CN111185904A - 一种协同机器人平台及其控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种协同机器人平台、一种协同机器人、一种机器人主控、一种平台控制系统。本发明的有益效果是，本发明提供了一种小巧灵活、高载重、高扩展、结构简单强度高的机器人；高精度、高可靠、简易搭建的平台；易于上手、控制流畅的整体架构。相较于已有的类似产品，本发明整体成本低、易于维护、结构强度高，更适用于重复性实验需求。

Description

一种协同机器人平台及其控制系统

技术领域

本发明涉及机器人设计与控制领域，尤其涉及一种协同机器人平台及其控制系统。

背景技术

协同是目前控制领域的热门研究内容之一，国内外科研部门均对此开展研究，但大多停留在理论阶段。现实中，有效的协同需要考虑到控制的多种问题，例如：传感器的使用、通信的模式、执行机构的运作、控制器的设计等。因此，需要一种协同机器人平台，考虑到多种实际问题，以便对协同系统进行深入研究；同时该系统中存在大量的具象知识点，也可为高校教学使用；对该协同系统进行扩展，也存在广泛的应用场景和商业价值。协同机器人平台受平台感知能力、平台机器人性能以及控制系统等因素的影响较大，现有的协同机器人平台大都不具备较高的感知能力以及稳定精确的控制能力，并缺乏满足平台要求的机器人，存在诸多局限性。因此仍需设计一种新型的协同机器人平台及其控制系统。

发明内容

本发明要解决的问题是现有的协同机器人平台大都不具备较高的感知能力以及稳定精确的控制能力，并缺乏满足平台要求的机器人，存在诸多局限性。

为解决上述问题，本发明目的是提供一种协同机器人平台、一种协同机器人、一种机器人主控、一种平台控制系统。

所述机器人主控，包括传感器模块、控制器模块、执行器模块与机器人通讯模块；所述传感器模块检测机器人相关的信息，包括速度、加速度、周围物体的距离，并将这些信息传入到所述控制器模块；所述执行器模块执行机器人相关的动作，包括电机运动、舵机转动；所述控制器模块负责对所述传感器模块返回信息的分析、向所述执行器模块发送运动指令、并使用所述机器人通讯模块与外界通讯。

所述协同机器人包括机器人主体、四个独立悬挂的轮式结构，所述四个独立悬挂的轮式结构安装在所述机器人主体的外部四周。

进一步地，每一所述轮式结构包括安装座、铰链结构、避震器、全向(Omni)轮、电机；所述安装座通过所述铰链结构和所述避震器连接到所述机器人主体，所述电机安装在所述安装座内侧，所述Omni轮安装在所述安装座的外侧。

进一步地，所述协同机器人满足IP67防护等级；所述协同机器人包括电机防水防尘机械结构，所述电机防水防尘机械结构为半封闭的防水防尘罩，留出电线经过位置，并用防水胶密封，同时使用扩大表面积的方式增强散热性；所述协同机器人包括电池防水防尘机械结构，所述电池防水防尘机械结构为半封闭式的防水防尘盒，留出电线经过位置，并用防水胶密封；所述协同机器人包括机器人主控板防水防尘机械结构，所述机器人主控板防水防尘机械结构为半封闭式的防水防尘盒，留出电线经过位置，并用防水胶密封。

所述平台控制系统包括平台主控、输入输出模块、平台通信模块；所述平台主控，被设置为通过输入输出模块采集信息、调用所述平台通信模块进行通信同时将采集到的结果、以及由结果计算出的信息存入数据库，为进一步数据分析打下基础。

进一步地，所述平台控制系统被设置为使用一种共占信道模式下的通信调度方式，包括以下步骤：

步骤1、以i表示要处理的机器人的编号，随机给i赋值，i的值不超过机器人的数目；

步骤2、广播机器人控制指令，末位为第i个机器人查询状态指令；

步骤3、第i个机器人返回状态指令；

步骤4、根据返回状态积分计算各个机器人历史轨迹偏差；

步骤5、如果某机器人轨迹偏差大于某个阈值，则将i赋值为这一机器人的编号，然后跳转步骤2；

步骤6、将i值加1，如果新i值超出机器人总数量，则将i赋值为1；i值更新后，跳转步骤2。

所述协同机器人平台包括：若干个所述协同机器人、提供所述协同机器人运动的地面、摄像头列阵、用于安装所述摄像头列阵的天花板、所述平台控制系统；每个所述协同机器人上安装有所述机器人主控。

进一步地，所述摄像头阵列包含若干个摄像头；所述摄像头用于将所述协同机器人的位置信息以图片的形式发送给所述平台控制系统。

进一步地，所述协同机器人平台被设置为使用一种利用冗余信息保证正常识别机器人的方法，具体为：所述摄像头在安装过程中保证两两存在一辆机器人直径以上的拍摄冗余，识别过程中，所述摄像头各自获得图中的机器人信息，若视野中存在部分机器人，将该机器人信息剔除；最后汇总所有图片的信息，利用安装的位置信息、角度信息进行信息融合补充偏差，最终得到全局机器人信息。

进一步地，所述协同机器人被设置为将采集到的传感器信息发送给所述平台控制系统，所述平台控制系统被设置为将来自所述摄像头的信息与来自所述协同机器人的信息融合分析，得到控制结论、下发控制指令给所述机器人。

本发明的有益效果是，本发明提供了一种小巧灵活、高载重、高扩展、结构简单强度高的机器人；高精度、高可靠、简易搭建的平台；易于上手、控制流畅的整体架构。相较于已有的类似产品，本发明整体成本低、易于维护、结构强度高，更适用于重复性实验需求。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的机器人结构图；

图2是本发明的一个较佳实施例的机器人主控示意图；

图3是本发明的一个较佳实施例的协同平台示意图；

图4是本发明的一个较佳实施例的平台控制系统示意图；

图5是本发明的一个较佳实施例的通信调度流程图；

其中：1-全向轮，2-安装座，3-铰链结构，4-避震器，5-主体

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

如图1所示的本发明的一个较佳实施例中，机器人主体5的外形为横截面为正方形的柱体，尺寸为350mm×350mm×200mm，安装座2通过铰链结构3和避震器4连接到主体5，全向轮1安装在安装座2的外侧，四副轮式结构对称安装于主体5的外围，减小了主体5的空间占用，主体5的空间可以用于安装更多的设备，机器人载重为7kg，积较小，载重能力强，方便扩展外围设备，并利用全向(Omni)轮实现了全向移动，使得控制方便，具备更好的机动性，同时增加了四轮避障结构，进一步提升运行稳定性和可控精度。。

如图2所示，本实施例中，机器人控制器为ATMEL SAM系列控制器，通过CAN总线协议、电调器控制4个三项无刷电机，通过四路传感器采集信息，通过2.4GHz模块进行与协同平台进行通信。

如图3所示，本实施例中，协同平台大小为3600mm×4800mm，使用2×2摄像头列阵进行识别机器人图像。摄像头使用过程中，存在畸变的问题：摄像头安装过程中无法确保统一安装角度，因此使用拼接之后识别机器人的方式会出现无法识别、识别不精确的问题。本实施例中利用冗余信息保证正常识别的方法，具体为：摄像头安装过程中保证两两存在一辆机器人直径以上的拍摄冗余，识别过程中，摄像头各自获得图中的机器人信息，若视野中存在部分机器人，将该机器人信息剔除；最后汇总所有图片的信息，利用安装的位置信息、角度信息进行信息融合补充偏差，最终得到全局机器人信息。该方法采用了分布式计算的方法，因此计算速度也可以得到保证。平台识别设计在保证较高的识别精度的同时，考虑了摄像头阵列的数量和光照干扰，识别精度和可靠性高，平台铺设对环境要求较低。

如图4所示，本实施例中，便携式计算机作为平台主控，接收摄像头返回的信息，并通过2.4GHz通信模块进行通信；计算机通过输入输出模块采集信息、发出指令，并对各种信息分析处理，采集的信息以及分析处理的结果，均记录到数据库供进一步查询和分析。平台主控软件以MATLAB为基本环境，搭建了人机交互界面，操作人员无需掌握平台机器人即可进行编程设计完成实验，更易上手，操作简便。

本实施例中，平台使用无线共用同一信道的方式进行通信，其中包括平台主控广播指令到各个机器人、各个机器人发送状态反馈到平台主控。在这种模式下，通常因为信道阻塞无法正常通信，因此本发明公开了一种共占信道模式下的通信调度方式，如图5所示，根据机器人返回状态计算历史轨迹偏差，自适应的向某一机器人查询状态，保障了机器人不会试图同时发送状态、阻塞信道。这样从通信的角度来保障控制的稳定性。

综上，本发明提供了一种小巧灵活、高载重、高扩展、结构简单强度高的机器人；高精度、高可靠、简易搭建的平台；易于上手、控制流畅的整体架构。相较于已有的类似产品，本发明整体成本低、易于维护、结构强度高，更适用于重复性实验需求。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种机器人主控，其特征在于，包括传感器模块、控制器模块、执行器模块与机器人通讯模块；所述传感器模块检测机器人相关的信息，包括速度、加速度、周围物体的距离，并将这些信息传入到所述控制器模块；所述执行器模块执行机器人相关的动作，包括电机运动、舵机转动；所述控制器模块负责对所述传感器模块返回信息的分析、向所述执行器模块发送运动指令、并使用所述机器人通讯模块与外界通讯。

2.一种协同机器人，其特征在于，包括机器人主体、四个独立悬挂的轮式结构，所述四个独立悬挂的轮式结构安装在所述机器人主体的外部四周。

3.如权利要求2所述的协同机器人，其特征在于，每一所述轮式结构包括安装座、铰链结构、避震器、全向(Omni)轮、电机；所述安装座通过所述铰链结构和所述避震器连接到所述机器人主体，所述电机安装在所述安装座内侧，所述Omni轮安装在所述安装座的外侧。

4.如权利要求2所述的协同机器人，其特征在于，所述协同机器人满足IP67防护等级；所述协同机器人包括电机防水防尘机械结构，所述电机防水防尘机械结构为半封闭的防水防尘罩，留出电线经过位置，并用防水胶密封，同时使用扩大表面积的方式增强散热性；所述协同机器人包括电池防水防尘机械结构，所述电池防水防尘机械结构为半封闭式的防水防尘盒，留出电线经过位置，并用防水胶密封；所述协同机器人包括机器人主控板防水防尘机械结构，所述机器人主控板防水防尘机械结构为半封闭式的防水防尘盒，留出电线经过位置，并用防水胶密封。

5.一种平台控制系统，其特征在于，包括平台主控、输入输出模块、平台通信模块；所述平台主控，被设置为通过输入输出模块采集信息、调用所述平台通信模块进行通信同时将采集到的结果、以及由结果计算出的信息存入数据库，为进一步数据分析打下基础。

6.如权利要求5所述的平台控制系统，其特征在于，所述平台控制系统被设置为使用一种共占信道模式下的通信调度方式，包括以下步骤：

步骤1、以i表示要处理的机器人的编号，随机给i赋值，i的值不超过机器人的数目；

步骤2、广播机器人控制指令，末位为第i个机器人查询状态指令；

步骤3、第i个机器人返回状态指令；

步骤4、根据返回状态积分计算各个机器人历史轨迹偏差；

步骤5、如果某机器人轨迹偏差大于某个阈值，则将i赋值为这一机器人的编号，然后跳转步骤2；

步骤6、将i值加1，如果新i值超出机器人总数量，则将i赋值为1；i值更新后，跳转步骤2。

7.一种协同机器人平台，其特征在于，包括：若干个如权利要求2-4任一所述的协同机器人、提供所述协同机器人运动的地面、摄像头列阵、用于安装所述摄像头列阵的天花板、如权利要求5-6任一所述的平台控制系统；每个所述协同机器人上安装有如权利要求1所述的机器人主控。

8.如权利要求7所述的协同机器人平台，其特征在于，所述摄像头阵列包含若干个摄像头；所述摄像头用于将所述协同机器人的位置信息以图片的形式发送给所述平台控制系统。

9.如权利要求8所述的协同机器人平台，其特征在于，所述协同机器人平台被设置为使用一种利用冗余信息保证正常识别机器人的方法，具体为：所述摄像头在安装过程中保证两两存在一辆机器人直径以上的拍摄冗余，识别过程中，所述摄像头各自获得图中的机器人信息，若视野中存在部分机器人，将该机器人信息剔除；最后汇总所有图片的信息，利用安装的位置信息、角度信息进行信息融合补充偏差，最终得到全局机器人信息。

10.如权利要求7所述的协同机器人平台，其特征在于，所述协同机器人被设置为将采集到的传感器信息发送给所述平台控制系统，所述平台控制系统被设置为将来自所述摄像头的信息与来自所述协同机器人的信息融合分析，得到控制结论、下发控制指令给所述机器人。

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