CN103279113A - 一种分布式液压四足机器人控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式液压四足机器人控制系统及控制方法，包括大脑系统，大脑系统通过与环境感知系统、导航信息系统、语音交互系统相连获取数据，大脑系统将获取的数据传递给小脑系统，小脑系统通过第一CAN总线控制腿部控制系统，小脑系统还通过第二CAN总线与能源动力控制系统及人际交互面板通信。本控制系统改变了以往四足机器人整体控制的思路，将四足机器人的控制方法分为智能、躯干运动控制以及腿部动力控制三部分。采用分布式结构使其构成一个有机的整体，每个部分处理器在合理的运算量下工作，降低了系统的功耗，大幅提高了控制系统的实时性与可靠性。

Description

一种分布式液压四足机器人控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及四足机器人控制系统，尤其涉及一种分布式液压四足机器人控制系统及控制方法。
背景技术
腿足式机器人的研究源于动物们的运动方式与车轮、履带等运动方式不同，它们可以通过腿足在几乎所有的陆地类型上运动，而不需要道路、铁轨等辅助设施。随着美国波士顿动力工程公司（Boston Dynamics）的BigDog机器人的诞生，人们看到了大负重、高动态的人造腿足式机器人平台在复杂、崎岖地形中的优势。随之先后诞生了美国波士顿动力工程公司（Boston Dynamics）的LS3、意大利技术学院（Italian Institute of Technology）的HyQ、山东大学的SCalf机器人等一系列大型液压驱动的高动态仿生四足机器人。
这些机器人的共同特点是具有12～16液压驱动的主动关节、较大功率的动力（一般都在10千瓦以上）、体积大、有一定的负重能力（100公斤左右）、行走速度（1～5m/s）、具有较强的地形适应能力已经自主调节能力。
由于以上这些特点，大型高动态液压仿生四足机器人的控制系统需要同时具备环境感知、智能控制策略、动态调整控制、动力控制以及关节运动控制等部分组成。机器人本体上近百个传感、执行器分散在了各个位置。在动态调整时，整个控制系统还需要具备相当高的实时性。在本体小尺度上继承了一个大功率动力源，所带来的干扰也是控制系统面临的关键问题。
大型液压四足机器人控制系统需具备以下特点：分散控制，集中管理，具有很高的实时性，适合混合动力系统的抗干扰策略。
中国专利文献CN102637036公开了“一种复合式仿生四足机器人控制器”，它以ARM9微处理器作为智能决策处理器，以FPGA作为步态生成器，以多个DSP芯片作为执行控制器来控制四足机器人各条腿上多个电机的运动。
中国专利文献CN102785250公开了“一种四足机器人运动控制器”，该控制器同样以ARM芯片作为主控制器，由DSP芯片作为从控制器来控制四足机器人各关节电机的运动。
以上两个发明都以四足机器人为控制对象，且其控制目标都为直流电机，由于其控制对象以及控制方式的不同决定了其很难向液压驱动的双足、四足或多足机器人上移植，而以上的发明内容中，机器人系统还相当不完善，并未有针对混合动力、高动态、高负载系统的应对策略以及能源控制等问题，因此无法应用到以上提到的大规模液压四足机器人中。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明具体公开了一种分布式液压四足机器人控制系统，该系统使用的基于CAN总线的分布式结构，分为大脑系统、小脑系统、伺服控制的腿部控制器、能源动力控制器，人机交互系统以及通信系统六大部分，该系统为适合高性能、大负载、汽油机驱动的液压四足机器人控制系统，该系统能够适应分布式液压四足机器人对控制系统的苛刻要求。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
一种分布式液压四足机器人控制系统，所述系统使用的是基于CAN总线的分布式结构，包括大脑系统，大脑系统通过与环境感知系统、导航信息系统、语音交互系统相连获取数据，大脑系统将获取的数据传递给小脑系统，小脑系统通过第一CAN总线控制腿部控制系统，小脑系统还通过第二CAN总线与能源动力控制系统及人际交互面板通信。
所述大脑系统包括中央处理单元PCM-9562，中央处理单元PCM-9562通过RS232采集导航信息系统的数据，
中央处理单元PCM-9562通过语音输入、语音输出的方式与语音交互系统相连，
中央处理单元PCM-9562通过PC104与采集卡相连，采集卡获得双目相机的视频数据信息，
中央处理单元PCM-9562通过LAN与二维激光扫描仪相连，中央处理单元PCM-9562还根据获取到的二维激光扫描仪的信息控制二自由度云台。
所述环境感知系统包括双目立体相机、带二自由度云台的二维激光扫描仪。
所述小脑系统包括中央处理单元PCM-3362，中央处理单元PCM-3362通过PC104与CAN卡通信，CAN卡与第一CAN总线及第二CAN总线相连，中央处理单元PCM-3362通过RS232与垂直陀螺仪相连，中央处理单元PCM-3362还通过RS232与点对点无线通讯模块通信。
所述小脑系统还通过第二CAN总线与总线扩展接口相连，小脑系统通过RS232与姿态检测单元相连。
所述腿部控制系统包括第一腿部控制系统、第二腿部控制系统、第三腿部控制系统和第四腿部控制系统。
所述第一腿部控制系统、第二腿部控制系统、第三腿部控制系统和第四腿部控制系统分别包括第一腿部控制器、第二腿部控制器、第三腿部控制器和第四腿部控制器。
所述人机交互界面上设置显示电池电量、开关状态和风扇状态。
所述能源动力控制系统根据接收到的液压站的液压油量、液压流量、液压压力、泵转速来控制发动机的节气门开度。
所述第三腿部控制器根据接收到的液压缸压力和液压缸位移控制伺服阀开度。
所述小脑系统及大脑系统均通过LAN与WLAN无线路由相连。
所述大脑系统、小脑系统、能源动力控制系统、腿部控制系统、人际交互面板分别通过电源管理模块、滤波器及共模抑制器与系统电池相连；
所述系统电池为锂电池。
一种分布式液压四足机器人控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：大脑系统主要负责信息交互、环境识别、路径规划与导航上层工作，智能算法与环境识别、交互的传感通讯系统直接与大脑系统连接；通过无线网络或者语音的方式将命令发布给大脑系统，大脑系统通过判断后，生成具体的运动期望，再将这些运动期望传递给小脑系统；
步骤二：小脑系统的主要工作是接收来自大脑的运动期望指令，将其结合当前的运动状态计算出足端的期望位置坐标，再通过CAN总线将坐标位置发送给四个腿部控制器，小脑系统根据当前的运动状况调节能源动力系统的工况；
步骤三：腿部控制器接收来自小脑系统的期望位置系统，再以位置控制或者力控制的方式控制机器人单条腿上的三个主动关节，伺服机器人足端位置，每个腿部控制器的DSP中，分别存放了关节位置控制、关节力控制以及腿部柔顺控制算法，在不同情况下，根据设定控制单腿的运动。
小脑系统是机器人的运动中枢，主要负责躯干的平衡控制、步态规划、机器人足端坐标计算以及底层各部分运转状态信息的搜集。小脑也可以通过无线传输模块直接接收人工操作器的指令，由人接管大脑的控制权，控制机器人运动。
能源动力控制器的主要任务是通过来自小脑的发动机工况指令与液压泵的转速反馈，控制单缸两冲程汽油发动机的节气门，伺服液压泵的转速。同时采集和监控液压系统的压力、流量与温度，将信息发送给小脑，也根据这些数值对动力系统做应急的保护控制。
人机交互面板提供了机器人的基本控制按钮，包括总开关、发动机点火按钮、急停开关、液压动力接入按钮，显示当前的系统温度与系统电池的电量。
通讯系统包括了直接与小脑通讯的433MHz无线通讯模块以及提供调试以及与大脑通讯的无线网络通讯系统。
本发明的有益效果：
本控制系统改变了以往四足机器人整体控制的思路，将四足机器人的控制方法分为智能、躯干运动控制以及腿部动力控制三部分。采用分布式结构使其构成一个有机的整体，每个部分处理器在合理的运算量下工作，降低了系统的功耗，大幅提高了控制系统的实时性与可靠性。
同时，针对存在于汽油发动机驱动的液压四足机器人中的电磁干扰特点以及冲击振动，以上各部分均作了相应的抗干扰措施与抗冲击措施，进一步提高了控制系统的可靠性，在腿足机器人技术以及步行机械领域具有广阔的应用前景。
系统在考虑到抗电磁干扰的同时，各个模块的铝合金外壳通过橡胶软垫做四角支撑连接在机器人的本体上，有效地缓解了来自步行机器人本体对各个模块内部器件强烈的冲击。
附图说明
附图1分布式液压驱动四足机器人控制系统整体框图；
附图2各模块任务分配关系图；
附图3大脑系统结构图；
附图4小脑系统结构图；
附图5CAN总线网络示意图；
附图6电源总线示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
图1所示为系统的控制系统框图，整个控制核心由大脑系统与小脑系统构成。通过两条CAN总线，小脑系统将指令传达给机器人底层动力源、腿部运动控制器，同时实时采集系统的运行信息。
操作者可以通过无线点对点通讯直接对小脑系统发出运动指令，也可以通过WLAN或者语音的交互方式与机器人的大脑系统进行交流，由机器人大脑系统自己做出判断，将运动指令自动下达给机器人的小脑系统。
各个系统在整个控制系统中的分工及运作流程如图2所示。
大脑系统主要负责识别外部环境、获得语音指令、采集导航信息等工作。人工智能算法同样运行在大脑系统的计算机中，大脑系统的环境感知系统由双目立体相机以及带二自由度云台的二维激光扫描仪构成，以获得前方环境的三维模型、地面的纹理特征信息，在此系统基础上，软件实现视觉里程计的功能。以及根据地面特征先验知识，获取地面的材质、软硬、动摩擦因数以及最大静摩擦力等信息，寻找出最合适的落脚点或者落脚范围，供小脑系统参考。
大脑系统同时根据导航系统获得的导航信息，与视觉里程计得到的累计信息进行融合，在于预先存在大脑存储器地理信息比对后，得到精确地导航信息，以及目标信息，解算出躯干的运动期望并与地面参数以及落脚点信息一起发送给小脑。
同时大脑系统还将小脑传回的当前机器人运动信息以及各部分的工况对机器人的健康状态进行综合判断，并根据情况发出报警。
小脑系统主要负责机器人的运动平衡以及运动控制，采集姿态传感器数据，以及腿部运动反馈信息，再根据大脑系统发送来的运动期望以及落脚点期望，经过稳定判据的判断后，将计算好的足端位置坐标发送给单腿控制器，同时采集人机交互面板的状态信息、液压系统工作信息处理封装后与机器人运动姿态信息传给大脑系统，同时根据运动期望将发动机工况的调节信息发给能源动力控制器。
大脑系统结构如图3所示。中央处理单元使用的是研华PCM-9562，5.25工控主板，CPU为AtomTMprocessor D510，操作系统为QNX嵌入式实时操作系统。环境感知系统由BumbleBee双目立体相机与带二自由端云台的二维激光扫描仪构成，激光扫描仪使用的是SICK公司的LMS111。组合导航采用了Crossbow的NAV440组合导航系统。语音交互系统直接在PCM-9562音频系统上进行扩展。
小脑系统结构如图4所示，中央处理单元使用的是研华PCM-3362，PC/104工控CPU模块，CPU为AtomTMN450，操作系统同样使用了QNX嵌入式实时操作系统。CAN总线通过研华PCM-3680CAN总线控制卡扩展。姿态传感器使用了Crossbow的VG800CA垂直陀螺仪。通过433MHz无线串口模块扩展了小脑直接控制无线操作器。
采用单缸汽油机为动力源的四足机器人主要干扰源来自于发动机的点火脉冲，因此在信号传输上采用CAN总线串行数字传输方式。同时考虑到数据传输实时性，在机器人上采用了双CAN总线，将设备分类挂载到两条CAN总线上，同时在第二CAN总线上预留了扩展接口，如图5所示。
同时，为了防止来自发动机的点火脉冲干扰，在电源方面，同样做了抗干扰措施。将电池电压直接作为电源总线电压，在各个控制器模块分别做稳压和电源管理，以及脉冲滤波和抗共模干扰措施，主要选用的是日本村田的车载电源滤波模块，如图6所示。
系统电池负极与机器人金属外壳连接，作为系统的零电势点以及大地。各系统模块均封装在铝合金外壳中，电缆均采用超柔双绞屏蔽电缆，电缆屏蔽层单端通过金属航空插头与机器人外壳连接。
本发明在硬件上采用分布式的控制系统，将整个控制系统划分为大脑系统、小脑系统、伺服控制的腿部控制器、能源动力控制器，人机交互系统以及通信系统六大部分，这样一来，不仅大大降低了每一部分的运算负担，极大地提高了整个系统的运行速度，还降低了系统的维护成本，增强了系统升级的灵活性。此外，将该系统分解为大脑、小脑以及相关神经元的结构，这在仿生学上是一大进步，也是仿生学在人工系统中的重要应用。
本控制系统改变了以往四足机器人整体控制的思路，将四足机器人的控制方法分为智能、躯干运动控制以及腿部动力控制三部分。采用分布式结构使其构成一个有机的整体，每个部分处理器在合理的运算量下工作，降低了系统的功耗，大幅提高了控制系统的实时性与可靠性。
同时，针对存在于汽油发动机驱动的液压四足机器人中的电磁干扰特点以及冲击振动，以上各部分均作了相应的抗干扰措施与抗冲击措施，进一步提高了控制系统的可靠性，在腿足机器人技术以及步行机械领域具有广阔的应用前景。

Claims (10)

1.一种分布式液压四足机器人控制系统，其特征是，所述系统使用的是基于CAN总线的分布式结构，包括大脑系统，大脑系统通过与环境感知系统、导航信息系统、语音交互系统相连获取数据，大脑系统将获取的数据传递给小脑系统，小脑系统通过第一CAN总线控制腿部控制系统，小脑系统还通过第二CAN总线与能源动力控制系统及人际交互面板通信。
2.如权利要求1所述的一种分布式液压四足机器人控制系统，其特征是，所述大脑系统包括中央处理单元PCM-9562，中央处理单元PCM-9562通过RS232采集导航信息系统的数据；
中央处理单元PCM-9562通过语音输入、语音输出的方式与语音交互系统相连；
中央处理单元PCM-9562通过PC104与采集卡相连，采集卡获得双目相机的视频数据信息；
中央处理单元PCM-9562通过LAN与二维激光扫描仪相连，中央处理单元PCM-9562还根据获取到的二维激光扫描仪的信息控制二自由度云台。
3.如权利要求1所述的一种分布式液压四足机器人控制系统，其特征是，所述环境感知系统包括双目立体相机、带二自由度云台的二维激光扫描仪。
4.如权利要求1所述的一种分布式液压四足机器人控制系统，其特征是，所述小脑系统包括中央处理单元PCM-3362，中央处理单元PCM-3362通过PC104与CAN卡通信，CAN卡与第一CAN总线及第二CAN总线相连，中央处理单元PCM-3362通过RS232与垂直陀螺仪相连，中央处理单元PCM-3362还通过RS232与点对点无线通讯模块通信。
5.如权利要求1所述的一种分布式液压四足机器人控制系统，其特征是，所述小脑系统还通过第二CAN总线与总线扩展接口相连，小脑系统通过RS232与姿态检测单元相连。
6.如权利要求1所述的一种分布式液压四足机器人控制系统，其特征是，所述腿部控制系统包括第一腿部控制系统、第二腿部控制系统、第三腿部控制系统和第四腿部控制系统；
所述第一腿部控制系统、第二腿部控制系统、第三腿部控制系统和第四腿部控制系统分别包括第一腿部控制器、第二腿部控制器、第三腿部控制器和第四腿部控制器；
所述第三腿部控制器根据接收到的液压缸压力和液压缸位移控制伺服阀开度。
7.如权利要求1所述的一种分布式液压四足机器人控制系统，其特征是，所述人机交互界面上设置显示电池电量、开关状态和风扇状态。
8.如权利要求1所述的一种分布式液压四足机器人控制系统，其特征是，所述能源动力控制系统根据接收到的液压站的液压油量、液压流量、液压压力、泵转速来控制发动机的节气门开度；
所述小脑系统及大脑系统均通过LAN与WLAN无线路由相连。
9.如权利要求1所述的一种分布式液压四足机器人控制系统，其特征是，所述大脑系统、小脑系统、能源动力控制系统、腿部控制系统、人际交互面板分别通过电源管理模块、滤波器及共模抑制器与系统电池相连；
所述系统电池为锂电池。
10.如权利要求1所述的一种分布式液压四足机器人控制系统的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：大脑系统主要负责信息交互、环境识别、路径规划与导航等上层工作，智能算法与环境识别、交互的传感通讯系统直接与大脑系统连接。人可以通过无线网络或者语音的方式将命令发布给大脑系统，大脑系统通过自己的判断后，生成具体的运动期望，再将这些运动期望传递给小脑；
步骤二：小脑系统是机器人的运动中枢，主要负责躯干的平衡控制、步态规划、机器人足端坐标计算以及底层各部分运转状态信息的搜集。小脑的主要工作是接收来自大脑的运动期望指令，将其结合当前的运动状态计算出足端的期望位置坐标，再通过CAN总线将坐标位置发送给四个腿部控制器。同时，根据当前的运动状况调节能源动力系统的工况。同时，小脑也可以通过无线传输模块直接接收人工操作器的指令，由人接管大脑的控制权，控制机器人运动；
步骤三：腿部控制器接收来自小脑的期望位置系统，再以位置控制或者力控制的方式控制机器人单条腿上的三个主动关节，伺服机器人足端位置。每个腿部控制器的DSP中，分别存放了关节位置控制、关节力控制以及腿部柔顺控制算法，在不同情况下，根据设定控制单腿的运动。
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