CN103192389B - 一种外骨骼机器人控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机器人领域，尤其涉及一种外骨骼机器人控制系统及方法。其系统包括上位机和至少一个目标下位机，其中，上位机包括主控数据处理器，用于上位机数据表的建立和编辑；目标下位机包括被控数据处理器，用于目标下位机数据表的建立和编辑；数据采集模块，用于采集目标下位机更新的状态数据；执行模块，用于控制外骨骼机器人，其中，被控数据处理器分别连接主控数据处理器、数据采集模块和执行模块。本发明降低了各模块之间的耦合度，实现了对采集数据的动态定制，一次请求上传多帧数据，快速定位故障下位机模块的功能。在使用时，具有较好的稳定性。

Description

一种外骨骼机器人控制系统及方法

技术领域

本发明涉及机器人控制领域，尤其涉及一种外骨骼机器人控制系统及方法。

背景技术

外骨骼机器人是指套在人体外面的机器人，也称“可穿戴的机器人”。

外骨骼本来是指昆虫或甲壳类动物身体外表的骨骼，具有支持和保护作用。很早就有科幻小说提及穿戴在人体外表、具备动力的特殊装甲，借以提高人类的战斗力，这样的装备即被称作外骨骼机器人。它是一种可以让人穿戴的人机一体化智能机械装置，它将人类的智力和机器人的“体力”有机结合在一起，扩展人体下肢部位的运动能力，增强人体的下肢肢体功能，对军事领域和医疗领域有着十分重要的影响。

在外骨骼机器人系统中由于涉及到控制整个设备，通常采用总线式的控制结构，而CAN总线是也是很多控制系统的选择。

CAN是控制器局域网络(Controller Area Network,CAN)的简称，是ISO国际标准化的串行通信协议，它是由研发和生产汽车电子产品著称的德国BOSCH公司开发的，也是国际上应用最广泛的现场总线之一。在北美和西欧，CAN总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入式工业控制局域网的标准总线，并且拥有以CAN为底层协议，专为大型货车和重工机械车辆设计的J1939协议。近年来，其所具有的高可靠性和良好的错误检测能力受到重视，被广泛应用于机器人，汽车等领域。

外骨骼机器人系统，是包含了多个执行器，多个传感器的复杂控制系统，应用层对数据的操作十分频繁，这些操作之中有对传感数据的读取，和对执行机构的控制，而且操作具有实时性，这就对上层通信协议有着较高的要求，通信协议既要保证数据的稳定，快速的传递，又要给程序的应用层提供良好的接口。

一般的CAN总线控制系统并没有对上层的通信协议进行规定，本身需要开发人员自己制定上层的通信协议。由于外骨骼机器人系统包涵执行机构和传感器的数量较多，控制周期又比较短，外骨骼机器人对通信层有着较高的要求。当前市场上相关的产品大部分没有提及这一模块的实现方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

一般的CAN总线控制系统并没有对上层的通信协议进行规定，本身需要开发人员自己制定上层的通信协议。由于外骨骼机器人系统包涵执行机构和传感器的数量较多，控制周期又比较短，外骨骼机器人对通信层有着较高的要求。当前市场上相关的产品大部分没有提及这一模块的实现方法。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种外骨骼机器人控制系统，其包括上位机和至少一个目标下位机。

其中，上位机包括主控数据处理器，用于上位机数据表的建立和编辑；目标下位机包括被控数据处理器，用于目标下位机数据表的建立和编辑；数据采集模块，用于采集目标下位机更新的状态数据；执行模块，用于控制外骨骼机器人；所述主控数据处理器和所述的被控数据处理器的数据表中的条目名称相同，条目中的内容可以不相同，所述条目分为三个部分：模式控制字，目标控制字，传感信息，其中所述模式控制字条目包括设备号、上传数据记录器和上传次数。

其中，被控数据处理器分别连接主控数据处理器、数据采集模块和执行模块。

其中，被控数据处理器有数据表编辑单元，数据开始传输前，在单元中创建一张初始数据表，上位机在主控数据处理器创建与其对应的初始数据表，并形成数据链表。

本发明还提供了一种通过外骨骼机器人控制系统实现的控制方法，其步骤为：

1)上位机的主控数据处理器将指令通过数据表的形式传输给目标下位机的被控数据处理器；

2)目标下位机的被控数据处理器将接收到的数据更新后，转换为指令传输给执行模块；

3)执行模块根据目标下位机被控数据处理器传来的指令操作外骨骼机器人；

4)外骨骼机器人有新的动作时，数据采集模块开始工作，采集外骨骼机器人新的状态数据上传给目标下位机被控数据处理器；

5)目标下位机被控数据处理器将来自数据采集模块的信息更新后，通过数据表的形式传输给主控数据处理器；

6)主控数据处理器根据从目标下位机的被控数据处理器接收到的数据进行计算，得出新的指令，通过数据的形式传输给更新后的目标下位机被控数据处理器；

其中，步骤1)之前，系统需要自检，系统自检的内容为：检查系统所需要的设备是否都已安装完成，如果是，则自检完成；如果否，则显示设备缺失，并进入错误状态。

其中，数据表中的条目由索引值和内容构成。

其中，各模块之间的信息传输方式为CAN数据帧。

其中，CAN数据帧中的数据段8个字节的分配方式为：

第一字节为控制字节，其中，0x01表示发送端设备对接收端设备的数据表中的条目进行写操作；0x00表示发送端设备对接收端设备的数据表中的条目进行读操作；0x02表示此帧数据为下位机接收到上位机的数据上传请求，并进行数据上传的数据帧；

第三、第三字节为主索引值；

第四字节为从索引值、辅助索引值索引对象字典集中的条目；

第五到第八字节为所要传递的数据的内容。

其中，数据表中的条目分为三个部分：模式控制字，目标控制字，传感信息。

其中，模式控制字包括设备号、上传数据记录器和上传次数。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

通过设计数据表和CAN帧的数据段的功能的分配实现了上位机对总线上多个目标下位机传感数据的读取与控制。

由于设计的数据表中使用目标数据记录器条目，条目可记录目标下位机中哪些信息要上传，实现了上位机对所有数据的动态定制，而且上位机一次触发就可以让下位机上传多帧数据。

通过设计数据表把，把下位机的信息(状态，采集的数据，目标控制模式，目标控制值)集中于一个表内，从而把上位机的数据的采集，控制操作等操作统一抽象成上位机对数据表的操作与同步，使得系统之间的模块的耦合度大大降低，简化了控制系统的实现。

通过引入数据表的概念只需在数据表中添加对应的条目，并完成传感器的采集程序就可以添加新的传感器，简化了开发的过程。

附图说明

附图1是本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明应用于机器人控制系统，其系统结构如图1所示。

其系统包括上位机和至少一个目标下位机，其中，上位机包括主控数据处理器，用于上位机数据表的建立和编辑；目标下位机包括被控数据处理器，用于目标下位机数据表的建立和编辑；数据采集模块，用于采集目标下位机更新的状态数据；执行模块，用于控制外骨骼机器人。

其中，被控数据处理器分别连接主控数据处理器、数据采集模块和执行模块。

其中，被控数据处理器有数据表编辑单元，数据开始传输前，在单元中创建一张初始数据表，上位机在主控数据处理器创建与其对应的初始数据表并形成数据链表。

其中，主控数据处理器和所述的被控数据处理器的数据表中的条目名称相同，条目中的内容可以不相同。

上位机数据表编辑单元和下位机数据表编辑单元的数据表中的条目名称相同，但是条目中的内容不一定相同，上位机把其数据表编辑单元中的数据表上某个条目值传输到目标下位机的数据表编辑单元中，目标下位机的数据表编辑单元接到数据后会对自身的数据表进行更新，使得目标下位机数据表编辑单元中相应的条目之与上位机数据表编辑单元相同，这个过程叫做正向同步过程。同步之后，目标下位机数据表编辑单元会把信息传输给数据处理器，数据处理器将数据转换为指令后传输给执行模块，执行模块就会对外骨骼机器人进行控制操作，通过这种过程实现上位机对外骨骼机器人的控制功能。

相反，数据采集模块把采集到的状态数据信息传输到目标下位机的数据处理器中，经数据处理器处理后传输给数据表编辑单元，目标下位机的数据表编辑单元根据数据传输来的数据信息更改自身数据表中相应的数据条目，并把更改后的数据传输到上位机的数据表编辑单元中，并更改上位机数据表编辑单元中相应的数据条目，从而实现传感数据的上传，这样的过程为逆向同步。

上位机中的上层控制程序只需要从上位机存数据表编辑单元的数据表中提取有用的信息，就可以进行算法的运算，并且可以通过更改上位数据表机编辑单元的数据表再进行正向同步操作，就可以对外骨骼机器人实现控制。

通过上述系统可以实现的以下方法，其步骤为：

1)上位机的主控数据处理器将指令通过数据表的形式传输给目标下位机的被控数据处理器；

2)目标下位机的被控数据处理器将接收到的数据更新后，转换为指令传输给执行模块；

3)执行模块根据目标下位机被控数据处理器传来的指令操作外骨骼机器人；

4)外骨骼机器人有新的动作时，数据采集模块开始工作，采集外骨骼机器人新的状态数据上传给目标下位机被控数据处理器；

5)目标下位机被控数据处理器将来自数据采集模块的信息更新后，通过数据表的形式传输给主控数据处理器；

6)主控数据处理器根据从目标下位机的被控数据处理器接收到的数据进行计算，得出新的指令，通过数据的形式传输给更新后的目标下位机被控数据处理器。

系统至此完成一个循环。

在步骤1)之前，系统需要自检，系统自检的内容为：检查系统所需要的设备是否都已安装完成，如果是，则自检完成；如果否，则显示设备缺失，并进入错误状态。

优选的实施方式为，各模块之间的通信传输，通过CAN数据帧的ID对数据表进行匹配，通过CAN数据帧的部分字节作为数据表中的条目的索引，部分字节表示发送端对接收端数据表中的数据进行更改的目标值。

优选的实施方式为，CAN数据帧中数据段8个字节的分配方式为：

第一字节为控制字节，即：0x01表示发送端设备对接收端设备的数据表中的条目进行写操作；0x00表示发送端设备对接收端设备的数据表中的条目进行读操作；0x02表示此帧数据为下位机接收到上位机的数据上传请求，并进行数据上传的数据帧。

第二、第三字节：主索引值，表示发送端要读取的接收端的数据表中的数据的索引。

第四字节：从索引值，辅助索引值索引对象字典集中的条目。

第五到第八字节：所要传递的数据的内容。

数据表是在上位机和目标下位机都具有的数据结构，数据表的条目由索引值和内容构成，内容表示具体的信息。数据表中的条目分为三个部分：模式控制字，目标控制字，传感信息。

三类条目中所包含的具体条目表示如下：

模式控制字的条目：设备号、上传数据记录器和上传次数。

其中，上传数据记录器用于表明哪些数据需要上传。

其中，上传次数非零会引发数据的上传，上传数据记录器中表明的数据。

目标控制字的条目：控制模式，不同模式中对应的不同的目标值。

传感信息条目：当前信息为远程输入输出模块所采集的所有信息。

通过设计数据表和CAN帧的数据段的功能的分配，实现了上位机对CAN总线上多个目标下位机传感数据的读取与控制。

由于设计的数据表中使用目标数据记录器条目，条目可记录目标下位机中哪些信息要上传，实现了上位机对所有数据的动态定制，而且上位机一次触发就可以让下位机上传多帧数据。

通过设计数据表，把下位机的信息，即状态、采集的数据、目标控制模式和目标控制值等集中于一个表内，从而把上位机的数据的采集、控制操作等操作统一抽象成上位机对数据表的操作与同步，使得系统之间的模块的耦合度大大降低，简化了控制系统的实现。

通过引入数据表的概念只需在数据表中添加对应的条目，并完成传感器的采集程序就可以添加新的传感器，简化了开发的过程。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种外骨骼机器人控制系统，其特征在于，包括上位机和至少一个目标下位机，其中，上位机包括主控数据处理器，用于上位机数据表的建立和编辑；目标下位机包括被控数据处理器，用于目标下位机数据表的建立和编辑；数据采集模块，用于采集目标下位机更新的状态数据；执行模块，用于控制外骨骼机器人，其中，被控数据处理器分别连接主控数据处理器、数据采集模块和执行模块；所述主控数据处理器和所述的被控数据处理器的数据表中的条目名称相同，条目中的内容不相同，所述条目分为三个部分：模式控制字，目标控制字，传感信息，其中所述模式控制字条目包括设备号、上传数据记录器和上传次数。

2.根据权利要求1所述的外骨骼机器人控制系统，其特征在于，所述的被控数据处理器有数据表编辑单元，数据开始传输前，在单元中创建一张初始数据表，上位机在主控数据处理器创建与其对应的初始数据表，并形成数据链表。

3.一种通过权利要求1—2中任一所述外骨骼机器人控制系统实现的控制方法，其特征在于，其步骤为：

1)上位机的主控数据处理器将指令通过数据表的形式传输给目标下位机的被控数据处理器；

2)目标下位机的被控数据处理器将接收到的数据更新后，转换为指令传输给执行模块；

3)执行模块根据目标下位机被控数据处理器传来的指令操作外骨骼机器人；

4)外骨骼机器人有新的动作时，数据采集模块开始工作，采集外骨骼机器人新的状态数据上传给目标下位机被控数据处理器；

5)目标下位机被控数据处理器将来自数据采集模块的信息更新后，通过数据表的形式传输给主控数据处理器；

6)主控数据处理器根据从目标下位机的被控数据处理器接收到的数据进行计算，得出新的指令，通过数据的形式传输给更新后的目标下位机被控数据处理器。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述的步骤1)之前，系统需要自检，系统自检的内容为：检查系统所需要的设备是否都已安装完成，如果是，则自检完成；如果否，则显示设备缺失，并进入错误状态。

5.根据权利要求4所述的控制方法，其特征在于，各模块之间的信息传输方式为CAN数据帧。

6.根据权利要求5所述的控制方法，其特征在于，所述的CAN数据帧中的数据段8个字节的分配方式为：

第一字节为控制字节，其中，0x01表示发送端设备对接收端设备的数据表中的条目进行写操作；0x00表示发送端设备对接收端设备的数据表中的条目进行读操作；0x02表示此帧数据为下位机接收到上位机的数据上传请求，并进行数据上传的数据帧；

第二、第三字节为主索引值；

第四字节为从索引值、辅助索引值索引对象字典集中的条目；

第五到第八字节为所要传递的数据的内容。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述的数据表中的条目由索引值和内容构成。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述的数据表中的条目分为三个部分：模式控制字，目标控制字，传感信息。

9.根据权利要求8所述的控制方法，其特征在于，所述的模式控制字包括设备号、上传数据记录器和上传次数。