CN102799124B - 仿生机械恐龙的控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿生机械恐龙的控制系统，包括发送控制指令的上位机和驱动各关节运动的动作执行器，上位机上设有发送控制各关节运动的动作控制模块、显示各关节运动状态的监测模块以及用于调试各动作控制器参数的调试模块；动作执行器分别通过动作控制器连接到CAN总线上，上位机根据用户指令发出相应的控制信号，控制信号通过CAN总线发送给相应的动作控制器使相应的动作执行器驱动相应的关节运动。本发明，通过CAN总线将上位机和各动作控制器组建成CAN网络，大大简化了控制系统的结构，便于扩展；同时，在上位机上集成了显示各关节运动状态的监测模块以及用于调试各动作控制器参数的调试模块，大大方便了控制系统的调试。

Description

仿生机械恐龙的控制系统

技术领域

本发明涉及四足机器人，具体涉及仿生机械恐龙的控制系统。

背景技术

机器人技术是近几十年来迅速发展起来的一门高新技术，它综合了机械、微电子与计算机、自动控制、传感器与信息处理以及人工智能等多学科的最新研究成果，是机电一体化技术的典型载体。大型四足仿生机械恐龙是四足步行机器人的一种重要应用，广泛应用于娱乐、影视等领域。

众所周知，机械结构是仿生机械恐龙的骨骼，而控制系统则相当于仿生机械恐龙的神经系统，控制系统是实现仿生机械恐龙“动”的关键，并且关系到运动的能力和运动的效果。目前，机器人的控制系统主要有集中式控制或者基于运动控制卡的分布式控制两种方式。

（1）集中式控制。

该方式主要应用于小型的专用设备，例如遥控小汽车、洗衣机控制系统等。对于四足仿生机械恐龙而言，由于其关节自由度多（12个以上），运动方式不定，关节协调性和实时性要求高，因此，如果采用集中式控制方式，控制器的控制负担将过重，很难满足实时性等要求。

（2）基于运动控制卡。

该方式是使用若干个多轴运动控制卡组成分布式网络，其优点是控制系统搭建周期短，而且运动控制卡所包含的软件包中都集成有丰富的运动函数库，能方便的实现各种预定函数和实现多轴插补。但是该方式应用于四足仿生机械恐龙也存在一定的不足：（a）四足仿生机械恐龙具有多个自由度（12个以上），而运动控制卡的控制轴数有限（一般最多为6轴），所以需要加载多块运动控制卡，并且还需要支持多卡同时通讯的功能，因此，控制软件设计复杂，出错率高；（b）由于一个运动控制卡同时控制多轴，所以需要给每个轴单独配置驱动器，从而造成驱动器配置复杂；（c）系统的扩展性差；（d）系统调试过程复杂。

另外，由于控制系统的调试是保证机器人正常工作的前提，因此，控制系统的调试在控制系统中占有重要的地位，然而现有的机器人控制系统均没有集成调试系统，调试与动作控制分开进行，增加了调试的难度。

有鉴于此，需要对四足仿生机械恐龙的控制系统进行优化设计，一方面简化控制系统的结构，另一方面方便扩展和调试。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是解决如何简化仿生机械恐龙的控制系统结构，并方便扩展和调试的问题。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供一种仿生机械恐龙的控制系统，包括发送控制指令的上位机和驱动各关节运动的动作执行器，所述上位机上设有发送控制各关节运动的动作控制模块、显示各关节运动状态的监测模块以及用于调试各动作控制器参数的调试模块；所述动作执行器分别通过动作控制器连接到CAN总线上，所述上位机根据用户指令发出相应的控制信号，所述控制信号通过CAN总线发送给相应的动作控制器使相应的动作执行器驱动相应的关节运动。

在上述方案中，所述调试模块包括关节ID查看及修改单元和关节调试单元，所述关节ID查看及修改单元通过读取存放各关节ID的NodeID文件显示所有关节的ID号，并根据用户对相应关节ID的修改替换所述的NodeID文件；所述用户对相应关节ID的修改依据为相应动作控制器上的拨码位置；所述关节调试单元根据用户输入的若干个关节ID号及其组合和相应的调整参数向特定的关节ID输出关节调整控制信号至所述动作控制模块。

在上述方案中，所述调整参数包括驱动关节运动的速度、加速度、转角，以及关节的使能、相对运动、绝对运动、运动停止和打开抱闸。

在上述方案中，所述监测模块130接收用户指令并根据相应动作执行器中的传感器信号，实时显示各关节的ID号、运动状态和运动参数；所述运动状态是指错误、准备和使能，并分别由不同的颜色表示；所述运动参数为关节的转角。

在上述方案中，所述动作执行器为直流无刷伺服电机。

在上述方案中，所述调试模块还包括用于调整动作控制器的PID参数的PID调整单元。

在上述方案中，无自锁功能的电机上设有抱闸，相应的所述动作控制器上设有抱闸控制电路。

在上述方案中，所述调试模块还包括NodeID搜索模块，通过查找节点功能搜索CAN网络中所有的节点，并根据是否收到回复为依据显示相应的成功与否结果。

本发明，通过CAN总线将上位机和各动作控制器组建成CAN网络，大大简化了控制系统的结构，便于扩展；同时，在上位机上集成了显示各关节运动状态的监测模块以及用于调试各动作控制器参数的调试模块，大大方便了控制系统的调试。

附图说明

图1为本发明提供的仿生机械恐龙的控制系统结构框图；

图2为本发明中上位机的原理框图；

图3为本发明中的PID手工调节单元示意图；

图4为本发明中的监测模块示意图；

图5为本发明中关节调试单元意图。

具体实施方式

本发明提供的仿生机械恐龙的控制系统，包括发送控制指令的上位机和驱动各关节运动的动作执行器，动作执行器分别通过动作控制器连接到CAN总线上，上位机上设有发送控制各关节运动的动作控制模块、显示各关节运动状态的监测模块以及用于调试各动作控制器参数的调试模块，上位机根据用户指令发出相应的控制信号，控制信号通过CAN总线发送给相应的动作控制器驱动相应的动作执行器，使仿生机械恐龙完成诸如摇头、摆尾、前进、后退、张嘴等相应的动作。本发明中，一方面通过CAN总线将上位机和各动作控制器组建成CAN网络，大大简化了控制系统的结构，便于扩展；另一方面，由于在上位机中集成了监测模块和调试模块，可以对各动作控制器进行在位设置和调试，并实时监测各动作执行器的运行状态和参数，因此，大大方便了控制系统的调试。下面结合附图和具体实施例对本发明作出详细的说明。

本发明所述的具体实施例中，大型四足仿生机械恐龙共具有17个关节的自由度，分别是头部嘴巴M、水平颈部BZ、垂直颈部BS、左前大腿QZD、左前小腿QZX、左前髋部QZK、左后大腿HZD、左后小腿HZX、左后髋部HZK、右前大腿QYD、右前小腿QYX、右前髋部QYK、右后大腿HYD、右后小腿HYX、右后髋部HYK、水平尾部WZ和垂直尾部WS。

如图1、图2所示，仿生机械恐龙的控制系统包括发送控制指令的上位机100和驱动各关节运动的动作执行器300，上位机100上设有发送控制各关节运动的动作控制模块110、设置各关节参数的参数设置模块120、显示各关节运动状态的监测模块130以及用于调试各动作控制器参数的调试模块140，动作执行器300选用的是直流无刷伺服电机，用于驱动各关节产生相应的运动。

直流无刷伺服电机区别于传统电机，它除了有电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有传感器（一般采用霍尔传感器），通过传感器检测转子的位置及转速。直流无刷伺服电机通过运动驱动器进行控制，运动驱动器可以实现复杂的运动控制，即可以在线控制也可以离线控制，可以方便的选择位置、速度及力矩模式，而且动作控制器还提供了CAN接口，方便进行组网。例如Maxon公司的EPOS（Easy to Use Positioning System），以及Technosoft公司的IDM/IDS系列。本实施例中，动作控制器选择的是BHOS8010动作控制器，它是一款模块化结构的数字位置控制器，可以驱动80-800w范围内的带编码器、霍尔信号的永磁无刷电机（BH）和直流有刷电机（DC）。BHOS8010动作控制器具有I/O信号接口（包括CAN接口及RS232接口）以及节点ID手动拨码开关，节点ID手动拨码开关用于在组网的时候设置从机的ID地址，由8位组成，最多可以组成127个地址，第8位作为终端电阻的启闭开关，由于CAN网络中需要2个120欧的终端电阻，所以在组网的过程中至少需要2个CAN设备开启终端电阻。

动作控制模块110用于根据用户的指令向相关的关节发出控制信号，控制信号经CAN总线传输到相应的动作控制器200，再驱动相应的动作执行器300，使相应的关节产生动作。动作控制模块110可以实现的功能包括：头部动作（左右摆动、俯仰摆动）、尾部动作（左右摆动、俯仰摆动）、前倾动作、后仰动作、下蹲动作、爬行步态、综合运动、组合运动（迈腿＋俯仰等）、高级运动（视觉、听觉的环境交互），每一种动作还可以有分解动作，例如：爬行步态又可以分解为：迈左前腿、迈左后腿、迈右后腿、迈右前腿等，总之，上述功能的实现为本领域的公知技术，在此不再赘述。

参数设置模块120的作用是设置控制系统的软、硬件的参数，主要包括：I/O设置单元、NodeID设置单元、参数设置单元以及PID手工调节单元。

控制系统在使用前需要对软、硬件参数进行设置，例如CAN总线传输速率、I/O端口的功能、各电机参数、各动作控制器的PID参数等，其中对电机使用性能影响最大的是PID参数的调节，其他参数的设置为本领域的公知技术。本发明的创新点在于将动作控制模块、参数设置模块、监测模块以及调试模块统一集成在控制系统上，因此，动作控制器的PID参数的调节可以在控制系统上直接进行，并且由于各动作控制器的PID参数是在位调节的，因此更符合实际工况。

PID参数主要分为位置环、速度环和电流环三类，根据误差利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。在使用动作控制器对电机进行控制前，调整PID参数是一项非常重要的工作，PID参数调节不合理会导致控制失稳、出现稳态误差、电机颤动等现状。PID参数可以通过理论计算来确定，但是一般误差较大，因为电机实际的工作状况是多变的，计算出的参数和实际值会有很大误差，因此在PID参数的整定过程中理论值仅作为调节的参考。本发明中，PID参数可以通过参数设置模块上的PID手工调节单元进行手工调节，PID手工调节单元如图3所示，包括参数列表子单元、参数更改子单元和曲线显示子单元。其中，参数列表子单元以列表的形式显示每一次调节后的比例、积分、微分增益数值（PID参数）；参数更改子单元用于更改当前的比例、积分、微分增益数值；曲线显示子单元用于根据当前的比例、积分、微分增益数值显示相应的曲线，以方便观察更改后的增益数值的效果。

PID手工调节的顺序为先比例、后积分、最后微分，参数要从小到大试凑，在调节的过程中每给出一组新的参数都需要观察曲线显示子单元中的曲线变化，如果出现曲线漂浮绕大弯的情况那么应该减小比例参数值，若曲线波动的周期变长，此时应该增加积分的时间，微分主要影响振荡的频率，振荡频率过快就需要降低微分的值。以位置环的PID调节为例，调节步骤如下：

（1）、开始调试的时候一般将积分值设置为0，比例参数设置为微分参数的2倍；

（2）、如果出现超调的情况，减少比例参数值或增加微分的参数值；

（3）出现位置误差，需要增加比例和微分参数；

（4）、将比例和微分增益调节到最佳状态，然后按照从小到大的顺序调节积分参数，直到静态位置偏差足够小。

监测模块130接收用户指令并根据相应动作执行器中的传感器信号，实时显示各关节的ID号、运动状态和运动参数，其中运动状态是指错误、准备和使能，并分别由不同的颜色表示，运动参数为关节的转角，如图4所示。

设置完参数的动作控制器就已经具备了驱动和控制电机的能力，在实际使用过程中，由于参数具有区别性，所以电机和动作控制器要一一对应。在进行动作控制器的联网中需要注意以下几个问题：

（1）动作控制器的节点ID号不得重复；

（2）使用的CAN总线的连接线需要用屏蔽线，并注意压线过程中的线序；

（3）注意每个动作控制器的CAN总线的传输速率保持一致；

（4）在CAN网络中需要两个终端电阻，可以选择任意两个，但是不可开启多个终端电阻，否则会造成通信的不稳定。

组网是否成功，可以通过调试模块140上的NodeID搜索单元进行检测。NodeID搜索单元依次与动作控制器联系，通过查找节点功能搜索CAN网络中所有的设备，并根据是否收到回复为依据显示相应的成功与否结果。节点列表列出了网络中节点的ID、串口号、端口、通讯速率等内容，能够搜索到所有节点，并准确显示节点的信息就表示组网成功。控制系统的硬件搭建成功与否也以能否搜索到所有的节点为依据。

调试模块140上还设有关节ID查看及修改单元和关节调试单元，关节ID查看及修改单元通过读取存放各关节ID的NodeID文件显示所有关节的ID号，并根据用户对相应关节ID的修改替换所述的NodeID文件。但是，需要注意的是用户对相应关节ID的修改依据为相应动作控制器上的拨码位置。

关节调试单元根据用户输入的若干个关节ID号及其组合和相应的调整参数向特定的关节ID输出关节调整控制信号至所述动作控制模块。如图5所示，调整参数包括驱动关节运动的速度、加速度、减速度、转角，以及关节的使能、相对运动、绝对运动、急停、清除错误和打开抱闸。

本实施例中的17个关节中，嘴部以及颈部和尾部关节在俯仰方向上是没有自锁功能的，其他关节由于采用蜗轮、蜗杆传动具备自锁功能，因此，没有自锁功能的电机上需设置抱闸装置，又由于运动控制器在设计上实现了强电和弱电的分离，在电机未收到使能信号的情况下强电是并不会接通，也就是说运动控制器于准备状态的时候电机并未上电，因此，此时的电机不具备堵转力矩，所以需要加装抱闸装置，以保证关节在电机未上电的情况下能够锁住。抱闸是安全装置，其原理是转子通过转子轮毂安装在轴上，定子或平板固定在壁面上。在未对线圈通电的状态下，电枢通过压缩后的扭矩弹簧压住转子，转子被夹在电枢和平板中，通过所产生的摩擦力对轴进行制动和保持。在这种情况下，定子与电枢之间保持一定的空隙。当线圈通电时，将产生磁通，定子与电枢之间形成磁路，定子克服扭矩弹簧的压缩力而吸引电枢，转子成为自由状态，而旋转轴被释放。为此，需要合理安排电机的上电和抱闸开启的时机，否则会出现机械恐龙坍塌的结果。本发明中，由于要使关节保持静止状态，所以选择保持型的抱闸。抱闸所产生的力矩需和电机的额定力矩相当。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.仿生机械恐龙的控制系统，包括发送控制指令的上位机和驱动各关节运动的动作执行器，其特征在于：

所述上位机上设有发送控制各关节运动的动作控制模块、显示各关节运动状态的监测模块以及用于调试各动作控制器参数的调试模块；

所述动作执行器分别通过动作控制器连接到CAN总线上，所述上位机根据用户指令发出相应的控制信号，所述控制信号通过CAN总线发送给相应的动作控制器使相应的动作执行器驱动相应的关节运动；

所述调试模块包括：

关节ID查看及修改单元，通过读取存放各关节ID的NodeID文件显示所有关节的ID号，并根据用户对相应关节ID的修改替换所述的NodeID文件；所述用户对相应关节ID的修改依据为相应动作控制器上的拨码位置；

关节调试单元，根据用户输入的若干个关节ID号及其组合和相应的调整参数向特定的关节ID输出关节调整控制信号至所述动作控制模块。

2.如权利要求1所述的仿生机械恐龙的控制系统，其特征在于：所述调整参数包括驱动关节运动的速度、加速度、转角，以及关节的使能、相对运动、绝对运动、运动停止和打开抱闸。

3.如权利要求1所述的仿生机械恐龙的控制系统，其特征在于：

所述监测模块130接收用户指令并根据相应动作执行器中的传感器信号，实时显示各关节的ID号、运动状态和运动参数；

所述运动状态是指错误、准备和使能，并分别由不同的颜色表示；

所述运动参数为关节的转角。

4.如权利要求1所述的仿生机械恐龙的控制系统，其特征在于：

所述动作执行器为直流无刷伺服电机。

5.如权利要求1所述的仿生机械恐龙的控制系统，其特征在于：所述调试模块还包括用于调整动作控制器的PID参数的PID调整单元。

6.如权利要求1所述的仿生机械恐龙的控制系统，其特征在于：无自锁功能的电机上设有抱闸，相应的所述动作控制器上设有抱闸控制电路。

7.如权利要求1所述的仿生机械恐龙的控制系统，其特征在于：所述调试模块还包括NodeID搜索模块，通过查找节点功能搜索CAN网络中所有的节点，并根据是否收到回复为依据显示相应的成功与否结果。

Images