CN102360190A

CN102360190A - 一种仿人机器人控制系统

Info

Publication number: CN102360190A
Application number: CN2011102371318A
Authority: CN
Inventors: 刘治; 李基甫; 王丽杨; 郑国雄; 章云
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2011-08-18
Filing date: 2011-08-18
Publication date: 2012-02-22

Abstract

本发明提供一种仿人机器人控制系统，该控制系统为分布式控制系统，包括通过CAN总线及CAN控制器连接并实现数据通信的上位机和下位机，其中所述上位机主要由基于ARM9内核的S3C2440嵌入式芯片构成，所述下位机主要由以TMS320F2812芯片为核心的DSP仿人机器人关节控制器构成。本发明控制可靠，功耗低，具有实时性的集控制、驱动，传感等于一体，结构简单、灵活，布局合理、成本低，能实现多轴同步协调运动控制，提高了整个控制系统的开放性和可靠性。

Description

一种仿人机器人控制系统

技术领域

本发明属于仿人机器人控制技术领域，尤其涉及一种仿人机器人控制系统。

背景技术

机器人是近年发展起来的综合学科。它集中了机械工程、电子工程、计算机工程、自动控制工程以及人工智能等多种学科的最新科研成果，代表了机电一体化的最高成就，是目前科技发展最活跃的领域之一。

自从70年代工业机器人应用于工业生产以来，机器人对工业生产的发展、劳动生产率、劳动市场、环境工程都产生了深远的影响。仿人机器人不同于一般的工业机器人。因为它不再固定在一个位置上。这种机器人具有灵活的行走系统，以便随时走到需要的地方，包括一些对普通人来说不易到达的地方和角落，完成人或智能系统预先设置指定的工作。自然界的事实、仿生学以及力学分析表明，仿人机器人与轮式、履带式机器人相比有许多突出的优点和它们无法比拟的优越性。它的特性主要体现以下方面:

（1）仿人机器人能适应各种地面且具有较高的逾越障碍的能力,能够方便的上下台阶及通过不平整、不规则或较窄的路面，它的移动“盲区”很小。

(2)仿人机器人的能耗很小。因为该机器人可具有独立的能源装置，因此在设计时就应充分考虑其能耗问题，机器人力学计算也表明，足式机器人的能耗通常低于轮式和履带式机器人。

(3)仿人机器人具有广阔的工作空间。由于行走系统的占地面积小，而活动范围很大，所以为其配置的机械手提供了更大的活动空间，同时也可使机械手臂设计得较为短小紧凑。

(4)双足行走是生物界难度最高的步行动作。但其步行性能却是其它步行结构所无法比拟的。所以，仿人机器人的研制势必要求并促进机器人结构的革命性的变化同时有力推进机器人学及其它相关学科的发展。仿人机器人对机器人的机械结构及驱动装置提出了许多特殊要，这将导致传统机械的重大变革。

仿人机器人是工程上少有的高阶、非线性、非完整约束的多自由度系统。这对机器人的运动学、动力学及控制理论的研究提供了一个非常理想的实验平台，在对其研究的过程中#很可能导致力学及控制领域中新理论、新方法的产生，另外，仿人机器人的研究还可以推动仿生学、人工智能、计算机图形、通信等相关学科的发展。因此，仿人步行机器人的研制具有十分重大的价值和意义。

本世纪70年代，由于生物学、控制理论和电子技术的发展，人们开始对类人行走进行系统的研究，近三十年来，双足步行机器人技术得到飞速的发展。从最初的静态行走，只能在平面上行走发展到拟动态行走、动态行走、斜坡上的行走甚至实现跑步。动态行走是双足步行机器人提高行走速度和研究的必然发展方向。

近年来，特别是本田公司推出的“P2”，“P3”及其后推出的Asimo，把仿人型双足机器人技术的研究再次推到了高潮。同时在小型仿人机器人领域也出现了一股开发的热潮。Sony 公司在2000 年推出的“梦幻机器人”系列SDR，被视为家庭娱乐技术的新突破。富士通公司推出的HOAP-I、HOAP-II也是小型仿人机器人开发的成功典型。日本科技振兴会北野共生系统工程研究所开发的Pino是一个低成本的小型仿人机器人平台，开发者把在PINO 上进行的机器人研究技术信息，基于GNU一般公共许可原则和GNU 一般公共文档许可原则对外公开（外观设计，商标等除外）。他们想借助LINUX 的模式，来尝试机器人开发的资源公开化，通过这种方式来促进成果的共享、更快的进化机器人和机器人的产业化。

综上所述，随着控制理论、计算机技术以及多传感器信息融合技术的发展，世界机器人发达国家的学者在仿人机器人技术的理论和实验上作了大量的研究，这种现象的出现最可能的解释是仿人机器人具有更强的机动性和灵活性，具有更广阔的应用前景。鉴于以上情况，我国也将双足步行机器人技术列为国家自然科学基金及863 等项目予以大力地支持。目前，国内对于小型仿人机器人研究和开发的单位很少，而从国外开发投入来看，其具有巨大的研究价值和应用市场。

　　传统的仿人机器人控制系统结构采用集中式控制，如日本仿人机器人HRP-2，通常由一台或多台计算机通过多块A/D,D/A模块与下层的驱动器和传感器连接通信。由上位机完成轨迹规划和任务调度，协调下层各控制板对各关节进行控制。这样的控制系统模块繁多，模块之间的连接复杂，依赖性强且相互耦合，降低了系统的开放性和可靠性，增加了功耗，难以完成多轴同步协调运动控制。

随着计算机技术和网络技术的发展，各种新型的控制方式应用于机器人控制。分布式控制系统是在计算机监督控制系统、直接数字控制系统和计算机多级控制系统的基础上发展起来的，是生产过程的一种比较完善的控制与管理系统。与计算机多级控制系统相比，分布式控制系统在结构上更加灵活、布局更为合理和成本更低。分布式控制结构成为机器人控制系统发展的方向。

发明内容

针对上述现有技术中仿人机器人控制系统采用集中式控制实时性差，难以扩展，局部故障就可能造成系统整体失效等控制技术的不足等不足，本发明提供一种仿人机器人控制系统，该控制系统控制更可靠，功耗低，具有实时性的集控制、驱动，传感等于一体，结构简单、灵活，布局合理、成本低，能实现多轴同步协调运动控制，提高了整个控制系统的开放性和可靠性。

本发明的技术解决方案为：本发明的仿人机器人控制系统，该控制系统为分布式控制系统，包括通过CAN总线及CAN控制器连接并实现数据通信的上位机和下位机，其中所述上位机主要包括有基于ARM 9内核的S3C2440嵌入式芯片，所述下位机包括有以TMS320F2812芯片为核心的DSP控制器。

所述上位机还包括分别与所述S3C2440嵌入式芯片连接的开关、充电电路、电源电路、复位电路、摄像头、GPRS/GPS、数据存储器和程序存储器。

所述数据存储器为SDRAM数据存储器。

所述程序存储器为FLASH程序存储器。

所述上位机还包括与所述S3C2440嵌入式芯片连接的触摸屏。

所述触摸屏为LCD触摸屏。

所述上位机还包括与所述S3C2440嵌入式芯片连接的无线通讯zigbee。

所述下位机还包括分别与所述DSP控制器连接的复位电路、CAN接口、串行通信接口、传感器和光电编码器。

所述下位机还包括与所述DSP控制器连接的电源监控电路。

所述下位机还包括与所述DSP控制器连接的时钟和JTAG。

本发明控制可靠，功耗低，具有实时性的集控制、驱动，传感等于一体，结构简单、灵活，布局合理、成本低，能实现多轴同步协调运动控制，提高了整个控制系统的开放性和可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例总体结构示意图；

图2为本发明实施例上位机硬件的原理框图；

图3为本发明实施例下位机硬件的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。

如图1所示，本实施例是一种基于ARM9与DSP的仿人机器人分布式控制系统，本系统由上位机和下位机组成，上位机由基于ARM 9内核的S3C2400嵌入式开发构成，下位机以TMS320F2812芯片为核心的DSP控制器，本实施例中，DSP控制器为DSP仿人机器人关节控制器，上位机和下位机之间通过CAN总线连接并实现数据通信，并通过CAN控制器来接受、发送信息。下位机连接有外部传感器，将控制指令通过接口电路和驱动电路传递给电机，由电机驱动机器人关节的运动，同时机器人关节运动的信号经光电编码器通过接口电路利用反馈信号的形式反馈给下位机。

如图2所示，上位机以ARM9内核S3C2400为核心，外围包括了LCD触摸屏，SDRAM数据存储器，FLASH程序存储器，开关，充电电路，电源电路，复位电路，摄像头，GPRS/GPS,无线通讯zigbee等。操作员运用上位机ARM9负责多任务的调度和任务的执行，并通过CAN总线向下位机DSP控制器发送有特定数据格式的控制指令和控制参数。同时，ARM9还接收下位机DSP控制器返回的机器人各个关节的运动状态、位置参数、姿态等相关参数并将这些接收到的数据进行处理，结合预期的机器人步态和动作规划对机器人的下一个动作做出相应的指示，保证机器人的实际运动状况和预期规划的运动在允许的偏差范围内保持一致，从而达到预期的目的以实现机器人平稳的运动和做出各种预期的动作姿态

如图3所示，下位机以DSP TMS320F2812芯片为核心并集成了电机控制所必须的先进外围资源，包括电源监控电路，复位电路，连接上位机的CAN接口，时钟，JTAG，串行通信，传感器，光电编码器等。下位机通过模/数转换器ADC和光电编码器与电机相连，由电机通过驱动器来驱动机器人运动。驱动器连接设在下位机中的EVA、EVB。EVA, EVB是事件管理器，各有16位定时器，可以产生6路PWM信号，控制电机驱动模块，可直接连接编码器的反馈信号。下位机DSP控制器把接收来自上位机的控制指令和控制参数，按规定的协议进行转换、解释，并结合固化在DSP关节控制器中的运动控制算法完成对机器人关节的控制。DSP在执行运动控制指令的同时将机器人各个关节的实际运动情况反馈给上位机ARM9，与上位机进行信息交换，以便上位机根据当前的运动状态和各关节姿态决策下一步的运动指令和运动参数。下位机DSP控制器在接收到上位机发送来的控制参数之后应该迅速做出响应，结合控制算法给驱动器发送控制指令，同时通过光电编码器等传感器件反馈回来的信号再对控制指令做相应的调整，从而使机器人各个关节都达到或最大程度的接近上位机ARM9发送给DSP控制器的预期状态。

本实施例设计了一个由以ARM9嵌入式为核心的上位机和以DSP为核心控制舵机的下位机组合的仿人机器人控制系统，下位机控制机器人舵机的情况，以及各种传感器的情况通过上位机的可触摸键盘和图形液晶显示，操作者可以直观地掌握对仿人机器人的动作状态，然后可控制机器人动作或动作系列的执行，其操作过程人性化和直观化，非常方便实用。

本发明的通讯总线改变了传统机器人控制器采用RS232或者RS485实现与上位机通讯速度慢，误码率高等缺点，利用CAN总线具有较强的抗干扰能力，具有通讯速率高，高可靠性，连接方便，易于扩展，可实现智能控制和高性价比等优点，用其来连接机器人控制系统上下位机进行收发数据进行通讯。

本实施例还用到电源监控电路对电源电量进行监控，一旦检测到电量不足时，会立即发出电量不足的报警信号，提醒操作者需对控制器充电，确保机器人正常进行工作以免损坏。

本实施例在无线通讯中采用了zigbee技术，zigbee较蓝牙具有功耗低，成本低，通讯距离范围更广，高可靠的无线传输网络，用zigbee模块可以同时控制多台机器人。

Claims

1.一种仿人机器人控制系统，其特征在于：该控制系统为分布式控制系统，包括通过CAN总线及CAN控制器连接并实现数据通信的上位机和下位机，其中所述上位机主要包括有基于ARM 9内核的S3C2440嵌入式芯片，所述下位机包括有以TMS320F2812芯片为核心的DSP控制器。

2.根据权利要求1所述的仿人机器人控制系统，其特征在于：所述上位机还包括分别与所述S3C2440嵌入式芯片连接的开关、充电电路、电源电路、复位电路、摄像头、GPRS/GPS、数据存储器和程序存储器。

3.根据权利要求2所述的仿人机器人控制系统，其特征在于：所述数据存储器为SDRAM数据存储器。

4.根据权利要求2所述的仿人机器人控制系统，其特征在于：所述程序存储器为FLASH程序存储器。

5.根据权利要求2所述的仿人机器人控制系统，其特征在于：所述上位机还包括与所述S3C2440嵌入式芯片连接的触摸屏。

6.根据权利要求5所述的仿人机器人控制系统，其特征在于：所述触摸屏为LCD触摸屏。

7.根据权利要求2所述的仿人机器人控制系统，其特征在于：所述上位机还包括与所述S3C2440嵌入式芯片连接的无线通讯zigbee。

8.根据权利要求1所述的仿人机器人控制系统，其特征在于：所述下位机还包括分别与所述DSP控制器连接的复位电路、CAN接口、串行通信接口、传感器和光电编码器。

9.根据权利要求8所述的仿人机器人控制系统，其特征在于：所述下位机还包括与所述DSP控制器连接的电源监控电路。

10.根据权利要求8所述的仿人机器人控制系统，其特征在于：所述下位机还包括与所述DSP控制器连接的时钟和JTAG。