CN111061203A - 机器人的实时控制系统及机器人 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种机器人的实时控制系统及机器人。该机器人的实时控制系统包括：算法应用层，所述算法应用层用于配置机器人的运动控制程序；核心任务层，所述核心任务层包括执行器控制单元和传感器处理单元，所述传感器处理单元用于控制传感器采集数据得到传感器数据，所述执行器控制单元根据所述运动控制程序和所述传感器数据控制所述机器人进行运动；实时通信层用于对机器人和传感器同步中断，以保证机器人的运动和传感器的数据采集处于相同节拍；实时操作系统层，用于根据运动控制程序的优先级对运动控制程序进行响应；和硬件层，用于对机器人在工作过程中产生的工作数据进行计算。达到快速适配不同的机器人硬件平台的效果。

Description

机器人的实时控制系统及机器人

技术领域

本发明实施例涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人的实时控制系统及机器人。

背景技术

机器人由硬件和软件实现机器人的运动控制，由机器人的硬件和软件构成机器人的实时控制系统。

实时控制系统是机器人运动控制的核心软硬件平台，直接决定机器人的运动控制性能。目前常用的实时控制系统都是采用自上而下的瀑布式流程图运行模式，实时控制系统的每一个部分严格按照线性方式进行，在上一个部件的工作完成后，才能实施下一个部件的工作。

然而，常用的实时控制系统采用自上而下的瀑布式流程图运行模式，需要与机器人硬件平台深度耦合，导致每个机器人都需要进行大量的适配工作才能进行正常工作。

发明内容

本发明实施例提供一种机器人的实时控制系统及机器人，以实现快速适配不同的机器人硬件平台的效果。

第一方面，本发明实施例提供了一种机器人的实时控制系统，包括：

算法应用层，所述算法应用层用于配置机器人的运动控制程序；

核心任务层，所述核心任务层包括执行器控制单元和传感器处理单元，所述传感器处理单元用于控制传感器采集数据得到传感器数据，所述执行器控制单元根据所述运动控制程序和所述传感器数据控制所述机器人进行运动；

实时通信层，所述实时通信层用于对所述机器人和所述传感器同步中断，以保证所述机器人的运动和所述传感器的数据采集处于相同节拍；

实时操作系统层，所述实时操作系统层用于根据所述运动控制程序的优先级对所述运动控制程序进行响应；

硬件层，所述硬件层用于对所述机器人在工作过程中产生的工作数据进行计算。

可选的，还包括：

调度管理模块，所述调度管理模块用于对所述运动控制程序进行管理。

可选的，所述调度管理模块包括：

软件管理单元，所述软件管理单元用于对所述运动控制程序进行启动、运行和停止的管理调度；

消息中心单元，所述消息中心单元用于对多个所述运动控制程序之间的消息收发的管理；

系统数据记录单元，所述系统数据记录单元用于对所述运动控制程序在运行过程中产生的程序数据进行记录。

可选的，所述运动控制程序用于实现运动规划、动作生成、优化算法、环境交互、状态估计和远程控制其中的一项或多项功能。

可选的，所述硬件层包括多个处理器板卡，所述多个处理器板卡用于对多个所述运动控制程序进行同步运行。

可选的，所述多个处理器板卡之间通过高速数据总线连接，以对多个所述运动控制程序进行同步运行。

可选的，所述实时操作系统层基于linux-rt的实时内核组成。

可选的，所述核心任务层还包括安全保护单元和状态监控单元；

所述状态监控单元用于监控所述机器人的硬件的使用状态；

所述安全保护单元用于对所述硬件进行安全保护。

可选的，所述核心任务层还包括运动模式管理单元，所述运动模式管理单元用于对不同运动控制程序的程序数据进行融合，以实现所述机器人不同的运动控制功能。

第二方面，本发明实施例提供了一种机器人，包括本发明任意实施例所述的机器人的实时控制系统。

本发明实施例的机器人的实时控制系统包括算法应用层，所述

算法应用层，所述算法应用层用于配置机器人的运动控制程序；

核心任务层，所述核心任务层包括执行器控制单元和传感器处理单元，所述传感器处理单元用于控制传感器采集数据得到传感器数据，所述执行器控制单元根据所述运动控制程序和所述传感器数据控制所述机器人进行运动；实时通信层，所述实时通信层用于对所述机器人和所述传感器同步中断，以保证所述机器人的运动和所述传感器的数据采集处于相同节拍；实时操作系统层，所述实时操作系统层用于根据所述运动控制程序的优先级对所述运动控制程序进行响应；硬件层，所述硬件层用于对所述机器人在工作过程中产生的工作数据进行计算，解决了采用自上而下的瀑布式流程图运行模式，需要与机器人硬件平台深度耦合，导致每个机器人都需要进行大量的适配工作才能进行正常工作的问题，实现了快速适配不同的机器人硬件平台的效果。

附图说明

图1为本发明实施例一提供的一种机器人的实时控制系统的结构示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种机器人的实时控制系统的结构示意图；

图3为本发明实施例二提供的一种机器人的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

此外，术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种方向、动作、步骤或元件等，但这些方向、动作、步骤或元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个方向、动作、步骤或元件与另一个方向、动作、步骤或元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电容称为第二电容，且类似地，可将第二电容称为第一电容。第一电容和第二电容两者都是电容，但其不是同一电容。术语“第一”、“第二”等而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的机器人的实时控制系统的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供了一种机器人的实时控制系统，包括算法应用层110、核心任务层120、实时通信层130、实时操作系统层140和硬件层150，其中：

所述算法应用层110用于配置机器人的运动控制程序；

所述核心任务层120包括执行器控制单元121和传感器处理单元122，所述传感器处理单元122用于控制传感器采集数据得到传感器数据，所述执行器控制单元121根据所述运动控制程序和所述传感器数据控制所述机器人进行运动；

所述实时通信层130用于对所述机器人和所述传感器同步中断，以保证所述机器人的运动和所述传感器的数据采集处于相同节拍；

所述实时操作系统层140用于根据所述运动控制程序的优先级对所述运动控制程序进行响应；

所述硬件层150用于对所述机器人在工作过程中产生的工作数据进行计算。

具体的，运动控制程序是指实现机器人的运动控制的相关程序。可选的，运动控制程序用于实现运动规划、动作生成、优化算法、环境交互、状态估计和远程控制其中的一项或多项功能，即运动控制程序包括实现上述一项或多项功能的应用程序。运动规划是指规划机器人动作路径的功能，动作生成是指生成机器人执行动作的功能，状态估计是指估计机器人执行动作的状态的功能，远程控制是指可以在远程控制机器人实现相关的动作执行的功能。具体的，机器人的运动，都是通过机器人上的执行器实现的。机器人的运动，即基于机器人的执行器的运动。执行器是指安装在机器人上，用于执行动作的元器件，例如机器人的手臂。机器人的执行器基于运动控制程序进行运动，实现相关的功能。本实施例的机器人可以是仿人机器人，用来模仿人的动作。例如仿人机器人走路时，则执行器为控制机器人走路的元器件。在算法应用层110中，用户可以根据需要配置相应的运动控制程序，以实现机器人满足不同功能。可选的，本实施例的执行器可以是分布式执行器。分布式执行器可以是一个机器人的多个执行器，以实现一个机器人的多个动作控制；还可以是多个机器人中的执行器，以实现控制多个机器人相互配合，实现多个机器人的整体动作。

执行器控制单元121是指用于控制机器人的执行器执行相关动作的单元。传感器处理单元122是指用于控制机器人上的传感器进行采集数据得到传感器数据的单元。一般的，为了满足机器人实现复杂的运动功能，机器人上会有很多传感器，则传感器处理单元122可以控制多个传感器采集数据。具体的，执行器控制单元121根据算法应用层110中的运动控制程序，以及传感器采集的传感器数据控制执行器执行相应的运动。核心任务层120作为机器人硬件平台的抽象接口，保证运动控制软件能对不同机器人平台的快速适配。

在一个可选的实施方式中，核心任务层120还包括运动模式管理单元123。其中，运动模式管理单元123用于对不同运动控制程序的程序数据进行融合，以实现所述机器人不同的运动控制功能。具体的，在算法应用层110中，可以包括多个运动控制程序，以实现不同运动控制功能。算法应用层110中的多个运动控制程序之间可以实时交换数据，数据的最终计算结果统一到核心任务层120，运动模式管理单元123对不同运动控制程序的数据进行融合，向所有的执行器发出动作指令，实现不同的运动控制功能。例如，对算法应用层110中的运动规划和优化算法，优化机器人的动作路线。又例如，当需要控制仿人机器人一边行走一边挥手时，将控制行走的数据和控制挥手的数据发送至核心任务层120，运动模式管理单元123对行走的数据和控制挥手的数据进行融合，向所有的执行器发出动作指令，实现控制仿人机器人一边行走一边挥手。

在一个可选的实施方式中，核心任务层120还包括安全保护单元124和状态监控单元125。其中，所述状态监控单元125用于监控所述机器人的硬件的使用状态；所述安全保护单元124用于对所述硬件进行安全保护。具体的，安全保护单元124根据硬件的使用状态对机器人进行安全保护，以保障机器人的安全性。

实时通信层130用于对执行器和传感器同步终端，以保证执行器执行相关的运动和传感器的数据采集处于相同的节拍，以避免延迟太多，保证机器人控制的实时性。具体的，实时通信层130采用高速数据总线，实现执行器、传感器在实时控制系统中的高速、实时数据通信，满足多个执行器和传感器的数据通信宽带，以使得执行器和传感器之间实现无缝的数据通信。

实时操作系统层140用于对运动控制程序进行响应。具体的，实时操作系统根据运动控制程序的优先级对运动控制程序进行相应。具体的，对于优先级高的运动控制程序则优先相应。对于实时性要求高的运动控制程序，可以配置较高的优先级。当根据一个低优先级的运动控制程序控制机器人的执行器进行运动时，一个高优先级的运动控制程序插入时，则打断低优先级的运动，相应高优先级的运动控制；当高优先级的运动执行完毕后，再执行低优先级的动作执行。可选的，实时操作系统层140基于linux-rt的实时内核组成。基于linux-rt的实时内核主要是利用微内核的思想，在硬件平台与标准Linux内核之间增加一个精巧的虚拟机层(实时内核层)，通过接管硬件中断和使用虚拟中断控制器实现了一个具有硬实时特性的系统。通过优先级设定的功能可以在多运动控制程序并行运行时，对优先级高的程序优先相应，保障实时通信层130对所有执行器和传感器之间的数据交换。可选的，实时操作系统层140还具备高精度的定时器功能，给多个运动控制程序提供精确的时间基准。

在本实施例中，机器人为仿人机器人，则机器人的工作过程为机器人的动作执行过程。工作数据包括执行器在执行动作时的数据，和传感器采集的传感器数据。具体的，硬件层150包括处理器板卡，用于对工作数据进行计算。可选的，硬件层150包括多个处理器板卡，多个处理器板卡用于实现多个运动控制程序同步运行。多个处理器板卡的具体数量可以根据机器人需要执行的任务进行适配。机器人处理的任务复杂，则处理器板卡的数量多，处理的任务简单，则处理器板卡的数量少。可选的，一个运动控制程序分布在一个处理器板卡上运行。处理器板卡可以独立升级，并不影响整个系统的运行。可选的，多个处理器板卡中，每两个处理器板卡之间通过高速数据总线连接，以对多个运动控制程序进行同步运行。

在一个实施例中，图2为本发明实施例一提供的机器人的实时控制系统的结构示意图。本实施例是在上述技术方案的进一步细化。如图2所示，本发明实施例提供了一种机器人的实时控制系统，还包括调度管理模块160，其中：

所述调度管理模块160用于对所述运动控制程序进行管理。

具体的，对运动控制程序进行管理包括但不限于启动、运行、停止、程序之间消息收发和对所述运动控制程序在运行过程中产生的程序数据进行记录等多个管理调度。

具体的，调度管理模块160包括软件管理单元、消息中心单元和系统数据记录单元，其中：

所述软件管理单元用于对所述运动控制程序进行启动、运行和停止的管理调度；

所述消息中心单元用于对多个所述运动控制程序之间的消息收发的管理；

所述系统数据记录单元用于对所述运动控制程序在运行过程中产生的程序数据进行记录。

具体的，软件管理单元控制运动控制程序的启动、运行和停止，以控制机器人对应执行动作的启动、运行和停止。消息中心单元对多个运动控制程序之间消息收发的注册和管理，以确保能够正常运行运动控制程序。系统数据记录单元对运动控制程序在运行过程中的关键数据进行实施记录，以用于后期进行对程序或执行器进行调试，以及在程序报错时对关键数据进行分析，以定位异常原因。

通过分层的、模块化的实时控制系统，可以将不同机器人的硬件进行隔离，以使得实时控制系统可以快速适配不同的硬件平台。此外，对于实时控制系统的升级，由于实时控制系统是分层的，因此可以只对个别层进行单独升级，大大提高了系统迭代和升级的效率。此外，运动控制程序之间的并行运行，可以降低程序之间的耦合度。此外，实时操作系统层可以保证运动控制程序的计算结果指令可以实时、同步的被执行器执行，提升运动控制任务的性能，实现高动态的效果。

本发明实施例的机器人的实时控制系统包括算法应用层，所述算法应用层用于配置机器人的运动控制程序；核心任务层，所述核心任务层包括执行器控制单元和传感器处理单元，所述传感器处理单元用于控制传感器采集数据得到传感器数据，所述执行器控制单元根据所述运动控制程序和所述传感器数据控制所述机器人进行运动；实时通信层，所述实时通信层用于对所述机器人和所述传感器同步中断，以保证所述机器人的运动和所述传感器的数据采集处于相同节拍；实时操作系统层，所述实时操作系统层用于根据所述运动控制程序的优先级对所述运动控制程序进行响应；硬件层，所述硬件层用于对所述机器人在工作过程中产生的工作数据进行计算，解决了采用自上而下的瀑布式流程图运行模式，需要与机器人硬件平台深度耦合，导致每个机器人都需要进行大量的适配工作才能进行正常工作的问题，实现了快速适配不同的机器人硬件平台的效果。

实施例二

图3为本发明实施例二提供的机器人的结构示意图。如图3所示，本发明实施例提供了一种机器人20，包括机器人的实时控制系统200。其中：

机器人的实时控制系统200包括算法应用层210、核心任务层220、实时通信层230、实时操作系统层240和硬件层250；

所述算法应用层210用于配置机器人的运动控制程序；

所述核心任务层220包括执行器控制单元221和传感器处理单元222，所述传感器处理单元222用于控制传感器采集数据得到传感器数据，所述执行器控制单元221根据所述运动控制程序和所述传感器数据控制所述机器人进行运动；

所述实时通信层230用于对所述机器人和所述传感器同步中断，以保证所述机器人的运动和所述传感器的数据采集处于相同节拍；

所述实时操作系统层240用于根据所述运动控制程序的优先级对所述运动控制程序进行响应；

所述硬件层250用于对所述机器人在工作过程中产生的工作数据进行计算。

具体的，运动控制程序是指实现机器人的运动控制的相关程序。可选的，运动控制程序用于实现运动规划、动作生成、优化算法、环境交互、状态估计和远程控制其中的一项或多项功能，即运动控制程序包括实现上述一项或多项功能的应用程序。运动规划是指规划机器人动作路径的功能，动作生成是指生成机器人执行动作的功能，状态估计是指估计机器人执行动作的状态的功能，远程控制是指可以在远程控制机器人实现相关的动作执行的功能。具体的，机器人的运动，都是通过机器人上的执行器实现的。执行器是指安装在机器人上，用于执行动作的元器件，例如机器人的手臂。机器人的执行器基于运动控制程序进行运动，实现相关的功能。本实施例的机器人可以是仿人机器人，用来模仿人的动作。例如仿人机器人走路时，则执行器为控制机器人走路的元器件。在算法应用层110中，用户可以根据需要配置相应的运动控制程序，以实现机器人满足不同功能。可选的，本实施例的执行器可以是分布式执行器。分布式执行器可以是一个机器人的多个执行器，以实现一个机器人的多个动作控制；还可以是多个机器人中的执行器，以实现控制多个机器人相互配合，实现多个机器人的整体动作。

执行器控制单元221是指用于控制机器人的执行器执行相关动作的单元。传感器处理单元222是指用于控制机器人上的传感器进行采集数据得到传感器数据的单元。具体的，执行器控制单元221根据算法应用层210中的运动控制程序，以及传感器采集的传感器数据控制执行器执行相应的运动。核心任务层220作为机器人硬件平台的抽象接口，保证运动控制软件能对不同机器人平台的快速适配。

在一个可选的实施方式中，核心任务层220还包括运动模式管理单元223。其中，运动模式管理单元223用于对不同运动控制程序的程序数据进行融合，以实现所述机器人不同的运动控制功能。具体的，在算法应用层210中，可以包括多个运动控制程序，以实现不同运动控制功能。算法应用层210中的多个运动控制程序之间可以实时交换数据，数据的最终计算结果统一到核心任务层220，运动模式管理单元223对不同运动控制程序的数据进行融合，向所有的执行器发出动作指令，实现不同的运动控制功能。例如，对算法应用层210中的运动规划和优化算法，优化机器人的动作路线。又例如，当需要控制仿人机器人一边行走一边挥手时，将控制行走的数据和控制挥手的数据发送至核心任务层220，运动模式管理单元223对行走的数据和控制挥手的数据进行融合，向所有的执行器发出动作指令，实现控制仿人机器人一边行走一边挥手。

在一个可选的实施方式中，核心任务层220还包括安全保护单元224和状态监控单元225。其中，所述状态监控单元225用于监控所述机器人的硬件的使用状态；所述安全保护单元224用于对所述硬件进行安全保护。具体的，安全保护单元224根据硬件的使用状态对机器人进行安全保护，以保障机器人的安全性。

实时通信层230用于对执行器和传感器同步终端，以保证执行器执行相关的运动和传感器的数据采集处于相同的节拍，以避免延迟太多，保证机器人控制的实时性。

实时操作系统层240用于对运动控制程序进行响应。具体的，实时操作系统根据运动控制程序的优先级对运动控制程序进行相应。具体的，对于优先级高的运动控制程序则优先相应。对于实时性要求高的运动控制程序，可以配置较高的优先级。

具体的，硬件层250包括处理器板卡，用于对工作数据进行计算。可选的，硬件层250包括多个处理器板卡，多个处理器板卡用于实现多个运动控制程序同步运行。多个处理器板卡的具体数量可以根据机器人需要执行的任务进行适配。机器人处理的任务复杂，则处理器板卡的数量多，处理的任务简单，则处理器板卡的数量少。可选的，一个运动控制程序分布在一个处理器板卡上运行。处理器板卡可以独立升级，并不影响整个系统的运行。

本发明实施例的机器人的实时控制系统包括算法应用层，所述算法应用层用于配置机器人的运动控制程序；核心任务层，所述核心任务层包括执行器控制单元和传感器处理单元，所述传感器处理单元用于控制传感器采集数据得到传感器数据，所述执行器控制单元根据所述运动控制程序和所述传感器数据控制所述机器人进行运动；实时通信层，所述实时通信层用于对所述机器人和所述传感器同步中断，以保证所述机器人的运动和所述传感器的数据采集处于相同节拍；实时操作系统层，所述实时操作系统层用于根据所述运动控制程序的优先级对所述运动控制程序进行响应；硬件层，所述硬件层用于对所述机器人在工作过程中产生的工作数据进行计算，解决了采用自上而下的瀑布式流程图运行模式，需要与机器人硬件平台深度耦合，导致每个机器人都需要进行大量的适配工作才能进行正常工作的问题，实现了快速适配不同的机器人硬件平台的效果。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

1.一种机器人的实时控制系统，其特征在于，包括：

算法应用层，所述算法应用层用于配置机器人的运动控制程序；

核心任务层，所述核心任务层包括执行器控制单元和传感器处理单元，所述传感器处理单元用于控制传感器采集数据得到传感器数据，所述执行器控制单元根据所述运动控制程序和所述传感器数据控制所述机器人进行运动；

实时通信层，所述实时通信层用于对所述机器人和所述传感器同步中断，以保证所述机器人的运动和所述传感器的数据采集处于相同节拍；

实时操作系统层，所述实时操作系统层用于根据所述运动控制程序的优先级对所述运动控制程序进行响应；

硬件层，所述硬件层用于对所述机器人在工作过程中产生的工作数据进行计算。

2.如权利要求1所述的机器人的实时控制系统，其特征在于，还包括：

调度管理模块，所述调度管理模块用于对所述运动控制程序进行管理。

3.如权利要求2所述的机器人的实时控制系统，其特征在于，所述调度管理模块包括：

软件管理单元，所述软件管理单元用于对所述运动控制程序进行启动、运行和停止的管理调度；

消息中心单元，所述消息中心单元用于对多个所述运动控制程序之间的消息收发的管理；

系统数据记录单元，所述系统数据记录单元用于对所述运动控制程序在运行过程中产生的程序数据进行记录。

4.如权利要求1所述的机器人的实时控制系统，其特征在于，所述运动控制程序用于实现运动规划、动作生成、优化算法、环境交互、状态估计和远程控制其中的一项或多项功能。

5.如权利要求1所述的机器人的实时控制系统，其特征在于，所述硬件层包括多个处理器板卡，所述多个处理器板卡用于对多个所述运动控制程序进行同步运行。

6.如权利要求5所述的机器人的实时控制系统，其特征在于，所述多个处理器板卡之间通过高速数据总线连接，以对多个所述运动控制程序进行同步运行。

7.如权利要求1所述的机器人的实时控制系统，其特征在于，所述实时操作系统层基于linux-rt的实时内核组成。

8.如权利要求1所述的机器人的实时控制系统，其特征在于，所述核心任务层还包括安全保护单元和状态监控单元；

所述状态监控单元用于监控所述机器人的硬件的使用状态；

所述安全保护单元用于对所述硬件进行安全保护。

9.如权利要求1所述的机器人的实时控制系统，其特征在于，所述核心任务层还包括运动模式管理单元，所述运动模式管理单元用于对不同运动控制程序的程序数据进行融合，以实现所述机器人不同的运动控制功能。

10.一种机器人，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的机器人的实时控制系统。

Images