CN207874233U - 一种机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种机器人控制系统，包括：实时定位确定机器人的当前位置的定位装置；发送控制指令的上位机；分别与所述上位机及所述定位装置连接，使用位置式PID算法控制所述机器人由当前位置移动至所述控制指令对应目标位置的控制器。本申请公开的上述技术方案中，定位装置实时确定机器人的当前位置，控制器在接收到上位机发送的控制指令时控制机器人由当前位置移动至控制指令对应目标位置，由此，使得机器人可以根据训练人员的需要达到不同位置并实现击球等操作，提升了训练人员在使用机器人实现训练时的使用体验。

Description

一种机器人控制系统

技术领域

本实用新型涉及机器人控制技术领域，更具体地说，涉及一种机器人控制系统。

背景技术

球机器人能够在训练人员需要球时的触发下发出对应的球或者对训练人员发出的球进行击打等，以供训练人员实现训练。但是现有技术中的球机器人一般都处于一个固定的位置，无法达到训练人员对不同位置击出的球进行训练的要求，使用体验较差。

综上所述，如何提升训练人员在使用球机器人时的使用体验，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种机器人控制系统，以提升训练人员在使用机器人训练时的使用。

为了达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种机器人控制系统，包括：

实时定位确定机器人的当前位置的定位装置；

发送控制指令的上位机；

分别与所述上位机及所述定位装置连接，使用位置式PID算法控制所述机器人由当前位置移动至所述控制指令对应目标位置的控制器。

优选的，所述控制器还包括：

实时测量所述机器人的电机转速得到对应当前转速的编码器；

与所述编码器连接，使用增量式PID算法控制所述电机由当前转速变至所述控制指令对应转速的第一MCU。

优选的，还包括：

设置在所述机器人上，在所述第一MCU控制下以与所述控制指令对应速度转动实现所述机器人移动的麦克纳姆轮。

优选的，所述控制器包括：

与所述第一MCU连接，实现与上位机通信的蓝牙模块、WIFI模块。

优选的，所述控制器还包括：

与所述第一MCU连接，在所述第一MCU确定所述机器人发生故障时发出对应亮光的警示灯。

优选的，所述控制器还包括：

与所述第一MCU连接，接收外界输入的指令并传送至第一MCU的按键。

优选的，所述定位装置包括：

实时测量得到所述机器人自旋的角速度的陀螺仪；

实时测量得到所述机器人移动的方向及距离的编码轮；

分别与所述陀螺仪及所述编码轮连接，基于对所述角速度进行卡尔曼滤波得到的数据及所述方向及距离确定所述机器人当前位置的第二MCU。

优选的，所述陀螺仪为串口陀螺仪。

优选的，所述编码轮的数量为两个，该两个所述编码轮分别位于所述定位装置的两侧且互相垂直。

优选的，所述定位装置及所述控制器之间采用串口连接。

本实用新型提供的一种机器人控制系统，包括：实时定位确定机器人的当前位置的定位装置；发送控制指令的上位机；分别与所述上位机及所述定位装置连接，使用位置式PID算法控制所述机器人由当前位置移动至所述控制指令对应目标位置的控制器。本申请公开的上述技术方案中，定位装置实时确定机器人的当前位置，控制器在接收到上位机发送的控制指令时控制机器人由当前位置移动至控制指令对应目标位置，由此，使得机器人可以根据训练人员的需要达到不同位置并实现击球等操作，提升了训练人员在使用机器人实现训练时的使用体验。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种机器人控制系统的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种机器人控制系统的具体示例图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1，其示出了本实用新型实施例提供的一种机器人控制系统的结构示意图，可以包括：

实时定位确定机器人的当前位置的定位装置11；

发送控制指令的上位机12；

分别与上位机12及定位装置11连接，使用位置式PID算法控制机器人由当前位置移动至控制指令对应目标位置的控制器13。

对应上述各模块的工作过程可以包括：定位装置实时定位机器人的当前位置，并将定位得到的当前位置对应位置信息发送至控制器；控制器接收上位机发送的控制指令，该控制指令中包含机器人需到达的目标位置对应位置信息，由此控制器基于当前位置的位置信息及目标位置的位置信息使用位置式PID算法控制机器人由当前位置移动至目标位置，从而机器人能够到达训练人员希望其到达的目标位置并配合训练人员实现其训练。另外需要说明的是上述机器人控制系统可以集成在机器人内。

其中PID是一个目前应用最广泛的闭环控制算法。使用PID实现对应控制的控制器(比例-积分-微分控制器)是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元P、积分单元I和微分单元D组成。PID的基础是比例控制，积分控制可消除稳态误差，但可能增加超调，微分控制可加快大惯性系统响应速度以及减弱超调趋势。PID分为连续和离散两种类型，本申请中可以使用离散PID实现，其中离散位置式PID算法对应公式如式(1.1)所示：

u(k)＝K_pe(k)+K_i∑e(k)+K_d(e(k)-e(k-1)) (1.1)。

u(k)：第k次控制器输出；

K_p：比例系数；

e(k):第k次的误差，就是目标量与当前量的差；

K_i：积分系数；

K_d：微分系数；

e(k-1)：上一刻的误差。

本申请公开的上述技术方案中，定位装置实时确定机器人的当前位置，控制器在接收到上位机发送的控制指令时控制机器人由当前位置移动至控制指令对应目标位置，由此，使得机器人可以根据训练人员的需要达到不同位置并实现击球等操作，提升了训练人员在使用机器人实现训练时的使用体验。

本实用新型实施例提供的一种机器人控制系统，控制器还可以包括：

实时测量机器人的电机转速得到对应当前转速的编码器；

与编码器连接，使用增量式PID算法控制电机由当前转速变至控制指令对应转速的第一MCU。

其中编码器、电机及电机对应驱动器的数量均可以为8个，编码器实时测量电机转速得到当前转速，编码器确定控制指令中表示的电机需达到的转速，并使用增量式PID算法控制电机由当前转速达到控制指令对应转速，从而实现对电机的精确控制，保证了保证了电机精确地运行。其中本申请中可以使用离散增量式PID算法实现电机的转速控制，具体来说，离散增量式PID算法对应公式如式(1.2)所示:

Δu(k)＝K_p(e(k)-e(k-1))+K_ie(k)+K_d(e(k)-2e(k-1)+e(k-2)) (1.2)

Δu(k)：第k次的输出；

K_p：比例系数；

e(k)：第k次的误差，就是目标量与当前量的差；

K_i：积分系数；

K_d：微分系数；

e(k-1)：上一刻的误差；

e(k-2)：前一刻(上一刻的上一刻)的误差。

需要说明的是，电机转速即为编码器转速，其中编码器转速可以由以下方式得到：记录在一段时间t(单位：秒)内编码器所输出的脉冲数量，用t内的脉冲数量除以t得到单位时间内编码器所输出的脉冲数量，再用单位时间内的脉冲数量除以编码器一圈输出的脉冲数，乘以60，得到编码器一分钟所旋转的圈数(rpm)，表达式如下(1.3)所示：

Ω＝Δpulse÷dt÷ppr×60 (1.3)

Ω：转速，单位：rpm；

Δpulse：一段时间间隔dt内所转过的脉冲数；

dt：采样时间间隔；

ppr：脉冲每圈，由码盘决定；

本实用新型实施例提供的一种机器人控制系统，还可以包括：

设置在机器人上，在第一MCU控制下以与控制指令对应速度转动实现机器人移动的麦克纳姆轮。

其中，麦克纳姆轮能够实现全方位移动，这种全方位移动方式是基于一个有许多位于机轮周边的轮轴的中心轮的原理上，这些成角度的周边轮轴把一部分的机轮转向力转化到一个机轮法向力上面。依靠各自机轮的方向和速度，这些力的最终合成在任何要求的方向上产生一个合力矢量从而保证了这个平台在最终的合力矢量的方向上能自由地移动，而不改变机轮自身的方向。在它的轮缘上斜向分布着许多小滚子，故轮子可以横向滑移。小滚子的母线很特殊，当轮子绕着固定的轮心轴转动时，各个小滚子的包络线为圆柱面，所以该轮能够连续地向前滚动。麦克纳姆轮结构紧凑，运动灵活，是很成功的一种全方位轮。本申请中可以采用4个这种新型轮子进行组合，可以更灵活方便的实现全方位移动功能。

另外，控制器可以由控制指令确定对应的机器人坐标系下X、Y方向上的速度(v_x及v_y)，并将此速度代入麦克纳姆轮的运行公式中计算得到麦克纳姆轮应具有的速度，进而控制麦克纳姆轮以应具有的速度进行转动。其中以麦克纳姆轮的数量为四个进行说明一组麦克纳姆轮的运行公式如式(1.4)所示：(假设麦克纳姆轮的编号顺序从一点钟开始逆时针安排为1～4号)

v_ω1＝v_y-v_x+ω(a+b)

v_ω2＝v_y+v_x-ω(a+b)

v_ω3＝v_y-v_x-ω(a+b) (1.4)

v_ω4＝v_y+v_x+ω(a+b)

v_ωn：第n个轮子的线速度；

v_x：目标径向速度(x方向)；

v_y：目标径向速度(y方向)；

ω：目标自旋角速度；

a：机器人质心和轮子质心的水平距离；

b：机器人质心和轮子质心的垂直距离。

本实用新型实施例提供的一种机器人控制系统，控制器可以包括：

与第一MCU连接，实现与上位机通信的蓝牙模块、WIFI模块。

需要说明的是，控制器可以通过蓝牙及WIFI与上位机连接，从而保证了指令传输的快速及准确。另外，第一MCU还可以连接有远程通信模块，移动终端或者遥控器能够向该远程通信模块发送控制指令，以使得第一MCU在该控制器的控制下实现对应操作，从而实现了对于机器人的远程控制，方便用户使用。

本实用新型实施例提供的一种机器人控制系统，控制器还可以包括：

与第一MCU连接，在第一MCU确定机器人发生故障时发出对应亮光的警示灯。

但机器人的任一程序运行出现问题或者出现其他故障时第一MCU可以指示警示灯发出对应亮光，使得外界人员可以及时获知机器人的运行情况，进而实现对应修复等操作，保证了机器人的正常运行。具体来说，该警示灯可以为LED灯，当然还可以根据实际需要进行其他设定，均在本实用新型的保护范围之内。

本实用新型实施例提供的一种机器人控制系统，控制器还可以包括：

与第一MCU连接，接收外界输入的指令并传送至第一MCU的按键。

其中外界人员可以通过按键向控制器输入控制指令或者其他可以由外界人员设置的参数，从而实现对机器人的控制，方便使用。

本实用新型实施例提供的一种机器人控制系统，定位装置可以包括：

实时测量得到机器人自旋的角速度的陀螺仪；

实时测量得到机器人移动的方向及距离的编码轮；

分别与陀螺仪及编码轮连接，基于对角速度进行卡尔曼滤波得到的数据及方向及距离确定机器人当前位置的第二MCU。

其中，陀螺仪可以测量得到机器人自旋的角速度，由编码轮得到机器人移动的方向及距离，从而第二MCU基于这些数据得到机器人当前位置。其中对陀螺仪得到的角速度进行卡尔曼滤波能够保证得到的数据更接近于真实的角速度，卡尔曼滤波(Kalmanfiltering)一种利用线性系统状态方程，通过系统输入输出观测数据，对系统状态进行最优估计的算法。由于观测数据中包括系统中的噪声和干扰的影响，所以最优估计也可看作是滤波过程。在本实施例中，使用卡尔曼滤波对陀螺仪的数据进行滤波并得到较为接近真实值的角速度，再对角速度进行积分，得到机器人自旋的角度，具体来说，陀螺仪得到的数据是角速度的ADC值，转换成角速度之后乘上两次读取角速度的间隔时间，加上上次的角度就更新到新的角度，即离散的角速度积分，如下式所示：

ω：旋转的角速度；

dt：采样间隔时间长度；

另外，编码轮的数量可以为两个，该两个编码轮可以分别位于定位装置的两侧且互相垂直，具体来说，两个编码轮分别位于定位装置的左方和右方，呈45°放置，两个编码轮互相垂直，分别测量和机器人X轴夹角为135°和45°的位移。

测量过程如下：

①测量一段时间内两个编码轮的脉冲数P_L，P_R

②计算编码轮的移动距离:

Dis_L＝P_L÷dt÷ppr×60

Dis_R＝P_R÷dt÷ppr×60

dt：采样间隔；

ppr：脉冲每圈，由码盘决定。

③通过两个编码轮计算这段时间内机器人移动的方向和距离:

④获得基于机器人坐标系下的移动方向:

⑤合方向的距离转换成为机器人坐标系下的分方向(X，Y)的距离：

X_d＝Dis×cos(θ₁),Y_d＝Dis×sin(θ₁)。

⑥机器人坐标系下的X、Y距离乘以旋转矩阵就得到世界坐标系下的X、Y距离：

其中，θ₂表示陀螺仪积分得到的角度。

从而通过多传感器数据融合(即融合来自多个传感器的同类型或不同量纲的数据使其更加接近真实值)计算出机器人的当前位置，实现了机器人的精确定位以及精确的移动控制。

本实用新型实施例提供的一种机器人控制系统，陀螺仪可以为串口陀螺仪，从而方便第二MCU对陀螺仪的数据读取。

本实用新型实施例提供的一种机器人控制系统，定位装置及控制器之间可以采用串口连接，从而实现数据的快速传输。另外第一MCU及第二MCU均可以采用STM32F407IGT6芯片实现，对应的具体示例图如图2所示，其中X8及X2表示对应器件的数量为8个及2个，全场定位模块即为定位装置，Remote Controll表示远程通信模块。该图中具有上述实施例包含的各个模块且箭头方向表示数据传输方向，从而使用分模块设计使得后期维护方便。

本实用新型实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种机器人控制系统，其特征在于，包括：

实时定位确定机器人的当前位置的定位装置；

发送控制指令的上位机；

分别与所述上位机及所述定位装置连接，使用位置式PID算法控制所述机器人由当前位置移动至所述控制指令对应目标位置的控制器；

所述控制器还包括：

实时测量所述机器人的电机转速得到对应当前转速的编码器；

与所述编码器连接，使用增量式PID算法控制所述电机由当前转速变至所述控制指令对应转速的第一MCU。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括：

设置在所述机器人上，在所述第一MCU控制下以与所述控制指令对应速度转动实现所述机器人移动的麦克纳姆轮。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器包括：

与所述第一MCU连接，实现与上位机通信的蓝牙模块、WIFI模块。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器还包括：

与所述第一MCU连接，在所述第一MCU确定所述机器人发生故障时发出对应亮光的警示灯。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述控制器还包括：

与所述第一MCU连接，接收外界输入的指令并传送至第一MCU的按键。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述定位装置包括：

实时测量得到所述机器人自旋的角速度的陀螺仪；

实时测量得到所述机器人移动的方向及距离的编码轮；

分别与所述陀螺仪及所述编码轮连接，基于对所述角速度进行卡尔曼滤波得到的数据及所述方向及距离确定所述机器人当前位置的第二MCU。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述陀螺仪为串口陀螺仪。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述编码轮的数量为两个，该两个所述编码轮分别位于所述定位装置的两侧且互相垂直。

9.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述定位装置及所述控制器之间采用串口连接。