CN101817182B - 一种智能移动机械臂控制系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种智能移动机械臂控制系统。现有的控制系统层次性、结构性、远程操作性差。本发明中的便携式计算机与嵌入式工控计算机信号连接,激光传感器、全球定位系统、三维数字罗盘、USB/CAN总线、图像采集卡、无线摄像机和网络交换机分别与嵌入式工控计算机信号连接;云台摄像头与图像采集卡信号连接,无线访问节点与网络交换机信号连接;自主导航小车控制器、手臂区域控制器、手臂关节模块分别与USB/CAN总线信号连接,陀螺仪、超声波传感器、碰撞开关和左右轮电机伺服驱动器分别与自主导航小车控制器信号连接。本发明能够分别对自主移动小车和模块化机械臂进行远程控制,层次分明,降低上位机的开销。

Description

一种智能移动机械臂控制系统
技术领域
[0001] 本发明属于机器人控制技术领域,具体涉及一种智能移动机械臂控制系统。 背景技术
[0002] 智能移动机械手能够通过传感器感知环境和自身状态,实现在有障碍物的环境中 面向目标的自主导航,并完成一定智能化的操作行为。这就要求移动机械手在复杂环境下 具有一定的自学习、自规划、自操作、自组织和自适应能力。由于智能移动机械手具有自主 或半自主移动和一定的智能操作能力,可以将智能移动机械手视为具有搬运或运输机器 人、护理机器人、排险机器人、助人机器人等服务机器人的原型。开发出层次明确、结构开 放、可以实现智能自主操作、且具有远程操作及监控能力、运动实时规划能力、能够实现移 动机械臂及机械臂精确控制的控制系统是一个重要的研究内容。
[0003] 层次性:移动机械臂的运动规划中,移动本体的导航、定位及机械臂的各个关节自 由度的控制需要大量的数学运算及信息处理,如图像处理、激光传感器信息、坐标变换、正 逆运动学求解等,这一系列的运算和信息处理均需要采用高速的处理器才能满足移动机械 臂的实时控制要求。而采用传感器信息处理、移动本体的运动控制系统、机械臂的运动控制 系统完全由一台计算机来处理的方法,极大的加重了计算机的负荷,很难保证移动机械臂 对外界环境信息的快速反应和实时处理。
[0004] 结构开放:不同的应用场合需要不同的移动机械臂,有些功能需要进行添加或者 减少,满足系统结构开放的要求。现今广泛采用的方法是将机械臂的控制部分直接集成到 移动本体上,在设计之初,便把机械臂的数目、传感器的种类和数目确定,这样在使用的过 程中,很难适应在不同的场合,对系统的改造的灵活性差。
[0005] 远程操作:智能移动机械臂的智能程度依靠于安装在本体上的各类传感器信息, 但是其智能水平还是仍然有限,必要时候还须进行人为的干预和操作。现今广泛使用的 ^ternet和无线网络技术在对移动机械臂的操作上体现出很大的优势。
[0006] 分布式:智能移动机械臂上可以搭载不同自由度的机械臂,采用集中式的结构对 机械臂单元模块的造成了困难。
发明内容
[0007] 本发明针对现有技术的各种不足,提供了一种结构简单、响应速度快、可扩展性 强、可远程操作、具有实时运动规划能力、能够实现机器人关节精确控制的分布式多自由度 智能移动机械臂控制系统。该控制系统可用于搬运或运输机器人、护理机器人、排险机器 人、助人机器人等服务机器人。
[0008] 为了实现上述目的,本发明采用控制器、总线和子模块的方式,组成“计算机系统、 子系统和模块”与“区域控制器、子系统与模块”两种三级分布式控制系统。其具体技术方
案是:
[0009] 本发明包括便携式计算机、嵌入式工控计算机、激光传感器、全球定位系统、三维数字罗盘、图像采集卡、云台摄像头、无线摄像机、网络交换机、无线访问节点(无线AP)、 USB/CAN总线、自主导航小车控制器、陀螺仪、超声波传感器、碰撞开关、左右轮电机伺服驱 动器、左右轮电机、手臂区域控制器、示教控制器、手臂关节模块。
[0010] 便携式计算机与嵌入式工控计算机信号连接,嵌入式工控计算机的网络端口 RJ45 与网络交换机的第一网络端口 RJ45连接,网络交换机与无线访问节点信号连接,外界计算 机或者手持电子设备通过无线访问节点对嵌入式工控计算机进行操作;激光传感器、全球 定位系统和三维数字罗盘通过RS232接口分别与嵌入式工控计算机连接。设置在移动机械 臂移动平台上的云台摄像头将获取的道路信号通过图像采集卡传输至嵌入式工控计算机。 设置在机械臂末端手臂关节模块上的无线摄像机直接和嵌入式工控计算机进行通讯。嵌入 式工控计算机和CAN-bus之间通讯通过USB/CAN总线完成。
[0011] 自主导航小车控制器、手臂区域控制器、手臂关节模块分别与USB/CAN总线信号 连接,自主导航小车控制器通过脉宽调制(PWM)或者模拟量控制左右轮电机伺服驱动器, 左右轮电机驱动移动机械臂平台上的左右轮运动。超声波传感器和碰撞开关分别与自主导 航小车控制器信号连接。陀螺仪通过RS232接口和自主导航小车控制器进行通讯,对机器 人的位置进行校正。移动机械臂平台上的手臂关节模块的每个模块控制器通过CAN-bus分 别与嵌入式工控计算机和手臂区域控制器通讯,手臂区域控制器通过RS232接口与示教控 制器信号连接,示教控制器对手臂关节模块的动作进行示教。手臂区域控制器同时通过网 络端口 RJ45与网络交换机的第二网络端口 RJ45通讯。
[0012] 本发明通过无线网络实现远程监控移动机械臂的运行状态功能,能够分别对自主 移动小车和模块化机械臂进行远程控制,层次分明,分三级构成,自主导航小车控制器将底 层的运动控制及避障任务直接处理,降低上位机的开销;机械臂的多个模块通过CAN总线 可以直接和上位机相连,可以实现完全的分布式控制,对机械臂自由度的冗余性给予极大 的提高,同时手臂区域控制器也可以作为CAN总线的一个节点,机械臂模块的运动规划通 过手臂区域控制器来完成,降低上位机的处理开销,使上位机可以专注于处理激光信息、图 像信息等。该控制系统还可以作为本地/远程单独移动平台使用,本地/远程单独机械臂 使用,具有功能的多样性。机械臂末端使用无线摄像头,避免机械臂转动中摄像头线缆的缠 绕现象。
附图说明
[0013] 图1为本发明结构示意图。 具体实施方式
[0014] 以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0015] 如图1所示,便携式计算机1与嵌入式工控计算机2信号连接,嵌入式工控计算机 2通过CAN-bus总线与自主导航小车控制器12连接;
[0016] 自主导航小车控制器12通过PWM或者模拟量直接对左右轮电机伺服驱动器16进 行控制,驱动移动机械臂平台的左右轮电机17运动。自主导航小车控制器12可以对超声 波传感器14、碰撞开关15在底层进行规划处理,提高反应速度。陀螺仪13通过RS232接 口和自主导航小车控制器12进行通讯,对机器人的位置进行校正。移动机械臂平台的手臂关节模块20的每个模块控制器通过CAN-bus与嵌入式工控计算机2和手臂区域控制器18 进行通讯,而手臂区域控制器18通过RS232接口和示教控制器19相连,示教控制器19对 手臂关节模块20的动作进行示教。嵌入式工控计算机2的网络端口 RJ45连接了一台网络 交换机9,网络交换机9可以连接2台设备,一台是无线AP 10,通过无线AP 10,其它计算机 或者手持电子设备通过无线AP 10对嵌入式工控计算机2及其它联网设备进行操作;另一 台是手臂区域控制器18,手臂区域控制器18具有网络接口 RJ45,可以通过internet网络 和网络交换机9进行连接通讯,从而达到嵌入式工控计算机2对手臂关节模块20的控制。 其它的传感器主要有激光传感器3,全球定位系统4和三维数字罗盘5,这三者都通过RS232 接口和嵌入式工控计算机2进行通讯,同时嵌入式工控计算机2还保留有USB接口,RS232 接口,1394接口进行扩展。一台云台摄像头7通过PCMCIA图像采集卡6和嵌入式工控计算 机2进行通讯,将安装在移动机械臂平台上的云台摄像头7获取到的道路信息进行采集,交 由嵌入式工控计算机2进行处理。安装在机械臂末端手臂关节模块20上的无线摄像机8 直接和嵌入式工控计算机2进行通讯,减少通讯线缆的缠绕问题。嵌入式工控计算机2和 CAN-bus之间通过usb/CAN总线11完成。控制系统的电源由两块MV/20AH的铅酸电池组 成,其中一块电池通过一块电源管理接口板负责电机驱动器、自主导航小车控制器12及各 类传感器及嵌入式工控计算机2的供电,另一块电池通过一块电源管理接口板负责为手臂 关节模块20提供驱动及控制电源,这样避免了移动机械臂在平台移动的同时,手臂关节模 块20的操作会导致功率不足的问题。
[0017] 本发明的控制系统也可以作为单独移动平台使用的控制平台使用,当作为控制平 台使用时,主要包括的模块有:嵌入式工控计算机、激光传感器、全球定位系统、三维数字罗 盘、图像采集卡、云台摄像头、USB/CAN总线、自主导航小车控制器、陀螺仪、超声波传感器、 碰撞开关、左右轮电机伺服驱动器、左右轮电机。
[0018] 本发明的控制系统还可以作为预单独远程控制多自由度机械臂使用,实现该功能 的具体的模块包括:便携式计算机、嵌入式工控计算机、无线摄像机、网络交换机、无线AP、 USB/CAN总线、手臂区域控制器、示教控制器、手臂关节模块。
[0019] 本发明的工作流程为:系统启动后,首先对系统各控制器初始化,包括对嵌入式工 控计算机、无线AP、自主导航小车控制器、各手臂关节模块控制器初始化。然后,判断用户 是否发送机器人终端运动指令,当用户没有发送移动机械臂运动指令时,系统处于等待状 态;当用户通过以太网或无线AP发送运动指令后,嵌入式工控计算机接收以太网总线信 息,进行移动机械臂运动规划,并依次发送移动机械臂平台、机械臂各关节运动控制指令至 CAN-bus总线,自主导航小车控制器通过CAN-bus总线接收运动指令,并驱动平台的左右轮 电机运动,手臂关节模块每个独立关节控制器通过CAN总线接收运动控制指令,并驱动各 自相应的电机运动,同时发送各关节自由度电机位置信息、速度、电压、电流等信息至CAN 总线。区域控制器通过CAN总线接收机械臂关节控制器发出的独立关节运动信息,并计算 出机器人当前位姿,最后通过CAN总线将该位姿信息发送给上位工业计算机。
[0020] 本发明实质上就是一个感知-决策-执行的控制系统,它将上位机、通讯、控制、供 电、驱动、传感器集成在一个CAN-bus总线网络中。通过该控制系统结构将多自由度机械手 和轮式移动机器人集成构建一个智能移动机械手系统,机械手控制与移动机器人控制实现 软硬件的无缝集成,大大扩展了机械手的工作空间,实现在复杂不确定工作空间中的环境建模、自主导航、动态目标跟踪、机械手末端对物体操作等,这对于一类服务型机器人的研 究与开发具有重要参考价值,这是一项非常有意义的集成创新技术研究。
[0021] 系统采用标准工业计算机、标准以太网、CAN总线通讯接口、标准无线AP、Windows NT计算机操作系统,增强了系统的开放性、可移植性和可交换性。
[0022] 该控制系统采用组合式结构,以系统设计为中心,以“分级、模块化、总线式设计” 为原则,每一级控制器任务完整而又单一。不仅结构简单、性能好、开发周期短,成本低,而 且响应速度快、可扩展性强、可远程操作、具有运动实时规划能力,能够实现移动机械臂精 确控制。因而可广泛应用于服务机器人等具有多个自由度模块的机器人控制系统。

Claims (1)

1. 一种智能移动机械臂控制系统,包括便携式计算机、嵌入式工控计算机、激光传感 器、全球定位系统、三维数字罗盘、图像采集卡、云台摄像头、无线摄像机、网络交换机、无线 访问节点、USB/CAN总线、自主导航小车控制器、陀螺仪、超声波传感器、碰撞开关、左右轮电 机伺服驱动器、左右轮电机、手臂区域控制器、示教控制器、手臂关节模块,其特征在于:便携式计算机与嵌入式工控计算机信号连接,嵌入式工控计算机的第三网络端口 RJ45 与网络交换机的第一网络端口 RJ45连接,网络交换机与无线访问节点信号连接,外界计算 机或者手持电子设备通过无线访问节点对嵌入式工控计算机进行操作;激光传感器、全球 定位系统和三维数字罗盘通过RS232接口分别与嵌入式工控计算机连接;设置在移动机械 臂移动平台上的云台摄像头将获取的道路信号通过图像采集卡传输至嵌入式工控计算机; 设置在机械臂末端手臂关节模块上的无线摄像机直接和嵌入式工控计算机进行通讯;嵌入 式工控计算机和CAN-bus之间通讯通过USB/CAN总线完成;自主导航小车控制器、手臂区域控制器、手臂关节模块分别与USB/CAN总线信号连接, 自主导航小车控制器通过脉宽调制或者模拟量控制左右轮电机伺服驱动器,左右轮电机驱 动移动机械臂平台上的左右轮运动;超声波传感器和碰撞开关分别与自主导航小车控制 器信号连接;陀螺仪通过RS232接口和自主导航小车控制器进行通讯,对移动机械臂的位 置进行校正;移动机械臂平台上的手臂关节模块的每个模块控制器通过CAN-bus分别与 嵌入式工控计算机和手臂区域控制器通讯,手臂区域控制器通过RS232接口与示教控制器 信号连接,示教控制器对手臂关节模块的动作进行示教;手臂区域控制器具有第四网络端 口 RJ45,手臂区域控制器同时通过所述第四网络端口 RJ45与网络交换机的第二网络端口 RJ45通讯。
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