CN108436912A - 一种可重构机器人对接机构的控制系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

一种可重构机器人对接机构的控制系统及其控制方法，所述控制系统包括上位机、控制器、驱动器、红外检测装置和编码器，控制器与上位机连接，编码器和驱动器连接后与控制器连接，红外检测装置和控制器连接，编码器固定在机械臂的关节处；所述控制方法包括靠近、定位检测、对接锁紧和共同运动，将主动移动模块与被动移动模块靠近，红外检测装置测量被动连接器与主动连接器的距离并传递信号给控制器，控制器控制驱动器驱动机械臂运动，当被动连接器伸入主动对接器之后，主动连接器上锁紧机构转动，完成对被动连接器的锁紧。本发明对接准确可靠，可以实现多个移动模块之间的主动对接，且主动移动模块与被动移动模块具有较强的负载能力。

Description

一种可重构机器人对接机构的控制系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及一种用于可重构机器人对接机构的控制系统及其控制方法，属于可重构机器人对接技术领域。

背景技术

自重构模块化机器人是指在无人参与的情况下，一群结构相同的智能体单元能够根据变化的工作环境自主改变自身的构型以适应新的工作环境。在模块化多机器人研究领域，机器人之间分工协作及对接组合的实现方式，与模块化机器人作业范围及构形能力直接相关。其中，连接机构的设计又是该问题的关键所在。在自重构的过程中需要实现自重构模块之间的自主对接，锁紧，松开，分离等一系列动作。在自重构模块化机器人研究领域，自动对接技术是一个最具挑战性的研究方向。

针对野外补充给养、设备投送、人员随行等任务需求，需要机器人具有很强的适应性以及自主性。传统机器人由于结构功能单一，很难满足这些要求，因此需要设计模块机器人的概念。机器人模块间的不同连接能构成不同结构的机器人系统，可以适应不同的工作环境，增加了系统的适应性，同时模块化的思想使机器人的机械结构更加简单，制造成本更加低廉，增强了机器人系统的功能多样性和鲁棒性。模块机器人根据环境要求自主地变换构型，这就产生了自重构模块机器人。

自重构模块化机器人是由一系列的可以相互连接的具有互换能力的智能化模块组成，这些模块在不同的环境、不同的任务中可以通过模块间的断开和连接来变换构型。单元模块连接机构的可靠性直接关系到整个机器人系统的鲁棒性，因此单元模块的连接机构设计至关重要。自重构模块机器人的重构规划研究对更快更有效地实现机器人的自主重构意义重大。自重构性要求模块之间具有统一的连接端口，保证模块间连接可靠，不同的连接顺序可以组装成具有不同功能的机器人，扩大了其工作范围；模块化要求机器人的组成构件都是一系列结构和功能相同的智能化单元，提高了机器人系统的容错能力和自动修复能力，同时降低了生产成本。设计的模块要具有可靠的对接系统，并配有对应的检测识别系统以便机器人自动识别，从而根据任务要求控制机器人的运动。

机器人自重构的研究主要集中于模块化机器人与多移动机器人自主对接领域。其中自重构机器人的自主对接主要依赖模块之间的协作，将需要重构的模块搬运到指定位置实现对接，这种自主对接方式要求对接机构能够实现两个模块之间快速连接和分离，保证连接强度，以支持整体运动。而多移动机器人之间的自主对接除需要定位、引导的传感系统外，当两个机器人移动到可对接的接近位置时，还要求对接机构必须能够克服两个机器人之间的相对位置偏差，实现两个机器人的可靠对接。其中，连接机构的设计是该问题的关键所在。在自重构的过程中需要实现自重构模块之间的自主对接，锁紧，松开，分离等一系列动作。在自重构模块化机器人研究领域，自动对接技术是一个最具挑战性的研究方向。

自重构模块机器人的重构能力主要体现在自主重构与自主对接上，而模块间的自主对接又涉及到连接可靠的连接机构。自重构模块机器人系统能够根据环境、任务的不同来改变模块间的连接关系从而变换构型，在此过程中，模块的连接机构是否能实现可靠连接是至关重要的。在自重构模块化机器人的构型变换和运动过程中，连接机构要保证模块间连接关系的可靠性并起着传递力和力矩的作用，是机器人的重要组成部分。

对于目前的对接机构研究，还面临着以下问题：1)连接机构不能大角度抓持物体，功能范围具有局限性；2)连接机构与抓持机构彼此干涉，造成附加载荷以及结构臃肿；3)对位姿偏差的适应能力尚有不足，尤其在机器人本体相互位姿偏差较大的情况下，连接机构难以实现刚性对接。

发明内容

本发明针对现有自重构模块化机器人对接技术存在的不足，提供一种准确可靠、对位姿偏差的适应能力强的可重构机器人对接机构的控制系统，同时提供一种该控制系统的控制方法。

本发明的可重构机器人对接机构的控制系统，采用以下技术方案：

其中所述的对接机构包括主动移动模块和被动移动模块，主动移动模块上连接机械臂，机械臂具有三个自由度，各连杆串联驱动，机械臂的末端连接有被动连接器(即手爪)，被动移动模块上设置有主动连接器(主动连接器采用带有两个渐变沟槽的齿轮结构，齿轮由步进电机驱动)，被动连接器与主动连接器之间设有锁紧机构；

所述控制系统，包括上位机、控制器、驱动器、红外检测装置和编码器，控制器与上位机连接，编码器和驱动器连接后与控制器连接，红外检测装置和控制器连接，编码器固定在机械臂的关节处。

所述红外检测装置由发射管和接收器组成，发射管和接收管分别成环型布置在被动连接器与主动连接器上。

编码器用于电机角位移的检测，通过编码器检测到的脉冲数得到自由度关节的旋转角度，控制器根据当前机械臂的位置信息通过预先的电机位置给定量得到机械臂各个关节电机需要转动的脉冲数，控制器将指令发给驱动器，驱动器不断改变机械臂末端被动连接器的位姿，使得被动连接器与主动连接器处于同一高度，完成机械臂位姿的调整；控制器得到机械臂位姿调整完成指令后向主动移动模块驱动系统发出下一步的指令以改变主动移动模块的位置来减小与主动连接器之间的位置误差，实现主动移动模块的位置改变，配合机械臂与主动连接器的对接。

上述控制系统的控制方法，包括靠近、定位检测、对接锁紧和共同运动；当需要连接时，先将主动移动模块与被动移动模块靠近，使被动连接器及主动连接器定位，当两个模块靠近时，由红外检测装置检测红外信号，测量被动连接器与主动连接器的距离并传递信号给控制器，控制器控制驱动器向机械臂各个关节电机传输电信号，驱动机械臂运动，随着距离的变化，红外检测装置将不断变化的电信号传送给控制器，当被动连接器伸入主动对接器(的沟槽)之后，主动连接器上的接触开关被触发，主动连接器上由电机驱动的锁紧机构开始旋转运动，完成对被动连接器的锁紧，实现主动移动模块和被动移动模块共同运动。

本发明增强了对两模块共同运动时外部冲击的适应能力，对接准确可靠，可以实现多个移动模块之间的主动对接，且主动移动模块与被动移动模块具有较强的负载能力。在外界不平整的地形运动时，各关节可以承受较大的力矩，被动柔顺机构有效减少了对关节机构的冲击。整体对接结构简单有效，避免了复杂机械机构带来的维修困难等问题，有较强的外界环境运动适应能力。

附图说明

图1是本发明中所采用的可重构机器人对接机构的结构原理示意图。

图2是串联式三自由度机械臂的构型示意图。

图3是主动连接器与手爪对接示意图。

图4是机械臂结构的坐标系示意图。

图5是控制器实现对各个电机控制的CAN总线与电机连接图。

图6是机械臂姿态调整示意图。

图7是对接流程图。

图中：1.主动移动模块，2.机械臂，3.被动移动模块，4.被动连接器，5.主动连接器，6.沟槽。

具体实施方式

本发明中所应用的可重构机器人对接机构如图1所示，包括主动移动模块和被动移动模块。主动移动模块1上连接机械臂2，机械臂2的构型如图2所示，机械臂2具有三个自由度，各连杆(三个连杆)采用串联驱动形式，可以实现较大范围的空间运动。机械臂2的末端连接有被动连接器4(即手爪)，采用对称的“Y”形结构(“Y”型爪)。被动移动模块3上设置有主动连接器5，主动连接器5采用带有两个渐变沟槽6的齿轮结构(参见图3)，齿轮由步进电机驱动。

对接机构的锁紧功能由安装在主动移动模块1上的被动连接器4和安装在被动移动模块3上的主动连接器5完成。当主动连接器5上的行程开关检测到被动连接器4头部进入到沟槽6中时，如图3所示，步进电机驱动齿轮旋转，齿轮向沟槽较细处旋转，旋转至沟槽6末端时，触碰行程开关，齿轮停止旋转，至此完成对接机构锁紧。

主动移动模块1与被动移动模块3定位完成后，被动连接器4和主动连接器5连接并锁紧，实现对接。

机械臂2相应运动学与逆运动学如图4所示。

正运动学要解决的问题是，给定一组关节角的值，计算末端执行器相对于基座的位置与姿态。下面进行具体分析。

根据机械臂2的DH坐标系和DH参数，可推导出机械臂末端(被动连接器4)相对于机械臂2与主动移动模块1连接点的变换矩阵和正运动学方程如下：

其中，c_i＝cos(θ_i)，s₂＝sin(θ_i)，c_ij＝cos(θ_i+θ_j)，s_ij＝sin(θ_i+θ_j)

θ为旋转角度，T为旋转矩阵，通过即机械臂手爪末端位置在基坐标系中的方向指数表示，可以得到手爪在三维空间中的姿态，为第一个关节的旋转矩阵，为第二个关节的旋转矩阵，为第三个关节的旋转矩阵，为手爪的旋转矩阵。

l₁、l₂、l₃为机械臂连杆的长度，P为手爪的末端位置，在已知θ₁、θ₂、θ₃的情况下可以计算出末端手爪的位置P_x、P_y、P_z。逆运动学解决的问题是，给定操作臂末端执行器的位置及姿态，计算所有可达给定位置和姿态的关节角。已知机械臂末端(被动连接器4)的位置，可求得该机械臂逆运动学解为：

令则：

以上各式中所求角度θ₁、θ₂、θ₃的取值范围为P_x、P_y、P_z为机械臂末端(被动连接器4)在三维空间中的位置信息，θ₁、θ₂、θ₃分别为三个关节要达到目标位置所要旋转的角度。

本发明对上述可重构机器人对接机构的控制系统，包括上位机、控制器、驱动器、红外检测装置和编码器；控制器与上位机连接；编码器和驱动器连接后与控制器接，红外检测装置和控制器连接，编码器的本体固定在机械臂2的关节外壳的底部。

红外检测装置由发射管和接收器组成，发射管和接收管分别成环型布置在被动连接器4(手爪)与主动连接器5上。定位对接的有效区域由发射器和接收器共同决定，为了保证合适的定位范围，选择高功率的发射二极管是必要的。另外，发射器的波束宽度同样影响着定位范围，波束越窄，红外线传播越远，定位范围越广。基于此，选择型号为TSAL4400的二极管，其波长为940nm。将四个二极管布局在“Y”型爪(被动连接器4)上，为区别周围环境，特将红外信号的频率设定为500Hz。考虑到接收器的灵敏性与红外线的波长，选用BPV22NF的光敏二极管作为接收器。为了确保毫无遗漏的接收红外信号，将四个红外接收器环形布置在主动连接器5上。接收电路由红外接收器，放大电路及滤波电路组成。红外接收器将光信号变成电信号，经放大电路放大，最后通过滤波电路筛选出500Hz的信号，用于信号处理。

控制器采用TMS320F28335型号的DSP作为核心芯片，由48V电池统一对控制器、电机和红外传感器供电，电池将安装在主动移动模块与被动移动模块上，被动移动模块上的电池给主动连接器5供电。控制器设有显示系统状态的指示灯。如图5所示，控制器与机械臂2各个关节电机之间的通讯协议采用CANopen协议，通过总线模式，控制器实现对机械臂2关节电机的控制，使用软件CCS6.0实现对DSP的CANopen底层配置，通过对寄存器的配置，完成机械臂2关节电机在总线中的编号以及CAN模块中邮箱的收发配置，在CCS6.0中编写对电机电流、电压、编码器脉冲数采集的电控代码实现对数据的采集。

编码器采用雷尼绍型号为RMB20SC12BC10的绝对式编码器，精度为4096，即电机每旋转一圈，编码器将采集到4096个脉冲，该型编码器精度高，体积小，非常适合于电机角位移的检测。通过编码器检测到的脉冲数，利用公式：Ni/4096*2π可以得到关节的旋转角度，Ni为电机旋转时产生的脉冲数，当编码器通过与电机输出轴共同旋转运动的励磁柱励磁产生的磁场变化进行采集，得出电机运动所产生的脉冲数，H(s)通过已经配置好接受信号的GPIO口收发的DSP芯片对各个电机运动所产生的脉冲数Ni进行分析，控制器可以得到当前机械臂的位置信息Ap，通过预先的电机位置给定量As，根据逆运动学求得的θ₁、θ₂、θ₃，由θ/2π*4096计算出各个关节电机需要转动的脉冲数，控制器将指令发给驱动器。红外检测装置检测期望位置As，PID模块通过对修正ea使驱动器输出电流ia不断改变机械臂末端手爪的位姿，Dp为最终输出的位置，使得机械臂2末端的被动连接器4(手爪)与主动连接器5处于同一高度完成机械臂位姿的调整，如图6所示。

控制器得到机械臂位姿调整完成指令后向主动移动模块驱动系统发出下一步的指令以改变主动移动模块的位置来减小与主动连接器5之间的位置误差，实现主动移动模块的位置改变，配合机械臂2与主动连接器5的对接。

如图7所示，上述系统对对接机构的控制过程可分为靠近、定位检测、对接锁紧和共同运动等环节。

当需要连接时，先将两个需要连接的模块靠近，由安装在被动连接器4上的红外检测装置及安装在主动连接器5上的磁铁完成两者定位。

当两个模块靠近时，由红外检测装置检测红外信号，测量被动连接器4与主动连接器5的距离并传递信号给控制器，控制器控制电机驱动器向主动移动模块驱动系统的电机传输合适的电信号，驱动主动移动模块运动，随着距离的变化，红外传感器将不断变化的电信号传送给控制器，当“Y”型爪(被动连接器4)深入主动对接器5的沟槽6之后，主动连接器5上的接触开关被触发，主动连接器5上由电机驱动的锁紧机构开始旋转运动，完成对被动连接器4上“Y”形手爪的锁紧(参见图3)。

主动连接器5与被动移动模块3连接部位由弹簧组成被动柔顺机构，可实现柔性对接，并可在模块连接运动时起到缓冲作用，减轻机械臂输出力矩，增强对复杂。

为了保证对接时的允许误差及增强对两模块共同运动时外部冲击的适应能力，在被动移动模块3本体与主动连接器5之间增加了弹簧组构成的被动柔顺机构。在对接时，若主动连接器5和被动连接器4之间存在一定对接偏角，则可通过被动柔顺机构对该偏角进行校正，确保对接顺利进行。在两模块共同运动时，外界不平整地形等对模块的冲击将会使对接机构中各关节承受较大力矩，从而对机械结构产生损坏，而采用的被动柔顺机构可对该冲击进行有效缓冲。

Claims (3)

1.一种可重构机器人对接机构的控制系统，其中所述的对接机构包括主动移动模块和被动移动模块，主动移动模块上连接机械臂，机械臂具有三个自由度，各连杆串联驱动，机械臂的末端连接有被动连接器)，被动移动模块上设置有主动连接器，被动连接器与主动连接器之间设有锁紧机构；其特征是：

所述控制系统，包括上位机、控制器、驱动器、红外检测装置和编码器，控制器与上位机连接，编码器和驱动器连接后与控制器连接，红外检测装置和控制器连接，编码器固定在机械臂的关节处。

2.根据权利要求1所述的可重构机器人对接机构的控制系统，其特征是：所述红外检测装置由发射管和接收器组成，发射管和接收管分别成环型布置在被动连接器与主动连接器上。

3.一种权利要求1所述可重构机器人对接机构的控制系统的控制方法，其特征是：包括靠近、定位检测、对接锁紧和共同运动；当需要连接时，先将主动移动模块与被动移动模块靠近，使被动连接器及主动连接器定位，当两个模块靠近时，由红外检测装置检测红外信号，测量被动连接器与主动连接器的距离并传递信号给控制器，控制器控制驱动器向机械臂各个关节电机传输电信号，驱动机械臂运动，随着距离的变化，红外检测装置将不断变化的电信号传送给控制器，当被动连接器伸入主动对接器之后，主动连接器上的接触开关被触发，主动连接器上由电机驱动的锁紧机构开始旋转运动，完成对被动连接器的锁紧，实现主动移动模块和被动移动模块共同运动。