CN111497964A - 一种电驱动四足机器人分布式控制系统 - Google Patents

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Abstract

一种电驱动四足机器人分布式控制系统，包括上位机、路由器、工控机、DSP芯片和CAN总线，工控机连接路由器，上位机通过路由器向工控机发送数据；工控机对数据进行处理，实现对四足机器人的高级运动规划；工控机通过RS‑485总线与两块DSP芯片相连，每个DSP芯片分别连接两路CAN总线，每一路CAN总线连接四足机器人中一条腿的3个电机驱动器，每个电机驱动器连接一个关节电机和该关节电机对应的编码器，实现一路CAN总线控制四足机器人的一条腿，对四条腿分布式管理。该系统通过四路CAN实现了机器人四条腿分布式高速通信，使得管理灵活，容错率更高，解决了带宽不足问题，使控制程序能够正常运行，确保了运动的流畅性。

Description

一种电驱动四足机器人分布式控制系统
技术领域
本发明涉及用于电驱动四足机器人的分布式控制系统，是实现对腿足式机器人控制的核心领域之一。
背景技术
在复杂的自然地形面前，腿足式机器人有着很大的潜力。与轮式或者履带式车辆相比，支腿在部署方式上提供了高度的多功能性，在不规则环境中行走有着明显的优势。其中，四足机器人是腿足式机器人中十分重要的一环，发展前景广阔，有着巨大的潜力。
类比四足哺乳动物，四足机器人的机械结构可以理解为是它的“运动系统”，要实现四足机器人的多功能性，需要搭建“神经系统”来对其进行控制。由于电驱动相对于液压驱动更通用，更方便，近几年研究人员针对电驱动四足机器人的“神经系统”开展了大量研究并不断进行创新，值得一提的是，目前主流四足机器人每条腿具有三个关节，即一共有十二个关节，对四足机器人的控制实际上是对十二个关节电机的控制。也就是说，机器人需要不断地更新关节电机的数据才能实现腿部的柔顺控制，使整个机器人的运动更加流畅，更加自然，这就对“神经系统”的通信效率有着很高的要求。
现有技术包括基于ROS机器人系统的实时性系统和UP Board结合多个STM32搭建的控制系统，中国专利文献CN109946974A为提升硬件系统的整体实时性和可靠性以及四足机器人的高速运动，提出了一种新型的电驱动四足机器人控制系统，但是其管理分布不够灵活。
除此之外，并不仅仅针对四足机器人，CN106873541A提出的一种基于DSP的EtherCAT分布式伺服运动控制系统，采用一个DSP芯片接一路CAN总线再接六个驱动器，导致带宽不足。
发明内容
本发明针对现有电驱动四足机器人控制技术存在的不足，提供一种灵活性强、实现四足机器人运动高级规划的电驱动四足机器人分布式控制系统。
本发明的电驱动四足机器人分布式控制系统采用以下技术方案。
该系统，包括上位机、路由器、工控机、DSP芯片和CAN总线，工控机连接路由器，上位机通过路由器向工控机发送数据；工控机对数据进行处理，实现对四足机器人的高级运动规划；工控机通过RS-485总线与两块DSP芯片相连，每个DSP芯片分别连接两路CAN总线，每一路CAN总线连接四足机器人中一条腿的3个电机驱动器，每个电机驱动器连接一个关节电机和该关节电机对应的编码器，实现一路CAN总线控制四足机器人的一条腿，对四条腿分布式管理。
所述上位机用于设置四足机器人的期望速度与角速度，上位机通过路由器访问工控机，实现两者之间的数据交互。
所述工控机通过绑定实时核，实现四核四线程，防止进程抢断和外部中断的干扰发生；工控机包含一个RS-485接口，实现与DSP芯片之间的高速通信。
所述RS-485总线的数据最高传输速率为10Mbps，其传输效率与总线长度成反比。
所述RS-485总线长度小于5厘米，且RS-485采用平衡驱动器和差分接收器的组合，增强抗共模干能力。
所述DSP芯片为浮点DSP控制器，降低开发成本。
所述电机驱动器支持CANopen通信协议，每个电机驱动器对应一个关节电机。12个电机控制器，只运行电机控制算法并通过CAN总线与DSP进行通信，这两个DSP再负责打包CAN消息并通过RS-485总线发给工控机。每一个电机驱动器又连接一个编码器，用来获取关节电机的位置。
所述编码器采用增量式编码器，精度为8192，即电机每转一圈，编码器采集到8192个脉冲。通过编码器检测到的脉冲数，再由公式：
Figure BDA0002469226890000021
可以求得关节的旋转角度即关节位置，其中，Ni为编码器检测到的脉冲数，De为腿部机械结构中减速器的减速比。
所述工控机由一块锂电池单独供电。
本发明实现了四足机器人的分布式控制，灵活性强，具体有以下特点：
1.四足机器人每条腿3个电机驱动器的数据分别打包与工控机通信，管理分布且灵活。
2.工控机中运行四足机器人控制程序，实现了对四足机器人运动的高级规划。
3.解决了一个DSP芯片接一路CAN总线再接六个驱动器导致的带宽不足问题。
4.通信频率可达到1KHz，解决频率低时机器人运动僵直问题，确保了四足机器人运动的流畅性。
附图说明
图1是本发明电驱动四足机器人控制系统的原理框图。
图2是本发明电驱动四足机器人通信系统的硬件连接框图。
图3是本发明中电驱动四足机器人控制算法的流程图
图4是本发明中腿部硬件系统的接线图。
具体实施方式
图1给出了本发明电驱动四足机器人分布式控制系统的控制框图。整个控制系统需要1台上位机、1个路由器、1个工控机、2路RS485总线、2个DSP芯片和4路CAN总线，还包括控制四足机器人四条腿上所有关节电机的12个电机驱动器，其具体连接方式如图2所示。
上位机由操作员操作发出指令，设置四足机器人的期望速度vd和期望角速度ωd，操作员可直接或通过游戏手柄给上位机设置指令，上位机再通过路由器与工控机进行交互，这一部分即四足机器人的外部通信系统。而其内部通信系统即所谓的“神经系统”又分为“中枢神经系统”和“周围神经系统”。图1中，机器人的“中枢神经系统”即工控机负责对来自外部通信系统的数据与来自内部传感器的数据进行处理并对机器人的运动进行高级规划，具体包括以下内容：建立四足机器人的动力学模型并进行线性化；通过来自外部通信系统的期望速度vd和期望角速度ωd得到四足机器人的期望状态xd；通过GPS获得机器人的当前位置pc，通过IMU获得当前角速度ωc和加速度
Figure BDA0002469226890000022
“中枢神经系统”中的状态估计器对其进行处理得到当前估计状态xc；另外，针对单腿控制，由状态估计器结合步态规划确定该腿是否与地面接触来确定对其进行力控制还是摆动控制；最后，结合运动学解算出所有关节所需力矩来控制四足机器人运动。要保证四足机器人运动的流畅性，工控机要快速处理大量数据，其本身的性能十分关键。除此之外，四足机器人每条腿包含3个关节：侧摆关节、大腿关节和小腿关节，也就是说，内部通信系统中，工控机不仅要高频率地获取各个传感器的数据，同时还需更新12个关节电机的力矩，这对“周围神经系统”的传输效率与传输带宽有着很高的要求。
其中，上位机选择的是市场上中等配置的笔记本电脑，通过USB接口连接游戏手柄用来设置四足机器人的期望速度与角速度。操控四足机器人的同时，上位机运行仿真程序更安全可靠的来完成对机器人的具体实验内容，上位机通过路由器来访问工控机实现两者之间的数据交互。
为了实现高级运动规划，工控机采用的是一个具有4GB内存的x86架构的工控机，采用四核
Figure BDA0002469226890000031
Core处理器，通过绑定实时核，实现了四核四线程，防止了进程抢断和外部中断的干扰发生。工控机具有Ethernet接口，可用来连接路由器，还具有一个RS485接口，实现下文中工控机与DSP芯片之间的高速通信。工控机上嵌入Ubuntu系统，该操作系统安全性高，可控性强，系统中所有的操作清晰可见即透明度好。工控机运行四足机器人的控制程序，其包括所有的运动学与动力学算法如步态规划，状态估计器等程序。其控制核心算法采用模型预测控制算法，其流程如图3所示，首先根据IMU和GPS得到机器人当前状态信息，由动力学得到四足机器人状态空间方程，并根据设定的预测长度得到机器人的预测状态轨迹，然后结合上位机发送的期望状态计算出所需要的足底力，最后再根据逆运动学解算出各个关节电机所需要的力矩。
由于工控机上没有内置的CAN接口，因此要控制腿部关节电机需要中间设备，这里选用的是两块DSP芯片，并通过RS485总线与工控机通信。这里，由于工控机需要不断接收来自驱动器获得的编码器数据，又要向驱动器发送电机力矩数据，所以需要一种高效通信方式，同时又考虑到通信方式的可实施性，选择了RS485总线通信方式。RS-485的数据最高传输速率为10Mbps，其传输效率与总线长度成反比。本发明中工控机和DSP芯片摞叠放置，其所需RS-485总线长度小于5厘米，其传输效率完全可以满足DSP与工控机所需的通信速率。且RS-485采用平衡驱动器和差分接收器的组合，抗共模干能力增强，即抗噪声干扰性好，采用单主站多从站通信方式。除此之外，只要了解基本的串行接口，就能编程实现通信，可实施性很强。因此，其良好的抗噪声干扰性以及多站能力等上述优点就使其成为本发明中首选的串行接口。
DSP芯片选用的是Ti公司的TMS320F28335型数字信号处理器，其精度高，成本低，功耗小，而且具有150MHz的高速处理能力。且由于是浮点DSP控制器，用户可快速缩写控制算法而无需在处理小数操作上耗费过多的时间和精力，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。每个DSP芯片接两路CAN总线，每一路CAN接一条腿的三个电机驱动器。CAN即控制器局域网络的简称，由于其实时性和可靠性，是国际上应用最广泛的现场总线之一。
所述电机驱动器选择的是Elmo的驱动器，支持CANopen通信协议，每个电机驱动器对应一个关节电机。12个电机驱动器作为电机控制器，只运行电机控制算法并通过CAN总线与DSP进行通信，这两个DSP再负责打包CAN消息并用RS-485总线发给工控机。每一个电机驱动器又连接一个编码器，用来获取关节电机的位置。
编码器采用雷尼绍的增量式编码器，精度为8192，即电机每转一圈，编码器采集到8192个脉冲。该编码器具有精度高和体积小的优点，非常适合电机角度的检测。通过编码器检测到的脉冲数，再由公式：
Figure BDA0002469226890000041
可以求得关节的旋转角度即关节位置，其中，Ni为编码器检测到的脉冲数，De为腿部机械结构中减速器的减速比。
最后是电源的选择。工控机由一块24V锂电池单独供电。电机是科尔摩根的无刷直流电机，需要48V供电，驱动器需要48V电源电压和24V控制电压。因此，选择由两块24V锂离子电池给机器人供电，再由电源模块将48V转为24V给作为驱动器控制电压输入。由于机器人四条腿接线方式相同，给出单腿连接框图，具体如图4所示。

Claims (9)

1.一种电驱动四足机器人分布式控制系统，其特征在于：包括上位机、路由器、工控机、DSP芯片和CAN总线，工控机连接路由器，上位机通过路由器向工控机发送数据；工控机对数据进行处理，实现对四足机器人的高级运动规划；工控机通过RS-485总线与两块DSP芯片相连，每个DSP芯片分别连接两路CAN总线，每一路CAN总线连接四足机器人中一条腿的3个电机驱动器，每个电机驱动器连接一个关节电机和该关节电机对应的编码器，实现一路CAN总线控制四足机器人的一条腿，对四条腿分布式管理。
2.根据权利要求1所述的电驱动四足机器人分布式控制系统,其特征在于：所述上位机用于设置四足机器人的期望速度与角速度，上位机通过路由器访问工控机，实现两者之间的数据交互。
3.根据权利要求1所述的电驱动四足机器人分布式控制系统,其特征在于：所述工控机通过绑定实时核，实现四核四线程，防止进程抢断和外部中断的干扰发生；工控机包含一个RS-485接口，实现与DSP芯片之间的高速通信。
4.根据权利要求1所述的电驱动四足机器人分布式控制系统,其特征在于：所述RS-485总线的数据最高传输速率为10Mbps，其传输效率与总线长度成反比。
5.根据权利要求1所述的电驱动四足机器人分布式控制系统,其特征在于：所述RS-485总线长度小于5厘米，且RS-485采用平衡驱动器和差分接收器的组合，增强抗共模干能力。
6.根据权利要求1所述的电驱动四足机器人分布式控制系统,其特征在于：所述DSP芯片为浮点DSP控制器。
7.根据权利要求1所述的一种电驱动四足机器人分布式控制系统,其特征在于：所述电机驱动器支持CANopen通信协议，每个电机驱动器对应一个关节电机。
8.根据权利要求1所述的一种电驱动四足机器人分布式控制系统,其特征在于：所述编码器采用增量式编码器，精度为8192，即电机每转一圈采集8192个脉冲，通过检测到的脉冲数，再由公式：
Figure FDA0002469226880000011
求得关节的旋转角度即关节位置，其中，Ni为编码器检测到的脉冲数，De为腿部机械结构中减速器的减速比。
9.根据权利要求1所述的一种电驱动四足机器人分布式控制系统,其特征在于：所述工控机由一块锂电池单独供电。
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