CN203149351U - 一种四足并联腿步行机器人分布式控制系统 - Google Patents

一种四足并联腿步行机器人分布式控制系统 Download PDF

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Abstract

一种四足并联腿步行机器人分布式控制系统，其包括控制层和执行层，所述控制层为主控计算机，主控计算机通过CAN总线接口卡连接到CAN总线；所述执行层主要由各分支控制器组成，集成CAN通信接口的DSP控制器TMS320F28016作为分支控制器，各分支控制器通过CAN收发器连接到总线。具有独立处理能力的分支控制器可有效融合位置、速度、加速度、力、振动等检测信息，从而获得了较为完整的系统运动特征。本实用新型具备高速稳定通信、独立分散控制、多信息处理等优点，可实现四足并联腿步行机器人的平稳协调控制。

Description

一种四足并联腿步行机器人分布式控制系统
1、技术领域
本实用新型涉及一种多足步行机器人分布式控制实现，特别用于对称分布的四足并联腿步行机器人控制系统。 
2、背景技术
步行机器人为老年人和残疾人提供诸如出行、护理和医疗康复等方面的服务，对于提高老年人和残疾人的生活质量，保证我国社会的稳定发展具有重要作用。助老助残步行机器人就是在步行机器人技术基础之上，能够让老人或下肢残疾人乘坐，在复杂的地面条件下步行自如的载人步行机器人。助老助残步行机器人成为近几年备受关注的研究热点，已有很多国内外学者对助老助残轮式机器人、足式串联腿步行机器人和并联腿步行机器人做了广泛而深入的研究，其中并联腿步行机器人具有运行稳定、工作空间大、定位精度高、误差小等特点。 
3、发明内容
本实用新型在于提供一种能够准确定位、运行稳定、反应快速的新型助老助残四足并联腿步行机器人分布式控制系统。 
本实用新型的研究内容： 
（1）根据四足并联腿步行机器人的机构设计分布式控制系统 
该新型步行机器人设计为四条独立的模块化腿机构，每条腿采用六自由度的3-SPU结构，分别安装在正方形座椅的四个角位置。其中每个支链由一个三自由度铰链与上部平台连接，一个虎克铰链与脚部平台连接，一个直线驱动缸为主动件，分支控制器嵌入到直线驱动缸中。三自由度铰链采用一个转动副和一个虎克铰链的组合来实现。根据该步行机器人的整机结构特征，设计一个对 称分布式的控制系统方案。控制系统分为控制层和执行层。控制层为主控计算机，主要负责向执行层发出控制命令，以及在线运动规划、人机交互等功能。主控计算机通过CAN总线接口卡连接到CAN总线，与执行层各分支控制器相连并交互信息。收到各分支控制器传来的信息，根据任务规划在线生成控制命令，通过总线传送至执行层。执行层主要由各分支控制器组成，每个分支控制器均具有指令输出和信号采集功能，并可完成一定的控制算法。各分支控制器通过CAN收发器连接到总线与主控计算机交互信息，接收主控计算机的控制命令控制各分支直线移动副的运行并把检测信息反馈给主控计算机，即四足并联腿的力传感器把信号传给分支控制系统，再由伺服控制系统根据分支控制系统的信息来控制腿部力传感器进行下一步动作，实现信息反馈。 
（2）并联腿分支嵌入式控制系统设计 
针对该新型四足并联腿步行机器人，设计了基于CAN总线高速通信的分布控制系统，选用集成CAN通信接口的DSP控制器TMS320F28016作为分支控制器，搭建了分支控制器硬件电路。德州仪器(TI)生产的集成CAN通信接口的低成本32位数字信号控制器TMS320F28016作为各分支DSP控制器，可提供60MHz超高性能，运算速度快，处理能力强，可通过双绞线与CAN总线相连。TMS320F28016上集成的12位模数转换器(ADC)、正交编码脉冲(QEP)接口、计时器捕获比较功能、10路独立的脉宽调制(PWM)输出通道，可以方便实现完整的系统集成控制功能。根据具体器件的不同，通信接口包括CAN、I2C、UART以及SPI端口。分支直流伺服电机PWM脉冲控制信号由DSP的独立输出通道产生。光电编码器作为直线移动副的检测元件，可以检测位置、速度等信息，由正交编码脉冲(QEP)接口反馈到DSP。 
本实用新型与现有技术相比具有如下优点： 
（1）具有独立处理能力的分支控制器可有效融合位置、速度、加速度、力、振动等检测信息，从而获得了较为完整的系统运动特征。该控制系统具备高速稳定通信、独立分散控制、多信息处理等优点，可实现步行机器人的平稳协调控制。 
（2）用并联机构作为机器人的腿，载重/自重比大，承载能力高，能够节省能源、延长行走时间；对行走路面要求低，能载人在不平整地面行走或上下楼梯。 
（3）利用本实用新型中设计的控制系统对步行机器人进行控制，能够提高行走速度，具有良好的行走稳定性，消除四足步行机器人产生的身体倾斜，保证老人或残障者的安全。 
4、附图说明
图1四足步行机器人设计图 
图2控制系统结构框图 
图3控制过程流程图 
图4分支控制器结构框图 
图中：1—座椅；2—腿部上平台；3—三自由度铰链；4—直线驱动缸；5—虎克铰链；6—腿部下平台。 
5、具体实施方式
图1所示的四足步行机器人中有四条独立的模块化腿机构，四条腿均采用六自由度的3-SPU结构，分别安装在正方形座椅的四个角位置。每条腿有三个相同的SPU支链，分别联接腿部上平台2和腿部下平台6，联接点均呈正三角形对称分布，每条腿的腿部上平台2与座椅1联接。每条SPU支链的三自由度铰链3的一端与腿部上平台2联接，另一端与直线驱动缸4联接；虎克铰链5的一端与腿部下平台6联接，另一端与直线驱动缸4联接；直线驱动缸4的两 端分别与三自由度铰链3和虎克铰链5联接。 
图2所示的控制系统分为控制层和执行层。控制层为主控计算机，主要负责向执行层发出控制命令，以及在线运动规划、人机交互等功能，控制层要求运算速度快，满足机器人实时性的要求。主控计算机通过CAN总线接口卡连接到CAN总线，利用CAN总线的多主总线结构、非破坏性总线仲裁技术、系统扩充性强、抗干扰力强等优点，与执行层各分支控制器相连并交互信息。收到各分支控制器传来的信息，根据任务规划在线生成控制命令，通过总线传送至执行层。执行层主要由各分支控制器组成，每个分支控制器均具有指令输出和信号采集功能，并可完成一定的控制算法。各分支控制器通过CAN收发器连接到总线与主控计算机交互信息，接收主控计算机的控制命令控制各分支直线移动副的运行并把检测信息反馈给主控计算机。 
图3所示是控制系统的控制过程，系统开始运行并完成初始化工作；向主控计算机输入轨迹方程，计算得到轨迹规划（轨迹规划不仅要求动平台到达目标点，而且必须沿着要求的路径在一定精度范围内移动），主控计算机向各分支控制器发送控制命令；各分支控制器通过编码器对各执行轴系进行检测，反馈信息与主控计算机的控制命令信息进行比较，通过一定的算法计算出直线移动副下一步动作，分支控制器的独立脉宽调制(PWM)输出通道产生需要的PWM控制脉冲信号，经功率放大后送到直流伺服电机，控制直线移动副达到期望的运动；同时把底层的运行情况上传给主控计算机，主控计算机根据新的情况再产生新的命令发送给各分支控制器。期间还要不断查询是否有中断产生，如果有中断则转而执行相应的中断服务子程序，主要是用来处理一些异常情况；若有结束命令产生则结束整个运动过程。 
图4是分支控制器的结构，直流伺服电机PWM脉冲控制信号由DSP的独立 输出通道(引脚94)产生。光电编码器作为直线移动副的检测元件，可以检测位置、速度等信息，由正交编码脉冲(QEP)接口(引脚67)反馈到DSP。 

Claims (2)

1.一种四足并联腿步行机器人分布式控制系统，其特征在于：包括控制层和执行层，所述控制层为主控计算机，主控计算机通过CAN总线接口卡连接到CAN总线；所述执行层主要由各分支控制器组成，集成CAN通信接口的DSP控制器TMS320F28016作为分支控制器，各分支控制器通过CAN收发器连接到总线。
2.根据权利要求1所述的一种四足并联腿步行机器人分布式控制系统，其特征在于：该步行机器人设计为四条独立的模块化并联腿机构，每条腿采用六自由度的3-SPU结构，其中每个SPU支链由一个三自由度铰链与上部平台连接，一个虎克铰链与脚部平台连接，一个直线驱动缸为主动件，分支控制器嵌入到直线驱动缸中。 
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