CN103454945B - 一种足式步行机器人的分布式运动控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种足式步行机器人的分布式运动控制系统，其特征在于，包括：通信模块、主控制器和多个子控制器；主控制器连接通信模块，通信模块分别与每个子控制器相连。本发明的一种足式步行机器人的分布式运动控制系统具有很好的实时性和可靠性，能够在足式步行机器人中实现实时数据通信，进行有效路径规划和实时精确控制关节运动。

Description

一种足式步行机器人的分布式运动控制系统

技术领域

本发明涉及一种足式步行机器人运动控制系统，具体涉及一种足式步行机器人的分布式运动控制系统，属于足式步行机器人领域。

背景技术

足式步行机器人是一种模仿自然界足式动物而建立的足式移动机构，具有结构简单、稳定性高、运动灵活以及适应性强等优点，在救灾抢险、军事、探险等领域有着广阔的应用前景。

足式步行机器人的研究工作起步于上世纪六十年代。随着计算机技术、微电子技术以及自动控制技术的发展，到了上世纪八十年代，越来越多的科研机构以及学者开始涉足足式步行机器人的研究领域，研究热点主要集中在足式步行机器人的复杂地形环境适应行走方面。而复杂环境适应行走的实现离不开运动控制系统的设计。

目前，足式步行机器人的运动控制系统主要是采用集中式控制系统。所谓集中式控制系统是指由一台控制器独自完成机器人所有控制任务的系统。集中式控制系统具有结构简单，布置方便的优点，但也有着实时性不高和可靠性低的缺点。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种足式步行机器人的分布式运动控制系统。

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种足式步行机器人的分布式运动控制系统，其特征在于，包括：通信模块、主控制器和多个子控制器；主控制器连接通信模块，通信模块分别与每个子控制器相连。

前述的一种足式步行机器人的分布式运动控制系统，其特征在于，主控制器与通信模块之间通过并行ISA总线相连；通信模块与每个子控制器之间通过串行SPI总线相连。

前述的一种足式步行机器人的分布式运动控制系统，其特征在于，主控制器连接有并行ISA总线模块、以太网接口模块、RS232接口模块和带光电隔离的输入输出模块；并行ISA总线模块连接通信模块的并行ISA总线接口；以太网接口模块连接无线路由器；RS232接口模块连接倾角传感器；带光电隔离的输入输出模块连接油泵；通信模块为FPGA通信模块。

前述的一种足式步行机器人的分布式运动控制系统，其特征在于，主控制器为ARM9嵌入式处理器。

前述的一种足式步行机器人的分布式运动控制系统，其特征在于，子控制器连接有串行SPI总线模块、ADC模块、PWM模块；串行SPI总线模块连接差分驱动模块，差分驱动模块连接通信模块的串行SPI总线接口；ADC模块连接模拟量采集模块；PWM模块连接伺服驱动模块。

前述的一种足式步行机器人的分布式运动控制系统，其特征在于，子控制器为TMS320F28027型微控制器；模拟量采集模块分别连接位移传感器和力传感器；伺服驱动模块连接液压缸。

前述的一种足式步行机器人的分布式运动控制系统，其特征在于，通信模块包括并行ISA总线接口以及若干串行SPI总线接口，每个串行SPI总线接口各连接有双端口RAM模块，串行SPI总线接口与双端口RAM模块的一端相连，双端口RAM模块的另一端与并行ISA总线接口相连。

本发明的有益之处在于：本发明的一种足式步行机器人的分布式运动控制系统具有很好的实时性和可靠性，能够在足式步行机器人中实现实时数据通信，进行有效路径规划和实时精确控制关节运动。

附图说明

图1是本发明一种足式步行机器人的分布式运动控制系统的一个优选结构示意图；

图2是本发明基于图1的另一个优选结构示意图；

图3是本发明中主控制器的一个优选结构连接示意图；

图4是本发明中子控制器的一个优选结构连接示意图；

图5是本发明中通信模块的一个优选结构连接示意图；

图6是本发明中通信模块的一个优选内部结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

参照图1所示，一种足式步行机器人的分布式运动控制系统，包括：通信模块、主控制器和多个子控制器；主控制器连接通信模块，通信模块分别与每个子控制器相连。本发明采用了多个独立的子控制器，每个子控制器都可以用来控制一个子系统，子控制器和主控制器之间通过通信模块进行数据交换。本发明的足式步行机器人具有多条腿，每个子控制器用于实现一条腿的运动参数采集和各自由度运动的速度、位置控制，而主控制器用于完成机器人整体姿态分析、运动规划与诊断。由于本发明的运动控制系统是由多个相对独立的子系统构成，因此本发明属于分布式运动控制系统。相对于集中式控制系统来说，本发明具有实时性和可靠性高的优点。

作为本发明进一步的改进，如图2所示，主控制器与通信模块之间通过并行ISA总线相连；通信模块与每个子控制器之间通过串行SPI总线相连。在本发明中，并行ISA总线相对于其他总线来说具有更好的实时性和更好的可靠性。比如，对于CAN总线来说，虽然其速率可达1Mbps，具有一定的实时性，但当CAN总线上的节点较多时，其实时性就很难保证。而本发明中分布式运动控制系统应用在足式步行机器人，足式步行机器人往往具有较多的腿，每一条腿都对应着子控制器，因此连接主控制器的节点往往很多，如果要求实现对足式步行机器人身体中包括腿的每个部件都具备较好的实时性和可靠性，那么采用并行ISA总线作为主控制器与通信模块之间的通信总线是为优选选择。此外，对于与每一个子控制器相连的总线，基于成本考虑，本发明中可以采用串行总线，为了最好地提高串行总线的通信速度，本发明优选采用串行SPI总线。串行SPI总线是一种高速通信能力的总线，非常适合应用在本发明通信模块与每个子控制器之间的通信。由于现有技术中并没有将并行ISA总线或串行SPI总线应用到足式步行机器人的分布式运动控制系统的先例，也没有给出任何直接唯一的技术启示，因此本发明采用并行ISA总线串行SPI总线是一种非常大的技术改进。

作为本发明更进一步的改进，图3是本发明中主控制器的一个优选结构连接示意图。如图3所示，主控制器连接有并行ISA总线模块、以太网接口模块、RS232接口模块和带光电隔离的输入输出模块；并行ISA总线模块连接通信模块的并行ISA总线接口；以太网接口模块连接无线路由器；RS232接口模块连接倾角传感器，倾角传感器安装于机身水平面上；带光电隔离的输入输出模块连接油泵；通信模块为FPGA通信模块。实际运行时，主控制器可以采用ARM9内核的嵌入式模块，在WINCE5.0操作系统下以VC++语言进行运动规划程序设计，完成机器人整体姿态分析、运动规划与诊断。并行ISA总线与通信模块的并行ISA总线接口相连，实现主控制器对通信模块内各组双端口RAM的直接读写。此外，本发明的主控制器上还可以连接有USB接口模块，USB接口模块以及以太网接口模块负责完成主控制器的在线配置以及调试。RS232接口模块负责完成主控制器与倾角传感器之间的通信。带光电隔离的输入输出模块负责控制油泵的启动以及停止并为将来的后续扩展作预留。通信模块优选为FPGA通信模块，利用FPGA的可编程逻辑设计功能，在FPGA内构建有多组双端口RAM模块以存储实时数据和控制指令，通信模块具有一个并行ISA总线接口以及多个高速串行SPI总线接口模块。

本发明不限制主控制器的具体型号特征，作为优选，主控制器为ARM9嵌入式处理器。

作为本发明更进一步的改进，图4是本发明中子控制器的一个优选结构连接示意图。如图4所示，子控制器连接有串行SPI总线模块、ADC模块、PWM模块；串行SPI总线模块连接差分驱动模块，差分驱动模块连接通信模块的串行SPI总线接口；ADC模块连接模拟量采集模块；PWM模块连接伺服驱动模块。子控制器实现每条腿运动参数采集和各自由度运动的速度、位置控制。ADC模块即模数转换模块，PWM模块即脉宽调制模块，模拟量采集模块采集传感器传输的各种模拟量，将其传输给ADC模块，ADC模块进行模数转换，将采集的信息转换为数字信号后传输给子控制器，子控制器根据ADC模块传过来的信息，再结合从通信模块传过来的控制指令，计算得到控制器输出量，控制器输出量经过PWM模块，得到模拟控制量，再经过伺服驱动模块，驱动执行部件进行动作。采用差分驱动模块可以有效提高信号的传输距离并抑制噪声。本发明不限制执行部件的具体结构，由于子控制器用于控制腿的运动，因此执行部件只要是用于腿的运动即可，本发明也不限制模拟量采集模块连接的传感器的具体类型，同样由于子控制器是用于控制腿的运动，因此模拟量采集模块连接的传感器也用于检测腿的运动状态。作为优选，子控制器为TMS320F28027型微控制器；模拟量采集模块分别连接位移传感器和力传感器；伺服驱动模块连接液压缸。TMS320F28027型微控制器为德州仪器公司生产的32位实时微控制器。此时，模拟量采集模块将位移传感器及力传感器反馈的电流信号转换为合适的电压信号后输入ADC模块，以实现对位移及力信号的采集与转换。驱动模块包括PWM转DA电路与恒流斩波电路，通过控制PWM信号占空比的大小来实现控制通过比例阀线圈电流的大小，进而控制阀芯的运动方向与开度，最终实现对液压缸运动方向与速度的控制。实际中，位移传感器与各液压缸同轴安装；多个力传感器安装在腿的各关节处以及足底。

图5所示是本发明中通信模块的一个优选结构连接示意图。通信模块包括并行ISA总线接口以及若干串行SPI总线接口，每个串行SPI总线接口各连接有双端口RAM模块，串行SPI总线接口与双端口RAM模块的一端相连，双端口RAM模块的另一端与并行ISA总线接口相连。双端口RAM存储相应的状态信息和控制指令，且状态信息和控制指令数据在各组双端口RAM中分区配置；其一端与并行ISA总线接口相连，另一端分别与对应的高速串行SPI总线接口连接。双端口RAM模块存储相应的状态信息和控制指令，且状态信息和控制指令数据在各组双端口RAM模块中分区配置；其一端与并行ISA总线接口相连，另一端分别与对应的高速串行SPI总线接口连接。并行ISA总线接口一端与主控制器的并行ISA总线相连，另一端与各组双端口RAM模块相连，以便实现主控制器对双端口RAM模块的实时读写。串行SPI总线接口一端与双端口RAM模块连接另一端与子控制器SPI总线连接，以便实现子控制器对双端口RAM模块的实时读写。

图6是本发明中通信模块的一个优选内部结构示意图。其包括：读寄存器、写寄存器，发送寄存器、接收寄存器，脉冲计数器，地址寄存器，读地址计数器、写地址计数器以及读写控制模块等。脉冲计数器分别连接发送寄存器、接受寄存器和读写控制模块，读写控制模块分别连接读地址计数器、地址寄存器、写地址计数器和双端口RAM模块，地址寄存器连接双端口RAM模块，接受寄存器连接写寄存器，写寄存器连接双端口RAM模块，双端口RAM模块连接读寄存器，读寄存器连接发送寄存器。

通信模块中各SPI模块均工作于从机模式，子控制器中的SPI模块工作于主机模式。当SPI模块检测到主机选择线(SS)下降沿的跳变信号时，启动SPI通信，首先将读、写地址计数器，地址寄存器以及SCK脉冲计数器初始化；然后将当前读地址计数器的值赋给双端口RAM模块的地址寄存器，同时读写控制模块产生读信号以及使能信号，读取双端口RAM模块中储存的由精简ISA总线写入的命令数据的第一个字节赋给读寄存器并将其载入SPI发送寄存器；当接收到第一个SCK脉冲时：在脉冲的上升沿将发送寄存器的最高位移出并送上主机输入/从机输出线（MISO），在脉冲的下降沿接收主机输出/从机输入线（MOSI）上的信号并移入接收寄存器的最低位；接收到第二个脉冲时，重复第一个脉冲的过程，直到完成八个脉冲的动作后将脉冲计数器清零，同时将接收寄存器的值赋给写寄存器，并将写地址计数器的值赋给双端口RAM模块的地址寄存器，读写控制模块产生写信号以及使能信号，完成第一个接收数据的写入双端口RAM模块，最后，读、写地址计数器加1，至此，一个字节数据的完整通信就完成了，重复上述过程直到从机选择线（SS）信号被拉高，表明此次SPI通信结束，等待检测到下一个从机选择线（SS）下降沿信号开始下一次通信。

本发明涉及一种新型的具有实时数据通信能力、能够进行有效路径规划和实时精确控制关节运动的足式步行机器人分布式运动控制系统。主控制器负责机器人整体姿态分析、运动规划与诊断；子控制器负责每条腿运动参数采集和各自由度运动的速度、位置控制；通信模块在FPGA内构建多组双端口的RAM模块存储实时数据和控制指令，主控制器通过并行ISA总线直接读写所有各组双端口RAM模块，子控制器通过串行SPI总线直接读写对应一组双端口RAM模块，状态信息和控制指令数据在各组双端口RAM模块中分区配置，可靠地实现主控制器与各子控制器间毫秒级的高速数据交换。本发明的一种足式步行机器人的分布式运动控制系统具有很好的实时性和可靠性，能够在足式步行机器人中实现实时数据通信，进行有效路径规划和实时精确控制关节运动。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。

Claims (3)

1.一种足式步行机器人的分布式运动控制系统，其特征在于，包括：通信模块、主控制器和多个子控制器；主控制器连接通信模块，通信模块分别与每个子控制器相连；主控制器与通信模块之间通过并行ISA总线相连；通信模块与每个子控制器之间通过串行SPI总线相连；主控制器连接有并行ISA总线模块、以太网接口模块、RS232接口模块和带光电隔离的输入输出模块；并行ISA总线模块连接通信模块的并行ISA总线接口；以太网接口模块连接无线路由器；RS232接口模块连接倾角传感器；带光电隔离的输入输出模块连接油泵；通信模块为FPGA通信模块；子控制器连接有串行SPI总线模块、ADC模块、PWM模块；串行SPI总线模块连接差分驱动模块，差分驱动模块连接通信模块的串行SPI总线接口；ADC模块连接模拟量采集模块；PWM模块连接伺服驱动模块；通信模块包括并行ISA总线接口以及若干串行SPI总线接口，每个串行SPI总线接口各连接有双端口RAM模块，串行SPI总线接口与双端口RAM模块的一端相连，双端口RAM模块的另一端与并行ISA总线接口相连。

2.根据权利要求1所述的一种足式步行机器人的分布式运动控制系统，其特征在于，主控制器为ARM9嵌入式处理器。

3.根据权利要求1所述的一种足式步行机器人的分布式运动控制系统，其特征在于，子控制器为TMS320F28027型微控制器；模拟量采集模块分别连接位移传感器和力传感器；伺服驱动模块连接液压缸。