CN111624926A - 一种机器人控制器和机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种机器人控制器和机器人，该机器人控制器包括：设有多个插槽位的控制器本体和设在控制器本体内的母板，母板包括按照预定义总线互连的多个母板接口，每一母板接口能够用于在对应的插槽位接入支持对应总线通讯协议的电源模块、主控模块、外设接口模块和扩展模块中的任意一种；其中，支持相同总线通讯协议的模块能够替换，接入的电源模块和外设接口模块，以及主控模块和/或扩展模块用于控制机器人。本发明的技术方案通过模块化及可拆卸设计能够实现不同模块的自由组合以适用不同机器人的场景控制需求，进而缩短硬件设计周期，并且支持现场可替换单元，极大地简化了机器人控制器开发和维护难度等。
Description
技术领域
本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种机器人控制器和机器人。
背景技术
当前机器人控制还处于技术研发阶段，受体积功耗的限制，一般采用超紧凑型NUC或定制主板再外加各类传感器接口来实现，这样使每个机器人都需要单独设计对应的控制器，导致难以复用。而且通常前期设计确定以后，整机的性能及接口基本确定，因此很难再进行性能、功能和接口的扩展。另一方面，主板和外设需要大量电缆连接，装配复杂、可靠性不高，机器人出现故障后维护也很困难，难以形成系列化产品。
发明内容
有鉴于此，本发明目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种机器人控制器和机器人。
本发明一实施例提供一种机器人控制器，包括：设有多个插槽位的控制器本体和设在所述控制器本体内的母板，所述母板包括按照若干预定义总线互连的多个母板接口，每一所述母板接口能够用于在对应的所述插槽位中接入支持对应总线通讯协议的电源模块、主控模块、外设接口模块和扩展模块中的任意一种，其中，支持相同总线通讯协议的模块能够替换，接入的所述电源模块、所述外设接口模块，以及所述主控模块和/或所述扩展模块用于对所述机器人进行控制。
在一种实施例中，所述若干预定义总线包括电源管理总线和交互管理总线，其中，所述主控模块与所述扩展模块支持相同总线通讯协议；
所述电源模块通过所述电源管理总线连接所述主控模块或所述扩展模块；所述外设接口模块通过所述交互管理总线连接所述主控模块或所述扩展模块。
在一种实施例中，所述若干预定义总线还包括高速串行总线和低速控制总线；所述电源模块通过所述电源管理总线连接所述主控模块和每一所述扩展模块；所述外设接口模块通过所述交互管理总线连接所述主控模块和每一所述扩展模块；所述主控模块与每一所述扩展模块之间，以及各所述扩展模块之间，均通过所述高速串行总线和所述低速控制总线连接。
在一种实施例中，机器人控制器还包括：所述电源模块、所述外设接口模块，以及所述主控模块或所述扩展模块。
在一种实施例中，机器人控制器还包括：所述电源模块、所述外设接口模块、所述主控模块和至少一所述扩展模块。
在一种实施例中，所述主控模块用于通过所述高速串行总线与所述扩展模块进行点对点数据传输，并通过所述低速控制总线控制所述扩展模块及监测所述扩展模块的状态信息。
在一些实施例中，所述状态信息包括所述扩展模块的电压、电流、温度和心跳中的至少一种。
在一种实施例中，所述扩展模块包括视觉处理模块和/或场景应用模块；
所述视觉处理模块用于对所述机器人获取的图像视频进行实时处理后将处理得到的数据发送至所述主控模块，以供所述主控模块进行决策控制；
所述场景应用模块用于提供人机交互，并在接收外界指令时发送给所述主控模块以及根据所述主控模块的指令执行相应操作。
在一种实施例中，所述外设接口模块包括至少一EtherCAT接口和与各EtherCAT接口连接的EtherCAT集线器；
和/或，所述外设接口模块包括RS485接口、RS422接口、RS232接口CAN接口和GPIO接口中的任意一种或组合，以及各接口对应的接口驱动控制电路；
和/或，所述外设接口模块包括至少一Ethernet接口和与各Ethernet接口连接的以太网切换开关。
在一种实施例中，所述电源模块包括电源、电源管理电路、DC-DC转换电路和用于输出至少一种电源的电源输出端口，所述DC-DC转换电路分别连接所述电源、所述电源管理电路和所述电源输出端口。
在一些实施例中，所述高速串行总线为PCIe总线或RapidIO总线。
在一些实施例中，所述低速控制总线为I2C总线。
本发明另一实施例提出一种机器人，采用上述的控制器对机器人进行控制。
在一种实施例中，所述控制包括步态规划、位置解算、速度解算和/或姿态解算。
本发明的实施例具有如下优点：
本发明实施例的技术方案通过设计一包含有多个母板接口的控制器本体，其中，各母板接口之间按照预定义总线互连，还通过将控制器中的各部分进行模块化设计并且能够可拆卸地设置在本体内，不仅可以实现不同模块的自由组合以适用不同机器人的场景控制需求，进而缩短硬件设计周期，极大地简化了机器人控制器的开发及维护；同时，支持相同总线通讯协议的模块还能够直接被替换，即支持现场可替换单元，达到快速搭建硬件平台目的等。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明保护范围的限定。在各个附图中，类似的构成部分采用类似的编号。
图1示出了本发明实施例的机器人控制器的结构示意图；
图2示出了本发明实施例的机器人控制器的一种硬件架构示意图；
图3示出了本发明实施例的机器人控制器的一种电源模块结构示意图；
图4示出了本发明实施例的机器人控制器的一种外设接口模块结构示意图。
主要元件符号说明：
1-机器人控制器；10-控制器本体；20-电源模块；30-主控模块；40-外设接口模块；50-扩展模块；21-电池；22-电源管理电路；23-DC-DC转换电路；41-以太网切换开关；42-接口驱动控制电路；43-EtherCAT集线器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在下文中，可在本发明的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。
此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本发明的各种实施例中被清楚地限定。
实施例1
请参照图1，本实施例提出一种机器人控制器1，可实现硬件控制平台的快速搭建及系统性能、功能和接口等的可扩展，简化了机器人控制器的开发和维护难度，还利于形成标准化、系列化产品，从而满足不同机器人控制器的需求等。
如图1所示，下面对该机器人控制器1进行详细说明。
示范性地，该机器人控制器1包括设有多个插槽位的控制器本体10和设在该控制器本体10内的母板(未示出)，其中，该母板包括与该多个插槽位一一对应的多个母板接口，每一母板接口能够用于在对应的插槽位中接入电源模块20、主控模块30、外设接口模块40和扩展模块50等中的任意一种，进而利用这些接入的模块进行组合以用于对机器人进行控制。
在一种实施例中，为使各母板接口能够接入任意一种模块，该母板中各母板接口将按照若干种预定义总线进行自定义且各母板接口之间相互连接。示范性地，对各母板接口进行相同尺寸设计，这里主要是指每个母板接口的引脚数量相同。对于每个母板接口，通过将这些引脚进行区域划分及总线自定义，即将不同区域的引脚定义为不同类型的预定义总线，这样使得每一母板接口能够与支持不同类型的总线通讯协议的不同模块连接。
可以理解，本实施例将每个母板的相同区域的引脚进行互连，这样使得在接入各模块时可以不用固定插入某一插槽位，只需保证所需的各模块均插入到该控制器本体中即可。
值得注意的是，接入的各模块自身的外壳结构应与各插槽位的尺寸进行匹配设计，且各模块的各引脚也应当设置在对应于该母板接口的对应区域位置，以保证具有相同定义的引脚能够匹配连接。另外，关于该母板接口是采用插孔还是插针形式来连接各模块，在此并不作限定，例如，若母板接口为插孔，则模块的引脚将采用与之匹配的插针形式，反之亦可。
可以理解，每一种模块对各种总线通讯协议的支持情况可根据其相应的功能定位来确定。例如，电源模块通常支持电源管理总线所对应的总线通讯协议等。在该母板中，支持相同总线通讯协议的模块能够替换，以扩展模块为例，当其支持与主控模块相同总线通讯协议时，在一种实施方式中，其可以与主控模块形成主从控制关系，在另一种实施方式中，其也可以直接替换掉主控模块而与其他模块连接后独立运行。
示范性地，该预定义总线可包括但不限于为用于传输相关电源状态及电源管理的电源管理总线、用于传输相关控制指令或数据的系统总线，或用于传输与外接设备之间的交互数据的交互管理总线等。进一步地，系统总线又可以按照传输控制指令或数据的功能进行再划分，如可划分为用于数据高速传输的高速串行总线和用于传输控制指令的低速控制总线等。在一些实施方式中，由于主控模块作为主设备时也可以通过低速控制总线对作为从设备的各扩展模块进行电源管理控制，因此，有时也可以实现部分管理总线的共用，这样可以减少信号线资源的占用，提高总线的利用率等。
可以理解，母板接口中的预定义总线可以根据实际需求进行设计。对于这些预定义总线，可以包括但不限于包括根据实际需求而设计的自定义信号线、或通用的串行总线或并行总线，或由自定义信号线与通用总线的组合等。此外，各母板接口通常还可以采取冗余设计，即保留一些能够自定义的其他引脚以便后续功能开发等。
基于按照预定义总线互连的多个母板接口，当在控制器本体10中插入不同模块后，各模块之间可通过这些总线实现模块之间的通信。在一种实施例方式中，上述的若干预定义总线包括电源管理总线、交互管理总线、高速串行总线和低速控制总线，如图2所示。此时的机器人控制器1可插入电源模块20和外设接口模块40之外，还可以插入主控模块30和/或扩展模块50。当存在主控模块30时，可接入一个或多个扩展模块50，此时，电源模块20将通过电源管理总线中的电源信号线分别连接至该主控模块30和每一个扩展模块50，以用于供电；主控模块30将通过低速控制总线来监测其他模块的状态信息(如电流、电压等信息)、以及发送相应的控制指令等；该外设接口模块40则通过交互管理总线分别连接至该主控模块30和各个扩展模块50，以使得该主控模块30和各扩展模块50能够利用该外设接口模块40中的接口与外部设备进行信息交互；主控模块30与每一扩展模块50之间，以及各个扩展模块50之间，均通过高速串行总线和低速控制总线进行双总线连接。示范性地，高速串行总线可包括但不限于为PCIe总线或RapidIO总线等。低速控制总线可包括但不限于为I2C总线和/或其他的低速控制信号线等。
对于主控模块30与各扩展模块50之间的双总线连接方式，该主控模块30能够通过该内部的高速串行总线与各个扩展模块50进行点对点数据高速传输，并通过内部的低速控制总线向各扩展模块50发送控制指令以进行控制以及用于监测各扩展模块50的状态信息等。例如，上述监测的状态信息可包括但不限于包括扩展模块50的电压、电流、温度和心跳等中的一种或多种组合。可以理解，通过上述模块之间的双总线连接设计既能实现各模块之间信息的快速交互，也能保证各模块的独立性，这样非常方便实现对控制器性能和功能的扩展等。
可以理解，电源模块20、主控模块30和各扩展模块50彼此之间的连接可视为内部连接，而主控模块30和/或扩展模块50分别与外设接口模块40之间的连接可视为外部连接，本实施例的机器人控制器1通过采用内部及外部的双总线连接，同时内部连接又采用高速串行总线和低速控制总线的双总线连接的硬件架构，利用这一硬件架构及模块可拆卸设计，既可以保证各模块的独立性，又可以容易实现控制器性能和功能的扩展等。
在另一种实施例方式中，该若干预定义总线也可仅包括电源管理总线和交互管理总线，此时，该机器人控制器1可插入电源模块20、主控模块30和外设接口模块40这些基础模块。可选地，若主控模块30与扩展模块50支持相同总线通讯协议，故将扩展模块50替换主控模块30，即形成仅包括电源模块20、外设接口模块40和扩展模块50的控制器。可以理解，本实施例中的扩展模块50为能够独立运行的模块，即可以不需要在主控模块30的参与下也同样可以与其他设备正常工作。于是有，电源模块20通过电源管理总线连接主控模块30，以用于对主控模块30或扩展模块50进行供电，外设接口模块40通过交互管理总线连接主控模块30或扩展模块50，以用于实现机器人与外部设备之间的交互等。
若是对于同一系列的机器人，考虑到大多是在原来的性能上进行功能扩展，也可将电源模块20、外设接口模块40和主控模块30这三个基础模块的插槽位位置固定，而将其他位置的插槽位作为扩展模块50的扩展插槽位。对于此种场景，还可相应调整电源模块20和/或外设接口模块40所对应的母板接口的预定义总线结构，即只需设计各自所需的电源管理总线或交互管理总线即可，可减少硬件接口设计成本等。
示范性地，该控制器本体10可采用各机器人所需的尺寸进行设计，优选地，对于同一系列的机器人可采用标准尺寸设计，如100mm×108mm×16.5mm，或者100mm×108mm×20mm等等。其中，对于母板接口与各模块之间的连接可通过标准的连接器进行可插拔连接。
本实施例的机器人控制器1通过将机器人控制器中的硬件部分采用模块化设计及利用基于预定义总线互连的母板接口可插拔设计，可以实现按照不同场景下的控制器性能及功能需求来接入所需的功能模块，可快速搭建适配于不同应用场景的机器人控制器的硬件平台，不仅实现了对机器人控制器的性能、功能和外设接口的快速可扩展，还可支持现场可替换单元(LPU)，极大地简化了机器人控制器的开发和维护的难度等。此外，利用多总线的硬件架构设计以及内部双总线的连接方式，不仅可以实现模块间的信息快速交互，也方便实现控制器总体控制及各模块的状态监控，具有较强的实用性等等。
实施例2
请参照图2，基于上述实施例1的机器人控制器，本实施例的机器人控制器1的不同之处仅在于，还包括能够通过母板接口接入到控制器本体内的多个模块。
在一种实施例中，该机器人控制器1包括：电源模块20、外设接口模块40，以及主控模块30(或扩展模块50)。于是，电源模块20将通过电源管理总线连接至主控模块30(或扩展模块50)，而外设接口模块40则通过交互管理总线连接主控模块30(或扩展模块50)。
在另一种实施例中，该机器人控制器1包括：电源模块20、外设接口模块40、主控模块30和至少一扩展模块50。于是，电源模块20将通过电源管理总线分别连接至主控模块30和每一个扩展模块50，外设接口模块40通过交互管理总线分别连接至主控模块30和各个扩展模块50，主控模块30与每一扩展模块50之间，以及各个扩展模块50之间，均通过高速串行总线和低速控制总线进行双总线连接。
示范性地，主控模块30可包括控制器芯片及相应的基础外围电路等。该至少一扩展模块50可包括但不限于为视觉处理模块、场景应用模块等等，具体可根据实际需求进行扩展。例如，当至少一扩展模块50包括上述的视觉处理模块和场景应用模块时，该视觉处理模块主要用于对由该机器人获取的图像视频进行实时处理，并将处理得到的数据发送至主控模块30，以辅助该主控模块30进行决策控制等。而该场景应用模块则可用于提供人机交互，并在接收到外界指令时将其发送给主控模块30，此外还可根据该主控模块30发出的指令执行相应操作等。当然，该机器人控制器1也可使这两个扩展模块50进行协同工作，如根据该视觉处理模块实时处理的图像数据和该场景应用模块接收的指令进行自主导航规划等。
示范性地，如图3所示，电源模块20主要包括电池21、电源管理电路22、DC-DC转换电路23和用于输出多种电源的电源输出端口，该DC-DC转换电路23分别连接至电源、电源管理电路22和各个电源输出端口。其中，电池21用于提供电源；DC-DC转换电路23用于对输入的电池21进行降压转换并输出到电源输出端口，例如，该电源输出包括但不限于为+12V/5A、+5V/3A、+3.3V/3A和+3V/0.2A等中的至少两种或多种组合。而该电源管理电路22主要用于对从DC-DC转换电路23输出的各种电源信号进行电流电压监测，还用于对电源进行上电控制等等。
本实施例的电源模块20通过电源管理总线连接至各模块，示范性地，该电源管理总线可包括但不限于包括电源输入信号线、管理总线、以及电源输出信号线等。如图3所示，该电源管理总线可包括与电池21连接的电源输出信号线、与DC-DC转换电路23连接的电源输入信号线、与电源管理电路22连接的管理总线(I2C总线、GA模块地址等)和多种电源输出信号线等。
示范性地，如图4所示，外设接口模块40可包括但不限于包括至少一Ethernet接口。若包含多个Ethernet接口时，还可通过采用以太网切换开关41对各Ethernet接口进行切换连接至外部设备等等。
进一步可选地，外设接口模块40还包括RS485接口、RS422接口、RS232接口、CAN接口和GPIO接口等总线类接口中的任意一种或组合，以及各总线类接口对应的接口驱动控制电路42。例如，如图4所示，当包含CAN接口时，则该外设接口模块40将包括用于驱动该CAN接口的驱动电路和控制电路。
进一步可选地，外设接口模块40可包括但不限于包括至少一EtherCAT接口，优选地，可采用一个能够进行一转多的EtherCAT集线器43实现多种EtherCAT总线的拓扑结构，尤其对于需要对多个关节电机(如6～40个)进行高速实时控制等场景，通过该多个EtherCAT接口同时控制，可以方便地实现机器人的实时控制需求等。
可以理解，对于上述列举的这三大类接口，该外设接口模块40可以仅单独包括其中一类，也可以包含其中的任意两种或全部组合。相应地，交互管理总线可包括但不限于为以太网总线、GPIO总线和/或EtherCAT总线等，具体可根据实际需求来相应设计。优选地，外设接口模块40将集成上述三种类型的外设接口，以方便适用于各种控制场景。相应地，如图4所示，该交互管理总线则包括以太网总线、GPIO总线和EtherCAT总线等。
实施例3
请参照图1和2，基于上述实施例1或2的机器人控制器，本实施例提出一种机器人，其采用上述的控制器使机器人进行控制。例如，该控制可包括但不限于包括对机器人进行步态规划、位置解算、速度解算和/或姿态解算等。
示范性地，该控制器包括设有多个插槽位的控制器本体10和设在控制器本体10内的母板，该母板包括按照若干预定义总线互连的多个母板接口，每一母板接口能够用于在对应的插槽位中接入支持对应总线通讯协议的电源模块20、主控模块30、外设接口模块40和扩展模块50中的任意一种；其中，支持相同总线通讯协议的模块能够替换，接入的电源模块20、外设接口模块40，以及主控模块30和/或扩展模块50将构成该机器人的控制器以用于对所述机器人进行控制。
可以理解，本实施例的各模块可采用上述实施例1或2中的相应模块。上述实施例1或2的可选项同样适用于本实施例，故在此不再详述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种机器人控制器，其特征在于，包括：设有多个插槽位的控制器本体和设在所述控制器本体内的母板，所述母板包括按照若干预定义总线互连的多个母板接口，每一所述母板接口能够用于在对应的所述插槽位接入支持对应总线通讯协议的电源模块、主控模块、外设接口模块和扩展模块中的任意一种，其中，支持相同总线通讯协议的模块能够替换，接入的所述电源模块、所述外设接口模块，以及所述主控模块和/或所述扩展模块用于对所述机器人进行控制。
2.根据权利要求1所述的机器人控制器，其特征在于，所述若干预定义总线包括电源管理总线和交互管理总线，其中，所述主控模块与所述扩展模块支持相同总线通讯协议；
所述电源模块通过所述电源管理总线连接所述主控模块或所述扩展模块；所述外设接口模块通过所述交互管理总线连接所述主控模块或所述扩展模块。
3.根据权利要求2所述的机器人控制器，其特征在于，所述若干预定义总线还包括高速串行总线和低速控制总线；
所述电源模块通过所述电源管理总线连接所述主控模块和每一所述扩展模块；所述外设接口模块通过所述交互管理总线连接所述主控模块和每一所述扩展模块；所述主控模块与每一所述扩展模块之间，以及各所述扩展模块之间，均通过所述高速串行总线和所述低速控制总线连接。
4.根据权利要求1所述的机器人控制器，其特征在于，还包括：所述电源模块、所述外设接口模块，以及所述主控模块或所述扩展模块；
或，所述电源模块、所述外设接口模块、所述主控模块和至少一所述扩展模块。
5.根据权利要求3所述的机器人控制器，其特征在于，所述主控模块用于通过所述高速串行总线与所述扩展模块进行点对点数据传输，并通过所述低速控制总线控制所述扩展模块及监测所述扩展模块的状态信息。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的机器人控制器，其特征在于，所述扩展模块包括视觉处理模块和/或场景应用模块；
所述视觉处理模块用于对所述机器人获取的图像视频进行实时处理后将处理得到的数据发送至所述主控模块，以供所述主控模块进行决策控制；
所述场景应用模块用于提供人机交互，并在接收外界指令时发送给所述主控模块以及根据所述主控模块的指令执行相应操作。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的机器人控制器，其特征在于，所述外设接口模块包括至少一EtherCAT接口和与各EtherCAT接口连接的EtherCAT集线器；
和/或，所述外设接口模块包括RS485接口、RS422接口、RS232接口CAN接口和GPIO接口中的任意一种或组合，以及各接口对应的接口驱动控制电路；
和/或，所述外设接口模块包括至少一Ethernet接口和与各Ethernet接口连接的以太网切换开关。
8.根据权利要求3所述的机器人控制器，其特征在于，所述高速串行总线为PCIe总线或RapidIO总线，所述低速控制总线为I2C总线。
9.一种机器人，其特征在于，采用如权利要求1至8中任一项所述的控制器对机器人进行控制。
10.根据权利要求9所述的机器人，其特征在于，所述控制包括对所述机器人进行步态规划、位置解算、速度解算和/或姿态解算。
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