CN115070796A - 一种移动操作复合机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于智能移动操作机器人领域，特别是有关移动操作机器人控制器及控制系统领域，具体涉及一种移动操作复合机器人控制系统，包括机器人总控制器、机器人底层控制器；本发明采用一个机器人总控制器和一个机器人底层控制器组成整体架构；机器人总控制器负责对机器人整机传感器信号处理和对机器人整机进行控制，如执行轨迹规划计算等；机器人底层控制器负责对机器人相关I/O信号，电池电源管理，传感信号，运动控制信号等进行处理，以及执行边缘计算和执行对移动平台和机械臂的运动控制。这种架构使得通信架构简单，系统架构紧凑简洁，系统集成度高，可靠性提高。

Description

一种移动操作复合机器人控制系统

技术领域

本发明属于智能移动操作机器人领域，特别是有关移动操作机器人控制器及控制系统领域，具体涉及一种移动操作复合机器人控制系统。

背景技术

移动操作复合机器人在智能制造领域应用越来越广泛，移动操作复合机器人本质由移动平台和机械臂构成，移动平台用以扩展机械臂的应用范围和操作空间。移动平台通常具有至少2个主驱动轮；机械臂通常为多自由度，由若干伺服关节组成。移动操作复合机器人上的控制器用于融合处理各传感器信号及机器人轨迹规划，产生运动控制指令给移动平台和机械臂，使之产生相应动作。

在现有的技术中，移动平台一般有单独的控制器，该控制器接收来自机器人控制器的控制信号，经过解析处理之后，再将该信号传送给驱动轮伺服驱动器；同样，机械臂控制器接收来自机器人控制器发送的控制信号，解析处理之后，发送至各关节伺服驱动器进行控制。现有技术下，机器人控制器将指令分别下发至机械臂控制器和移动平台控制器，机械臂控制器再下发指令到机械臂各关节伺服驱动器，移动平台控制器再下发指令到移动平台驱动轮伺服驱动器。因此一个移动操作复合机器人需要至少三个控制器来完成相应控制，三个控制器之间的数据交互会带来一定的解析及运算延迟，降低了移动操作复合机器人的运行精度，导致系统复杂，线束较多，三台控制器占用机器人内部空间较多，不利于空间散热及可靠性提高。

发明内容

有鉴于此，本发明提出一种移动操作复合机器人控制系统，采用一个机器人总控制器和一个机器人底层控制器组成整体架构；机器人总控制器负责对机器人整机传感器信号处理和对机器人整机进行控制，如执行轨迹规划计算等；机器人底层控制器负责对机器人相关I/O信号，电池电源管理，传感信号，运动控制信号等进行处理，以及执行边缘计算和执行对移动平台和机械臂的运动控制。这种架构使得通信架构简单，系统架构紧凑简洁，系统集成度高，可靠性提高。

为了实现上述技术目的，本发明所采用的具体技术方案为：

一种移动操作复合机器人控制系统，用于控制所述机器人的生产动作，包括设置在所述机器人上的：

机器人总控制器，用于产生运动控制指令；

机器人底层控制器，与所述机器人总控制器通信，用于基于所述运动控制指令产生移动平台控制指令以及机械臂控制指令分别传递至所述机器人的移动平台及机械臂；

边缘计算模块，设置在所述机器人底层控制器上，基于所述机器人的历史运行数据进行数据分析及性能预测。

进一步的，所述机器人底层控制器基于相互通信的FPGA以及第一数字信号处理器搭建；所述FPGA用于处理功能数据；所述第一数字信号处理器用于运行算法及决策程序。

进一步的，所述FPGA中集成有传感器信息处理模块、I/O信息处理模块、电池管理模块以及通信处理模块，设置有I/O信号/LED信号接口、传感器信号接口、电池信号接口以及通讯接口。

进一步的，所述第一数字信号处理器用于运行保护功能决策算法、运动指令解析算法、电池充放电管理算法及控制器功能设定算法。

进一步的，所述机器人底层控制器还包括闪存存储器及第二数字信号处理器；所述闪存存储器与所述第一数字信号处理器及FPGA通信，用于存储所述机器人的历史运行数据；所述边缘计算模块的至少一部分基于与所述闪存存储器通信的第二数字信号处理器搭建。

进一步的，所述边缘计算模块包括近端边缘计算模块及远端边缘计算模块；所述近端边缘计算模块设置在所述第二数字信号处理器中，用于对简单和短期的所述历史运行数据进行数据分析及性能预测。

进一步的，所述第二数字信号处理器与所述机器人总控制器通信，所述远端计算模块设置在所述机器人总控制器中，用于对复杂和长期的所述历史运行数据进行数据分析及性能预测。

进一步的，所述近端边缘计算模块采集所述机器人的运行数据并保存在所述闪存存储器中，自所述闪存存储器中读取所述历史运行数据进行数据分析及AI学习后进行性能分析及预测，并将分析及预测结果传递至通讯模块。

进一步的，所述分析及预测结果包括：电池衰减率预测结果、机器人总耗能规律抽取曲线分析结果以及机械臂振动频率分析预报。

进一步的，所述机器人底层控制器还包括数据总线；所述FPGA、第一数字信号处理器及第二数字信号处理器基于所述数据总线通信；所述机器人底层控制器基于所述通讯接口与所述机器人总控制器、移动平台及机械臂通信。

采用上述技术方案，本发明还能够带来以下有益效果：

本发明的机器人底层控制器中设置有边缘计算模块，基于对机器人历史运行数据的分析、AI学习，能够使本发明的移动操作复合机器人控制系统具有性能预测能力。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明具体实施方式中移动操作复合机器人控制系统架构示意图；

图2为本发明具体实施方式中机器人底层控制器的组成框架示意图；

图3为本发明具体实施方式中机器人底层控制器的一种内部物理架构；

图4为本发明具体实施方式中机器人底层控制器的另一种内部物理架构；

图5为本发明具体实施方式中移动操作复合机器人控制系统的控制架构示意图；

图6为本发明具体实施方式中移动操作复合机器人控制系统的运动控制指令解析及通讯架构；

图7为本发明具体实施方式中近端边缘计算模块的运算流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。

以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图示中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

在本发明的一个实施例中，提出一种移动操作复合机器人控制系统，用于控制所述机器人的生产动作，如图1、3、4所示，包括设置在所述机器人上的：

机器人总控制器，用于对机器人整机进行控制以及产生运动控制指令；

机器人底层控制器，与所述机器人总控制器通信，用于基于所述运动控制指令产生移动平台控制指令以及机械臂控制指令分别传递至所述机器人的移动平台及机械臂；机器人底层控制器上设置有边缘计算模块，边缘计算模块用于基于所述机器人的历史运行数据进行数据分析及性能预测。

本实施例的机器人总控制器为移动操作复合机器人的总控制器，与外部通信，用以接收外部命令，调用内部数据存储或对外部命令进行解析，执行轨迹规划计算，生成用于完成生产动作的运动控制指令，运动控制指令中包括移动平台控制指令以及机械臂控制指令；本实施例的机器人底层控制器接收上述运动指令后进行解析，同时还采集收机器人上有关移动平台及机械臂响应动作的传感器数据，对传感器数据进行分析后最终生成可以直接控制移动平台以及机械臂上的伺服控制器等动作执行部件进行完成上述生产动作的控制数据。本实施例的机器人底层控制器负责对机器人相关I/O信号，电池电源管理，传感信号，运动控制信号等进行处理，以及执行边缘计算和执行对移动平台和机械臂的运动控制。边缘计算模块基于对机器人历史运行数据的分析、AI学习，使本实施例的移动操作复合机器人控制系统具有性能预测能力。这种架构使得通信架构简单，系统架构紧凑简洁，系统集成度高，可靠性提高。

在本实施例中，如图3、4所示，所述机器人底层控制器基于相互通信的FPGA以及第一数字信号处理器搭建；所述FPGA用于处理功能数据；所述第一数字信号处理器用于运行算法及决策程序。

在本实施例中，如图2所示，所述FPGA中集成有传感器信息处理模块、I/O信息处理模块、电池管理模块以及通信处理模块，设置有I/O信号/LED信号接口、传感器信号接口、电池信号接口以及通讯接口。

在本实施例中，如图3、4所示，所述第一数字信号处理器用于运行保护功能决策算法、运动指令解析算法、电池充放电管理算法及控制器功能设定算法。

所述控制系统还包括闪存存储器及第二数字信号处理器；所述闪存存储器与所述第一数字信号处理器及FPGA通信，用于存储所述机器人的历史运行数据；所述边缘计算模块的至少一部分基于与所述闪存存储器通信的第二数字信号处理器搭建。

在一个实施例中，如图3所示，边缘计算模块全部集成在第二数字信号处理器上。

在一个实施例中，如图4所示，所述边缘计算模块包括近端边缘计算模块及远端边缘计算模块；所述近端边缘计算模块设置在所述第二数字信号处理器中，用于对简单和短期的所述历史运行数据进行数据分析及性能预测；

所述第二数字信号处理器与所述机器人总控制器通信，所述远端计算模块设置在所述机器人总控制器中，用于对复杂和长期的所述历史运行数据进行数据分析及性能预测。

在本实施例中，所述近端边缘计算模块采集所述机器人的运行数据并保存在所述闪存存储器中，自所述闪存存储器中读取所述历史运行数据进行数据分析及AI学习后进行性能分析及预测，并将分析及预测结果传递至通讯模块。

所述分析及预测结果包括：电池衰减率预测结果、机器人总耗能规律抽取曲线分析结果以及机械臂振动频率分析预报。

在本实施例中，如图3、4所示，所述机器人底层控制器还包括数据总线；所述FPGA、第一数字信号处理器及第二数字信号处理器基于所述数据总线通信。

所述机器人底层控制器基于所述通讯接口与所述机器人总控制器、移动平台及机械臂通信。

上述实施例公开了一种适用于移动操作复合机器人的一体化机器人底层控制器。该控制系统既集成了对机械臂的控制功能，也集成了对移动平台的控制功能，把两者的控制合二为一成为一体化机器人底层控制器。该控制器接收来自机器人总控制器的控制指令，经过解析处理之后，发送控制指令到移动平台驱动轮伺服驱动器和机械臂关节伺服驱动器，产生相应的移动和机械臂操作动作，如图1所示。

该一体化机器人底层控制器内部控制架构由各模块组成，如I/O口信号、传感器信号、电池管理模块、通讯信号等进行监测、处理、控制，如图2所示。

如图2所示，各信息处理模块并行运行。本发明采用了FPGA/DSP(数字信号处理器)混合架构设计，集成的各功能模块，并行、实时运行，以提供高性能处理能力和控制速度。

进一步的，下面基于以下几个方面介绍具体技术方案：

◆机器人底层控制器内部物理架构：硬件组成；

◆控制架构：运动控制；通讯模块解析单元；

◆边缘计算：边缘计算流程；

◆机器人底层控制器功能参数设置；

1、机器人底层控制器内部物理架构

采用FPGA/DSP混合设计架构。机器人底层控制器内部物理架构如图3所示，机器人底层控制器的核心采用DSP/FPGA混合结构，通过内部数据总线进行数据交互。FPGA中采用模块式并行处理设计，分别处理传感器信息，I/O信息，电池管理，通信处理等功能数据，同时对应数据交互接口。DSP或者DSP核负责各类算法运行及决策程序，如保护功能决策算法，运动指令解析算法，电池充放电管理算法及控制器功能设定算法。

机器人底层控制器还包括另一个DSP或者DSP核，用于运行边缘计算算法，还包括FlashDisk，用于存放机器人历史运行数据，供边缘计算使用。

进一步，需要指出的是，该边缘计算单元更多复杂功能也可以由机器人总控制器实现。而边缘计算DSP或DSP核仅针对较简单和较短期数据进行数据分析、性能预测等运算(近端边缘计算)。较长期、更多数据将可由上位机器人控制内嵌边缘计算算法实现(远端边缘计算)，如图4所示。

2、控制架构

如图5所示，机器人底层控制器控制器的核心功能是接收来自机器人总控制器的运动控制指令，并解析成移动机器人驱动轮和机械臂的运动控制指令，从而使机器人完成规划的移动和操作。

机器人总控制器通常为以工控机为基础，运行有机器人操作系统ROS。机器人操作系统根据激光雷达传感器以及视觉传感器等信息，依据场景地图产生机器人运行路径规划，以通讯的方式下发控制指令到移动机器人控制器，由移动机器人控制器对指令进行解析，通过通讯单元，将运动控制指令分别下发至各伺服驱动器。

工控机与移动机器人控制器的通讯方式通常为Ethernet，CanOpen或者EtherCat方式。

运动控制指令解析及通讯模块如图6所示，机器人控制器接收到机器人总控制器传送的运动控制指令后，对运动控制指令进行解析，解析的主要内容之一是区分移动平台的控制指令和机械臂的控制指令，并转换成为与执行端伺服驱动器适配的运动控制指令；另外，依据控制指令，利用FPGA高速并行、高速处理能力，对运动控制指令进行插值运算处理，然后通过通讯总线与各伺服驱动器通讯传送控制指令。

本技术方案中，可通过软件设置的方式，适配各类伺服驱动器及编码器。

3、边缘计算

一体化机器人底层控制器集成了另一DSP或者DSP核，专用于运行边缘计算算法。如图7所示为近端边缘计算算法框图。

如图7所示，机器人运行数据被实时存放于大容量FlashDisk。边缘计算DSP或DSP核读取历史运行数据，如电池耗能数据，机器人耗能数据，机械臂关节电机电流及电压数据，DSP对这些数据按一定时间间隔进行提取、分析，利用AI算法对数据进行训练、学习，得到相关运行规律曲线，以此作为机器人性能预测的依据对相关性能指标进行预测。预测数据可传送至通讯模块，供机器人总控制器或者外部设备读取进一步分析。

如图7所示为近端边缘计算内容，通过对电池历史数据分析，对电池衰减率进行预测，为维护提供依据。

对机器人耗能状况历史数据进行分析，学习，可抽取出机器人总耗能规律曲线，该曲线实际上反映了机器人操作的规律，从该规律中可看出机器人的耗能峰值，耗能时段等信息从而与实际操作工艺对应，为进一步优化操作工艺或改善工艺过程提供依据。

通过对机械臂各伺服关节电流数据的分析和智能学习，能提取出机械臂的振动信息，从而为优化控制和轨迹规划提供依据。

更加复杂和更多的数据分析功能可被机器人总控制器完成。机器人总控制器通过通讯读取的方式，采集大量的运行数据，依靠工控机核心处理器强大的数据处理能力和更多的数据存储空间的优势，可以分析、学习、预测更多数据，为设备的维护、性能预测等提供有力帮助。

4、控制器功能参数设置

控制器可通过上位软件以通讯的方式进行设置，主要可设置的功能如下：

机器人轴数设定；可支持最多达6轴机械臂。

移动平台驱动轮数设定；可支持最多达4个主动驱动轮控制。

与机器人总控制器通讯设定；可支持Ethernet/CanOpen/EtherCat通讯。

与伺服驱动器通讯设定；可支持CanOpen/EtherCat/RS485通讯。

各路传感器/编码器参数设定；可支持多路激光雷达传感器输入，多路超声波传感器输入，多路2D/3D视觉传感器输入等。

电池管理参数设定；可支持24V～72V电压范围输入。

最大移动速度/加速度设定；可支持移动平台和机械臂各伺服关节最大速度和加减速度设定，作为超限保护设定值。

机械臂极限参数设定；

安全I/O信号极性参数设定；支持各类开关信号及控制开关信号接入功能设定。

以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种移动操作复合机器人控制系统，用于控制所述机器人的生产动作，其特征在于：包括设置在所述机器人上的：

机器人总控制器，用于产生运动控制指令；

机器人底层控制器，与所述机器人总控制器通信，用于基于所述运动控制指令产生移动平台控制指令以及机械臂控制指令分别传递至所述机器人的移动平台及机械臂；

边缘计算模块，设置在所述机器人底层控制器上，基于所述机器人的历史运行数据进行数据分析及性能预测。

2.根据权利要求1所述的移动操作复合机器人控制系统，其特征在于，所述机器人底层控制器基于相互通信的FPGA以及第一数字信号处理器搭建；所述FPGA用于处理功能数据；所述第一数字信号处理器用于运行算法及决策程序。

3.根据权利要求2所述的移动操作复合机器人控制系统，其特征在于，所述FPGA中集成有传感器信息处理模块、I/O信息处理模块、电池管理模块以及通信处理模块，设置有I/O信号/LED信号接口、传感器信号接口、电池信号接口以及通讯接口。

4.根据权利要求2所述的移动操作复合机器人控制系统，其特征在于，所述第一数字信号处理器用于运行保护功能决策算法、运动指令解析算法、电池充放电管理算法及控制器功能设定算法。

5.根据权利要求3所述的移动操作复合机器人控制系统，其特征在于，所述机器人底层控制器还包括闪存存储器及第二数字信号处理器；所述闪存存储器与所述第一数字信号处理器及FPGA通信，用于存储所述机器人的历史运行数据；所述边缘计算模块的至少一部分基于与所述闪存存储器通信的第二数字信号处理器搭建。

6.根据权利要求5所述的移动操作复合机器人控制系统，其特征在于，所述边缘计算模块包括近端边缘计算模块及远端边缘计算模块；所述近端边缘计算模块设置在所述第二数字信号处理器中，用于对简单和短期的所述历史运行数据进行数据分析及性能预测。

7.根据权利要求6所述的移动操作复合机器人控制系统，其特征在于，所述第二数字信号处理器与所述机器人总控制器通信，所述远端计算模块设置在所述机器人总控制器中，用于对复杂和长期的所述历史运行数据进行数据分析及性能预测。

8.根据权利要求6所述的移动操作复合机器人控制系统，其特征在于，所述近端边缘计算模块采集所述机器人的运行数据并保存在所述闪存存储器中，自所述闪存存储器中读取所述历史运行数据进行数据分析及AI学习后进行性能分析及预测，并将分析及预测结果传递至通讯模块。

9.根据权利要求8所述的移动操作复合机器人控制系统，其特征在于，所述分析及预测结果包括：电池衰减率预测结果、机器人总耗能规律抽取曲线分析结果以及机械臂振动频率分析预报。

10.根据权利要求3所述的移动操作复合机器人控制系统，其特征在于，所述机器人底层控制器还包括数据总线；所述FPGA、第一数字信号处理器及第二数字信号处理器基于所述数据总线通信；所述机器人底层控制器基于所述通讯接口与所述机器人总控制器、移动平台及机械臂通信。

Images