CN114193459B - 一种机械手臂的控制系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种机械手臂的控制系统及其测试方法。该机械手臂的控制系统包括：机械手臂群控制层、系统管理层、内部功能管理层、特定功能层、平台服务层以及人机交互层；机械手臂群控制层、系统管理层、内部功能管理层、特定功能层、平台服务层、人机交互层之间通过层与层之间的数据调用以对机械手臂进行控制；机械手臂群控制层、系统管理层、内部功能管理层、特定功能层、平台服务层依次按照由上层到下层顺序排列；其中，上层能调用下层，下层不能调用上层，且人机交互层能调用其他所有层。由此，通过将机械手臂控制系统的功能进行分层设计，使得机械手臂控制系统能在层与层之间完成智能化的调用，进而实现对机械手臂的控制。

Description

一种机械手臂的控制系统及其测试方法

技术领域

本发明实施例涉及智能化机械控制技术领域，尤其涉及一种机械手臂的控制系统及其测试方法。

背景技术

机械手臂是属于机器人应用技术发展的一项重要成果，它能够接收控制指令并在三维空间中的一点上精准的完成目标动作。在一些工业生产制造方向上，机械手臂可以替代人工操作，表现出大的应用潜力。例如：机械手臂能够完成规律性的重复工作从而极大地提高工业生产线上的产品产出效率；能够完成高温焊接、锻造、制件等危险并且复杂的工业任务。

机械臂的操控通常通过操作人员在电阻式仿真教导盒上输入目标参数来完成，在这个过程中输入参数被转换为机械手臂上被控电机的输入电压和电流。但是这样的控制过程并不稳定并且缺少一定的智能化，无法满足目前人们迫切的需求所使用的工具能够向智能化和自动化发展的现状。通常，机械臂系统是由不同的子系统单元协同来实现某些功能的，各子系统单元间的交流是通过定义好的接口和通讯协议来完成的，但是，一旦某个子系统单元在工作过程中崩溃，它很难被快速替换和迭代，而直接影响机械臂的正常工作。

发明内容

本发明提供一种机械手臂的控制系统及其测试方法，以实现对机械手臂的控制，提高智能化控制，提高工作效率。

第一方面，本发明实施例提供了一种机械手臂的控制系统，该机械手臂的控制系统包括：机械手臂群控制层、系统管理层、内部功能管理层、特定功能层、平台服务层以及人机交互层；其中，所述机械手臂群控制层、所述系统管理层、所述内部功能管理层、所述特定功能层、所述平台服务层、所述人机交互层之间通过层与层之间的数据调用以对机械手臂进行控制；其中，所述机械手臂群控制层、所述系统管理层、所述内部功能管理层、所述特定功能层、所述平台服务层依次按照由上层到下层顺序排列；其中，上层能调用下层，下层不能调用上层，且所述人机交互层能调用其他所有层。

可选地，所述机械手臂群控制层至少包括OTA服务管理单元、机械手臂管理单元和企业账户管理单元，所述OTA服务管理单元、所述机械手臂管理单元和所述企业账户管理单元之间相互连接。

可选地，所述系统管理层至少包括意图判断单元和运动规划单元，所述意图判断单元和所述运动规划单元电连接；其中，所述运动规划单元用于通过调用所述内部功能管理层的数据生成规划控制指令。

可选地，所述运动规划单元还用于当所述内部功能管理层发生异常时，通过调用所述特定功能层的数据生成所述规划控制指令。

可选地，所述内部功能管理层至少包括运动控制单元、通信控制单元、感知控制单元和信号转换融合单元，所述运动控制单元、所述通信控制单元、所述感知控制单元和所述信号转换融合单元之间相互连接。

可选地，所述特定功能层至少包括图像采集单元、位移检测单元、角度检测单元和通信单元，所述图像采集单元、所述位移检测单元、所述角度检测单元和所述通信单元之间相互连接。

可选地，所述平台服务层至少包括：时间管理单元、存储管理单元、日志记录单元和能源管理单元。

可选地，所述人机交互层至少包括：手势识别单元、语音识别单元、人脸识别单元和指纹识别单元。

第二方面，本发明实施例还提供了一种应用于如第一方面所述的机械手臂的控制系统的测试方法，该测试方法包括：基于AUTOSAR的传统平台和自适应平台，将被控对象模型与所述机械手臂进行数据和信息交互；其中，所述传统平台、所述自适应平台和所述被控对象模型通过时钟进行时间调度。

可选地，所述被控对象模型至少包括所述机械手臂群控制层、所述系统管理层、所述内部功能管理层、所述特定功能层、所述平台服务层以及所述人机交互层。

本发明实施例通过提供一种机械手臂的控制系统及其测试方法，该机械手臂的控制系统包括：机械手臂群控制层、系统管理层、内部功能管理层、特定功能层、平台服务层以及人机交互层；其中，机械手臂群控制层、系统管理层、内部功能管理层、特定功能层、平台服务层、人机交互层之间通过层与层之间的数据调用以对机械手臂进行控制；其中，机械手臂群控制层、系统管理层、内部功能管理层、特定功能层、平台服务层依次按照由上层到下层顺序排列；其中，上层能调用下层，下层不能调用上层，且人机交互层能调用其他所有层。由此可知，通过将机械手臂控制系统的功能进行分层设计，并按上面所述的层级划分功能模块，不同层级的功能模块表现出不同的服务功能群，且位于上层的功能可以调用下层的数据，但是下层不可调用上层。通过这种面向服务的严密分层设计，机械手臂控制系统的服务会被抽象成原子服务，并能在层与层之间完成智能化的调用，进而实现对机械手臂的控制，提高智能化控制，提高工作效率。

附图说明

图1是本发明实施例一中的一种机械手臂的控制系统的结构框图；

图2是本发明实施例二中的一种机械手臂的控制系统的结构框图；

图3是本发明实施例二中的一种硬件电路板的结构示意图；

图4是本发明实施例三中的一种测试平台的结构示意图。

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。

经发明人研究发现，现有技术中对机械手臂的控制方式主要为：通过设置感知模块、路径规划模块、转换模块、通讯模块以及远程受控模块，它们之间进行分步式的信号传输和控制。在这种控制系统中，由于信号的传输是分步式的，这种传输方式限制了资源的可重用性，并且在其中某个功能块失效时会导致系统的崩溃。为此，本发明实施例提供了一种机械手臂的控制系统及其测试方法，以实现对机械手臂的控制，提高智能化控制，提高工作效率。

实施例一

图1为本发明实施例一中提供的一种机械手臂的控制系统的结构框图。参考图1，该机械手臂的控制系统包括：机械手臂群控制层100、系统管理层200、内部功能管理层300、特定功能层400、平台服务层500以及人机交互层600；其中，机械手臂群控制层100、系统管理层200、内部功能管理层300、特定功能层400、平台服务层500、人机交互层600之间通过层与层之间的数据调用以对机械手臂进行控制；其中，机械手臂群控制层100、系统管理层200、内部功能管理层300、特定功能层400、平台服务层500依次按照由上层到下层顺序排列；其中，上层能调用下层，下层不能调用上层，且人机交互层600能调用其他所有层。

其中，机械手臂群管理层100的功能服务为通过云端技术实现对机械手臂进行远程管理和控制。系统管理层200的功能服务表现为对机械手臂内系统进行调度。内部功能管理层300的功能服务为对系统内部功能进行协调的功能服务。特定功能层400表现为对特定功能进行控制的功能服务。平台服务层500用于对机械手臂的通用功能进行分解并统一管理，例如诊断管理、电源管理、日志记录等。人机交互层600用于对人与机械手臂的交互(包括控制和信息显示等)进行统一管理。

其中，机械手臂群控制层100可以调用系统管理层200、内部功能管理层300、特定功能层400、平台服务层500的数据；系统管理层200可以调用内部功能管理层300、特定功能层400、平台服务层500的数据，但不能调用它的上层即机械手臂群控制层100的数据；内部功能管理层300可以调用特定功能层400和平台服务层500的数据，但不能调用它的上层机械手臂群控制层100和系统管理层200的数据；特定功能层400可以调用平台服务层500的数据，但是不能调用它的上层机械手臂群控制层100、系统管理层200、内部功能管理层300的数据；平台服务层500为最底层，不能调用上层机械手臂群控制层100、系统管理层200、内部功能管理层300、特定功能层400的数据；但是，人机交互层600可以调用所有层的数据。由此可知，以服务为主的原则对机械手臂控制系统的功能进行分层设计，并按上面所述的层级划分功能模块，不同层级的功能模块表现出不同的服务功能群。通过这种面向服务的严密分层设计，机械手臂控制系统的服务会被抽象成原子服务，并能在层与层之间完成智能化的调用，进而实现对机械手臂的控制，提高智能化控制，提高工作效率。

本发明实施例的技术方案可以实现上层功能层可灵活调用它的下层功能层的数据，当下层中的某一层出现异常时，可以通过更低层的功能层调用数据，例如，正常情况下，系统管理层200是通过调用内部功能管理层300的数据实现对机械手臂的运动规划的，但是当内部功能管理层300异常而无法再继续调用时，系统管理层200还可以直接调用底层特定功能层400的数据，以实现对机械手臂的运动控制。与现有技术中机械手臂的控制系统采用各模块之间的数据传输是分布式的方式相比，可以提高数据资源的可重用性，不会因某个功能模块功能失效而导致整个系统的崩溃，从而提高机械手臂控制系统的可靠性。

本实施例的技术方案，通过提供一种机械手臂的控制系统，该机械手臂的控制系统包括：机械手臂群控制层、系统管理层、内部功能管理层、特定功能层、平台服务层以及人机交互层；其中，机械手臂群控制层、系统管理层、内部功能管理层、特定功能层、平台服务层、人机交互层之间通过层与层之间的数据调用以对机械手臂进行控制；其中，机械手臂群控制层、系统管理层、内部功能管理层、特定功能层、平台服务层依次按照由上层到下层顺序排列；其中，上层能调用下层，下层不能调用上层，且人机交互层能调用其他所有层。由此可知，通过将机械手臂控制系统的功能进行分层设计，并按上面所述的层级划分功能模块，不同层级的功能模块表现出不同的服务功能群，且位于上层的功能可以调用下层的数据，但是下层不可调用上层。通过这种面向服务的严密分层设计，机械手臂控制系统的服务会被抽象成原子服务，并能在层与层之间完成智能化的调用，进而实现对机械手臂的控制，提高智能化控制，提高工作效率。

实施例二

图2是本发明实施例二中提供的一种机械手臂的控制系统的结构框图，图3是本发明实施例二中提供的一种硬件电路板的结构示意图。在上述实施例一的基础上，可选地，参考图2，机械手臂群控制层100至少包括OTA服务管理单元110、机械手臂管理单元120和企业账户管理单元130，OTA服务管理单元110、机械手臂管理单元120和企业账户管理单元130之间相互连接。

其中，OTA服务管理单元110是通过云端技术实现对机械手臂管理单元120和企业账户管理单元130进行远程控制管理。OTA服务管理单元110可以调用机械手臂管理单元120和企业账户管理单元130的数据。机械手臂管理单元120可以调用系统管理层200、内部功能管理层300、特定功能层400、平台服务层500的数据，且可根据需要通过调用各层的数据实现对多个机械手臂群进行控制管理。企业账户管理单元130也可以调用系统管理层200、内部功能管理层300、特定功能层400、平台服务层500的数据，用于对各机械手臂进行编号、命名、ID标识等管理。

其中，机械手臂群管理层100是通过云端来管理的，云端技术与传统软件平台的不同之处就在于应用程序被虚拟化。正是基于这种先进的云端管理技术，通过OTA服务管理单元110可以实现在云端对机械手臂进行远程管理和控制，能够实时接收、管理和备份机械手臂的状态数据并对控制软件进行升级和管理。由此，以云端技术为基础，在一定程度上解决了机械手臂传统控制过程容易受到外部因素影响而不稳定的问题。

这一层的功能服务不限于单个机械手臂，目的是通过实现机械手臂群的协同控制。具体实现过程可以为：操作人员通过云端技术远程向OTA服务管理单元110发送对各机械手臂的运动控制指令，OTA服务管理单元110通过云端技术将控制指令发送至机械手臂管理单元120，机械手臂管理单元120通过调用下层数据(例如，特定功能层400)获取各机械手臂的实际运动状态数据，并依据各机械手臂的实际运动状态数据和对各机械手臂的运动控制指令，生成协同控制指令到各机械手臂的运动控制单元310，以实现对各机械手臂的协同控制。

可选地，继续参考图2，系统管理层200至少包括意图判断单元210和运动规划单元220，意图判断单元210和运动规划单元220电连接；其中，运动规划单元220用于通过调用内部功能管理层300的数据生成规划控制指令。

其中，意图判断单元210通过感应操作人员的图像、手势等与行为状态相关的数据来判断操作人员的意图并向机械手臂的运动控制单元310发送控制请求。机械手臂正是通过意图判断单元210感知操作人员的意图并对下层的模块，例如运动控制单元310实现控制。

其中，运动规划单元220能通过调用内部功能管理层300的数据，例如，调用通信控制单元320、感知控制单元330和信号转换融合单元340的数据，实现对周围环境中的变量因素进行实时监控并获取实时的变化数据，并能根据实时的变化数据对机械手臂的控制做出新的规划，即生成相应的规划控制指令，以实现对机械手臂运动的优化。且运动规划单元220具有在给定目的地(例如，三维空间中的一个点)后监控任务路径，并通过对机械手臂的运动状态进行调整来实现机械能的优化的能力。例如：在机械手臂运动过程中遇到障碍物时，将获取的障碍物数据信息反馈到运动控制单元310以对机械手臂的运动进行实时控制。

可选地，继续参考图2，运动规划单元220还用于当内部功能管理层300发生异常时，通过调用特定功能层400的数据生成规划控制指令。

其中，当内部功能管理层300发生异常时，例如，通信控制单元320、感知控制单元330和信号转换融合单元340的数据发生异常时，运动规划单元220无法再通过调用内部功能管理层300的数据实现对周围环境中的变量因素进行实时监控，也就无法对机械手臂的运动进行实时的规划控制。则此时，运动规划单元220还可以从更底层的功能层，即特定功能层400调用数据，例如调用机械手臂最基础的运动状态图像数据、位移数据、角度数据等，然后根据最基础的运动状态图像数据、位移数据、角度数据等生成规划控制指令，以实现对机械手臂运动的优化控制。由此，特定功能层400可看作运动规划单元220实现机械手臂优化控制的冗余或者备份功能层，这样设计的好处在于：当某一层出现异常时，还可以通过调用其他功能层的数据继续实现对应的功能，从而确保机械手臂控制系统不因某一层的异常而导致控制中断，进而提高机械手臂控制系统控制的可靠性。

可选地，继续参考图2，内部功能管理层300至少包括运动控制单元310、通信控制单元320、感知控制单元330和信号转换融合单元340，运动控制单元310、通信控制单元320、感知控制单元330和信号转换融合单元340之间相互连接。

其中，运动控制单元310是机械手臂实现运动功能的执行单元，用于接收运动规划单元220发送的规划控制指令，并根据规划控制指令控制机械手臂的运动。通信控制单元320用于控制内部功能管理层300与特定功能层400、平台服务层500、人机交互层600之间的通信管理。感知控制单元330用于接收特定功能层400的环境感知数据，例如机械手臂的运动状态数据、机械手臂的运动环境图像数据、位移数据、角度数据等。信号转换融合单元340用于将感知控制单元330获取的各环境感知数据进行融合转换。可选地，继续参考图2，特定功能层400至少包括图像采集单元410、位移检测单元420、角度检测单元430和通信单元440，图像采集单元410、位移检测单元420、角度检测单元430和通信单元440之间相互连接。

其中，图像采集单元410用于采集机械手臂的运动状态图像数据、机械手臂的运动环境图像数据等。图像采集单元410为摄像机，如CCD工业相机。位移检测单元420可以为位移检测传感器，用于检测机械手臂的运动位移。角度检测单元430用于检测机械手臂的转角信息，可以为角位移传感器，例如陀螺仪。通信单元440用于实现特定功能层400与平台服务层500、人机交互层600之间的通信传输，其通信方式可以为有线通信、无线通信，还可以是有线通信与无线通信的结合，具体可根据实际情况进行设置，在此不做具体的限定。

可选地，继续参考图2，平台服务层500至少包括：时间管理单元510、存储管理单元520、日志记录单元530和能源管理单元540。

其中，平台服务层500用于对机械手臂的通用功能进行分解并统一管理，例如时间管理、存储管理、能源管理、日志记录等。其中，时间管理单元510用来实现对机械臂群的时序调整和控制，保证所有机械臂时钟的一致性，方便了在对多个机械臂进行操控时它们能保持运动行为的一致性。存储管理单元520用于对手机手臂的控制数据进行存储。日志记录单元530是将机械手臂的工作状态以日志的形式记录下来，方便操作人员进行机械手臂的工作状态查看和回放。能源管理单元540用于管理机械手臂执行运动所需的能源的使用量、剩余量等。其中，机械手臂控制系统的能源可以为液压、电能等。此外，平台服务层500还包括诊断管理单元和电源管理单元，其中，诊断管理单元通过区域诊断来对机械手臂内某些系统的工作状态进行评估，必要时如果某个系统崩溃或者出现重大失误，诊断管理会将这片区域内的部分系统进行强制关闭。电源管理单元用于对机械手臂的供电单元进行管理，电源管理单元除了会对机械臂内的系统提供能源外还具有电流电压过载保护以及能量存储的功能。

可选地，继续参考图2，人机交互层600至少包括：手势识别单元610、语音识别单元620、人脸识别单元630和指纹识别单元640。

其中，人机交互层600用于对人与机械臂的交互进行统一管理。人机交互管理目的在于对机械手臂上的各种系统(包括软件和硬件)与用户之间的交互关系的管理，是可视化的人机交互界面。人机交互是使用工具智能化的体现，良好的人机交互体验将极大的增加用户对使用工具的认同感，同时人机交互界面是对机械手臂内整体功能的一种封装，对外只暴露使用的接口和规则。

可选地，机械手臂的运动驱动模块、时钟、电源、存储、感知接收模块、CPU等功能模块可以集成在硬件电路板上，图3示出了硬件电路板的示意图，如图3，硬件电路板上包含三个与外部进行通信的接口，如两个DB25接口和USB接口，其中，一个DB25接口外部传感器(如摄像头、陀螺仪等)电连接，另一个DB25与机械手臂的驱动模块连接，USB接口与PC机连接。该硬件电路板上的感知接收模块能够接收多种传感器的信号并将之融合，驱动模块可以完成对机械臂上电机的精确控制，同时硬件电路板上还包含存储、电源、时钟等。

实施例三

图4是本发明实施例三中提供的一种测试平台的结构示意图。本发明实施例三中提供了一种应用于本发明任意实施例所述的机械手臂的控制系统的测试方法，该方法包括如下步骤：

步骤1：基于AUTOSAR的传统平台和自适应平台，将被控对象模型与机械手臂进行数据和信息交互；其中，传统平台、自适应平台和被控对象模型通过时钟进行时间调度。

其中，被控对象模型与传统平台、自适应平台形成自动化测试平台，通过该平台可以实现对机械手臂控制系统进行自动化测试，这样当它的某个子系统单元在工作前会被快速的测试并发现其中的漏洞，这些新的子系统单元在云端环境上可以做到一定意义上的“即插即用”。且通过测试可以降低机械手臂控制系统在工作中的崩溃风险。

可选地，被控对象模型至少包括机械手臂群控制层、系统管理层、内部功能管理层、特定功能层、平台服务层以及人机交互层。

其中，将被控对象模型引入了自动测试平台中以方便与机械手臂进行数据和信息的交互，例如，将机械手臂群控制层、系统管理层、内部功能管理层、特定功能层、平台服务层以及人机交互层等各功能单元也引入到自动化测试平台中进行一一测试，通过将各功能单元与机械手臂进行交互测试，能实现对机械手臂在不同环境下的状态进行自动测试，进而降低机械手臂控制系统在工作中的崩溃风险。

示例性的，参考图4，以操控机械手臂对汽车上的中控屏进行操作为例。首先摄像头、陀螺仪、位移等传感器通过采集机械臂本身和周围环境中产生的变量并传输给控制台架，由控制台架进行感知融合和信号转换并将转换后的信号传给上位机(PC)和云端，在上位机和云端信号将被计算做出机械手臂的意图判断和运动轨迹规划并将控制指令进行下发，到下位机控制柜并完成执行器机械手臂的驱动。

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 (4)

1.一种机械手臂的控制系统，其特征在于，包括：机械手臂群控制层、系统管理层、内部功能管理层、特定功能层、平台服务层以及人机交互层；其中，所述机械手臂群控制层、所述系统管理层、所述内部功能管理层、所述特定功能层、所述平台服务层、所述人机交互层之间通过层与层之间的数据调用以对机械手臂进行控制；其中，所述机械手臂群控制层、所述系统管理层、所述内部功能管理层、所述特定功能层、所述平台服务层依次按照由上层到下层顺序排列；其中，上层能调用所有的下层，下层不能调用上层，且所述人机交互层能调用其他所有层；

所述机械手臂群控制层至少包括OTA服务管理单元、机械手臂管理单元和企业账户管理单元，所述OTA服务管理单元、所述机械手臂管理单元和所述企业账户管理单元之间相互连接；

所述系统管理层至少包括意图判断单元和运动规划单元，所述意图判断单元和所述运动规划单元电连接；其中，所述运动规划单元用于通过调用所述内部功能管理层的数据生成规划控制指令；

所述内部功能管理层至少包括运动控制单元、通信控制单元、感知控制单元和信号转换融合单元，所述运动控制单元、所述通信控制单元、所述感知控制单元和所述信号转换融合单元之间相互连接；

所述特定功能层至少包括图像采集单元、位移检测单元、角度检测单元和通信单元，所述图像采集单元、所述位移检测单元、所述角度检测单元和所述通信单元之间相互连接；

所述平台服务层至少包括：时间管理单元、存储管理单元、日志记录单元和能源管理单元；

所述人机交互层至少包括：手势识别单元、语音识别单元、人脸识别单元和指纹识别单元。

2.根据权利要求1所述的机械手臂的控制系统，其特征在于，所述运动规划单元还用于当所述内部功能管理层发生异常时，通过调用所述特定功能层的数据生成所述规划控制指令。

3.一种应用于如权利要求1-2任一项所述的机械手臂的控制系统的测试方法，其特征在于，包括：基于AUTOSAR的传统平台和自适应平台，将被控对象模型与所述机械手臂进行数据和信息交互；其中，所述传统平台、所述自适应平台和所述被控对象模型通过时钟进行时间调度。

4.根据权利要求3所述机械手臂的控制系统的测试方法，其特征在于，所述被控对象模型至少包括所述机械手臂群控制层、所述系统管理层、所述内部功能管理层、所述特定功能层、所述平台服务层以及所述人机交互层。