平台MR为封闭容体,其下方设有三个偏心万向轮,可 以完成在平面上的前后、左右和自转的三自由度运动,每个轮子由一个 滚动电机和一个转向电机驱动。移动平台MR顶端中心部位垂直设一柱状 滑轨,柱状滑轨一侧设有机械手MA,机械手MA由肩、上臂、前臂、腕 和手五部分以及连接各部分的关节组成,机械手MA的肩连接在滑轨一侧 的滑块上。
本发明的控制系统结构如图1所示,控制系统除电源系统PS夕卜, 还包括主控计算机M、显示器D、单片机S、伺服电机SE、伺服电机驱动 器SED、光电编码器C、步进电机ST、步进电机驱动器STD、两块运动控 制卡MCl, MC2、摄像头V、图像采集卡VC、红外传感器I、超声传感器 U、和PCI总线。其中,
主控计算机M设有显示器D和PCI总线,两块运动控制卡(MC1、MC2) 和图像采集卡VC安装在主控计算机M的PCI插槽中;
单片机S、伺服电机SE、伺服电机驱动器SED、光电编码器C和电 源系统PS置于移动平台MR的容腔内,红外传感器I和超声传感器U设 于移动平台MR外周圆面上;
运动控制卡MCl分别与单片机S、伺服电机驱动器SED输入端和光
电编码器c输出端电连接,单片机S分别与红外传感器I和超声传感器 U电连接,伺服电机SE分别与伺服电机驱动器SED输出端和光电编码器 C输入端电连接,且伺服电机SE分别与移动平台MR下方的偏心万向轮 动连接;
步进电机驱动器STD置于移动平台MR的容腔内,其输入端与运动 控制卡MC2电连接,输出端与步进电机ST电连接,步进电机ST分别设 于机械手MA的各个关节处,并与关节动连接;
摄像头V固设于柱状滑轨顶端,与图像采集卡VC电连接。
主控计算机M设于移动平台MR容腔内,以有线方式与移动机械手 系统薩通讯。
显示器D固设于移动平台MR上的柱状滑轨一侧。
超声传感器U安装在移动平台MR的外周圆面中间位置,红外传感 器I安装在移动平台MR的外周圆面下部。
以下结合图1描述各部分的具体功能和连接方式:
1) 主控计算机M是保证控制系统性能的核心部分,负责数据处理、 构建地图、路径规划、路径跟踪等任务。同时,通过PCI总线, 控制移动平台MR的运动,操纵机械手MA,及实现摄像头V的上
下俯仰和水平旋转。
2) 显示器D与主控计算机M相连,是操作人员H和移动机械手丽 的交互界面,负责下达控制命令、显示移动机械手MM的工作状 态和进行异常情况处理。
3) 超声传感器U安装在移动平台MR的外周中间位置,负责中远距 离的目标和障碍物的检测,并输出信号给单片机S。
4) 红外传感器I安装在移动平台MR的外周下侧,负责近距离的目 标和障碍物的检测,并输出信号给单片机S。
5) 单片机S安装在移动平台MR的内部,负责超声传感器U、红外 传感器I的数据采集与处理,并将数据发送给运动控制卡MCl。
6) 光电编码器C与伺服电机SE同轴,负责向伺服电机驱动器SED 提供偏心万向轮的位置与速度。
7) 每个偏心万向轮有两组伺服电机SE和伺服电机驱动器SED,分
别控制偏心万向轮的滚动与转向。
8) 机械手MA的每个关节有一个步进电机ST,每个一个步进电机ST 又与一个步进电机驱动器STD连接。
9) 运动控制卡MC1安装在主控计算机M的PCI插槽中,并与伺服 电机驱动器SED连接,通过伺服电机驱动器SED控制偏心万向轮 的滚动电机和转向电机。同时,运动控制卡MC1的1/0接口与单 片机S的输出端相连,主控计算机M通过运动控制卡MC1的I/O 接口获取经过单片机S处理的超声传感器U和红外传感器I的数 据。这样,可以省去专用的数字I/0卡。
10) 运动控制卡MC2安装在主控计算机M的PCI插槽中,并与步进 电机驱动器STD连接,通过步进电机驱动器STD控制机械手MA 各个关节的移动和转动。
11) 摄像头V安装在移动机械手MM的上部,作为视觉传感器获取 周围环境的图像信息,并传送给图像采集卡VC。
12) 图像采集卡VC安装在主控计算机M的PCI插槽中,负责视频 信号的采集,将摄像头V摄取的图象进行A/D转化后提供给主控 计算机M。
13) PCI总线是连接运动控制卡MC1、 MC2和图像采集卡VC与主控 计算机M的物理通道,保证了控制系统工作时的数据和信息共享。
假设移动机械手固在未知环境中执行移动操作任务。 首先,移动平台MR按照漫游方式或人工操作方式在未知环境中运 动,主控计算机M综合来自图像采集卡VC及单片机S的图像信号、超声 传感器U、红外传感器I和光电编码器C的数据和信息进行环境地图的 构建。
得到环境地图后,根据待执行的任务,以及移动平台MR和机械手MA 的当前位置,主控计算机M进行移动平台MR和机械手MA的路径规划, 使得路径尽量短,且尽量光滑。本发明的主要特点之一是控制系统的硬 件设计为实现移动平台MR和机械手MA的路径规划与跟踪的并行和协调 提供了保证。因此,在进行路径规划时,有三种模式可以选择:如果待 操作目标远离移动平台MR,则首先规划移动平台MR的运动路径,使得
移动平台接近待操作目标;如果待操作目标进入了机械手MA的操作空 间,则进行机械手MA的运动路径规划;如果单独靠机械手MA的运动无 法有效完成任务,则将移动平台MR和机械手MA作为一个整体考虑,规 划出二者并行、协调运动的路径。
路径规划好后,由操作人员H通过显示器D对主控计算机M下达开 始控制命令。主控计算机M按照规划好的路径,计算出各个伺服电机SE 和步进电机ST的控制量,然后通过运动控制卡MCI和运动控制卡MC2, 将控制量发给伺服电机驱动器SED和步进电机驱动器STD,驱动伺服电 机SE和步进电机ST,使得移动平台MR和机械手MA按照规划好的路径 运动。在运动过程中,摄像头V、超声传感器U、红外传感器I和光电编 码器C互相配合,实时地进行定位和路径跟踪检测,主控计算机M根据 返回的数据和信息与规划路径进行比较,采用先进的控制算法保证跟踪 精度,实时校正误差,保证移动机械手MM按照规划的路径完成移动和操 作。如果检测到环境中有未知障碍物存在,主控计算机M将根据检测到 的障碍物的位置、大小、是否运动等信息,重新进行路径规划。整个过 程反复进行,直到移动机械手固系统完成最终的移动操作任务。如果出 现死锁等异常情况,操作人员H可以通过显示器D向主控计算机M下达 停止命令。

Claims (10)

1.一种移动机械手控制系统,其所控制的移动机械手系统包括一个全方位移动平台和一个五自由度的机械手,其中,移动平台为封闭容体,其下方设有多个偏心万向轮,其顶端中心部位垂直设一柱状滑轨,柱状滑轨一侧设有机械手,机械手由肩、上臂、前臂、腕和手五部分以及连接各部分的关节组成,机械手的肩连接在柱状滑轨一侧的滑块上;其特征在于,所述控制系统,包括主控计算机、显示器、单片机、伺服电机、伺服电机驱动器、光电编码器、步进电机、步进电机驱动器、两块运动控制卡MC1和MC2、摄像头、图像采集卡、红外传感器、超声传感器、电源系统和PCI总线;其中,主控计算机设有显示器和PCI总线,两块运动控制卡MC1和MC2和图像采集卡安装在主控计算机的PCI插槽中; 单片机、伺服电机、伺服电机驱动器、光电编码器和电源系统置于移动平台的容腔内,红外传感器和超声传感器设于移动平台外周圆面上; 运动控制卡MC1分别与单片机、伺服电机驱动器输入端和光电编码器输出端电连接,单片机分别与红外传感器和超声传感器电连接,伺服电机分别与伺服电机驱动器输出端和光电编码器输入端电连接,且伺服电机分别与移动平台下方的偏心万向轮动连接; 步进电机驱动器置于移动平台容腔内,其输入端与运动控制卡MC2电连接,输出端与步进电机电连接,步进电机分别设于机械手的各个关节处,并与关节动连接; 摄像头固设于柱状滑轨顶端,与图像采集卡电连接。
2. 如权利要求1所述的控制系统,其特征在于,所述主控计算机设 于移动平台容腔内,以有线方式与移动机械手系统通讯。
3. 如权利要求1所述的控制系统,其特征在于,所述显示器固设于 移动平台上的柱状滑轨一侧。
4. 如权利要求1所述的控制系统,其特征在于,所述超声传感器安 装在移动平台的外周圆面中间位置,红外传感器安装在移动平台的外周圆 面下部。
5. 如权利要求1所述的控制系统,其特征在于,所述伺服电机和伺 服电机驱动器,都为多个,每个偏心万向轮有两组伺服电机和伺服电机驱动器,分别控制偏心万向轮的滚动与转向。
6. —种如权利要求1所述的控制系统的操作方法,其特征在于,包 括下列步骤:a) 首先,移动平台按照漫游方式或人工操作方式在未知环境中运 动,主控计算机综合来自图像采集卡及单片机的图像信号、超 声传感器、红外传感器和光电编码器的数据和信息进行环境地 图的构建;b) 根据待执行的任务,以及移动平台和机械手的当前位置,主控 计算机进行移动平台和机械手的路径规划,在进行路径规划时,有三种模式选择:1)如果待操作目标远离移动平台,则首先规划移动平台的运动路径,使得移动平台接近待操作目标;2)如果待操作目标进入了机械手的操作空间,则进行机械手的运动路径规划;3)如果单独靠机械手的运动无法有效完成任务,则将移动平台和机械手作为一个整体考虑,规划出二者并行、协调运动的路径;c) 路径规划好后,由操作人员通过显示器对主控计算机下达开始 控制命令;d) 主控计算机按照规划好的路径,计算出各个伺服电机和步进电 机的控制量,然后通过运动控制卡MC1和运动控制卡MC2,将 控制量发给伺服电机驱动器和步进电机驱动器,驱动伺服电机 和步进电机,使得移动平台和机械手按照规划好的路径运动;e) 完成任务。
7. 如权利要求6所述的操作方法,其特征在于,所述d)步,在运 动过程中,摄像头、超声传感器、红外传感器和光电编码器互相配合,实 时地进行定位和路径跟踪检测,主控计算机根据返回的数据和信息与规划 路径进行比较,采用先进的控制算法保证跟踪精度,实时校正误差,保证 移动机械手按照规划的路径完成移动和操作。
8. 如权利要求6所述的操作方法,其特征在于,所述d)步,在运 动过程中,如果检测到环境中有未知障碍物存在,主控计算机将根据检测 到的障碍物的位置、大小、是否运动的信息,重新进行路径规划;整个过 程反复进行,直到移动机械手系统完成最终的移动操作任务。
9.如权利要求6所述的操作方法,其特征在于,所述d)步,在运动 过程中,如果出现死锁或其它异常情况,操作人员可以通过显示器向主控 计算机下达停止命令。
10.如权利要求6所述的操作方法,其特征在于,所述控制系统具有开放性,维护人员可以通过修改主控计算机的控制程序,提高控制系统 的性能,完成指定任务。
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