CN105500371A - 服务机器人控制器及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了服务机器人控制器及其控制方法，采用开放式二级分层架构，包括通过通信接口相连的任务规划层及运动控制层；任务规划层，通过人—机接口接受任务，进行任务规划及动作序列规划，根据视觉传感器及听觉传感器得到视觉、听觉、接近觉传感信息进行动作序列的调整；运动控制层根据任务规划层规划的运动轨迹，进行相应的运动控制，并根据触觉传感器得到触觉传感信息实时调整运动控制过程。控制器采用开放性架构，提供灵活定义、开发服务机器人不同功能的平台。分层开放的软硬件平台，可以面向不同需求提供不同层次的开放，满足服务机器人任务重构、功能重建的应用需求。

Description

服务机器人控制器及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种控制器，具体涉及一种服务机器人控制器及其控制方法。

背景技术

从机器人应用环境出发，机器人可以分为两大类，即工业机器人和服务机器人。服务机器人是机器人家族的一个年轻成员，应用领域十分广泛。服务机器人的定位就是服务，从机器人的功能特点来讲，它与工业机器人的一个本质区别在于，工业机器人的工作环境是已知的，功能基本上是确定的，只是通过示教再现方式定义机器人的作业程序；而服务机器人的工作环境绝大多数是未知的，一般通过软件升级进行功能上的改进优化。

目前的服务机器人控制器存在的技术问题如下：

1.控制器针对具体的任务功能设计，不适合功能扩展的应用需求；

2.服务机器人的功能扩展需求，一般体现在应用层，而承载功能应用的硬件和软件在架构上不够清晰，弱实时性的任务规划和强实时性的运动控制耦合度强，不便于开发者进行功能扩展开发。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明公开了服务机器人控制器、控制方法、控制器终端及服务机器人，该控制器用于服务机器人进行环境感知和环境表示，并进行复杂任务和服务的实时规划以及运动控制。

为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

服务机器人控制器，采用开放式二级分层架构，包括通过通信接口相连的任务规划层及运动控制层；

任务规划层，通过人机接口接受任务，进行任务规划及动作序列规划，根据视觉传感器及听觉传感器得到视觉、听觉、接近觉传感信息进行动作序列的调整；

运动控制层根据任务规划层规划的运动轨迹，进行相应的运动控制，并根据触觉传感器得到触觉传感信息实时调整运动控制过程。

进一步的，所述任务控制层承载在基于ARM架构的可扩展多核的应用处理器上。

进一步的，所述运动规划层承载在两个应用处理器上时，两个应用处理器之间通过SPI接口通信。

进一步的，其中一个应用处理器包括三个3.3VGPIO接口，分别接至超声传感器、红外传感器、拾音器，摄像头接口，用于连接摄像仪，CPU中的图像处理装置和硬件图形加速器用于对采集到图像数据的快速处理，CPU缓存用于存储数据；

另一个应用处理器包括二个3.3VGPIO接口，分别接至压力传感器及倾角传感器，PWM接口输出PWM控制信号，CPU缓存用于存储数据。

进一步的，视觉传感器根据摄像仪、超声传感器、红外传感器采集的信息完成物体识别判断、距离测量；

听觉传感器，采用拾音器完成语音识别与人机对话；

触觉传感器，采用压力传感器和倾角传感器，完成姿态和运动稳定性控制；

PWM控制信号用于驱动底层运动机构控制。

进一步的，任务规划层基于Android系统实现，对应于Android系统的分层架构，任务规划层软件划分为四层，即：

应用层：应用层上包括各类与用户直接交互的应用程序，或由java语言编写的运行于后台的服务程序；

应用框架层：应用程序框架层提供开应用程序所需的一系列模块，任何一个应用程序都可以发布它的功能块并且任何其它的应用程序都可以使用其所发布的功能块；

系统运行库：主要包括任务规划算法库、图像处理算法库、语音识别算法库、传感信息融合算法库；

Linux内核层：为硬件和软件栈的抽象层，进行安全、内存、进程以及设备驱动的管理，实现对超声传感器、红外传感器、拾音器、摄像仪及通信接口的设备驱动管理；

将硬件的驱动分为用户空间和内核空间两个层面，Linux内核驱动程序运行于内核空间，硬件抽象层运行于用户空间。

其中，应用层中，主要包括人机交互控制模块、任务定义模块、远程操作模块、机器人健康状态显示模块，以及工作过程的图像显示模块和视频显示模块；

人机交互模块通过听觉传感器(如拾音器)接受语音命令，或通过触摸屏接受相应控制命令；任务定义模块通过语音设别或相应控制命令理解建立任务模型；远程操作模块通过wifi或其它无线信号接受远程控制命令；机器人健康状态显示模块通过显示屏显示电量及各部件的自检情况；工作过程的图像显示和视频显示模块通过显示器显示工作过程的监控情况。

应用框架层中，主要包括任务规划模块、地图构建模块、路径规划模块、障碍识别模块、任务规划调整模块、路径规划调整模块；

任务规划模块根据任务模型结合当前的环境状态将任务分解为子任务，并确定各子任务之间的逻辑关系；路径规划模块根据子任务的目标规划到达路径；障碍识别模块根据视觉传感信息处理识别障碍物；任务规划调整模块根据子任务执行过程中突发情况(如障碍阻挡等)，进行子任务目标调整；路径规划调整模块根据子任务的调整重新规划路径。

进一步的，运动控制层基于实时操作系统RTOS，按照任务规程层的运动规划控制，在给定运动规划条件下，根据压力传感信息和倾角传感信息进行反射运动调整。

进一步的，运动控制层包括规划运动控制模块、反射运动调整模块、压力传感器驱动模块、倾角传感器驱动模块、PWM驱动模块及通信接口驱动模块；

规划运动控制模块是通过通信接口驱动模块驱动通信接口接收上层的给定的规划路线，通过PWM驱动模块输出PWM信号，控制机器人的运动执行机构；机器人运动过程中，反射运动调整模块根据触觉传感信息，包括压力传感器驱动模块驱动的压力传感器采集的信息、倾角传感器驱动模块驱动的倾角传感器采集的信息，实时调整运动步态或姿态。

服务机器人控制器的控制方法，包括以下步骤：

人机接口接受任务，进行任务规划及动作序列规划，根据视觉传感器及听觉传感器得到视觉、听觉、接近觉传感信息进行动作序列的调整；

根据规划的运动轨迹，进行相应的运动控制，并根据触觉传感器得到触觉传感信息实时调整运动控制过程。

本发明的有益效果：

根据机器人任务规划、传感信息处理、运动控制等功能模块对实时性处理的需求不同进行架构分层，对于只是软实时要求，即期望任务在预定的时间内完成的功能模块划在任务规划层，对于硬实时要求的触觉传感信息处理和运动学模型计算及运动控制等功能则划在运动控制层。

这种分层架构便于针对不同的开放需求进行选择性的开放接口和功能。分层之间的松耦合关系，使得开发者可以面向任务规划层或运动规划层单独开发相应的功能或算法。

开放任务规划层功能接口，包括传感器接口、人—机交互接口等，开发者可以根据应用开发不同的任务功能。

开放运动控制层功能接口，开发者可以根据需要进行运动控制算法的优化、设计基于ARM架构的可扩展多核的应用处理器，具备节能高效的处理能力与尖端的图形处理功能，集成式I/O便于传感器连接，符合开放式控制器要求。

控制器采用开放性架构，提供灵活定义、开发服务机器人不同功能的平台。分层开放的软硬件平台，可以面向不同需求提供不同层次的开放，满足服务机器人任务重构、功能重建的应用需求。

附图说明

图1本发明的控制器架构；

图2控制器硬件框图；

图3任务规划层软件架构；

图4运动控制层软件架构。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明进行详细说明：

服务机器人的主要关键技术包括：环境感知和信号处理、复杂任务和服务的实时规划、开放式控制器体系架构、适应于作业环境的机械本体结构、友好的交互式人--机器人接口。

如图1所示，关于本发明的机器人控制器架构：控制器采用开放式二级分层架构，任务规划层通过人—机器人接口接受任务，进行任务—动作序列规划，根据视觉、听觉、接近觉等传感信息进行动作序列的调整；运动控制层根据任务规划层规划的运动轨迹，进行相应的运动控制，并根据触觉传感信息实时调整控制过程。

采用该架构设计的特点：

根据机器人任务规划、传感信息处理、运动控制等功能模块对实时性处理的需求不同进行架构分层，对于只是软实时要求，即期望任务在预定的时间内完成的功能模块划在任务规划层，对于硬实时要求的触觉传感信息处理和运动学模型计算及运动控制等功能则划在运动控制层。

这种分层架构便于针对不同的开放需求进行选择性的开放接口和功能。分层之间的松耦合关系，使得开发者可以面向任务规划层或运动规划层单独开发相应的功能或算法。

开放任务规划层功能接口，包括传感器接口、人—机交互接口等，开发者可以根据应用开发不同的任务功能。

开放运动控制层功能接口，开发者可以根据需要进行运动控制算法的优化、设计。

传感器分层，与运动规划相关的传感器信息在任务规划层处理，与运动控制算法相关的传感器在运动控制层处理。

如图2所示，关于机器人控制器硬件：

控制器的任务控制层可以承载在基于ARM架构的可扩展多核的应用处理器上，如i.MX6系列应用处理器，选择单核或多核处理器取决于机器人实现任务功能的复杂度。

控制器的运动规划层承载在一个或多个ARM处理器上，该处理器根据任务规划层的运动控制命令，运行相应的运动控制算法，同时根据触觉传感信息，对运动模式进行修正。

该硬件设计的特点：

基于ARM架构的可扩展多核的应用处理器，具备节能高效的处理能力与尖端的图形处理功能，集成式I/O便于传感器连接，符合开放式控制器要求。

视觉传感器，采用摄像仪、超声、红外等传感装置，用于物体识别判断、距离测量等。听觉传感器，采用拾音器创感装置，用于语音识别与人机对话。触觉传感器，采用压力传感器装置和倾角传感器装置，用于姿态和稳定性控制。PWM信号用于驱动底层运动机构控制。机器人控制器软件

控制器软件架构着重考虑系统的可靠性、实时性、开放性等，任务规划层软件架构和运动控制层软件架构分别如图3和图4所示。

如图3所示，任务规划层基于Android系统实现，对应于Android系统的分层架构，任务规划层软件划分为四层，即：

应用层：主要实现的功能，包括人机交互、任务定义、远程操作、机器人健康状态显示，以及工作过程的图像显示和视频显示等。

应用框架层：主要实现的功能，包括任务规划、地图构建、路径规划、障碍识别、任务规划调整、路径规划调整等。

系统运行库：主要提供任务规划算法、图像处理算法、语音识别算法、传感信息融合算法等算法库。

Linux内核层：硬件和软件栈的抽象层，进行安全、内存、进程以及驱动的管理。

进一步的实施方式，应用层：应用层上包括各类与用户直接交互的应用程序，或由java语言编写的运行于后台的服务程序，主要包括人机交互控制模块、任务定义模块、远程操作模块、机器人健康状态显示模块，以及工作过程的图像显示模块和视频显示模块；

应用框架层：应用程序框架层提供开应用程序所需的一系列模块，使开发人员可以进行快速的应用程序开发，任何一个应用程序都可以发布它的功能块并且任何其它的应用程序都可以使用其所发布的功能块；

主要包括任务规划模块、地图构建模块、路径规划模块、障碍识别模块、任务规划调整模块、路径规划调整模块；

系统运行库：主要包括任务规划算法库、图像处理算法库、语音识别算法库、传感信息融合算法库；

Linux内核层：为硬件和软件栈的抽象层，进行安全、内存、进程以及设备驱动的管理。实现对超声传感器、红外传感器、拾音器、摄像仪及通信接口等设备驱动管理的目的，是将应用框架层与linux系统内核的设备驱动隔离，使应用程序框架的开发尽量独立于具体的驱动程序，通过对Linux内核驱动程序的封装，将硬件抽象化，屏蔽掉了底层的实现细节，本质上就是将硬件的驱动分为用户空间和内核空间两个层面，Linux内核驱动程序运行于内核空间，硬件抽象层运行于用户空间。

如图4所示，运动控制层基于实时操作系统RTOS，按照任务规程层的运动规划控制，在给定运动规划条件下，根据压力传感信息和倾角传感信息进行反射运动调整，提高机器人的运动抗扰能力。

运动控制层包括规划运动控制模块、反射运动调整模块、压力传感器驱动模块、倾角传感器驱动模块、PWM驱动模块及通信接口驱动模块。规划运动控制模块是通过通信接口接收上层的给定的规划路线，通过PWM(脉冲宽度调制)输出控制机器人的运动执行机构；机器人运动过程中，反射运动调整模块根据触觉传感信息，如压力传感器信息或倾角传感器信息，实时调整运动步态或姿态。

该软件架构的特点：

任务规划层基于Android系统构建，充分利用Android系统的开放性以及丰富的应用资源，开发功能多样的服务机器人；AndroidSDK和NDK开发包可以让开发者根据需要使用Java或C/C++开发各种应用。

任务规划层传感器信息处理算法、具体的任务规划算法以及运动规划算法封装成库函数，提供标准调用接口，开放给上层调用。

运动控制层属于底层运动控制，传感信息处理及运动控制算法要求实时高，逻辑上独立开来，可以避免由于任务规划层的开放可能带来的对实时性算法运行的影响。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.服务机器人控制器，其特征是，采用开放式二级分层架构，包括通过通信接口相连的任务规划层及运动控制层；

任务规划层，通过人机接口接受任务，进行任务规划及动作序列规划，根据视觉传感器及听觉传感器得到视觉、听觉、接近觉传感信息进行动作序列的调整；

运动控制层根据任务规划层规划的运动轨迹，进行相应的运动控制，并根据触觉传感器得到触觉传感信息实时调整运动控制过程。

2.如权利要求1所述的服务机器人控制器，其特征是，所述任务控制层承载在基于ARM架构的可扩展多核的应用处理器上。

3.如权利要求1所述的服务机器人控制器，其特征是，所述运动规划层承载在两个应用处理器上时，两个应用处理器之间通过SPI接口通信。

4.如权利要求3所述的服务机器人控制器，其特征是，其中一个应用处理器包括三个3.3VGPIO接口，分别接至超声传感器、红外传感器、拾音器，摄像头接口，用于连接摄像仪，CPU中的图像处理装置和硬件图形加速器用于对采集到图像数据的快速处理，CPU缓存用于存储数据；

另一个应用处理器包括二个3.3VGPIO接口，分别接至压力传感器及倾角传感器，PWM接口输出PWM控制信号，CPU缓存用于存储数据。

5.如权利要求4所述的服务机器人控制器，其特征是，视觉传感器根据摄像仪、超声传感器、红外传感器采集的信息完成物体识别判断、距离测量；

听觉传感器，采用拾音器完成语音识别与人机对话；

触觉传感器，采用压力传感器和倾角传感器，完成姿态和稳定性控制；

PWM控制信号用于驱动底层运动机构控制。

6.如权利要求1所述的服务机器人控制器，其特征是，进一步的，任务规划层基于Android系统实现，对应于Android系统的分层架构，任务规划层软件划分为四层，即：

应用层：应用层上包括各类与用户直接交互的应用程序，或由java语言编写的运行于后台的服务程序；

应用框架层：应用程序框架层提供开应用程序所需的一系列模块，任何一个应用程序都可以发布它的功能块并且任何其它的应用程序都可以使用其所发布的功能块；

系统运行库：主要包括任务规划算法库、图像处理算法库、语音识别算法库、传感信息融合算法库；

Linux内核层：为硬件和软件栈的抽象层，进行安全、内存、进程以及设备驱动的管理，实现对超声传感器、红外传感器、拾音器、摄像仪及通信接口的设备驱动管理；

Linux内核层将硬件的驱动分为用户空间和内核空间两个层面，Linux内核驱动程序运行于内核空间，硬件抽象层运行于用户空间。

7.如权利要求1所述的服务机器人控制器，其特征是，运动控制层基于实时操作系统RTOS，按照任务规程层的运动规划控制，在给定运动规划条件下，根据压力传感信息和倾角传感信息进行反射运动调整；

运动控制层包括规划运动控制模块、反射运动调整模块、压力传感器驱动模块、倾角传感器驱动模块、PWM驱动模块及通信接口驱动模块；

规划运动控制模块是通过通信接口驱动模块驱动通信接口接收上层的给定的规划路线，通过PWM驱动模块输出PWM信号，控制机器人的运动执行机构；机器人运动过程中，反射运动调整模块根据触觉传感信息，包括压力传感器驱动模块驱动的压力传感器采集的信息、倾角传感器驱动模块驱动的倾角传感器采集的信息，实时调整运动步态或姿态。

8.如权利要求6所述的服务机器人控制器，其特征是，应用层中，主要包括人机交互控制模块、任务定义模块、远程操作模块、机器人健康状态显示模块，以及工作过程的图像显示模块和视频显示模块；

人机交互模块通过听觉传感器接受语音命令，或通过触摸屏接受相应控制命令；任务定义模块通过语音设别或相应控制命令理解建立任务模型；远程操作模块通过无线信号接受远程控制命令；机器人健康状态显示模块通过显示屏显示电量及各部件的自检情况；工作过程的图像显示和视频显示模块通过显示器显示工作过程的监控情况。

9.如权利要求6所述的服务机器人控制器，其特征是，应用框架层中，主要包括任务规划模块、地图构建模块、路径规划模块、障碍识别模块、任务规划调整模块、路径规划调整模块；

任务规划模块根据任务模型结合当前的环境状态将任务分解为子任务，并确定各子任务之间的逻辑关系；路径规划模块根据子任务的目标规划到达路径；障碍识别模块根据视觉传感信息处理识别障碍物；任务规划调整模块根据子任务执行过程中突发情况，进行子任务目标调整；路径规划调整模块根据子任务的调整重新规划路径。

10.基于权利要求1-9所述的服务机器人控制器的控制方法，其特征是，包括以下步骤：

人机接口接受任务，进行任务规划及动作序列规划，根据视觉传感器及听觉传感器得到视觉、听觉、接近觉传感信息进行动作序列的调整；

根据规划的运动轨迹，进行相应的运动控制，并根据触觉传感器得到触觉传感信息实时调整运动控制过程。