CN207189680U - 服务机器人移动驱动控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种服务机器人移动驱动控制系统，所述服务机器人的移动装置包括承载底盘，以及安装在承载底盘上的左伺服电动轮和右伺服电动轮、防碰撞传感器、差速驱动控制器、万向轮、电池、防跌落传感器、导航传感器，所述差速驱动控制器包括主控CPU，主控CPU通过各种中间单元与其他装置相连接。本实用新型结构紧凑，安装简单；同步性，实时性好，解决了机器人走直线偏航的问题；处理实时性高，机器人更安全，可靠性更高，兼容多种上位机控制，内置安全控制技术，防止在任何情况下机器人失控。

Description

服务机器人移动驱动控制系统

技术领域

本实用新型涉及一种机器人驱动系统，尤其是涉及一种服务机器人移动驱动控制系统。

背景技术

机器人底盘系统通常由行走控制系统、执行机构、感知机构和控制系统组成。机器人行走控制系统负责机器人的行走，为机器人提供移动功能。

控制流程：人机界面根据使用者的要求或预编程好的动作下发运动控制指令，运动控制器接收运动控制指令后，根据碰撞传感器，防跌落传感器，急停开关和导航传感器反馈的信息，规划出机器人左轮和右轮的行走速度，距离，然后把指令下发给左轮电机驱动器和右轮电机驱动器，驱动器根据接收到的指令控制电机的运转。

这种控制存在以下问题：

1、系统结构复杂，降低了系统的可靠性。

2、机器人直线行走时，由于系统架构的原因，左轮电机驱动器和右轮电机驱动器的控制指令同步性不好，导致机器人直线行走时容易走成“S”型。

3、系统实时性不好。

4、布线复杂。

实用新型内容

本实用新型提供了一种服务机器人移动驱动控制系统，解决了机器人行走时左轮和右轮的协调问题，其技术方案如下所述：

一种服务机器人移动驱动控制系统，所述服务机器人的移动装置包括承载底盘，以及安装在承载底盘上的左伺服电动轮和右伺服电动轮、防碰撞传感器、差速驱动控制器、万向轮、电池、防跌落传感器、导航传感器，所述差速驱动控制器包括主控CPU，防碰撞传感器通过碰撞传感器接收单元与主控CPU相连接，防跌落传感器通过防跌落传感器接收单元与主控CPU相连接，导航传感器通过导航接收单元与主控CPU相连接，每个伺服电动轮的驱动电机通过功率单元、编码器接收单元、电流检测单元与主控CPU相连接，主控CPU通过IO单元与急停开关相连接，主控CPU通过指令接收单元、状态反馈单元与人机界面相连接。

左伺服电动轮、右伺服电动轮、万向轮通过螺丝安装在承载底盘上。

所述指令接收单元能够采用RS485通讯装置、RS232通讯装置、CAN通讯装置或PWM装置，用于接收人机界面或上位机主控单元的控制指令。

IO单元连接外部急停开关或其他开关量信号，共有12路输入，4路输出，IO单元全部采用光藕隔离。

碰撞传感器通过螺丝安装在机器人承载底盘的前面，碰撞传感器采用红外光电开关。

通过螺丝安装在机器人承载底盘上，防跌落传感器采用陀螺仪。

功率单元包括MOSFET逆变电路和PWM驱动电路，用于控制驱动电机的功率。

编码器接收单元包括差分接收器、∏型滤波器，用来接收电机的编码器反馈信息，并送CPU处理，同时把编码器信息上传给上位机。

电流检测单元包括运放调理电路、RC滤波电路，用于向CPU提供驱动电机的电流信号，控制驱动电机的转矩大小。

本实用新型具有以下优点：

1、结构紧凑，安装简单；

2、同步性，实时性好；

由于机器人的轨迹规划，电机控制都在驱动控制器中有一颗CPU完成，因此同步性，实时性好，解决了机器人走直线偏航的问题。

3、碰撞传感器，防跌落传感器，急停开关和导航传感器直接反馈给驱动控制器。

由于碰撞传感器，防跌落传感器，急停开关和导航传感器直接反馈给驱动控制器因此处理实时性高，机器人更安全，可靠性更高。

4、内置电机差速减振控制算法，此算法可以让机器人运行更平稳，更流畅。

5、兼容多种上位机控制，可以RS485，RS232，CANOPEN，模拟量调速，PWM调速，脉冲+方向位置控制。

6、内置安全控制技术，防止在任何情况下机器人失控。

附图说明

图1是机器人行走控制系统的结构示意图；

图2是定义机器人的行走方向；

图3是移动驱动控制系统的电路架构示意图；

图4是PWM电路结构结构示意图；

图5是MOSFET连接拓扑结构示意图；

图6是差分接收器电路示意图；

图7是∏型滤波器电路示意图；

图8是电流检测单元示意图；

图9是双轴差速直线模式示意图；

图10是双轴差速圆弧模式示意图。

具体实施方式

根据目前机器人行走控制系统中存在的问题，以及越来越高的使用要求，本实用新型提供了一种服务机器人移动驱动控制系统，如图1所示，主要包括承载底盘1、伺服电动轮2和伺服电动轮3、防碰撞传感器4、差速驱动控制器5、万向轮6、电池7、防跌落传感器8、导航传感器9。

承载底盘1用于安装伺服电动轮2和3、万向轮6、差速驱动控制器5和机器人其它附件。

伺服电动轮2、3和万向轮6做为机器人的“脚”，通过螺丝安装在承载底盘1上。

差速驱动控制器5用于控制伺服电动轮的速度和位置，通过螺丝安装在承载底盘1上。差速驱动控制器5提供两种控制模式，分别为：“单轴独立控制模式”和“双轴差速控制模式”。

机器人运行方向规定如图2所示。

如图3所示的系统电路架构，是所述移动驱动控制电路包括主控CPU，与主控CPU分别相连接的有IO单元、碰撞传感器接收单元、防跌落传感器接收单元、指令接收单元、状态反馈单元、导航接收单元、功率单元、编码器接收单元、电流检测单元。

所述急停开关通过IO单元与主控CPU相连接，所述防碰撞传感器4通过碰撞传感器接收单元与主控CPU相连接，防跌落传感器8通过防跌落传感器接收单元与主控CPU相连接，导航传感器9通过导航接收单元与主控CPU相连接，人机界面通过指令接收单元、状态反馈单元与主控CPU相连接，每个伺服电动轮的驱动电机通过功率单元、编码器接收单元、电流检测单元与主控CPU相连接。

以下对各模块进行介绍说明。

1、指令接收单元

指令接收单元的作用是接收人机界面或上位机主控单元的控制指令，控制指令有两种：速度指令和位置指令。本驱动控制器兼容接收多种指令格式：主要有RS485，RS232，CAN，PWM调速，脉冲+方向。

1)采用RS485通讯接收指令时，包含RS485收发器，隔离芯片，指令接收后送CPU处理。

2)采用RS232通讯接收指令时，包含RS232收发器，隔离芯片，指令接收后送CPU处理。

3)采用CAN通讯接收指令时，包含CAN收发器，隔离芯片，指令接收后送CPU处理。

4)采用PWM调速时，包含光耦隔离接收，RC滤波，指令接收后送CPU处理。

5)采用脉冲+方向控制时，包含光耦隔离接收，RC滤波，接收位置指令，指令接收后送CPU处理。

2、状态反馈单元

状态反馈单元的作用是驱动控制器向上位机反馈电机的运行状态，包括转速，位置，电流，急停开关，防碰撞传感器，防跌落传感器，导航传感器的信息。

3、IO单元

IO单元的作用是连接外部急停开关，或其他开关量信号，并送CPU处理。共有12路输入，4路输出。IO单元全部采用光藕隔离。

4、碰撞传感器接收单元

碰撞传感器接收单元的作用是接收防碰撞传感器信息，并送CPU处理，当检测到在安全距离内有障碍时，驱动控制器根据预定方案控制电机，并把传感器信息上传给上位机。碰撞传感器通过螺丝安装在机器人承载底盘的前面，碰撞传感器采用红外光电开关。

5、防跌落传感器接收单元

防跌落传感器接收单元的作用是接收防跌落传感器信息，并送CPU处理，当检测到机器人倾斜，或有跌倒趋势，驱动控制器根据预定方案控制电机，并把传感器信息上传给上位机。通过螺丝安装在机器人承载底盘上，防跌落传感器采用陀螺仪。

6、导航接收单元

导航传感器接收单元的作用是接收导航传感器，包括机器人的姿态、位置信息，并送CPU处理，驱动控制器根据导航信息和指令信息控制电机，并把传感器信息上传给上位机。导航传感器安装在机器人承载底盘的中心位置。

7、功率单元

功率单元包括MOSFET(金属-氧化物半导体场效应晶体管)逆变电路和PWM驱动电路。

PWM电路结构结构如图3：

PWM+_U，PWM-_U，PWM+_V，PWM-_V，PWM+_W和PWM-_W与CPU连接。

PWM+_UPG，PWM-_UNG，PWM+_VPG，PWM-_VNG，PWM+_WPG和PWM-_WNG与MOSFET连接。

+15V，U+，V+，W+为供电电源。

进一步的，MOSFET连接拓扑结构如图4所示，

U、V和W与电机动力线连接。

PWM+_UPG，PWM-_UNG，PWM+_VPG，PWM-_VNG，PWM+_WPG和PWM-_WNG与PWM模块连接。

8、编码器接收单元

编码器接收单元包括差分接收器，∏型滤波器，用来接收电机的编码器反馈信息，并送CPU处理，同时把编码器信息上传给上位机。

差分接收器电路如图5所示，

A+_IN，A-_IN，B+_IN，B-_IN，Z+_IN和Z-_IN接电机编码器和∏型滤波器电路，AIN，BIN和ZIN接CPU。

∏型滤波器电路如图6所示，

A+_IN，A-_IN，B+_IN，B-_IN，Z+_IN和Z-_IN接电机编码器和差分接收器电路。

9、电流检测单元

电流检测单元包括运放调理电路、RC滤波电路。电机电流经电流检测单元后，送入CPU的ADC端口。CPU采样电机电流信号，控制电机的转矩大小。

图7中，U6，R70，R71，R125，R126，C91和C92构成U相电流调理电路。R76和C56构成RC滤波电路。IU_DSP接CPU。

U7，R72，R73，R127，R128，C95和C96构成W相电流调理电路。R78和C59构成RC滤波电路。IW_DSP接CPU。

本实用新型的运动方式设计中，差速驱动控制器5内置2种控制模式：单轴独立控制模式和双轴差速控制模式。

1、单轴独立控制模式

单轴独立控制模式：独立控制两个伺服电动轮2、3的速度，包括单轴速度模式和单轴位置模式。

1)单轴速度模式

差速驱动控制器5接收主控制器下发的左伺服电动轮和右伺服电动轮的速度指令，速度指令包括伺服电动轮的转速大小和方向。差速驱动控制器接收指令后独立控制两个伺服电动轮的速度，两个轴之间互不影响，各司其职。

如果急停信号有效，则该模式下当前轮根据设定的减速时间执行停止过程，如果减速时间设为0则立即停止运行。

2)单轴位置模式

差速驱动控制器接收主控制器下发的左伺服电动轮和右伺服电动轮的位置指令，位置指令包括伺服电动轮的转速大小，方向和位置。差速驱动控制器接收指令后独立控制两个伺服电动轮的运行位置，两个轴之间互不影响，各司其职。

如果急停信号有效，则该模式下当前轴根据设定的减速时间执行停止过程，如果减速时间设为0则立即停止运行。

2、双轴差速控制模式

差速驱动控制器接收主控制器下发的机器人车体线速度，角速度，线加速度，角加速度和位移，差速驱动控制器经过内部控制算法，自动控制两个轴的速度大小、方向和运行时间，实现机器人的直线行走，圆弧行走。

1)双轴差速直线模式：双轴差速直线模式需要设置机器人的线速度，线加速度，运行时间。

2)双轴差速圆弧模式：双轴差速圆弧模式需要设置机器人的线速度，角速度，线加速度，角加速度和运行时间。

本实用新型具有以下优点：结构紧凑，安装简单；同步性，实时性好，解决了机器人走直线偏航的问题；处理实时性高，机器人更安全，可靠性更高，兼容多种上位机控制，内置安全控制技术，防止在任何情况下机器人失控。

Claims (9)

1.一种服务机器人移动驱动控制系统，其特征在于：所述服务机器人的移动装置包括承载底盘，以及安装在承载底盘上的左伺服电动轮和右伺服电动轮、防碰撞传感器、差速驱动控制器、万向轮、电池、防跌落传感器、导航传感器，所述差速驱动控制器包括主控CPU，防碰撞传感器通过碰撞传感器接收单元与主控CPU相连接，防跌落传感器通过防跌落传感器接收单元与主控CPU相连接，导航传感器通过导航接收单元与主控CPU相连接，每个伺服电动轮的驱动电机通过功率单元、编码器接收单元、电流检测单元与主控CPU相连接，主控CPU通过IO单元与急停开关相连接，主控CPU通过指令接收单元、状态反馈单元与人机界面相连接。

2.根据权利要求1所述的服务机器人移动驱动控制系统，其特征在于：左伺服电动轮、右伺服电动轮、万向轮通过螺丝安装在承载底盘上。

3.根据权利要求1所述的服务机器人移动驱动控制系统，其特征在于：所述指令接收单元能够采用RS485通讯装置、RS232通讯装置、CAN通讯装置或PWM装置，用于接收人机界面或上位机主控单元的控制指令。

4.根据权利要求1所述的服务机器人移动驱动控制系统，其特征在于：IO单元连接外部急停开关，共有12路输入，4路输出，IO单元全部采用光藕隔离。

5.根据权利要求1所述的服务机器人移动驱动控制系统，其特征在于：碰撞传感器通过螺丝安装在机器人承载底盘的前面，碰撞传感器采用红外光电开关。

6.根据权利要求1所述的服务机器人移动驱动控制系统，其特征在于：通过螺丝安装在机器人承载底盘上，防跌落传感器采用陀螺仪。

7.根据权利要求1所述的服务机器人移动驱动控制系统，其特征在于：功率单元包括MOSFET逆变电路和PWM驱动电路，用于控制驱动电机的功率。

8.根据权利要求1所述的服务机器人移动驱动控制系统，其特征在于：编码器接收单元包括差分接收器、∏型滤波器，用来接收电机的编码器反馈信息，并送CPU处理，同时把编码器信息上传给上位机。

9.根据权利要求1所述的服务机器人移动驱动控制系统，其特征在于：电流检测单元包括运放调理电路、RC滤波电路，用于向CPU提供驱动电机的电流信号，控制驱动电机的转矩大小。