CN104460672B - 一种仿生六足机器人控制系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种仿生六足机器人控制系统及控制方法，涉及机器人控制技术领域。本发明是为了解决现有的履带式和轮式机械在复杂环境下行走困难的问题。本发明遥控操作单元无线信号输入或输出端连外部通信单元输出或输入端，外部通信单元连主控单元，主控单元两路通信信号输入或输出端分别连传感器单元的两路通信信号输出或输入端，主控单元输入或输出端连UMAC运动控制单元输出或输入端，UMAC运动控制单元输出端连驱动控制单元输入端，UMAC运动控制单元输入端连驱动控制单元输出端，UMAC运动控制单元的多个开关信号输入端分别连接限位开关单元的多个开关信号输出端。它可用在不规则路面的行走。

Description

一种仿生六足机器人控制系统及控制方法

技术领域

本发明涉及仿生六足机器人控制系统及控制方法。属于机器人控制技术领域。

背景技术

在地球陆地表面，崎岖不平的山丘和沟壑等复杂地面占50％以上，履带式和轮式机械往往很难通过这些复杂的非结构环境，而多足生物却能够在这些不规则路面上行走自如。为提高人类在自然界的工作能力和扩大所能探索到的活动空间，需要研究模拟生物运动机能的步行机器人，因此多足步行机器人的研究被给予了很大关注。环境和任务复杂性要求机器人具有良好的适应能力和灵活的移动能力，六足机器人具有多关节冗余自由度与多支链运动结构的特点，长期以来其在非结构环境下的协调稳定运动技术一直是机器人控制领域研究的热点之一。

发明内容

本发明是为了解决现有的履带式和轮式机械在复杂环境下行走困难的问题。现提供一种仿生六足机器人控制系统及控制方法。

一种仿生六足机器人控制系统，它包括基座和六条机器臂，所述基座和六条机器臂组成六足机器人，它还包括遥控操作单元、外部通信单元、主控单元、摄像头和GPS模块、驱动控制单元、UMAC运动控制单元和限位开关单元，

每条机器臂上包括3个关节，每个关节用1个伺服电机驱动，所述限位开关单元位于每条机器臂末端的关节上，所述主控单元、摄像头和GPS模块和UMAC运动控制单元均位于基座的内部，所述的限位开关单元由6组限位装置组成，每组限位装置固定在一条机器臂末端的套筒上；

所述遥控操作单元与外部通信单元之间通过以太网实现数据传输，外部通信单元与主控单元通过USB串行接口连接，主控单元通过RS485总线方式与摄像头实现连接，同时，主控单元过RS232总线方式与GPS模块实现连接，主控单元通过以太网与UMAC运动控制单元连接，UMAC运动控制单元的控制信号输出端连接驱动控制单元的控制信号输入端，UMAC运动控制单元的反馈信号输入端连接驱动控制单元的反馈信号输出端，UMAC运动控制单元的多个位置信号输入端分别连接限位开关单元的多个开关信号输出端。

根据一种仿生六足机器人控制系统实现的控制方法，该方法包括的内容为：

遥控操作单元通过无线路由和无线网卡以无线的方式给主控单元发送操作指令并实时监控机器人的运行状态，传感器单元均用于采集机器人行走时的传感器信息，主控单元以以太网的方式给UMAC运动控制器发送操控机器人行走的命令，控制6个足端触地开关和6个足端压实开关动作，确定足端是离开地面还是压实地面，并控制驱动控制单元内的18个伺服电机的协调转动，通过电机的协调运动带动机器人摆动腿和支撑腿的来回切换，从而实现机器人在非结构复杂环境中的稳定行走。

UMAC运动控制器通过驱动18个伺服驱动器带动18个伺服电机的协调转动带动六个机器臂运动的流程为：

步骤一、UMAC运动控制器上电启动，接收18个伺服电机的电机运转指令，UMAC运动控制器分别控制6个机器臂的6个足端与地面间产生相互作用力，执行步骤二，

步骤二、判断6个机器臂足端上的6个足端压实开关是否都被触发，如果是，则执行步骤四，如果否，则执行步骤三，

步骤三、触发未被触发的压实开关，执行步骤四，

步骤四、6条机器臂被划分为摆动机器臂和支撑机器臂，UMAC运动控制器控制摆动机器臂足端上的触地开关挡板触发足端触地开关，执行步骤五，

步骤五、摆动机器臂上的伺服电机驱动关节向前摆动，支撑机器臂上的伺服电机驱动关节向后支撑，执行步骤六，

步骤六、判断摆动机器臂足端上的足端压实开关是否被触发，如果是，则执行步骤七，如果否，则执行步骤五，

步骤七、停止足端压实开关被触发的摆动机器臂足端向前摆动，停止支撑机器臂向后支撑，执行步骤八，

步骤八、等待所有摆动机器臂运动结束后，判断是否有机器人行走结束指令，如果是，则执行步骤九，如果否，则重复执行步骤四、步骤五、步骤六和步骤七，

步骤九、机器人停止行走。

本发明的有益效果为：本发明的遥控操作单元采用PC机的形式，放置在机器人机体外易于操作员控制的位置，与无线路由以以太网方式连接，通过外部通信单元给主控单元发送指令并接收从主控单元反馈的数据；外部通信单元实现遥控操作单元与主控单元的数据交换；主控单元以USB方式连接无线网卡，以以太网方式连接UMAC运动控制器，从而实现与遥控操作单元的信息交互、传感器单元信息监控以及与运动控制单元数据通信的功能，驱动控制单元，用于接收运动控制单元指令并实现电机协调转动，电机作为最终的执行机构，实现机器人在不同模式下运动；机器人每条机器臂安有一个触地开关与一个压实开关，相应的代表了足端的状态，利用限位开关的控制方式可以实现机器人在复杂环境下稳定行走。

本发明有以下有益效果：

1.采用限位开关的控制方式，费用低，相较于采用力传感器控制机器人复杂地面行走的方式，在节约了项目成本的同时，确保了机器人行走的稳定性与可靠性。

2.机器人控制系统基于模块化思想，各个模块功能划分清晰，遥控操作单元和主控单元负责控制指令发送和数据显示，运动控制单元、驱动控制单元和限位开关单元负责通过算法实现18个伺服电机协调转动，简化了系统结构，提高了机器人反应速度。

3.基于运动学分析和步态规划，可以实现机器人在不同模式下的运动，机器人功能更加多样化，针对不同路面可以切换不同的行走方式实现机器人任务的完成。

4.触地开关和压实开关线路直接接在UMAC运动控制器上，并把限位开关状态融合到机器人控制算法中，通过实时检测开关状态，判断足端位置，从保证机器人在复杂路面行走的稳定性，底层控制方式更加精简。

5.UMAC运动控制器具有机械限位等可扩展的接口，方便实时对硬件进行扩展；软件方面功能实现多样，可通过修改相应部分代码增改相关功能。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种仿生六足机器人控制系统的原理示意图，

图2为本发明所述的一种仿生六足机器人的结构示意图，

图3为本发明所述的一种仿生六足机器人控制系统中限位开关的安装位置图，

图4为具体实施方式五所述的限位装置的结构示意图，

图5为具体实施方式九所述的根据一种仿生六足机器人控制系统实现的控制方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种仿生六足机器人控制系统，它包括基座和六条机器臂，所述基座和六条机器臂组成六足机器人，它还包括遥控操作单元1-1、外部通信单元1-2、主控单元1-3、摄像头1-4-1和GPS模块1-4-2、驱动控制单元1-5、UMAC运动控制单元1-6和限位开关单元1-7，

所述每条机器臂上包括3个关节，每个关节用1个伺服电机驱动，所述限位开关单元1-7位于每条机器臂末端的关节上，所述主控单元1-3、摄像头1-4-1和GPS模块1-4-2和UMAC运动控制单元1-6均位于基座的内部，所述的限位开关单元1-7由6组限位装置组成，每组限位装置固定在一条机器臂末端的套筒上；

所述遥控操作单元1-1与外部通信单元1-2之间通过以太网实现数据传输，外部通信单元1-2与主控单元1-3通过USB串行接口连接，主控单元1-3通过RS485总线方式与摄像头1-4-1实现连接，同时，主控单元1-3通过RS232总线方式与GPS模块1-4-2实现连接，主控单元1-3通过以太网与UMAC运动控制单元1-6连接，UMAC运动控制单元1-6的控制信号输出端连接驱动控制单元1-5的控制信号输入端，UMAC运动控制单元1-6的反馈信号输入端连接驱动控制单元1-5的反馈信号输出端，UMAC运动控制单元1-6的多个开关信号输入端分别连接限位开关单元1-7的多个开关信号输出端。

本实施方式中，UMAC运动控制单元通过控制伺服驱动器，控制电机带动机械机构运动，从而当足端与地面接触时，足端逐渐压缩弹簧，足端带动压实开关挡板机械触发压实开关，压实开关被触发后反馈信号给UMAC运动控制器。在足端抬离地面时，触地开关挡板机械触发触地开关也是同样原理。UMAC运动控制器没有直接对限位开关的信号输出，限位开关型号为欧姆龙EE-SX673型号的光电开关。

本实施方式中，UMAC运动控制单元1-6采用32轴的UMAC运动控制器，具有与主控单元数据通信，规划驱动控制单元和采集限位开关单元信息的功能；

驱动控制单元，用于接收运动控制单元指令并实现电机协调转动；限位开关单元用于检测足端是否与地面充分接触，并检测结果反馈给运动控制单元。

遥控操作单元程序和主控单元程序基于VC++6.0开发；运动控制单元程序基于UMAC中的PLC程序和运动控制程序开发。

遥控操作单元和主控单元，负责指令的发送和信息的显示；运动控制单元、驱动控制单元和限位开关单元，负责优化以及控制电机协调转动从而带动机器人机械结构运动。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种仿生六足机器人控制系统作进一步说明，本实施方式中，外部通信单元1-2包括无线路由和无线网卡，所述无线路由和无线网卡采用无线方式连接，无线路由与遥控操作单元1-1的通过以太网方式连接，无线网卡与主控单元1-3通过USB方式连接。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种仿生六足机器人控制系统作进一步说明，本实施方式中，摄像头1-4-1采用高分辨率的AFT-USBⅡ系列工业数字摄像机实现，GPS模块1-4-2采用型号为iTrax300的GPS模块实现。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种仿生六足机器人控制系统作进一步说明，本实施方式中，每条机器臂的末端为足端，每条机器臂有三个关节，驱动控制单元1-5包括18个伺服驱动器1-5-1和18个伺服电机1-5-2，每个伺服电机控制一个关节活动，

所述UMAC运动控制单元1-6的18个控制信号输出端分别连接18个伺服驱动器1-5-1的控制信号输入端，18个伺服驱动器1-5-1的控制信号输出端分别连接18个伺服电机1-5-2的控制信号输入端，18个伺服电机1-5-2的反馈信号输出端分别连接18个伺服驱动器1-5-1的反馈信号输入端，18个伺服驱动器1-5-1的反馈信号输出端分别连接UMAC运动控制单元1-6的18个反馈信号输入端。

具体实施方式五：参照图4具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种仿生六足机器人控制系统作进一步说明，本实施方式中，限位装置包括足端触地开关1-7-1、足端压实开关1-7-2、触地开关挡板3-3、压实开关挡板3-4和弹簧3-5，

每组限位装置被固定在一条机器臂末端的套筒上，足端触地开关1-7-1和足端压实开关1-7-2被固定在套筒上，足端圆周壁上开有两个径向孔3-8，触地开关挡板3-3通过螺丝固定在一个径向孔3-8上，压实开关挡板3-4通过螺丝固定在另一个径向孔3-8上，弹簧3-5上端顶靠在套筒3-7上端内壁，弹簧3-5下端顶靠在足端3-6上端，

所述触地开关挡板3-3用于触发足端触地开关1-7-1，该足端触地开关1-7-1发送信号给UMAC运动控制单元1-6，

压实开关挡板3-4用于触发足端压实开关1-7-2，该足端压实开关1-7-2发送信号给UMAC运动控制单元1-6，6个弹簧3-5分别用于控制6个足末端3-6对地面施加作用力。

本实施方式中，足端(3-6)上端在套筒内部，并可通过足端受力在套筒内部滑动，并压缩弹簧或使弹簧伸长，以及带动触地开关挡板和压实开关挡板的运动，进而机械触发触地开关或压实开关。

本实施方式中，6个足端触地开关1-7-1判断相应机器臂的足端是否接触到地面，确定足端是离开地面还是接触地面，相应的足端压实开关用于判断相应机器臂的足端是否与地面稳定可靠接触，进而判断该条足端是否压实地面，并控制驱动控制单元1-5内的18个伺服电机的协调转动，通过电机的协调运动带动机器人横向摆动和向前摆动的来回切换，实现机器人在非结构复杂环境中的稳定行走。当足末端与地面间没有相互作用力时，弹簧处于正常状态，触地开关挡板触发触地开关，压实开关未被触发；当足末端与地面间的相互作用力逐渐增大时，弹簧逐渐被压缩，触地开关挡板与触地开关分开，压实开关挡板与压实开关逐渐靠近，直至压实开关被触发。UMAC运动控制器通过接收限位开关状态信号对机器人在复杂地面的稳定行走进行控制，如图3所示。

具体实施方式六：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种仿生六足机器人控制系统作进一步说明，本实施方式中，遥控操作单元1-1采用PC机实现。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种仿生六足机器人控制系统作进一步说明，本实施方式中，主控单元1-3采用型号为PC104的主板实现。

本实施方式中，主控单元采用研华PC104主板，用于实现与遥控操作单元的信息交互、传感器单元信息监控以及与运动控制单元数据通信的功能。

具体实施方式八：根据具体实施方式一所述的一种仿生六足机器人控制系统实现的控制方法，该方法包括的内容为：

遥控操作单元1-1通过无线路由和无线网卡以无线的方式给主控单元1-3发送操作指令并实时监控机器人的运行状态，摄像头1-4-1和GPS模块1-4-2采集机器人行走时的传感器信息，将信息传给主控单元1-3，主控单元1-3通过以太网给UMAC运动控制器1-6发送操控机器人行走的命令，从而UMAC运动控制器1-6通过驱动18个伺服驱动器1-5-1带动18个伺服电机1-5-2的协调转动带动六个机器臂运动，同时采集限位开关单元1-7反馈的信号，并根据所述信号调整相应伺服电机1-5-2的控制信号。

本实施方式中，遥控操作单元和主控单元基于服务器-客户端的方式实现无线通信，遥控操作单元通过给主控单元发送操作人员指令实现机器人的运动以及接收主控单元传来的机器人关节角度等数据实现相关参数的显示。

基于位置环、速度环和电流环三环控制方式,UMAC运动控制器给驱动控制单元发送模拟量控制单个电机的转动，通过编码器反馈获得电机位置信息。利用UMAC运动控制器实现18个伺服电机协调转动，从而带动六足机器人在不同模式下运动。

六足机器人在复杂环境中行走时，通过实时检测足端触地开关和压实开关的状态，确定足端此时是离开地面还是压实地面，并把限位开关的状态信息融入到机器人的控制算法中，基于UMAC运动控制器控制伺服电机协调转动，从而带动六足机器人摆动腿和支撑腿的来回切换，实现机器人在非结构复杂环境中的稳定行走。

具体实施方式九：参照图5具体说明本实施方式，根据具体实施方式八所述的一种仿生六足机器人控制系统实现的控制方法，UMAC运动控制器1-6通过驱动18个伺服驱动器1-5-1带动18个伺服电机1-5-2的协调转动带动六个机器臂运动的流程为：

步骤一、UMAC运动控制器1-6上电启动，接收18个伺服电机1-5-2的电机运转指令，UMAC运动控制器1-6分别控制6个机器臂的6个足端与地面间产生相互作用力，执行步骤二，

步骤二、判断6个机器臂足端上的6个足端压实开关1-7-2是否都被触发，如果是，则执行步骤四，如果否，则执行步骤三，

步骤三、触发未被触发的压实开关，执行步骤四，

步骤四、6条机器臂被划分为摆动机器臂和支撑机器臂，UMAC运动控制器控制摆动机器臂足端上的触地开关挡板触发足端触地开关，执行步骤五，

步骤五、摆动机器臂上的伺服电机驱动关节向前摆动，支撑机器臂上的伺服电机驱动关节向后支撑，执行步骤六，

步骤六、判断摆动机器臂足端上的足端压实开关是否被触发，如果是，则执行步骤七，如果否，则执行步骤五，

步骤七、停止足端压实开关被触发的摆动机器臂足端向前摆动，停止支撑机器臂向后支撑，执行步骤八，

步骤八、等待所有摆动机器臂运动结束后，判断是否有机器人行走结束指令，如果是，则执行步骤九，如果否，则重复执行步骤四、步骤五、步骤六和步骤七，

步骤九、机器人停止行走。

Claims (7)

1.基于一种仿生六足机器人控制系统实现的控制方法，所述系统包括基座和六条机器臂，所述基座和六条机器臂组成六足机器人，所述系统还包括遥控操作单元(1-1)、外部通信单元(1-2)、主控单元(1-3)、摄像头(1-4-1)和GPS模块(1-4-2)、驱动控制单元(1-5)、UMAC运动控制单元(1-6)和限位开关单元(1-7)，

每条机器臂上包括3个关节，每个关节用1个伺服电机驱动，所述限位开关单元位于每条机器臂末端的关节上，所述主控单元(1-3)、摄像头(1-4-1)和GPS模块(1-4-2)和UMAC运动控制单元(1-6)均位于基座的内部，所述的限位开关单元(1-7)由6组限位装置组成，每组限位装置固定在一条机器臂末端的套筒上，

所述遥控操作单元(1-1)与外部通信单元(1-2)之间通过以太网实现数据传输，外部通信单元(1-2)与主控单元(1-3)通过USB串行接口连接，主控单元(1-3)通过RS485总线方式与摄像头(1-4-1)实现连接，同时，主控单元(1-3)通过RS232总线方式与GPS模块(1-4-2)实现连接，主控单元(1-3)通过以太网与UMAC运动控制单元(1-6)连接，UMAC运动控制单元(1-6)的控制信号输出端连接驱动控制单元(1-5)的控制信号输入端，UMAC运动控制单元(1-6)的反馈信号输入端连接驱动控制单元(1-5)的反馈信号输出端，UMAC运动控制单元(1-6)的多个开关信号输入端分别连接限位开关单元(1-7)的多个开关信号输出端；

所述控制方法为：

遥控操作单元(1-1)通过无线路由和无线网卡以无线的方式给主控单元(1-3)发送操作指令并实时监控机器人的运行状态，摄像头(1-4-1)和GPS模块(1-4-2)采集机器人行走时的传感器信息，将信息传给主控单元(1-3)，主控单元(1-3)通过以太网给UMAC运动控制器(1-6)发送操控机器人行走的命令，从而UMAC运动控制器(1-6)通过驱动18个伺服驱动器(1-5-1)带动18个伺服电机(1-5-2)的协调转动带动六个机器臂运动，同时采集限位开关单元(1-7)反馈的信号，并根据所述信号调整相应伺服电机(1-5-2)的控制信号；

其特征在于，UMAC运动控制器(1-6)通过驱动18个伺服驱动器(1-5-1)带动18个伺服电机(1-5-2)的协调转动带动六个机器臂运动的流程为：

步骤一、UMAC运动控制器(1-6)上电启动，接收18个伺服电机(1-5-2)的电机运转指令，UMAC运动控制器(1-6)分别控制6个机器臂的6个足端与地面间产生相互作用力，执行步骤二，

步骤二、判断6个机器臂足端上的6个足端压实开关(1-7-2)是否都被触发，如果是，则执行步骤四，如果否，则执行步骤三，

步骤三、触发未被触发的压实开关，执行步骤四，

步骤四、6条机器臂被划分为摆动机器臂和支撑机器臂，UMAC运动控制器(1-6)控制摆动机器臂足端上的触地开关挡板(3-3)触发足端触地开关(1-7-1)，执行步骤五，

步骤五、摆动机器臂上的伺服电机驱动关节向前摆动，支撑机器臂上的伺服电机驱动关节向后支撑，执行步骤六，

步骤六、判断摆动机器臂足端上的足端压实开关(1-7-2)是否被触发，如果是，则执行步骤七，如果否，则执行步骤五，

步骤七、停止足端压实开关(1-7-2)被触发的摆动机器臂足端向前摆动，停止支撑机器臂向后支撑，执行步骤八，

步骤八、等待所有摆动机器臂运动结束后，判断是否有机器人行走结束指令，如果是，则执行步骤九，如果否，则重复执行步骤四、步骤五、步骤六和步骤七，

步骤九、机器人停止行走。

2.根据权利要求1所述的基于一种仿生六足机器人控制系统实现的控制方法，其特征在于，外部通信单元(1-2)包括无线路由和无线网卡，所述无线路由和无线网卡采用无线方式连接，无线路由与遥控操作单元(1-1)的通过以太网方式连接，无线网卡与主控单元(1-3)通过USB方式连接。

3.根据权利要求1所述的基于一种仿生六足机器人控制系统实现的控制方法，其特征在于，摄像头(1-4-1)采用高分辨率的AFT-USBⅡ系列工业数字摄像机实现，GPS模块(1-4-2)采用型号为iTrax300的GPS模块实现。

4.根据权利要求1所述的基于一种仿生六足机器人控制系统实现的控制方法，其特征在于，每条机器臂的末端为足端，每条机器臂有三个关节，驱动控制单元(1-5)包括18个伺服驱动器(1-5-1)和18个伺服电机(1-5-2)，每个伺服电机控制一个关节活动，

所述UMAC运动控制单元(1-6)的18个控制信号输出端分别连接18个伺服驱动器(1-5-1)的控制信号输入端，18个伺服驱动器(1-5-1)的控制信号输出端分别连接18个伺服电机(1-5-2)的控制信号输入端，18个伺服电机(1-5-2)的反馈信号输出端分别连接18个伺服驱动器(1-5-1)的反馈信号输入端，18个伺服驱动器(1-5-1)的反馈信号输出端分别连接UMAC运动控制单元(1-6)的18个反馈信号输入端。

5.根据权利要求1所述的基于一种仿生六足机器人控制系统实现的控制方法，其特征在于，限位装置包括足端触地开关(1-7-1)、足端压实开关(1-7-2)、触地开关挡板(3-3)、压实开关挡板(3-4)和弹簧(3-5)，

每组限位装置被固定在一条机器臂末端的套筒上，足端触地开关(1-7-1)和足端压实开关(1-7-2)被固定在套筒上，足端圆周壁上开有两个径向孔(3-8)，触地开关挡板(3-3)通过螺丝固定在一个径向孔(3-8)上，压实开关挡板(3-4)通过螺丝固定在另一个径向孔(3-8)上，弹簧(3-5)上端顶靠在套筒(3-7)上端内壁，弹簧(3-5)下端顶靠在足端(3-6)上端，

所述触地开关挡板(3-3)用于触发足端触地开关(1-7-1)，该足端触地开关(1-7-1)发送信号给UMAC运动控制单元(1-6)，

压实开关挡板(3-4)用于触发足端压实开关(1-7-2)，该足端压实开关(1-7-2)发送信号给UMAC运动控制单元(1-6)，6个弹簧(3-5)分别用于控制6个足末端(3-6)对地面施加作用力。

6.根据权利要求1所述的基于一种仿生六足机器人控制系统实现的控制方法，其特征在于，遥控操作单元(1-1)采用PC机实现。

7.根据权利要求1所述的基于一种仿生六足机器人控制系统实现的控制方法，其特征在于，主控单元(1-3)采用型号为PC104的主板实现。