CN213499219U - 一种用于slam及导航领域的机器人控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于SLAM及导航领域的机器人控制系统，包括车载控制器、伺服控制系统、环境采样系统、通讯接口模块、示教装置、视觉采样模块和示警装置；本实用新型在控制系统内部按照将系统控制分成多个模块，车载控制器上位机轨迹规划和主控逻辑，伺服控制系统、环境采样系统和视觉采样模块作为下位机进行插补细分，执行不同的控制任务和控制策略，让机器人在控制时实现高速、高精度控制，提高系统的处理效率，通过车载控制器的以太网网口拓展有单独的通讯接口模块，数据传输速率高，易于扩展，使用示教装置对机器人的运动轨迹和姿态进行快速示教编程，降低了SLAM和导航机器人的运动路线的编程难度，增强人机协作能力。

Description

一种用于SLAM及导航领域的机器人控制系统

技术领域

本实用新型涉及机器人视觉导航领域，具体为一种用于SLAM及导航领域的机器人控制系统。

背景技术

随着计算机技术和传感技术的发展，移动机器人平台的研究得到广泛关注，移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多功能于一体的综合系统，随着机器人性能不断地完善，移动机器人的应用范围大为扩展，不仅在工业、农业、医疗、服务等行业中得到广泛的应用，而且在城市安全、国防和空间探测领域等有害与危险场合得到很好的应用。因此，移动机器人技术已经得到越来越受到广大人民群众的关注。

移动机器人的控制系统的直接决定机器人的工作效率，在SLAM及导航领域，为了更加准确的获取周围的环境信息，所以所使用的采样传感器常需要根据实际情况进行优化，对实时性要求较高，现有的导航机器人控制系统主要采用集中控制系统，即用一台控制设备实现全部控制功能，如申请号“CN201310361887.2”公开的一种基于FPGA的多指节机器人控制系统及其控制方法所采用的即为集中控制系统，该种结构简单，成本低，但实时性差，难以扩展，而且以往的SLAM及导航设备轨迹和姿态的程序都需要从底层进行编写，编程难度大，更改起来较为复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种用于SLAM及导航领域的机器人控制系统，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种用于SLAM及导航领域的机器人控制系统，包括：

车载控制器，所述车载控制器安装在机器人本体内，用于完成机器人的运动规划和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、以及环境及视觉信息的处理；

伺服控制系统，所述伺服控制系统通过ISA总线与车载控制器电性连接，用于在车载控制器的控制下对机器人进行带速度闭环的运动控制；

环境采样系统，所述环境采样系统和车载控制器的I/O口电性连接，用于通过力传感器获得环境信号并进行处理后，发送至车载控制器便于实现机器人的柔顺控制；

通讯接口模块，所述通讯接口模块和车载控制器接口电性连接，用于通过以太网实现车载控制器与外部硬件的通信；

示教装置，所述示教装置与通讯接口模块电性连接，用于示教机器人的工作轨迹和参数设定并进行人机交互操作；以及；

视觉采样模块，所述视觉采样模块和通讯接口模块电性连接，用于采集机器人周围信息处理后发送至车载控制器进行定位和建图。

优选的，所述伺服控制系统包括多轴运动控制器、伺服控制器和执行电机，所述多轴运动控制器通过ISA总线与车载控制器电性连接，所述多轴运动控制器通过多个伺服控制器控制多个执行电机，所述执行电机上集成有光电码盘。

优选的，所述环境采样系统包括光电隔离电路和传感器，所述光电隔离电路输出端连接车载控制器的I/O口，输入端连接传感器，所述光电隔离电路用于预处理传感器采样信号并将传感器与车载控制器完全隔离。

优选的，所述通讯接口模块内部包含并行接口、串行接口和网络接口，所述示教装置连接在串行接口上，所述视觉采样模块连接在网络接口上。

优选的，所述串行接口上还连接有示警装置，所述示警装置为急停电路，所述示警装置用于控制车载控制器的启动电路。

优选的，所述视觉采样模块包括可编程控制器、超声波雷达、D激光雷达和摄像头，所述超声波雷达、D激光雷达和摄像头分别独立连接在可编程控制器的串口上，所述可编程控制器用于将超声波雷达、D激光雷达和摄像头所采集信息预处理后发送至车载控制器。

优选的，所述车载控制器采用内嵌有触摸屏和WIFI通讯模块的工控机。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

(1)在控制系统内部按照将系统控制分成多个模块，车载控制器上位机轨迹规划和主控逻辑，伺服控制系统、环境采样系统和视觉采样模块作为下位机进行插补细分，执行不同的控制任务和控制策略，让机器人在控制时实现高速、高精度控制，能够让控制系统的各项功能并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间；

(2)通过车载控制器的以太网网口拓展有单独的通讯接口模块，数据传输速率高，易于扩展，能够根据需求增改不同的底层采样装置，从而提供了一个开放、高速的机器人控制系统；

(3)使用示教装置对机器人的运动轨迹和姿态进行快速示教编程，降低了SLAM和导航机器人的运动路线的编程难度，增强人机协作能力，配合环境采样系统等对机器人导航路径及操作路径进行纠偏和校正，能够消除示教编程造成的误差，提高机器人控制的柔顺性。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的视觉采样模块示意图；

图中：1车载控制器、2伺服控制系统、201多轴运动控制器、202伺服控制器、203执行电机、3环境采样系统、301光电隔离电路、302传感器、4通讯接口模块、401并行接口、402串行接口、403网络接口、5示教装置、6视觉采样模块、601可编程控制器、602超声波雷达、6033D激光雷达、604摄像头、7示警装置。

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1-2，一种用于SLAM及导航领域的机器人控制系统，包括车载控制器1、伺服控制系统2、环境采样系统3、通讯接口模块4、示教装置5、视觉采样模块6和示警装置7，所述车载控制器1安装在机器人本体内，采用倍福公司CX5130工控机，其具有内嵌有触摸屏和WIFI通讯模块，能够显示控制系统的组态界面，，并且能够与外部进行通讯，无需另外安装通讯模块，而且结构紧凑、体积小巧，应用在SLAM及导航领域的机器人上，占用的体积下，经过特殊的设计使其具有很强的抗干扰能力，可以用于振动、电磁辐射等恶劣的环境，运行通用的操作系统，比如Windows系统，并在其操作系统内部安装与其配套的TwinCAT控制软件，在Windows操作系统中插入实时内核，形成实时控制系统，用于完成机器人的运动规划和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、以及环境及视觉信息的处理。

所述伺服控制系统2通过ISA总线与车载控制器1电性连接，用于在车载控制器1的控制下对机器人进行带速度闭环的运动控制，所述伺服控制系统2包括多轴运动控制器201、伺服控制器202和执行电机203，所述多轴运动控制器201通过ISA总线与车载控制器1电性连接，多轴运动控制器201采用PMAC多轴运动控制装置，在使用时车载控制器1不需要对多轴运动控制器201进行编程，只需要对其所控制参数进行给定即可，车载控制器1像多轴运动控制器201发送执行电机203的控制状态或位置作为给定，所述多轴运动控制器201控制端连接多个伺服控制器202，每一个伺服控制器控制一个执行电机203，执行电机203包括机器人的行走电机和进行各种操作的运动电机，所述执行电机203上集成有光电码盘，光电码盘测量执行电机203转动情况，负反馈至伺服控制器202构成闭环控制系统对执行电机203进行控制。

所述环境采样系统3和车载控制器1的I/O口电性连接，用于通过力传感器获得环境信号并进行处理后，发送至车载控制器1便于实现机器人的柔顺控制，所述环境采样系统3包括光电隔离电路301和传感器302，所述光电隔离电路301输出端连接车载控制器1的I/O口，输入端连接传感器302，传感器302为力传感器和激光传感器，力传感器主要测量机器人行进和运动过程中执行电机203的扭矩，激光传感器主要测量机器人运动过程中的路径是否符合预期，光电隔离电路301将传感器302采样信号同意转化为数字信号发送至车载控制器1的I/O口，光电隔离电路301传感器302与车载控制器1完全隔离，有效地避免了二者的相互干扰，所述通讯接口模块4和车载控制器1的以太网接口电性连接，用于通过以太网实现车载控制器1与外部硬件的通信，所述通讯接口模块4内部包含并行接口401、串行接口402和网络接口403，所述示教装置5连接在串行接口402上，所述视觉采样模块6连接在网络接口403上，通讯接口模块4能够进行各种通讯协议的转换，并转为统一数据样式发送至车载控制器1，以太网接口的数据传输速率高达10Mbit/s，保证通讯接口模块4数据传输速率高，易于扩展，能够根据需求增改不同的底层采样装置，从而提供了一个开放、高速的机器人控制系统。

所述示教装置5与通讯接口模块4电性连接，用于示教机器人的工作轨迹和参数设定并进行人机交互操作，所述示教装置5采用能够和倍福公司CX5130工控机进行通讯的示教机，通过该示教机控制机器人完成指定的姿态和位置，记录机器人位姿数据并编写机器人运动指令，完成机器人在正常加工中的轨迹规划、位姿等关节数据信息的采集、记录，并记录在车载控制器1的内部，让机器人在后期工作时重现所示教的轨迹和位姿，并配合环境采样系统3等对机器人导航路径及操作路径进行纠偏和校正，能够消除示教编程造成的误差，提高机器人控制的柔顺性，采用示教装置5进行快速示教编程，降低了SLAM和导航机器人的编程难度，增强人机协作能力。

视觉采样模块6，所述视觉采样模块6和通讯接口模块4电性连接，用于采集机器人周围信息处理后发送至车载控制器1进行定位和建图，所述视觉采样模块6包括可编程控制器601、超声波雷达602、3D激光雷达603和摄像头604，所述超声波雷达602、3D激光雷达603和摄像头604分别独立连接在可编程控制器601的串口上，所述可编程控制器601用于将超声波雷达602、3D激光雷达603和摄像头604所采集信息预处理后发送至车载控制器1超声波雷达602的穿透性强，3D激光雷达603的精度高，方向性强，摄像头604清晰采集周围情况，三者构成一个图形采样的冗余热备用系统，即当某一装置损坏后，另外两个装置仍然能对周围环境进行采样。

可编程控制器601和多轴运动控制器201、光电隔离电路301均作为下位机，在车载控制器1作为上位机轨迹规划和主控逻辑时，进行插补细分，执行不同的控制任务和控制策略，让机器人在控制时实现高速、高精度控制，能够让控制系统的各项功能并行执行，提高系统的处理效率，缩短响应时间。

所述串行接口402上还连接有示警装置7，所述示警装置7为急停电路，所述示警装置7用于控制车载控制器1的启动电路，能够让使用者在机器人运动过程中快速停止机器人的运行，保证安全。

本实用新型采用示教装置5规划机器人的行进路线和姿态变化，通过可编程控制器601控制超声波雷达602、3D激光雷达603和摄像头604采集周围情况，由车载控制器1根据采集的数据情况同步定位建图，效率更好，能够有效地避免机器人的重复轨迹和姿态运动。

具体的，使用时，将车载控制器1的内部烧录好SLAM及导航机器人的驱动及工作程序，然后通过示教装置5操作机器人进行运动，按照需求完成指定的姿态和运动轨迹，机器人在正常加工中的轨迹规划、位姿等关节数据信息的采集、记录并记录在车载控制器1的内部，再让机器人进行运动，此时机器人按照示教的轨迹和位姿进行运动，并通过视觉采样模块采集周围的环境数据，车载控制器1读取其扫描的数据，并对周围环境构建增量式地图。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种用于SLAM及导航领域的机器人控制系统，其特征在于，包括：

车载控制器(1)，所述车载控制器(1)安装在机器人本体内，用于完成机器人的运动规划和位置伺服以及主控逻辑、数字I/O、以及环境及视觉信息的处理；

伺服控制系统(2)，所述伺服控制系统(2)通过ISA总线与车载控制器(1)电性连接，用于在车载控制器(1)的控制下对机器人进行带速度闭环的运动控制；

环境采样系统(3)，所述环境采样系统(3)和车载控制器(1)的I/O口电性连接，用于通过力传感器获得环境信号并进行处理后，发送至车载控制器(1)便于实现机器人的柔顺控制；

通讯接口模块(4)，所述通讯接口模块(4)和车载控制器(1)接口电性连接，用于通过以太网实现车载控制器(1)与外部硬件的通信；

示教装置(5)，所述示教装置(5)与通讯接口模块(4)电性连接，用于示教机器人的工作轨迹和参数设定并进行人机交互操作；以及；

视觉采样模块(6)，所述视觉采样模块(6)和通讯接口模块(4)电性连接，用于采集机器人周围信息处理后发送至车载控制器(1)进行定位和建图。

2.根据权利要求1所述的一种用于SLAM及导航领域的机器人控制系统，其特征在于：所述伺服控制系统(2)包括多轴运动控制器(201)、伺服控制器(202)和执行电机(203)，所述多轴运动控制器(201)通过ISA总线与车载控制器(1)电性连接，所述多轴运动控制器(201)通过多个伺服控制器(202)控制多个执行电机(203)，所述执行电机(203)上集成有光电码盘。

3.根据权利要求1所述的一种用于SLAM及导航领域的机器人控制系统，其特征在于：所述环境采样系统(3)包括光电隔离电路(301)和传感器(302)，所述光电隔离电路(301)输出端连接车载控制器(1)的I/O口，输入端连接传感器(302)，所述光电隔离电路(301)用于预处理传感器(302)采样信号并将传感器(302)与车载控制器(1)完全隔离。

4.根据权利要求1所述的一种用于SLAM及导航领域的机器人控制系统，其特征在于：所述通讯接口模块(4)内部包含并行接口(401)、串行接口(402)和网络接口(403)，所述示教装置(5)连接在串行接口(402)上，所述视觉采样模块(6)连接在网络接口(403)上。

5.根据权利要求4所述的一种用于SLAM及导航领域的机器人控制系统，其特征在于：所述串行接口(402)上还连接有示警装置(7)，所述示警装置(7)为急停电路，所述示警装置(7)用于控制车载控制器(1)的启动电路。

6.根据权利要求1所述的一种用于SLAM及导航领域的机器人控制系统，其特征在于：所述视觉采样模块(6)包括可编程控制器(601)、超声波雷达(602)、3D激光雷达(603)和摄像头(604)，所述超声波雷达(602)、3D激光雷达(603)和摄像头(604)分别独立连接在可编程控制器(601)的串口上，所述可编程控制器(601)用于将超声波雷达(602)、3D激光雷达(603)和摄像头(604)所采集信息预处理后发送至车载控制器(1)。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种用于SLAM及导航领域的机器人控制系统，其特征在于：所述车载控制器(1)采用内嵌有触摸屏和WIFI通讯模块的工控机。

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