CN103676797A - 模块化分动式多足机器人运动控制器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种模块化分动式多足机器人运动控制器及其控制方法，模块化分动式多足机器人运动控制器包括上位机模块、分动式多足机器人主控节点模块、分动式多足机器人下位机节点模块；上位机模块通过转换器和屏蔽双绞线与分动式多足机器人主控节点模块连接，分动式多足机器人主控节点模块通过屏蔽双绞线与分动式多足机器人下位机节点模块相连；其控制方法包括根据选择的模式及环境视频信息传送运动指令，根据运动指令处理成下位机子模块电机具体运动参数，下位机子模块执行运动指令，传送视频信息；本发明步态规划简单，控制简便；具有备份控制方案；且各下位机节点硬件上独立、软件上自适应的模块化设计，便于扩展，且安全可靠。
Description
技术领域
本发明属于机器人控制领域，特别是一种模块化分动式多足机器人运动控制器及其控制方法。
背景技术
自从1954年美国人乔治·德沃尔制造出世界上第一台可编程的机器人，经过半个多世纪的发展，机器人已逐渐在工业生产、海空探索、军事侦察、医疗康复、抢险救灾等众多领域获得应用并发挥着越来越重要的作用。
当代机器人研究的领域已经从结构环境下的定点作业中走出来，基于非结构环境、极限环境下的先进机器人技术及其应用研究已成为智能机器人技术研究和发展的重点。轮式机器人在平地运输中速度快、可承重大，移动和控制比较容易，应用也较为广泛，但在山地和多障碍地面运动性能明显下降甚至失效。足式机器人足部落脚点的离散性和面积小的特点使其对坑洼山地的机动性和适应性更强,它能够在足尖点可达范围内灵活调整行走姿态,并选择合理的支撑点,使得机器人具有更高的避障和越障能力，但其速度、承载能力、控制简便性却明显逊色于轮式机器人。针对轮式与足式机器人的优缺点，国内外学者都进行了一些相关研究，以求找到一种快速、可承重大、良好地形适应能力、移动和控制简便的机器人解决方案。中国科学院的王洪光等基于行星轮系运动及双足真空吸附原理，提出了一种新兴的轮足复合式爬壁机器人机构并对机构的运动和仿真过程进行了仿真验证，北京航空航天大学的陈殿生等和上海交通大学的李金良等分别提出了两种不同结构的轮式腿机器人设计方案，并都进行了一些理论分析与仿真验证。
分动式多足机器人利用主动力电机驱动机械连杆机构完成机器人的直行这一基本动作，配合各足关节的调节可以实现转弯、爬坡等复杂运动。机器人性能的优劣，除了需要具备良好的机械结构特性外，与机器人控制器性能的好坏是分不开的。现有的实用型机器人多是专用系统，如工业机械手，搬运机器人等，一旦机器人的结构改变，其控制器也得重新设计，从而限制了机器人根据任务需要变更与扩展能力。 且现有机器人步态规划复杂，控制算法复杂，没有备份的控制系统方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种各模块硬件上独立，软件上自适应，灵活、可重构的模块化分动式多足机器人运动控制器及其控制方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种模块化分动式多足机器人运动控制器，包括上位机模块、分动式多足机器人主控节点模块、分动式多足机器人下位机节点模块；上位机模块通过转换器和屏蔽双绞线与分动式多足机器人主控节点模块连接，分动式多足机器人主控节点模块通过屏蔽双绞线与分动式多足机器人下位机节点模块相连。
一种模块化分动式多足机器人运动控制器的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：选择分动式多足机器人的运行模式，包括上位机有线控制方式、无线遥控方式；根据微电脑上运行的操作软件显示的分动式多足机器人当前环境视频信息，设定分动式多足机器人下一步运动参数，包括分动式多足机器人前进或后退的距离和速度，转弯的半径、角位移和速度；将分动式多足机器人下一步运动参数通过串行通信总线传送给分动式多足机器人主控节点模块；
步骤二：分动式多足机器人主控节点模块接收到上位机模块传送来的分动式多足机器人下一步运动指令，将分动式多足机器人下一步运动指令经过处理程序，处理成分动式多足机器人下位机节点模块各子模块相应电机的具体运动参数，包括速度、角位移，并通过串行通信总线将具体运动参数分发到下位机节点模块各子模块的微控制器；分动式多足机器人主控节点模块实时采集处理超声波传感器、加速度计、陀螺仪信号实现自动避障、保持平衡等半自主运行，同时分动式多足机器人主控节点模块通过总线将分动式多足机器人当前状态信息，包括速度、倾角、位移，实时反馈给微电脑上运行的操作软件；
步骤三：分动式多足机器人下位机节点模块各子模块接收到分动式多足机器人主控节点模块分发的具体运动参数，控制相应的驱动器驱动相应的电机完成指定的动作，利用速度位移传感器和相应的PID算法实现相应电机的闭环控制，同时分动式多足机器人云台控制模块通过光纤将实时传送分动式多足机器人当前环境视频信息给运行于微电脑上的操作软件显示。
本发明与现有技术相比，其显著优点：
（1）分动式多足机器人步态规划简单，控制简便；
（2）具有备份控制方案，确保分动式多足机器人在任何情况下都可以完成指定动作；
（3）各下位机节点硬件上独立、软件上自适应的模块化设计，便于扩展，且安全可靠。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明块化分动式多足机器人运动控制器的结构简图及运动控制简图；
图2 为本发明块化分动式多足机器人运动控制器的上位机模块图；
图3 为本发明块化分动式多足机器人运动控制器的主控节点模块图；
图4 为本发明块化分动式多足机器人运动控制器的总体控制模块图；
图5为本发明块化分动式多足机器人运动控制器的控制步骤图。
具体实施方式
本发明一种模块化分动式多足机器人运动控制器，包括上位机模块、分动式多足机器人主控节点模块、分动式多足机器人下位机节点模块；上位机模块通过转换器和屏蔽双绞线与分动式多足机器人主控节点模块连接，分动式多足机器人主控节点模块通过屏蔽双绞线与分动式多足机器人下位机节点模块相连。
其中，上位机模块包括微电脑、光端机接收模块、无线遥控发送模块；光端机接收模块通过转换接口与微电脑上安装的视频采集卡相连，无线遥控发射模块通过信号输出接口与微电脑相连，微电脑是PC机、工控机或工作站；
分动式多足机器人主控节点模块包括主控器、主控节点通信模块、传感器模块、无线遥控接收模块；无线遥控接收模块通过信号输入接口与主控器连接，主控节点通信模块通过信号输入/输出接口与主控器连接，传感器模块通过信号输入接口与主控器连接，其中，主控器是指微控制器或微处理器；
分动式多足机器人下位机节点模块包括分动式多足机器人主动力控制模块、分动式多足机器人机械手控制模块、分动式多足机器人云台控制模块、分动式多足机器人足关节控制模块四种模块，各模块均通过屏蔽双绞线连接在通信总线网络中，且各模块之间可以交互通信；
分动式多足机器人主动力控制模块包括主动力微控制器、主动力通信模块、主动力驱动器、主动力电机、速度位移传感器；主动力通信模块通过导线与主动力微控制器连接，主动力驱动器通过屏蔽线与主动力微控制器连接，主动力电机通过导线与主动力驱动器连接，速度位移传感器通过导线与主动力微控制器连接；
分动式多足机器人机械手控制模块包括机械手微控制器、机械手通信模块、机械手驱动器、机械手关节电机、速度位移传感器；机械手通信模块通过导线与机械手微控制器连接，机械手驱动器通过屏蔽线与机械手微控制器连接，机械手关节电机通过导线与机械手驱动器连接，速度位移传感器通过导线与机械手微控制器连接；
分动式多足机器人云台控制模块包括云台微控制器、云台通信模块、云台电机驱动器、云台、速度位移传感器、摄像头、光端机发送模块；云台通信模块通过导线与云台微控制器连接，云台电机驱动器通过导线与云台微控制器连接，云台通过导线与云台电机驱动器连接，摄像头安装在云台上方，光端机发送模块与摄像头相连接，速度位移传感器通过导线与云台微控制器连接；
分动式多足机器人足关节控制模块由n个完全相同的足关节控制子模块构成，其中n表示分动式多足机器人足的个数，n大于等于4，每个足关节控制子模块包括足关节微控制器、足关节通信模块、足关节驱动器、足关节电机、速度位移传感器；足关节通信模块通过导线与足关节微控制器连接，足关节驱动器通过导线与足关节微控制器连接，足关节电机通过导线与足关节驱动器连接，速度位移传感器通过导线与足关节微控制器连接。
所述的通信模块是CAN总线通信、485总线通信、SCI总线通信、 
总线通信或SPI总线通信。
模块化分动式多足机器人运动控制器中的信号走向如下：上位机模块传送命令给分动式多足机器人主控节点模块，分动式多足机器人主控节点模块接收到命令后，对接收到的命令进行运算处理，再将运算处理后的命令分发给分动式多足机器人下位机节点模块的各个子模块，各个子模块接收到命令后完成指定动作，并实时反馈各个子模块运动信息给分动式多足机器人主控节点模块，分动式多足机器人主控节点模块运算处理后实时反馈给上位机模块，下位机节点模块的子模块实时反馈分动式多足机器人当前所处环境视频信息给上位机模块，运行于微电脑上的操作软件实时显示分动式多足机器人当前运动状态和环境视频信息，并对分动式多足机器人下一步运动指令做出相应调整。
模块化分动式多足机器人运动控制器的控制方法，包括以下步骤：
步骤一：选择分动式多足机器人的运行模式，包括上位机有线控制方式、无线遥控方式；根据微电脑上运行的操作软件显示的分动式多足机器人当前环境视频信息，设定分动式多足机器人下一步运动参数，包括分动式多足机器人前进或后退的距离和速度，转弯的半径、角位移和速度；将分动式多足机器人下一步运动参数通过串行通信总线传送给分动式多足机器人主控节点模块；
步骤二：分动式多足机器人主控节点模块接收到上位机模块传送来的分动式多足机器人下一步运动指令，将分动式多足机器人下一步运动指令经过处理程序，处理成分动式多足机器人下位机节点模块各子模块相应电机的具体运动参数，包括速度、角位移，并通过串行通信总线将具体运动参数分发到下位机节点模块各子模块的微控制器；分动式多足机器人主控节点模块实时采集处理超声波传感器、加速度计、陀螺仪信号实现自动避障、保持平衡等半自主运行，同时分动式多足机器人主控节点模块通过总线将分动式多足机器人当前状态信息，包括速度、倾角、位移，实时反馈给微电脑上运行的操作软件；
步骤三：分动式多足机器人下位机节点模块各子模块接收到分动式多足机器人主控节点模块分发的具体运动参数，控制相应的驱动器驱动相应的电机完成指定的动作，利用速度位移传感器和相应的PID算法实现相应电机的闭环控制，同时分动式多足机器人云台控制模块通过光纤将实时传送分动式多足机器人当前环境视频信息给运行于微电脑上的操作软件显示。
其中，分动式多足机器人主控节点模块接收到上位机模块传送来的分动式多足机器人下一步运动指令后，将分动式多足机器人完成该运动指令时，分动式多足机器人所需要的位置和姿态，直接换算成足关节的速度和位移，根据足关节的速度和位移得到分动式多足机器人下位机节点模块各子模块相应电机的具体运动参数，包括速度、角位移。
足关节微控制器接收到主控器传送来的对应足关节电机的速度、角位移参数，输出PWM控制足关节驱动器驱动足关节电机按指定的速度、角位移运动；同时，与足关节电机轴相连的速度位移传感器通过足关节微控制器的信号输入接口实时反馈脉冲信息给足关节微控制器，足关节微控制器通过计算单位时间内的脉冲个数求出足关节电机速度，利用脉冲个数计算角位移，最后利用PID算法调整输出PWM的占空比，实现足关节电机速度的闭环控制。
实施例1：
主要说明分动式四足机器人的直线前进功能。
一种模块化分动式四足机器人运动控制器包括上位机模块、分动式四足机器人主控节点模块、分动式四足机器人下位机节点模块。上位机模块通过USB-CAN转换器和屏蔽双绞线与分动式四足机器人主控节点模块连接，分动式四足机器人主控节点模块通过屏蔽双绞线与分动式四足机器人下位机节点模块相连。上位机模块包括微电脑、数字视频光端机接收端、无线遥控发射模块（TK-DSM542_T）；数字视频光端机通过PCI插槽与微电脑相连，TK-DSM542_T通过RS232接口与微电脑相连；分动式四足机器人主控节点模块包括高性能微处理器/微控制器（S3C6410微处理器）、无线遥控接收模块（TK-DSM542_R）、通信模块、传感器模块；无线遥控接收模块通过RS232接口与S3C6410微处理器连接，通信模块通过SPI接口与S3C6410微处理器连接，传感器模块通过IIC接口与S3C6410微处理器连接。分动式四足机器人下位机节点模块包括分动式四足机器人主动力控制模块、分动式四足机器人机械手控制模块、分动式四足机器人云台控制模块、分动式四足机器人足关节控制模块四种模块，各模块均通过屏蔽双绞线连接在通信网络中，且各模块之间可以交互通信；
分动式四足机器人主动力控制模块包括主动力微控制器（STM32F103VET6）、主动力通信模块（CAN收发器TJA1050）、主动力驱动器（CR20560）、主动力电机、速度位移传感器（绝对式编码器AVM58N-011AAR0BN-1213）；CAN收发器TJA1050通过导线与STM32F103VET6自带的CAN接口连接，CR20560通过屏蔽线与STM32F103VET6连接，主动力电机通过导线与CR20560连接，绝对式编码器AVM58N-011AAR0BN-1213通过导线与STM32F103VET6连接。
分动式四足机器人机械手控制模块包括机械手微控制器（STM32F103VET6）、机械手通信模块（CAN收发器TJA1050）、机械手驱动器（MC33886）、机械手关节电机、速度位移传感器（增量式编码器B-ZBP3808GL）；CAN收发器TJA1050通过导线与STM32F103VET6自带的CAN接口连接，MC33886通过导线与STM32F103VET6连接，机械手关节电机通过导线与MC33886连接，增量式编码器B-ZBP3808GL通过导线与STM32F103VET6连接。
分动式四足机器人云台控制模块包括云台微控制器（STM32F103VET6）、云台通信模块（CAN收发器TJA1050）、云台电机驱动器（MC33886）、云台、速度位移传感器（增量式编码器B-ZBP3808GL）、摄像头、数字视频光端机发送端；CAN收发器TJA1050通过导线与STM32F103VET6自带的CAN接口连接，MC33886通过导线STM32F103VET6连接，云台通过导线与MC33886连接，摄像头安装在云台上方，光端机发送模块与摄像头相连接，增量式编码器B-ZBP3808GL通过导线与STM32F103VET6连接。
分动式四足机器人足关节控制模块由4个完全相同的足关节控制子模块构成，每个足关节控制子模块包括1个足关节微控制器（STM32F103VET6）、足关节通信模块（CAN收发器TJA1050）、足关节驱动器（MC33886）、足关节电机、速度位移传感器（增量式编码器B-ZBP3808GL）；CAN收发器TJA1050通过导线与STM32F103VET6自带的CAN接口连接，MC33886通过导线与STM32F103VET6连接，足关节电机通过导线与MC33886连接，增量式编码器B-ZBP3808GL通过导线STM32F103VET6连接。
在微电脑操作软件上选择分动式四足机器人的运行模式为上位机PC控制方式。从下位机节点上反馈回来的分动式四足机器人所处的当前环境视频信息，显示在上位机模块的操作软件上，操作者根据这些视频信息，拟定分动式四足机器人直线前进的距离和速度，并在操作软件中设置分动式四足机器人直行前进的速度、位移参数。上位机模块通过USB-CAN转换器和屏蔽双绞线，利用CAN总线将分动式四足机器人直行前进的速度、位移参数发送给S3C6410微处理器。S3C6410微处理器通过SPI接口与外扩CAN控制器MCP2510连接，S3C6410微处理器、外扩CAN控制器MCP2510和CAN收发器TJA1050构成通信模块，与CAN总线网络交互通信。S3C6410微处理器接收到上位机模块发送来的分动式四足机器人直行前进的速度、位移参数，将参数分解成各分动式四足机器人足关节控制模块的足关节电机的速度、角位移参数，并通过屏蔽双绞线利用CAN总线将各分动式四足机器人足关节控制模块的足关节电机的速度、角位移参数分发到足关节STM32F103VET6。足关节STM32F103VET6接收到S3C6410微处理器传送来的对应足关节电机的速度、角位移参数，控制MC33886驱动直流有刷电机按指定的速度、角位移运动。同时，与直流有刷电机轴相连的增量式编码器B-ZBP3808GL通过足关节STM32F103VET6的输入捕获单元实时反馈脉冲信息给足关STM32F103VET6，足关节STM32F103VET6通过计算单位时间内的脉冲个数求出直流有刷电机速度，利用脉冲个数计算角位移，最后利用PID算法实现直流有刷电机的闭环控制。安装在云台上方的摄像头实时拍摄分动式四足机器人当前环境视频信息，通过数字视频光端机发送端将视频信息转换为光信号，通过光纤传送给上位机模块的数字视频光端机接收端，数字视频光端机接收端将光信号恢复为视频信息，数字视频光端机接收端通过BNC转VGA接口与视频采集卡相连，视频采集卡插入微电脑的PCI插槽中，将视频信息实时显示在上位机模块的操作软件上。
实施例2：
主要说明分动式六足机器人的转弯功能。
一种模块化分动式六足机器人运动控制器包括上位机模块、分动式六足机器人主控节点模块、分动式六足机器人下位机节点模块。上位机模块通过USB-CAN转换器和屏蔽双绞线与分动式六足机器人主控节点模块连接，分动式六足机器人主控节点模块通过屏蔽双绞线与分动式六足机器人下位机节点模块相连。上位机模块包括微电脑、数字视频光端机接收端、无线遥控发射模块（TK-DHM544_T）；数字视频光端机接收端通过PCI插槽与微电脑相连，无线遥控发射模块（TK-DHM544_T）通过232-485转换器与微电脑相连，分动式六足机器人主控节点模块包括高性能微处理器/微控制器（DSP2812）、通信模块（CAN收发器TJA1050）、无线遥控接收模块（TK-DHM544_R）、传感器模块；CAN收发器TJA1050通过DSP2812自带的CAN接口与DSP2812连接，TK-DHM544_R通过485接口与DSP2812连接。分动式六足机器人下位机节点模块包括分动式六足机器人主动力控制模块、分动式六足机器人机械手控制模块、分动式六足机器人云台控制模块、分动式六足机器人足关节控制模块四种模块，各模块均通过屏蔽双绞线连接在通信网络中，且各模块之间可以交互通信。
分动式六足机器人主动力控制模块包括主动力微控制器（Atmel89s52）、主动力通信模块、主动力驱动器（IRF3205桥电路）、主动力电机、速度位移传感器（绝对式旋转编码器ASC5208），IRF3205桥电路通过屏蔽线与Atmel89s52连接，主动力电机通过导线与IRF3205桥电路连接，绝对式旋转编码器ASC5208通过导线与Atmel89s52连接，Atmel89s52微处理器通过IO接口与外扩CAN控制器SJA1000连接，Atmel89s52微处理器、外扩CAN控制器SJA1000和CAN收发器PCA82C50构成通信模块，与CAN总线网络交互通信。
分动式六足机器人机械手控制模块包括机械手微控制器（Atmel89s52）、机械手通信模块、机械手驱动器（IRF3205桥电路）、机械手关节电机、速度位移传感器（绝对式旋转编码器ASC5208）； IRF3205桥电路通过导线与Atmel89s52连接，机械手关节电机通过导线与IRF3205桥电路连接，绝对式旋转编码器ASC5208通过导线与Atmel89s52连接，Atmel89s52微处理器通过IO接口与外扩CAN控制器SJA1000连接，Atmel89s52微处理器、外扩CAN控制器SJA1000和CAN收发器PCA82C50构成通信模块，与CAN总线网络交互通信。
分动式六足机器人云台控制模块包括云台微控制器（Atmel89s52）、云台通信模块、云台电机驱动器（IRF3205桥电路）、云台、速度位移传感器（绝对式旋转编码器ASC5208）、摄像头、数字视频光端机发送端；IRF3205桥电路通过导线与Atmel89s52连接，云台通过导线与IRF3205桥电路连接，摄像头安装在云台上方，数字视频光端机发送端与摄像头相连接，绝对式旋转编码器ASC5208通过导线与Atmel89s52连接，Atmel89s52微处理器通过IO接口与外扩CAN控制器SJA1000连接，Atmel89s52微处理器、外扩CAN控制器SJA1000和CAN收发器PCA82C50构成通信模块，与CAN总线网络交互通信。
分动式六足机器人足关节控制模块由6个完全相同的足关节控制子模块构成，每个足关节控制子模块包括足关节微控制器（Atmel89s52）、足关节通信模块、足关节驱动器（IRF3205桥电路）、足关节电机、速度位移传感器（绝对式旋转编码器ASC5208）；IRF3205桥电路通过导线与Atmel89s52连接，足关节电机通过导线与IRF3205桥电路连接，绝对式旋转编码器ASC5208通过导线与Atmel89s52连接，Atmel89s52微处理器通过IO接口外扩CAN控制器SJA1000和CAN收发器PCA82C50构成通信模块，与CAN总线网络交互通信。
在微电脑操作软件上选择分动式六足机器人的运行模式为无线遥控方式。从下位机节点上反馈回来的分动式六足机器人所处的当前环境视频信息，显示在上位机模块的操作软件上，操作者根据这些视频信息，拟定分动式六足机器人转弯的半径、速度和角位移，并在操作软件中设置分动式六足机器人转弯的半径、速度和角位移参数。上位机模块通过TK-DHM544_T将分动式六足机器人转弯半径、速度、角位移参数利用无线传输发送给分动式六足机器人主控节点模块的TK-DHM544_R，TK-DHM544_R通过485接口将命令信息传入DSP2812。DSP2812接收到上位机模块发送来的分动式六足机器人转弯的转弯半径、速度、角位移参数，将参数分解成各分动式六足机器人足关节控制模块的足关节电机的速度、角位移参数，并通过屏蔽双绞线利用CAN总线将各分动式六足机器人足关节控制模块的足关节电机的速度、角位移参数分发到足关节Atmel89s52。足关节Atmel89s52接收到DSP2812传送来的对应足关节电机的速度、角位移参数，控制IRF3205桥电路驱动直流有刷电机按指定的速度、角位移运动。同时，与直流有刷电机轴相连的绝对式旋转编码器ASC5208通过足关节Atmel89s52的中断接口实时反馈脉冲信息给足关节Atmel89s52，足关节Atmel89s52通过计算单位时间内的脉冲个数求出直流有刷电机速度，利用脉冲个数计算角位移，最后利用PID算法实现直流有刷电机的闭环控制。
安装在云台上方的摄像头实时拍摄分动式六足机器人当前环境视频信息，通过数字视频光端机发送端将视频信息转换为光信号，通过光纤传送给上位机模块的数字视频光端机接收端，数字视频光端机接收端将光信号恢复为视频信息，数字视频光端机接收端通过BNC转VGA接口与视频采集卡相连，视频采集卡插入微电脑的PCI插槽中，将视频信息实时显示在上位机模块的操作软件上。
实施例3：
主要说明分动式八足机器人的避障功能。
一种模块化分动式八足机器人运动控制器包括上位机模块、分动式八足机器人主控节点模块、分动式八足机器人下位机节点模块。上位机模块通过USB-CAN转换器和屏蔽双绞线与分动式八足机器人主控节点模块连接，分动式八足机器人主控节点模块通过屏蔽双绞线与分动式八足机器人下位机节点模块相连。上位机模块包括微电脑、数字视频光端机接收端、无线遥控发射模块（RFC-33A_T）；数字视频光端机接收端通过PCI插槽与微电脑相连，分动式八足机器人主控节点模块包括高性能微处理器/微控制器（STM32F107VCT6）、无线遥控接收模块（RFC-33A_R）、通信模块（CAN收发器CTM1050）、传感器模块；RFC-33A_R通过SPI接口与STM32F107VCT6连接，CAN收发器CTM1050通过STM32F107VCT6自带的CAN接口与STM32F107VCT6连接，传感器模块通过SPI接口与STM32F107VCT6连接。分动式八足机器人下位机节点模块包括分动式八足机器人主动力控制模块、分动式八足机器人机械手控制模块、分动式八足机器人云台控制模块、分动式八足机器人足关节控制模块四种模块，各模块均通过屏蔽双绞线连接在通信网络中，且各模块之间可以交互通信。
分动式八足机器人主动力控制模块包括主动力微控制器（Atmega128）、主动力通信模块、主动力驱动器（IRF2408桥电路）、主动力电机、速度位移传感器（增量式编码器OVW2-05-2MHT）；IRF2408桥电路通过屏蔽线与Atmega128连接，主动力电机通过导线与IRF2408桥电路连接，增量式编码器OVW2-05-2MHT通过导线与Atmega128连接，Atmega128微处理器通过IO接口与外扩CAN控制器SJA1000连接，Atmega128微处理器、外扩CAN控制器SJA1000和CAN收发器CTM1050构成通信模块，与CAN总线网络交互通信。
分动式八足机器人机械手控制模块包括机械手微控制器（Atmega128）、机械手通信模块、机械手驱动器（IRF2408桥电路）、机械手关节电机、速度位移传感器（增量式编码器OVW2-05-2MHT）； IRF2408桥电路通过导线与Atmega128连接，机械手关节电机通过导线与IRF2408桥电路连接，增量式编码器OVW2-05-2MHT通过导线与Atmega128连接，Atmega128微处理器通过IO接口与外扩CAN控制器SJA1000连接，Atmega128微处理器、外扩CAN控制器SJA1000和CAN收发器CTM1050构成通信模块，与CAN总线网络交互通信。
分动式八足机器人云台控制模块包括云台微控制器（Atmega128）、云台通信模块、云台电机驱动器（IRF2408桥电路）、云台、速度位移传感器（增量式编码器OVW2-05-2MHT）、摄像头、数字视频光端机发送端；IRF2408桥电路通过导线与Atmega128连接，云台通过导线与IRF2408桥电路连接，摄像头安装在云台上方，数字视频光端机发送端与摄像头相连接，增量式编码器OVW2-05-2MHT通过导线与Atmega128连接，Atmega128微处理器通过IO接口与外扩CAN控制器SJA1000连接，Atmega128微处理器、外扩CAN控制器SJA1000和CAN收发器CTM1050构成通信模块，与CAN总线网络交互通信。
分动式八足机器人足关节控制模块由8个完全相同的足关节控制子模块构成，每个足关节控制子模块包括足关节微控制器（Atmega128）、足关节通信模块、足关节驱动器（IRF2408桥电路）、足关节电机、速度位移传感器（增量式编码器OVW2-05-2MHT）；IRF2408桥电路通过导线与Atmega128连接，足关节电机通过导线与IRF2408桥电路连接，增量式编码器OVW2-05-2MHT通过导线与Atmega128连接，Atmega128微处理器通过IO接口与外扩CAN控制器SJA1000连接，Atmega128微处理器、外扩CAN控制器SJA1000和CAN收发器CTM1050构成通信模块，与CAN总线网络交互通信。
在微电脑操作软件上选择分动式八足机器人的运行模式为上位机PC控制方式。从下位机节点上反馈回来的分动式八足机器人所处的当前环境视频信息，显示在上位机模块的操作软件上，操作者根据这些视频信息，计算障碍与分动式八足机器人的距离和障碍的高度、深度或障碍处的路面坑洼等，若障碍处对分动式八足机器人的行走不会带来阻碍，分动式八足机器人可直接跨过障碍前进，就相当于分动式八足机器人可直线前进，若障碍的高度、深度或障碍处的路面坑洼达到可以阻碍分动式八足机器人的行进，则需要分动式八足机器人绕过障碍行走。现在设定障碍处的高度、深度或障碍处的路面坑洼足以使得分动式八足机器人绕行，操作者根据分动式八足机器人与障碍处的距离，算出分动式八足机器人绕过障碍处需要的最小转弯半径，并在操作软件中设置分动式八足机器人转弯的半径、速度和角位移参数。上位机模块通过USB-CAN转换器和屏蔽双绞线，利用CAN总线将分动式八足机器人转弯半径、速度、角位移参数发送给STM32F107VCT6。STM32F107VCT6通过自带的CAN控制器和外扩的CAN驱动器PCA82C50与CAN总线交互通信。STM32F107VCT6接收到上位机模块发送来的分动式八足机器人转弯的转弯半径、速度、角位移参数，将参数分解成各分动式八足机器人足关节控制模块的足关节电机的速度、角位移参数，并通过屏蔽双绞线利用CAN总线将各分动式八足机器人足关节控制模块的足关节电机的速度、角位移参数分发到足关节Atmega128。足关节Atmega128接收到STM32F107VCT6传送来的对应足关节电机的速度、角位移参数，控制IRF2408桥电路驱动直流有刷电机按指定的速度、角位移运动。同时，与直流有刷电机轴相连的增量式编码器OVW2-05-2MHT通过足关节Atmega128的中断接口实时反馈脉冲信息给足关节Atmega128，足关节Atmega128通过计算单位时间内的脉冲个数求出直流有刷电机速度，利用脉冲个数计算角位移，最后利用PID算法实现直流有刷电机的闭环控制。
安装在云台上方的摄像头实时拍摄分动式八足机器人当前环境视频信息，通过数字视频光端机发送端将视频信息转换为光信号，通过光纤传送给上位机模块的数字视频光端机接收端，数字视频光端机接收端将光信号恢复为视频信息，数字视频光端机接收端通过BNC转VGA接口与视频采集卡相连，视频采集卡插入微电脑的PCI插槽中，将视频信息实时显示在上位机模块的操作软件上。
Claims (9)
1.一种模块化分动式多足机器人运动控制器，其特征在于：包括上位机模块、分动式多足机器人主控节点模块、分动式多足机器人下位机节点模块；上位机模块通过转换器和屏蔽双绞线与分动式多足机器人主控节点模块连接，分动式多足机器人主控节点模块通过屏蔽双绞线与分动式多足机器人下位机节点模块相连。
2.根据权利要求1所述的一种模块化分动式多足机器人运动控制器，其特征在于：上位机模块包括微电脑、光端机接收模块、无线遥控发送模块；光端机接收模块通过转换接口与微电脑上安装的视频采集卡相连，无线遥控发射模块通过信号输出接口与微电脑相连；
分动式多足机器人主控节点模块包括主控器、主控节点通信模块、传感器模块、无线遥控接收模块；无线遥控接收模块通过信号输入接口与主控器连接，主控节点通信模块通过信号输入/输出接口与主控器连接，传感器模块通过信号输入接口与主控器连接；
分动式多足机器人下位机节点模块包括分动式多足机器人主动力控制模块、分动式多足机器人机械手控制模块、分动式多足机器人云台控制模块、分动式多足机器人足关节控制模块四种模块，各模块均通过屏蔽双绞线连接在通信总线网络中，且各模块之间可以交互通信；
分动式多足机器人主动力控制模块包括主动力微控制器、主动力通信模块、主动力驱动器、主动力电机、速度位移传感器；主动力通信模块通过导线与主动力微控制器连接，主动力驱动器通过屏蔽线与主动力微控制器连接，主动力电机通过导线与主动力驱动器连接，速度位移传感器通过导线与主动力微控制器连接；
分动式多足机器人机械手控制模块包括机械手微控制器、机械手通信模块、机械手驱动器、机械手关节电机、速度位移传感器；机械手通信模块通过导线与机械手微控制器连接，机械手驱动器通过屏蔽线与机械手微控制器连接，机械手关节电机通过导线与机械手驱动器连接，速度位移传感器通过导线与机械手微控制器连接；
分动式多足机器人云台控制模块包括云台微控制器、云台通信模块、云台电机驱动器、云台、速度位移传感器、摄像头、光端机发送模块；云台通信模块通过导线与云台微控制器连接，云台电机驱动器通过导线与云台微控制器连接，云台通过导线与云台电机驱动器连接，摄像头安装在云台上方，光端机发送模块与摄像头相连接，速度位移传感器通过导线与云台微控制器连接；
分动式多足机器人足关节控制模块由n个完全相同的足关节控制子模块构成，其中n表示分动式多足机器人足的个数，n大于等于4，每个足关节控制子模块包括足关节微控制器、足关节通信模块、足关节驱动器、足关节电机、速度位移传感器；足关节通信模块通过导线与足关节微控制器连接，足关节驱动器通过导线与足关节微控制器连接，足关节电机通过导线与足关节驱动器连接，速度位移传感器通过导线与足关节微控制器连接。
3.根据权利要求2所述的一种模块化分动式多足机器人运动控制器，其特征在于：所述的微电脑是PC机、工控机或工作站。
4.根据权利要求2所述的一种模块化分动式多足机器人运动控制器，其特征在于：所述的通信模块是CAN总线通信、485总线通信、SCI总线通信、 
总线通信或SPI总线通信。
5.根据权利要求2所述的一种模块化分动式多足机器人运动控制器，其特征在于：所述的主控器是指微控制器或微处理器。
6.根据权利要求1所述的一种模块化分动式多足机器人运动控制器，其特征在于，控制器中的信号走向如下：上位机模块传送命令给分动式多足机器人主控节点模块，分动式多足机器人主控节点模块接收到命令后，对接收到的命令进行运算处理，再将运算处理后的命令分发给分动式多足机器人下位机节点模块的各个子模块，各个子模块接收到命令后完成指定动作，并实时反馈各个子模块运动信息给分动式多足机器人主控节点模块，分动式多足机器人主控节点模块运算处理后实时反馈给上位机模块，下位机节点模块的子模块实时反馈分动式多足机器人当前所处环境视频信息给上位机模块，运行于微电脑上的操作软件实时显示分动式多足机器人当前运动状态和环境视频信息，并对分动式多足机器人下一步运动指令做出相应调整。
7.一种模块化分动式多足机器人运动控制器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一：选择分动式多足机器人的运行模式，包括上位机有线控制方式、无线遥控方式；根据微电脑上运行的操作软件显示的分动式多足机器人当前环境视频信息，设定分动式多足机器人下一步运动参数，包括分动式多足机器人前进或后退的距离和速度，转弯的半径、角位移和速度；将分动式多足机器人下一步运动参数通过串行通信总线传送给分动式多足机器人主控节点模块；
步骤二：分动式多足机器人主控节点模块接收到上位机模块传送来的分动式多足机器人下一步运动指令，将分动式多足机器人下一步运动指令经过处理程序，处理成分动式多足机器人下位机节点模块各子模块相应电机的具体运动参数，包括速度、角位移，并通过串行通信总线将具体运动参数分发到下位机节点模块各子模块的微控制器；分动式多足机器人主控节点模块实时采集处理超声波传感器、加速度计、陀螺仪信号实现自动避障、保持平衡等半自主运行，同时分动式多足机器人主控节点模块通过总线将分动式多足机器人当前状态信息，包括速度、倾角、位移，实时反馈给微电脑上运行的操作软件；
步骤三：分动式多足机器人下位机节点模块各子模块接收到分动式多足机器人主控节点模块分发的具体运动参数，控制相应的驱动器驱动相应的电机完成指定的动作，利用速度位移传感器和相应的PID算法实现相应电机的闭环控制，同时分动式多足机器人云台控制模块通过光纤将实时传送分动式多足机器人当前环境视频信息给运行于微电脑上的操作软件显示。
8.根据权利要求7所述的模块化分动式多足机器人运动控制器的控制方法，其特征在于：分动式多足机器人主控节点模块接收到上位机模块传送来的分动式多足机器人下一步运动指令后，将分动式多足机器人完成该运动指令时，分动式多足机器人所需要的位置和姿态，直接换算成足关节的速度和位移，根据足关节的速度和位移得到分动式多足机器人下位机节点模块各子模块相应电机的具体运动参数，包括速度、角位移。
9.根据权利要求7所述模块化分动式多足机器人运动控制器的控制方法，其特征在于：足关节微控制器接收到主控器传送来的对应足关节电机的速度、角位移参数，输出PWM控制足关节驱动器驱动足关节电机按指定的速度、角位移运动；同时，与足关节电机轴相连的速度位移传感器通过足关节微控制器的信号输入接口实时反馈脉冲信息给足关节微控制器，足关节微控制器通过计算单位时间内的脉冲个数求出足关节电机速度，利用脉冲个数计算角位移，最后利用PID算法调整输出PWM的占空比，实现足关节电机速度的闭环控制。
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