CN110695998A - 一种机器人控制装置、系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机器人控制装置、系统和方法。该装置包括控制器以及与所述控制器电连接的CAN收发器，所述CAN收发器用于与CAN总线网络连接；所述控制器用于：驱动与所述控制器电连接的动作装置，以及通过所述CAN收发器向所述CAN总线网络发送包括标识符信息的驱动指令，和/或，接收来自所述CAN总线网络的动作装置驱动指令。本发明的技术方案可以保证整个多机器人系统的执行效果。

Description

一种机器人控制装置、系统和方法

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，具体而言，涉及一种机器人控制装置、系统和方法。

背景技术

目前，机器人的应用领域越来越多，对于既需要单独动作，又需要协同动作的机器人系统，往往采用分别对各单台机器人进行控制的方式，这样需要对每台机器人都设置相应的控制指令。一方面，如果每台机器人的实时控制指令均来自后台人工操作，这将消耗大量的人力资源。另一方面，如果需要所有机器人协同动作，但出现部分机器人动作不同步的情况，将影响整个机器人系统的执行效果。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种机器人控制装置、系统和方法。

第一方面，本发明提供了一种机器人控制装置，该装置包括控制器以及与所述控制器电连接的CAN收发器，所述CAN收发器用于与CAN总线网络连接。

所述控制器用于：驱动与所述控制器电连接的动作装置，以及通过所述CAN收发器向所述CAN总线网络发送包括标识符信息的驱动指令，和/或，接收来自所述CAN总线网络的动作装置驱动指令。

第二方面，本发明提供了一种机器人控制系统，该系统包括多个如上所述的机器人控制装置，多个所述机器人控制装置通过CAN总线网络连接。

第三方面，本发明提供了一种机器人控制方法，应用于如上所述的机器人控制系统，该方法包括如下步骤：

根据所述机器人控制系统中各机器人控制装置向CAN总线网络发送的驱动指令中的标识符信息，确定各所述机器人控制装置的总线访问优先级。

确定由各所述机器人控制装置中优先级最高的标定机器人控制装置继续向所述CAN总线网络发送所述驱动指令，由各所述机器人控制装置中其他机器人控制装置接收所述驱动指令。

本发明提供的机器人控制装置、系统和方法的有益效果是，CAN总线网络可接入至少一台具有控制器和CAN收发器的机器人控制装置，各机器人控制装置不仅可以分别根据各自的控制终端进行相应动作，还可以通过CAN总线网络实现向其他机器人控制装置发送驱动指令，以驱动其他机器人控制装置对应的电机等动作装置，或接收来自其他机器人控制装置发送驱动指令，以驱动自身所对应的电机等动作装置，实现各机器人控制装置间的相互控制，进而协同动作。各机器人控制装置均具有驱动与组网的功能，可保证整个多机器人系统的执行效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的机器人控制装置的结构框图；

图2为本发明实施例的机器人控制装置的结构框图；

图3为本发明实施例的机器人控制系统的结构框图；

图4为本发明实施例的机器人控制方法的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例的一种机器人控制装置包括控制器以及与所述控制器电连接的CAN收发器，所述CAN收发器用于与CAN总线网络连接。

所述控制器用于：驱动与所述控制器电连接的动作装置，以及通过所述CAN收发器向所述CAN总线网络发送包括标识符信息的驱动指令，和/或，接收来自所述CAN总线网络的动作装置驱动指令。

具体地，以应用于格斗化机器人系统中的模块化场地为例，每个场地均具有相应的控制终端和机械运动结构，各结构根据控制指令进行动作，故可将模块化场地视为一种类型的机器人。其具有控制器及CAN收发器。

单个模块化场地可通过与其自身对应的控制终端控制场地内各机械运动结构进行动作，各机械运动结构作为动作装置，主要包括电机，电机可以包括舵机、直流电机和步进电机等。各模块化场地还可通过CAN收发器接入CAN总线网络，同时，还有其他类似模块化场地也接入了相同的CAN总线网络。各模块化场地均可通过各自的CAN收发器向CAN总线网络发送驱动指令，CAN总线网络可根据来自不同的模块化场地的驱动指令的标识符信息对其进行总线访问优先级排序。确定了优先级最高的模块化场地后，使其成为主控单元，其他模块化场地成为从控单元，也就是，此时仅有作为主控单元的模块化场地能够向外发送驱动指令，而作为从控单元的模块化场地则只能接受该驱动指令。从而实现由特定单一模块化场地控制其他模块化场地，也就是，用户只需控制一个模块化场地，便可控制其他所有接入CAN总线网络的模块化场地，实现对各模块化场地的协同控制。

更具体而言，其中，控制器可选用型号为STM32F103C8T6的控制芯片，外围接入8MHz的晶体振荡器便可构成最小系统。CAN收发器可选用型号为TJA1050的CAN收发芯片，其具有将CAN总线的差分信号转换成控制器可读信号的功能。

在本实施例中，CAN总线网络可接入至少一台具有控制器和CAN收发器的机器人控制装置，各机器人控制装置不仅可以分别根据各自的控制终端进行相应动作，还可以通过CAN总线网络实现向其他机器人控制装置发送驱动指令，以驱动其他机器人控制装置对应的电机等动作装置，或接收来自其他机器人控制装置发送驱动指令，以驱动自身所对应的电机等动作装置，实现各机器人控制装置间的相互控制。各机器人控制装置均具有驱动与组网的功能，可保证整个多机器人系统的执行效果。

优选地，如图2所示，该装置还包括电压转换装置，所述控制器通过所述电压转换装置接入供电网络。

其中，所述电压转换装置包括电压采样电路。

所述控制器还用于：根据所述电压采样电路采集的所述供电网络的电压值生成驱动指令，所述驱动指令用于驱动与所述控制器电连接的动作装置。

具体地，继续以模块化场地作为机器人为例进行说明，为了满足不同类型电机的电压需求，可采用12-24V宽电压供电，电压转换装置将供电网络的输入电压进行转换后，输出至控制器和CAN收发器等不同的用电器件，并还可设有电机供电输出端。其中，通过包括例如AD分压采样电阻的采样电路对装置电源电压进行采样，以确定是否存在电压不稳定等情况，从而调整对电机的驱动方式。其中，控制器可相应采用12位ADC，采样精度可达3mV。

更具体而言，电压转换装置的5V输出端可接肖特基二极管，用于电路瞬间整流，3.3V输出端可接稳压管，加上电源两端并联的470uF电容，以确保电机启动时和大电流输出时不会造成控制器的供电不稳。

在本优选实施例中，通过电压转换装置可以使各用电部件正常运行，通过电压采样电路可以保证不同电压情况下各电机具有合适的运行状态，并保证控制器的稳定运行。

优选地，该装置还包括与所述控制器电连接的驱动装置，所述驱动装置用于根据所述驱动指令驱动所述动作装置。

具体地，驱动装置可以包括例如型号为BTS7960的大电流半桥高集成芯片，其带有一个P沟道的高边MOSFET、一个N沟道的低边MOSFET和一个驱动IC。P沟道高边开关省去了电荷泵的需求，因而减小了EMI。集成的驱动IC具有逻辑电平输入、电流诊断和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能。BTS7960通态电阻的典型值为16mΩ，驱动电流可达43A。两块BTS7960构成全桥驱动，通过控制BTS7960的使能引脚和两路输入信号的PWM方波占空比，可以控制中心对称的两个MOS管的通断，从而控制输入电压的大小和输出电流的方向，能够适应大功率电机的功率需求。同样地，可以实现相同功能的电机驱动芯片型号还有：BTN7971B、BTN7970B。

驱动装置还可以包括位于控制器和大电流半桥高集成芯片之间的隔离缓冲器，隔离缓冲器可选用型号为74LS244的3态8位缓冲器。通过设置隔离缓冲器，使得电机在堵转和断电电机惯性旋转的情况下，在输入端不会出现倒灌电流，从而不会对控制器的IO口造成大电流灌入。

需要注意的是，驱动装置还可以选用其他型号的芯片，例如使用IR2104作为半桥驱动器加外置NMOS也可以实现电机驱动功能。

在本优选实施例中，可以驱动多种类型的电机，适用于例如模块化场地这样具有多种不同动作装置的机器人，同时，通过驱动装置，还可避免电机等动作时对控制器造成的影响，保证控制器及整个装置的稳定运行。

优选地，所述控制器具体用于：

当所述电压采样电路采集的所述供电网络的电压值大于或等于预设阈值时，生成所述驱动指令。

当所述电压采样电路采集的所述供电网络的电压值小于所述预设阈值时，控制切断所述驱动装置的供电。

具体地，通过电压采样电路对装置电源电压进行实时采样，例如，当采用3S锂电池供电时，为保护锂电池不会过放，当监测到电压值低于11.1V时，控制器会切断驱动装置使能引脚的供电，则电机也不会动作。只有高于该值时，控制器生成正常的驱动指令，使电机能够正常动作。

在本优选实施例中，通过对供电电源电压的采集，调整对电机的控制方式，在例如供电电源为锂电池时，可以有效保护锂电池不会出现过放现象，提高其使用时间。

优选地，该装置还包括与所述控制器电连接的显示装置。

所述控制器还用于：确定所述动作装置和/或所述供电网络的状态信息，并根据所述状态信息生成由所述显示装置显示的显示信息。

具体地，在控制电机运行的过程中，控制器可通过电机编码器的转速获取电机状态和通过ADC分压检测电源状态等信息，通过显示装置将上述状态信息进行显示，可给予控制人员以直观反馈，在必要时可以调整控制策略。该策略包括：电机转速异常、电机堵转等电机故障时，由控制器发出中止运动信号，告知电机驱动中断电机的供电；电压异常时，控制器发出欠压警告，经CAN总线传输至无线传输端，远程通知管理人员人工干预维护；继电器异常时，继电器光耦开关部分的故障灯常亮，控制器向光耦开关发出中止信号，从而将继电器从常开端切换到常闭端，以防事故发生。

显示装置可以选用OLED显示器，亦可选用LED点阵、数码管、LCD屏。在显示系统的状态灯上，可选用WS2812B灯珠进行显示。WS2812B数据协议采用单线归零码的通讯方式，像素点在上电复位以后，DIN端接受从控制器传输过来的数据，首先发送过来的24bit数据被第一个像素点提取后，送到像素点内部的数据锁存器，剩余的数据经过内部整形处理电路整形放大后通过DO端口开始转发输出给下一个级联的像素点，每经过一个像素点的传输，信号减少24bit。像素点采用自动整形转发技术，使得该像素点的级联个数不受信号传送的限制，仅仅受限信号传输速度要求。

只需要控制器的一路PWM输出，就可以实现灯珠的驱动。另外，使用SPI作为驱动或者使用高速FPGA同样可以实现IO口的快速跳转，从而实现WS2812灯珠的驱动。

优选地，该装置还包括设置于所述控制器与所述显示装置之间的光耦开关和继电器。

具体地，光耦开关可选用型号为FL817C的光电耦合器，基于光耦开关搭建光电隔离电路，一端与控制器的IO口连接，另一端通过继电器与显示装置连接。通过设置光耦开关，可以避免直接使用控制器的IO口推挽输出模式对三极管进行控制时，可能存在的三极管基极电流倒灌的问题，进而导致继电器工作异常的情况。

优选地，该装置还包括与所述控制器电连接的无线收发装置。

所述控制器还用于：通过所述无线收发装置接收来自终端的控制指令，并根据所述控制指令生成所述驱动指令。

具体地，以模块化场地作为机器人为例，其具有对应的控制终端。手机等控制终端可发送蓝牙指令，通过例如串口接通到控制器。

在处理串口的高速控制信号时，部分型号的单片机寄存器有可能会发生寄存器堵塞的情况，从而造成数据的解析错误，在本实施例中，提供一种适用于各种信号控制器的高速通信中数据帧编码和解析方法，可以处理任意长度、任意数量的变量并将其准确记录在控制器的变量中，变量包含了如下类型：整形、浮点型、字符型。该编码和解析方法具体包括如下步骤：

发送方和接收方遵循同一套数据帧编码和解析方法，发送方将不同数量和不同类型的变量，按所需顺序排列，每个变量间加入一个分隔符号，该分隔符号可以是空格、“@”、“％”等任意符号，形成数据部分，为保证数据在高速通信中，接收端一直接收时，连续的数据不会被认为是一组数据，为数据部分加入了数据帧头(如“$”)和数据帧尾(如“&”)，添加完帧头和帧尾的多个变量的数据合并为一个完整的数据帧。

接收方使用一个大容量的数组接收完数据帧的所有字节后，按照数组下标顺序，由低到高使用指针检测当前元素是否为数据帧头和数据帧尾，在首次检测到数据帧头，之后检测到数据帧尾的情况下，保存这其中的数据部分。继续对多个变量的数据部分按照分隔符进行拆分，每次指针对应内容为分隔符时，保存前一次指针扫描过的内容并将其保存。在采用atof()、atoi()函数进行数据类型转换，保存来自蓝牙控制端、WiFi控制端的数据信息。从而确保高速通信时不会因为寄存器数组阻塞从而形成数据紊乱造成的数据接收失败。

在本优选实施中，在各机器人单独动作时，可通过其对应的控制终端实现无线遥控，在一个机器人控制装置作为CAN总线网络中的总控单元时，可通过其对应的控制终端实现对CAN总线网络中其他机器人控制装置的控制。

另外，该装置还可包括与控制器连接的按键，以通过按键直接实现相应控制功能。

如图3所示，本发明实施例的一种机器人控制系统包括多个如上所述的机器人控制装置，多个所述机器人控制装置通过CAN总线网络连接。

具体地，CAN总线网络可接入多台具有控制器和CAN收发器的机器人控制装置，各机器人控制装置不仅可以分别根据各自的控制终端进行相应动作，例如接收来自对应控制终端的蓝牙指令进行动作，还可以通过CAN总线网络实现向其他机器人控制装置发送驱动指令，以驱动其他机器人控制装置对应的电机等动作装置，或接收来自其他机器人控制装置发送驱动指令，以驱动自身所对应的电机等动作装置，实现各机器人控制装置间的相互控制。

需要注意的是，如果某机器人控制装置在CAN总线网络中处于指令接收状态，而各机器人的动作装置又不完全一致，该机器人控制装置根据接收到的驱动指令控制与驱动指令相同或相应的动作装置进行动作，同时，还可以接收来自其自身对应的控制装置的各种指令，以实现对其他未动作的动作装置的控制等。也就是，CAN总线网络中机器人控制装置的控制信号可以同时来自总线上其他装置以及自身对应的控制终端，使对机器人的控制更为灵活。

在本实施例中，各机器人控制装置均具有驱动各自动作装置以及在CAN总线网络中进行组网的功能，可保证整个多机器人系统无论是单机动作，还是多机协同动作的执行效果。

如图4所示，本发明实施例的一种机器人控制方法可应用于上述机器人控制系统，该方法包括如下步骤：

S1，根据所述机器人控制系统中各机器人控制装置向CAN总线网络发送的驱动指令中的标识符信息，确定各所述机器人控制装置的总线访问优先级。

S2，确定由各所述机器人控制装置中优先级最高的标定机器人控制装置继续向所述CAN总线网络发送所述驱动指令，由各所述机器人控制装置中其他机器人控制装置接收所述驱动指令。

具体地，在总线空闲时，所有单元，也就是各机器人控制装置都可以发送消息，此时为多主控制方式，而两个以上的单元同时开始发送消息时，根据标识符信息确定访问总线的消息的优先级。对各消息标识符信息的每个位进行逐个仲裁比较，仲裁获胜的单元被判定为优先级最高的单元，其可继续发送消息，仲裁失利的单元则立刻停止发送而进行接收工作。

读者应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种机器人控制装置，其特征在于，包括控制器以及与所述控制器电连接的CAN收发器，所述CAN收发器用于与CAN总线网络连接；

所述控制器用于：驱动与所述控制器电连接的动作装置，以及通过所述CAN收发器向所述CAN总线网络发送包括标识符信息的驱动指令，和/或，接收来自所述CAN总线网络的动作装置驱动指令。

2.根据权利要求1所述的机器人控制装置，其特征在于，还包括电压转换装置，所述控制器通过所述电压转换装置接入供电网络。

3.根据权利要求2所述的机器人控制装置，其特征在于，所述电压转换装置包括电压采样电路；

所述控制器还用于：根据所述电压采样电路采集的所述供电网络的电压值生成驱动指令，所述驱动指令用于驱动与所述控制器电连接的动作装置。

4.根据权利要求3所述的机器人控制装置，其特征在于，还包括与所述控制器电连接的驱动装置，所述驱动装置用于根据所述驱动指令驱动所述动作装置。

5.根据权利要求4所述的机器人控制装置，其特征在于，所述控制器具体用于：

当所述电压采样电路采集的所述供电网络的电压值大于或等于预设阈值时，生成所述驱动指令；

当所述电压采样电路采集的所述供电网络的电压值小于所述预设阈值时，控制切断所述驱动装置的供电。

6.根据权利要求2所述的机器人控制装置，其特征在于，还包括与所述控制器电连接的显示装置；

所述控制器还用于：确定所述动作装置和/或所述供电网络的状态信息，并根据所述状态信息生成由所述显示装置显示的显示信息。

7.根据权利要求1至6任一项所述的机器人控制装置，其特征在于，还包括与所述控制器电连接的无线收发装置；

所述控制器还用于：通过所述无线收发装置接收来自终端的控制指令，并根据所述控制指令生成所述驱动指令。

8.根据权利要求7所述的机器人控制装置，其特征在于，所述控制器还用于：对来自串口端的所述控制指令进行编码与解析。

9.一种机器人控制系统，其特征在于，包括多个如权利要求1至8任一项所述的机器人控制装置，多个所述机器人控制装置通过CAN总线网络连接。

10.一种机器人控制方法，其特征在于，应用于如权利要求9所述的机器人控制系统，包括如下步骤：

根据所述机器人控制系统中各机器人控制装置向CAN总线网络发送的驱动指令中的标识符信息，确定各所述机器人控制装置的总线访问优先级；

确定由各所述机器人控制装置中优先级最高的标定机器人控制装置继续向所述CAN总线网络发送所述驱动指令，由各所述机器人控制装置中其他机器人控制装置接收所述驱动指令。

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