JP2006171960A

JP2006171960A - Distributed control system

Info

Publication number: JP2006171960A
Application number: JP2004361246A
Authority: JP
Inventors: Tadayuki Yamamoto; 忠幸山本; Mitsuharu Sonehara; 光治曽根原; Hiroki Murakami; 弘記村上; Makoto Mizukawa; 真水川
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2004-12-14
Filing date: 2004-12-14
Publication date: 2006-06-29
Anticipated expiration: 2024-12-14
Also published as: JP4480010B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a distributed control system configured hierarchically in which a communication time is shortened by reducing a communication load between an intermediate module and a lower module without increasing communication load between a higher module and the intermediate module and high speed control is realized as a result, and which enables the labor of wiring in a robot or automated equipment to be reduced by reducing communication bus wiring. <P>SOLUTION: The distributed control system is configured by hierarchically connecting a plurality of modules ranging from a higher module to a lower module for each function through a communication bus 35 in automated equipment where a plurality of driving shafts are controlled, wherein there are a plurality of hierarchically least significant modules 23 among those modules, and the plurality of least significant modules 23 are divided into a plurality of groups and connected to modules 21 directly positioned in their higher order through communication buses 35 of a plurality of mutually independent systems. Also, the communication buses 35 of the plurality of systems may be wired according to the mechanical structure of the automated equipment. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、移動型ロボット、産業用ロボット、ヒューマノイドロボット等の各種ロボット、並びにＦＡ、産業用等の自動化機器におけるロボット及び機器内の制御システムに関し、特に、制御モジュールを機能別に階層的に接続して構成される分散制御システムに関する。 The present invention relates to various robots such as mobile robots, industrial robots, humanoid robots, etc., and control systems in robots and equipment in FA and industrial automation equipment, and in particular, control modules are connected hierarchically according to function. It is related with the distributed control system comprised.

産業用ロボットやヒューマノイドロボット等の各種ロボットでは、一般に多数のアクチュエータや各種センサを搭載している。これらアクチュエータやセンサを、ロボット内に配置した１個の制御モジュール（ＣＰＵ等の処理装置を搭載したもの）で集中的に制御する制御システムを集中制御システムと呼ぶ。これに対し、下記非特許文献１及び特許文献１では、ロボット内に機能別に複数の制御モジュールを配置し、これらをＬＡＮ等により結合した分散制御システムを開示している。非特許文献１、特許文献１ともに、分散制御システムによりロボットの複数の駆動軸の制御を行うための構成として、機能別に３種類の制御モジュール（上位モジュール、中位モジュール、下位モジュール）を階層的に接続する方式としている。 Various robots such as industrial robots and humanoid robots are generally equipped with a large number of actuators and various sensors. A control system that centrally controls these actuators and sensors with a single control module (with a processing device such as a CPU) arranged in the robot is called a centralized control system. On the other hand, the following Non-Patent Document 1 and Patent Document 1 disclose a distributed control system in which a plurality of control modules are arranged for each function in a robot and these are connected by a LAN or the like. In both Non-Patent Document 1 and Patent Document 1, as a configuration for controlling a plurality of drive axes of a robot by a distributed control system, three types of control modules (upper module, middle module, and lower module) are hierarchically arranged according to function. It is a method to connect to.

図８は、非特許文献１に開示された分散制御システム（これを従来技術１とする。）の基本構成を示すものである。このシステムは、上位コントローラ１０１、中央制御モジュール１０２および各種機能モジュール１０３（モータ制御モジュール、ジャイロ加速度センサモジュール等）で構成されており、上位コントローラ１０１が上位モジュールに、中央制御モジュール１０２が中位モジュールに、各機能モジュール１０３が下位モジュールに相当する。これらのモジュールはＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）で相互に接続されている。ＣＡＮはバス接続が可能な差動シリアル通信方式である。このシステムでは、上位コントローラ１０１は、ロボットの動作コマンド及びパラメータを生成し、中央制御モジュール１０２に送信する。中央制御モジュール１０２は、上位コントローラ１０１から受信した動作コマンド及びパラメータに基づき各機能モジュール１０３に対して目標値指令やデータ送信要求などの指示を行う。機能モジュール１０３は、中央制御モジュールからの指示に応じて動作する。 FIG. 8 shows a basic configuration of a distributed control system disclosed in Non-Patent Document 1 (hereinafter referred to as Conventional Technology 1). This system is composed of a host controller 101, a central control module 102, and various function modules 103 (motor control module, gyro acceleration sensor module, etc.). The host controller 101 is a host module, and the central control module 102 is a middle module. Each functional module 103 corresponds to a lower module. These modules are connected to each other by a CAN (Controller Area Network). CAN is a differential serial communication system capable of bus connection. In this system, the host controller 101 generates robot operation commands and parameters, and transmits them to the central control module 102. The central control module 102 issues an instruction such as a target value command or a data transmission request to each functional module 103 based on the operation command and parameters received from the host controller 101. The functional module 103 operates in response to an instruction from the central control module.

図９は、特許文献１に開示された分散制御システム（これを従来技術２とする。）の構成を示すものである。このシステムは、ホストコントローラ２０１、通信コントローラ２０２及びモータコントローラ２０３で構成されており、ホストコントローラ２０１が上位モジュールに、通信コントローラ２０２が中位モジュールに、モータコントローラ２０３が下位モジュールに相当する。このシステムにおいても、上位〜下位の各モジュールは上述した従来技術１におけるのと概ね同様に機能する。 FIG. 9 shows the configuration of the distributed control system disclosed in Patent Document 1 (hereinafter referred to as Conventional Technology 2). This system includes a host controller 201, a communication controller 202, and a motor controller 203. The host controller 201 corresponds to an upper module, the communication controller 202 corresponds to a middle module, and the motor controller 203 corresponds to a lower module. Also in this system, the upper to lower modules function in substantially the same manner as in the prior art 1 described above.

従来技術１および従来技術２において、各モジュールの一般的な構成は、上位モジュール及び中位モジュールは１個、下位モジュールはロボットの有する駆動軸の数や必要とされる制御性能に従って複数個から構成される。 In the prior art 1 and the prior art 2, each module has a general configuration of one upper module and middle module, and a plurality of lower modules according to the number of drive axes of the robot and the required control performance. Is done.

なお、分散制御システムに関するその他の先行技術文献としては、下記特許文献２等が開示されている。
加藤雄一郎、“小型ヒューマノイドロボット向け分散制御システムアーキテクチャの開発”、第２２回日本ロボット学会学術講演会予稿集、ＩＣ３２、２００４年９月特開２００４−７８８９５号公報特開２０００−７８８９１号公報 As other prior art documents related to the distributed control system, the following Patent Document 2 is disclosed.
Yuichiro Kato, “Development of distributed control system architecture for small humanoid robots”, Proc. Of the 22nd Annual Conference of the Robotics Society of Japan, IC32, September 2004 JP 2004-78895 A JP 2000-78891 A

従来技術１では、下位モジュール（各機能モジュール１０３）複数個（実施例では９個）の全てが１つ、つまり１系統の通信バスで中位モジュール（中央制御モジュール１０２）に接続されているため、中位モジュールと下位モジュールとの間の通信負荷が大きくなる。一般にロボットの駆動軸の制御を行うためには、中位モジュールと下位モジュールとの間の通信は、駆動軸の制御目標値とセンサ信号値を一定周期で高速に送受信する必要があり、この部分の通信負荷（通信時間）は、多数の駆動軸をもつロボットの駆動系全体の制御性能を大きく左右する。したがって、かかる制御性能を向上させるためには、この部分の通信負荷をできるだけ小さくし、通信時間を短くすることが必要である。 In the prior art 1, all of the plurality of lower-level modules (each functional module 103) (9 in the embodiment) are connected to the middle module (central control module 102) through one communication bus, that is, one communication bus. The communication load between the middle module and the lower module increases. In general, in order to control the drive axis of a robot, communication between the middle module and the lower module needs to transmit and receive the control target value and sensor signal value of the drive axis at a high speed at a constant cycle. The communication load (communication time) greatly affects the control performance of the entire drive system of a robot having a large number of drive axes. Therefore, in order to improve the control performance, it is necessary to reduce the communication load of this portion as much as possible and shorten the communication time.

従来技術２では、中位モジュール（通信コントローラ２０２）と下位モジュール（モータコントローラ２０３）とを内部バスにて結合し、見かけ上、中位モジュールと下位モジュールを一体化している。このため、従来技術１のように中位モジュールと下位モジュールとの間の通信負荷に関する問題を回避することは可能である。つまり、従来技術２では、中位モジュールと下位モジュールとの間の通信負荷を軽減している。しかし、その代わりに、上位モジュール１個に対して、中位モジュール複数個の全てが１つの通信バスで接続されているため、上位モジュールと中位モジュールとの間の通信負荷が大きくなるという問題がある。この部分の通信は、従来技術１に比べると高速な通信は要求されない。しかしながら、従来技術２では、ロボットの全ての駆動軸の情報は上位モジュール２０１が管理することになるため、この部分の通信負荷が大きくなり、ロボットの駆動系全体の制御性能に大きな影響を与えるという問題がある。 In the prior art 2, the middle module (communication controller 202) and the lower module (motor controller 203) are coupled via an internal bus, and the middle module and the lower module are apparently integrated. For this reason, it is possible to avoid the problem regarding the communication load between the middle level module and the lower level module as in the prior art 1. That is, in the related art 2, the communication load between the middle module and the lower module is reduced. However, instead of this, a plurality of intermediate modules are connected to one upper module through a single communication bus, which increases the communication load between the upper module and the intermediate module. There is. This part of communication does not require high-speed communication as compared with the prior art 1. However, in the prior art 2, since information on all drive axes of the robot is managed by the host module 201, the communication load of this part increases, which greatly affects the control performance of the entire drive system of the robot. There's a problem.

また、従来技術１では中位モジュールと下位モジュールが、従来技術２では上位モジュールと中位モジュールが、いずれも１系統の通信バスで接続される構成であるため、通信バスの折り返しが避けられない。このため、通信バス配線が多くなり、ロボット内の配線スペース及び配線の手間が増大するという問題がある。 Further, since the prior art 1 has a configuration in which the middle module and the lower module are connected to each other, and the prior art 2 has the configuration in which the upper module and the middle module are both connected by a single communication bus, the communication bus is unavoidable. . For this reason, there is a problem that the communication bus wiring increases, and the wiring space in the robot and the labor of wiring increase.

本発明はかかる事情に鑑み、階層的に構成された分散制御システムにおいて、上位モジュールと中位モジュールとの間の通信負荷を増大させることなく、中位モジュールと下位モジュールとの間の通信負荷を軽減することにより通信時間を短くし、もって高速制御を可能とするとともに、通信バス配線を少なくしてロボットや自動化機器内の配線の手間を軽減することができる分散制御システムを提供することを目的とする。 In view of such circumstances, the present invention reduces the communication load between the intermediate module and the lower module without increasing the communication load between the upper module and the intermediate module in the hierarchically configured distributed control system. The purpose is to provide a distributed control system that can reduce communication time by reducing the communication time, thereby enabling high-speed control, and reducing communication bus wiring to reduce the labor of wiring in robots and automation equipment. And

上記目的を達成するため、本発明の分散制御システムは、複数の駆動軸を制御する自動化機器内に機能別に上位から下位までの複数のモジュールを通信バスにより階層的に結合して構成された分散制御システムであって、前記モジュールのうち階層的にみて最下位のモジュールは複数あり、この複数の最下位のモジュールは、直接的にその上位に位置するモジュールに対し、相互に独立した複数系統の通信バスにより複数グループに分割して結合されている、ことを特徴とする（請求項１）。 In order to achieve the above object, the distributed control system of the present invention is a distributed control system configured by hierarchically connecting a plurality of modules from upper to lower by function in an automated apparatus that controls a plurality of drive axes. The control system includes a plurality of lowest modules among the modules in a hierarchical manner, and the plurality of lowest modules are directly connected to a plurality of systems independent of each other. The communication bus is divided into a plurality of groups and combined (claim 1).

また、上記本発明において、前記自動化機器はロボットであり、前記モジュールは、上位モジュール、中位モジュール及び下位モジュールからなり、前記上位モジュールは、ロボット全体を統括管理する統括制御モジュールであり、前記中位モジュールは、統括制御モジュールからの指令により動作し、ロボットが動作するための各駆動軸に対する制御目標値を生成しこれを下位モジュールに送信する動作制御モジュールであり、前記下位モジュールは、動作制御モジュールからの駆動軸に対する制御目標値に基づき駆動軸のアクチュエータを制御する軸制御モジュールである（請求項２）。 In the present invention, the automated device is a robot, and the module includes a higher module, a middle module, and a lower module, and the upper module is a central control module that performs overall management of the entire robot. The unit module is an operation control module that operates in response to a command from the overall control module, generates a control target value for each drive axis for operating the robot, and transmits the control target value to a lower module. The shaft control module controls the actuator of the drive shaft based on a control target value for the drive shaft from the module.

また、上記本発明において、前記複数系統の通信バスは、自動化機器の機械的構造に合わせて配線されていることが好ましい（請求項３）。 In the present invention, the plurality of communication buses are preferably wired in accordance with the mechanical structure of the automated equipment.

本発明によれば、階層的に構成された分散制御システムにおいて、最下位のモジュールが、直接的にその上位に位置するモジュールに対し、相互に独立した複数系統の通信バスにより複数グループに分割して結合されているので、これらの間の通信バスが１系統である従来の構成と比べて、この部分の通信負荷が軽減される。例えば、ロボットでいえば、ロボット内のシステムが、上位モジュールとしての統括制御モジュールと、中位モジュールとしての動作制御モジュールと、下位モジュールとしての軸制御モジュールとで構成される場合には、動作制御モジュールと軸制御モジュールとの間の通信負荷が軽減されるのである。このため、通信時間の短縮化を図ることができるから、自動化機器の駆動系全体の制御周期を短くすることができる。そしてこれにより、多数の駆動軸から構成されるロボットその他の自動化機器に欠かせない、より高度な制御演算を行うことができるのである。 According to the present invention, in the hierarchically arranged distributed control system, the lowest module is divided into a plurality of groups by a plurality of independent communication buses with respect to a module positioned directly above it. Therefore, the communication load of this portion is reduced as compared with the conventional configuration in which the communication bus between them is one system. For example, in the case of a robot, if the system in the robot is composed of an overall control module as a higher module, an operation control module as a middle module, and an axis control module as a lower module, the operation control The communication load between the module and the axis control module is reduced. For this reason, since communication time can be shortened, the control cycle of the entire drive system of the automated equipment can be shortened. As a result, it is possible to perform more sophisticated control calculations that are indispensable for robots and other automated equipment composed of a large number of drive axes.

また、ロボットその他の自動化機器の機械的構造に合わせて複数系統の通信バスを配線することにより、通信バスが１系統の構成に比べて、通信バス配線が少なくなり、機器内の配線スペース及び配線の手間の削減や、配線の軽量化を図ることができるのである。 Also, by wiring multiple systems of communication buses according to the mechanical structure of robots and other automated equipment, communication bus wiring is reduced compared to a single system configuration, and wiring space and wiring within the equipment are reduced. Therefore, it is possible to reduce the time and the weight of wiring.

つまり、本発明によれば、階層的に構成された分散制御システムにおいて、上位モジュールと中位モジュールとの間の通信負荷を増大させることなく、中位モジュールと下位モジュールとの間の通信負荷を軽減することにより通信時間を短くし、もって高速制御を可能とするとともに、通信バス配線を少なくしてロボットその他の自動化機器内の配線の手間を軽減することができるという優れた効果が得られるのである。 That is, according to the present invention, in the hierarchically configured distributed control system, the communication load between the middle module and the lower module can be reduced without increasing the communication load between the higher module and the middle module. This reduces the communication time and enables high-speed control, while reducing the communication bus wiring and reducing the wiring effort in robots and other automated equipment. is there.

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。なお、各図において、同一部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In each figure, the same portions are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.

将来の一般社会の様々な分野でのロボット適用に向けて、近年、ロボットの研究開発が活発に行われている。このような流れを受けて、ロボットを適用するアプリケーションは様々であってもロボットシステムのアーキテクチャのオープン化や分散制御システムの導入によってロボットシステムの標準化、開発効率化、機能拡張性、保守性の向上を図る試みもいくつか提案されている。そこで、上記のようなロボットシステムの研究動向を踏まえ、本実施形態では、移動型ロボットを対象としてロボット内に分散制御システムを構成した。 In recent years, research and development of robots has been actively carried out for robot applications in various fields of the general society in the future. In response to this trend, even if there are various applications to which robots are applied, the robot system standardization, development efficiency, functional expandability, and maintainability are improved by opening the robot system architecture and introducing a distributed control system. Several attempts have been made to achieve this. Therefore, based on the research trend of the robot system as described above, in this embodiment, a distributed control system is configured in the robot for the mobile robot.

図１は、ロボットシステムの概要を示すものである。この図に示すように、ロボット内の制御システムは、統括制御モジュール１０と、その下位に位置する２つのサブシステム２０、３０に分離されて構成されている。統括制御モジュール１０は、ロボット全体を制御・管理し、外部の操作機器（ハンディコントローラ、ホストＰＣ４０等）を通じてユーザへロボット機能の提供を行う統括制御機能をもつ。各サブシステム２０、３０は、統括制御モジュール１０の支配下で動作するもので、ロボットが実現するアプリケーションとなる機能ごとに分離してモジュール化したものである。この例では、各サブシステムは、移動制御サブシステム２０およびカメラ軸制御サブシステム３０である。 FIG. 1 shows an outline of a robot system. As shown in this figure, the control system in the robot is configured to be separated into an overall control module 10 and two subsystems 20 and 30 positioned below it. The overall control module 10 has an overall control function for controlling and managing the entire robot and providing the robot function to the user through an external operation device (handy controller, host PC 40, etc.). Each of the subsystems 20 and 30 operates under the control of the overall control module 10, and is separated into modules for each function that is an application realized by the robot. In this example, each subsystem is a movement control subsystem 20 and a camera axis control subsystem 30.

統括制御モジュール１０とサブシステム２０、３０は、１本（１系統）の通信バス３５で結合され、機内ＬＡＮが構築されている。ロボットの機能拡張を行う場合は、統括制御モジュール１０の下に下位モジュールを追加すればよい。機内ＬＡＮには、自動車、産業用として信頼性の高いＣＡＮ（ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｒＡｒｅａＮｅｔｗｏｒｋ）を採用している。ＣＡＮは最大１Ｍｂｐｓの通信速度をもつシリアル通信方式である。またロボットと外部システムとのインタフェースには、他の操作機器やロボットシステムとの接続性、互換性を考慮し、(社)日本ロボット工業会によって推進されているＯＲｉＮ（ＯｐｅｎＲｏｂｏｔ／ＲｅｓｏｕｒｃｅｉｎｔｅｒｆａｃｅｆｏｒｔｈｅＮｅｔｗｏｒｋ)を用いる。 The overall control module 10 and the subsystems 20 and 30 are connected by a single (one system) communication bus 35 to construct an in-flight LAN. In order to expand the function of the robot, a lower module may be added below the overall control module 10. The in-machine LAN employs a highly reliable CAN (Controller Area Network) for automobiles and industries. CAN is a serial communication system having a maximum communication speed of 1 Mbps. In addition, the interface between the robot and the external system takes into account the connectivity and compatibility with other operating devices and robot systems, and ORiN (Open Robot / Resource interface for the) promoted by the Japan Robot Industry Association. Network) is used.

図２は、本発明の分散制御システムを適用した３脚車輪型ロボットを模式的に示す図であり、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。この３脚車輪型ロボット５０（以下、単に「ロボット」という。）は、胴体部５１と、カメラ搭載部５６と、胴体部５１の中央下部から路面に延びた中央脚５２と、胴体部５１の両側から路面に延びた右脚５３および左脚５４を備えて構成されている。この３本の脚は胴体部５１に対してスライドすることにより伸縮可能に構成されており、左右の脚５３、５４は股関節５７をもち中央脚５２を基準にそれぞれ回転可能に構成されている。また、中央脚５２の先端には、回転駆動される車輪付き足首５５を２つ備え、左右の脚にはこの車輪付き足首５５をそれぞれ１つずつ備えている。このため、このロボット５０は、３本の脚をそれぞれスライドさせるための駆動軸を３つ、左右の脚をそれぞれ回転させるための駆動軸を２つ、車輪付き足首５５を駆動させるための駆動軸を４つ備え、合計９軸の駆動軸を有している。 2A and 2B are diagrams schematically showing a tripod wheel type robot to which the distributed control system of the present invention is applied, in which FIG. 2A is a front view and FIG. 2B is a side view. The three-legged wheel type robot 50 (hereinafter simply referred to as “robot”) includes a body portion 51, a camera mounting portion 56, a center leg 52 extending from the lower center of the body portion 51 to the road surface, and a body portion 51. A right leg 53 and a left leg 54 extending from both sides to the road surface are provided. The three legs are configured to be extendable and contractable by sliding with respect to the body portion 51, and the left and right legs 53 and 54 are configured to have a hip joint 57 and be rotatable with respect to the central leg 52, respectively. The tip of the central leg 52 is provided with two wheeled ankles 55 that are rotationally driven, and the left and right legs are provided with one wheeled ankle 55 respectively. Therefore, the robot 50 has three drive shafts for sliding the three legs, two drive shafts for rotating the left and right legs, and a drive shaft for driving the ankle 55 with wheels. 4 and has a total of 9 drive shafts.

このロボット５０は上述のように構成されているため、脚歩行と車輪走行の２つの移動形態を持っている。すなわち、左右の脚５３、５４の伸縮及び回転動作と、中央脚５２の伸縮動作により脚歩行を行うことができ、中央脚５２及び左右の脚５３、５４の車輪を回転駆動させることにより車輪走行を行うことができるのである。 Since the robot 50 is configured as described above, the robot 50 has two movement modes: leg walking and wheel running. That is, the leg can be walked by the expansion and contraction and rotation of the left and right legs 53 and 54 and the expansion and contraction of the center leg 52, and the wheels run by rotating the wheels of the center leg 52 and the left and right legs 53 and 54. Can be done.

図３は、図２に示したロボットのシステム構成の概要を示すものである。ロボット内は、ロボット全体を統括管理する統括制御モジュール１０と、ロボットの動作を制御する移動制御サブシステム２０、及び監視用カメラの駆動軸を制御するカメラ軸制御サブステム３０から構成され、これらは上述したＣＡＮ規格による通信バス３５（以下、「ＣＡＮバス」ということがある。）によって結合されている。カメラ軸制御サブシステム３０は、カメラ軸制御モジュール３１を有する。本実施形態において統括制御モジュール１０は、上位モジュールとして機能する。統括制御モジュール１０は、少なくとも、マイクロプロセッサと、必要なアプリケーションプログラムが格納されたメモリを備え、さらに、ＣＡＮ接続を可能にするＣＡＮインターフェースポート１１が搭載されたＣＰＵ基板である。なお、このロボットでは、統括制御モジュール１０の下には、移動制御サブシステム２０とカメラ軸制御サブシステム３０の２つのサブシステムのみを持つ構成としたが、ロボットに要求される機能に応じてその他のサブシステムを持つ構成としてもよい。 FIG. 3 shows an outline of the system configuration of the robot shown in FIG. The robot is composed of an overall control module 10 for overall management of the entire robot, a movement control subsystem 20 for controlling the operation of the robot, and a camera axis control subsystem 30 for controlling the drive axis of the surveillance camera. Are connected by a communication bus 35 (hereinafter also referred to as “CAN bus”) according to the CAN standard. The camera axis control subsystem 30 has a camera axis control module 31. In the present embodiment, the overall control module 10 functions as an upper module. The overall control module 10 is a CPU board that includes at least a microprocessor and a memory in which necessary application programs are stored, and further has a CAN interface port 11 that enables CAN connection. This robot is configured to have only two subsystems, the movement control subsystem 20 and the camera axis control subsystem 30, under the overall control module 10. However, other functions are required depending on the functions required for the robot. It is good also as a structure with the subsystem of.

移動制御サブシステム２０は、移動制御モジュール２１と、複数の軸制御モジュールとから構成されている。本実施形態において移動制御モジュール２１は中位モジュールとして機能し、軸制御モジュール２３は下位モジュールとして機能する。つまり、本実施形態による分散制御システムは、上位モジュール、中位モジュールおよび下位モジュールの３階層で構成された分散制御システムである。このような分散化により、通信バスの省配線化と、機能分散が図られる。軸制御モジュール２３は駆動軸ごとに配置されているため、各脚合計で９つの駆動軸を有する本ロボットでは、９つの軸制御モジュールを有する。また、移動制御モジュール２１と各軸制御モジュール２３は、上位系と同様にＣＡＮバス３５で結合されている。 The movement control subsystem 20 includes a movement control module 21 and a plurality of axis control modules. In this embodiment, the movement control module 21 functions as a middle module, and the axis control module 23 functions as a lower module. That is, the distributed control system according to the present embodiment is a distributed control system configured with three layers of an upper module, a middle module, and a lower module. By such distribution, the wiring of the communication bus can be reduced and the functions can be distributed. Since the axis control module 23 is arranged for each drive axis, this robot having nine drive axes in total for each leg has nine axis control modules. Further, the movement control module 21 and each axis control module 23 are coupled by a CAN bus 35 as in the host system.

移動制御モジュール２１は、少なくとも、マイクロプロセッサ（ＭＰＵ）と、必要なアプリケーションプログラムが格納されたメモリを備え、さらに、ＣＡＮ接続を可能にするＣＡＮインターフェースポート２２が複数搭載されたＣＰＵ基板である。また、ＣＡＮインターフェースポート２２は、データの入出力時にマイクロプロセッサからのデータを一時蓄積するバッファメモリを後述する複数系統の通信バスの数に合わせて備えている。 The movement control module 21 is a CPU board that includes at least a microprocessor (MPU) and a memory that stores necessary application programs, and further includes a plurality of CAN interface ports 22 that enable CAN connection. The CAN interface port 22 is provided with a buffer memory for temporarily storing data from the microprocessor at the time of data input / output in accordance with the number of communication buses of a plurality of systems described later.

また、図３に示すように、移動制御モジュール２１と各軸制御モジュール２３は、３系統のＣＡＮバス３５（ＣＡＮ１、ＣＡＮ２、ＣＡＮ３）で結合されており、これら３系統のＣＡＮバス３５は相互に独立している。この例では、ＣＡＮ１は中央脚系の通信バスであり、ＣＡＮ２は右脚系の通信バスであり、ＣＡＮ３は左脚系の通信バスである。つまり、下位モジュールである軸制御モジュール２３が、直接的にその上位に位置する中位モジュールである移動制御モジュール２１に対し、相互に独立した複数系統の通信バス３５により複数グループに分割して結合されているのである。各駆動軸を制御する軸制御モジュール２３は、各軸のモータ指令用及び各種センサ用Ｉ／Ｏポートを備え、マイクロプロセッサを搭載した小型基板である。またこの図で、符号２５は駆動軸のアクチュエータ（モータ）、符号２６はモータアンプ、符号２７はエンコーダである。なお、この例では、移動制御モジュール２１（中位モジュール）と軸制御モジュール２３（下位モジュール）との間の通信バスは３系統としたが、２系統あるいは、メモリやパケット通信上の制約の範囲内で４系統以上の通信バス構成としてもよい。 Further, as shown in FIG. 3, the movement control module 21 and each axis control module 23 are connected by three CAN buses 35 (CAN1, CAN2, CAN3), and these three CAN buses 35 are mutually connected. being independent. In this example, CAN1 is a central leg communication bus, CAN2 is a right leg communication bus, and CAN3 is a left leg communication bus. That is, the axis control module 23, which is a lower module, is connected to the movement control module 21, which is a middle module directly above it, by dividing it into a plurality of groups through a plurality of mutually independent communication buses 35. It has been done. The axis control module 23 that controls each drive axis is a small board that includes a motor command and various sensor I / O ports for each axis and is equipped with a microprocessor. In this figure, reference numeral 25 denotes a drive shaft actuator (motor), reference numeral 26 denotes a motor amplifier, and reference numeral 27 denotes an encoder. In this example, there are three communication buses between the movement control module 21 (middle module) and the axis control module 23 (lower module), but two systems or a range of restrictions on memory or packet communication It is good also as a communication bus structure of 4 systems or more.

図４は、移動制御モジュール２１の内部構成の概要を示す図である。ＣＡＮの場合、一般的には、１チャネルにつき、ＣＡＮコントローラ２８とＣＡＮトランシーバ２９が１個ずつセットで用いられる。ＣＡＮコントローラ２８は、自らが管理するチャネルの通信を制御する機能を有する。具体的には、ＣＡＮのＭＰＵ２４から送信用として送られたデータをＣＡＮのメッセージ仕様に変換しＣＡＮトランシー２９バに送る。受信の場合はその逆を行う。ＣＡＮトランシーバ２９は、ＣＡＮコントローラ２８とＣＡＮバスとの間で物理的な電気信号の変換を行う機能を有する。 FIG. 4 is a diagram showing an outline of the internal configuration of the movement control module 21. In the case of CAN, generally, one CAN controller 28 and one CAN transceiver 29 are used as a set for each channel. The CAN controller 28 has a function of controlling communication of channels managed by itself. Specifically, data sent for transmission from the CAN MPU 24 is converted into a CAN message specification and sent to the CAN transceiver 29. The reverse is true for reception. The CAN transceiver 29 has a function of converting a physical electric signal between the CAN controller 28 and the CAN bus.

ＣＡＮコントローラ２８とＭＰＵ２４との間は、一般的にはＭＰＵ２４の拡張バス３８で接続される。拡張バス３８はパラレル通信が用いられることが多く、ＣＡＮのような産業用分散ネットワークで用いられるシリアル通信より高速な通信を行うことができる。一般的な拡張バスの速度は、８〜１３３ＭＢｙｔｅ／ｓｅｃ（６４Ｍ〜約１Ｇｂｐｓ）であるのに対し、ＣＡＮの通信速度は最大１Ｍｂｐｓであるため、拡張バス間はＣＡＮ通信に比べ、数十〜千倍程度の速度で通信を行うことができる。 The CAN controller 28 and the MPU 24 are generally connected by an expansion bus 38 of the MPU 24. The expansion bus 38 often uses parallel communication, and can perform communication at higher speed than serial communication used in an industrial distributed network such as CAN. The speed of a general expansion bus is 8 to 133 MByte / sec (64 M to about 1 Gbps), whereas the CAN communication speed is 1 Mbps at the maximum. Therefore, the expansion bus is several tens to thousands compared with CAN communication. Communication can be performed at about twice the speed.

拡張バスに接続できるＣＡＮコントローラの数は、ＣＡＮコントローラ等の拡張機器のために解放されている拡張バスのＩ／Ｏアドレスまたはメモリアドレスに対して、１個のＣＡＮコントローラが占有するＩ／Ｏアドレスまたはメモリアドレスで求まる。一例として、解放されているＩ／Ｏアドレスが６４ｂｙｔｅで、１個のＣＡＮコントローラが占有するＩ／Ｏアドレスが４ｂｙｔｅの場合、接続できるＣＡＮコントローラの数は最大で６４÷４＝１６個となる。 The number of CAN controllers that can be connected to the expansion bus is the number of I / O addresses that one CAN controller occupies with respect to the I / O address or memory address of the expansion bus that is released for an expansion device such as a CAN controller. Or it can be obtained by memory address. As an example, when the released I / O address is 64 bytes and the I / O address occupied by one CAN controller is 4 bytes, the maximum number of CAN controllers that can be connected is 64 ÷ 4 = 16.

このように、本発明の分散制御システムでは、移動制御モジュール２１と、各軸制御モジュール２３とを相互に独立した複数系統の通信バス３５で結合する構成としているため、通信バスを１本（１系統）で構成する場合に比べて、この部分の通信負荷を軽減し、通信時間を短縮することができる。つまり、通信バスが１系統である場合には、軸制御モジュール２３に１メッセージ分のデータを伝送し終わるまで、次のメッセージを伝送することができないが、通信バスが複数系統である場合には、それぞれの通信バスごとに順次データの伝送が行われるため、移動制御モジュール２１と各軸制御モジュール２３との間の通信負荷を軽減することができる。このため、ロボットの駆動系全体の制御周期を短くすることができ、多数の駆動軸から構成されるロボットその他の自動化機器に欠かせない、より高度な制御演算を行うことができるのである。 As described above, in the distributed control system of the present invention, the movement control module 21 and each axis control module 23 are connected by a plurality of independent communication buses 35. Compared to the case of a system), the communication load of this part can be reduced and the communication time can be shortened. In other words, when the communication bus is one system, the next message cannot be transmitted until the data for one message is transmitted to the axis control module 23. However, when the communication bus is a plurality of systems, Since data is sequentially transmitted for each communication bus, the communication load between the movement control module 21 and each axis control module 23 can be reduced. For this reason, the control cycle of the entire drive system of the robot can be shortened, and more advanced control calculations that are indispensable for robots and other automated equipment composed of a large number of drive axes can be performed.

また、図３において、ホストＰＣ４０やハンディコントローラ４１はロボットの遠隔操作・監視に用いるためのもので、ロボット内の統括制御モジュール１０と通信し動作コマンド送信とロボット状態の受信を行う。統括制御モジュール１０とホストＰＣ４０間のインタフェースには、他のコントローラやロボットとの将来的な接続を容易にするため、ＯＲｉＮを採用する。 In FIG. 3, a host PC 40 and a handy controller 41 are used for remote operation and monitoring of the robot, and communicate with the overall control module 10 in the robot to transmit operation commands and receive robot status. An ORiN is adopted as an interface between the overall control module 10 and the host PC 40 in order to facilitate future connection with other controllers and robots.

図５は、図３に示した分散制御システムを図２のロボットの機械的構造に合わせて適用した場合のイメージ図である。この図５において、図２及び図３におけるのと同一部分には同一符号を付している。図５に示すように、中央脚と左右の脚の合計３本の脚を備えているというロボットの機械的構造を考慮して各脚にそれぞれ１系統のＣＡＮバス３５を配置し、合計３系統のＣＡＮバスで構成している。このようにロボットその他の自動化機器の機械的構造に合わせて通信バスを複数配置することにより、通信バスを１本で構成する場合に比べて、通信バス配線が少なくなり、機器内の配線スペース及び配線の手間の削減や、配線の軽量化を図ることができる。 FIG. 5 is an image diagram when the distributed control system shown in FIG. 3 is applied according to the mechanical structure of the robot of FIG. In FIG. 5, the same parts as those in FIGS. 2 and 3 are denoted by the same reference numerals. As shown in FIG. 5, in consideration of the mechanical structure of the robot having a total of three legs, the central leg and the left and right legs, one CAN bus 35 is arranged for each leg, for a total of three lines. Of CAN bus. Thus, by arranging a plurality of communication buses in accordance with the mechanical structure of the robot or other automated equipment, communication bus wiring is reduced as compared with the case where a single communication bus is configured, and the wiring space in the equipment and It is possible to reduce the labor of wiring and reduce the weight of the wiring.

このように構成された分散制御システムでは、次のような分散制御が行われる。 In the distributed control system configured as described above, the following distributed control is performed.

構成機器間の機能分担については、まずホストＰＣ４０、ハンディコントローラ４１はロボットの操作端末としてロボットに操作コマンドを送信する機能及びロボットの状態情報を受信する機能のみを有し、ロボットを動作させるための機能は全てロボット側に実装されている。 Regarding the functional sharing among the constituent devices, first, the host PC 40 and the handy controller 41 have only a function of transmitting an operation command to the robot as a robot operation terminal and a function of receiving robot status information, and for operating the robot. All functions are implemented on the robot side.

ロボット内の統括制御モジュール１０は、ホストＰＣ４０又はハンディコントローラ４１からの操作コマンドを受け、ロボットの現在状態に応じてＣＡＮバス３５に接続された移動制御モジュール２１等の下位のモジュールに対し各種動作指令を送信する。また下位モジュールから受信した各種状態情報を集約・管理し、システム状態情報としてホストＰＣ４０又はハンディコントローラ４１へ送信する。 The overall control module 10 in the robot receives operation commands from the host PC 40 or the handy controller 41, and performs various operation commands to lower modules such as the movement control module 21 connected to the CAN bus 35 according to the current state of the robot. Send. Various status information received from the lower module is collected and managed, and transmitted to the host PC 40 or the handy controller 41 as system status information.

移動制御モジュール２１は、上位の統括制御モジュール１０から受信した移動動作指令に従って走行、歩行の全軸の軌道演算及び安定化制御を行い、各軸の目標軌道（制御目標値）を下位の軸制御モジュール２３に対して定周期（例えば２［ｍｓ］）で出力する。軸制御モジュールは移動制御モジュールから与えられた目標軌道に従って自らが担当する１軸のモータ制御を行う。 The movement control module 21 performs trajectory calculation and stabilization control for all axes of traveling and walking in accordance with the movement operation command received from the upper overall control module 10, and sets the target trajectory (control target value) of each axis to the lower axis control. It outputs to the module 23 with a fixed period (for example, 2 [ms]). The axis control module performs one-axis motor control that it is in charge of according to the target trajectory given from the movement control module.

なお、この例では、１つの軸制御モジュールが担当する軸数は１としたが、要求される制御演算速度やマイクロプロセッサの性能、及び軸制御モジュールに搭載されるＩ／Ｏポート数に応じて、担当する軸数を複数とすることも可能である。 In this example, the number of axes that one axis control module is responsible for is 1, but it depends on the required control calculation speed, the performance of the microprocessor, and the number of I / O ports installed in the axis control module. The number of axes in charge can be plural.

移動制御系内のＣＡＮ通信トラフィックによる目標制御周期への影響について検討を行った。移動制御モジュール２１と軸制御モジュール２３間での通信内容前提条件を図６に示す。バストラフィックを減少させるため、ＣＡＮのメッセージデータフィールドが最大８［ｂｙｔｅ］である制約を考慮し、移動制御モジュールから軸制御モジュールへは、１メッセージあたり軸制御モジュール３ノード分の制御指令を格納した。また、ＣＡＮ通信ボーレートは１［Ｍｂｐｓ］とした。 We examined the influence of CAN communication traffic in the mobile control system on the target control period. FIG. 6 shows preconditions for communication contents between the movement control module 21 and the axis control module 23. Considering the restriction that the message data field of CAN is 8 [bytes] at maximum in order to reduce bus traffic, control commands for 3 nodes of the axis control module are stored per message from the movement control module to the axis control module. . The CAN communication baud rate was 1 [Mbps].

図７に示すように、従来のように１本の通信バス３５にすべての軸制御モジュール２３を接続した場合（合計９ノード）、データ通信時間と送受信処理時間を合わせた通信応答時間は、１．６７［ｍｓ］という試算結果となった。しかし、これは理論上の最小通信応答時間であり、制御演算時間を考慮すると、目標制御周期２［ｍｓ］を達成することは困難である。 As shown in FIG. 7, when all the axis control modules 23 are connected to one communication bus 35 as in the prior art (9 nodes in total), the communication response time including the data communication time and the transmission / reception processing time is 1 The trial calculation result was .67 [ms]. However, this is the theoretical minimum communication response time, and it is difficult to achieve the target control period 2 [ms] in consideration of the control calculation time.

そこで、３脚車輪型ロボットの３脚という機械的構造を生かし、図５に示したように各脚にそれぞれ通信バス３５を１系統ずつ振り分け、合計３系統の通信バスにより構成した場合を検討した。すると、通信応答時間は１つのバスあたり０．６２［ｍｓ］という試算結果が得られた。このため、制御演算時間を考慮しても、目標制御周期２［ｍｓ］以下の実現可能性は十分に認められる。以上より、移動制御モジュールの制御演算を目標制御周期で行うことにより、軸制御モジュールからの通信データは常に更新された値を用いることが可能となると考えられる。 Therefore, taking advantage of the three-legged mechanical structure of the three-wheeled robot, a communication bus 35 was allocated to each leg as shown in FIG. 5 and a total of three communication buses were considered. . Then, a trial calculation result that the communication response time was 0.62 [ms] per bus was obtained. For this reason, even if the control calculation time is taken into consideration, the feasibility of the target control period of 2 [ms] or less is sufficiently recognized. From the above, it is considered that the communication data from the axis control module can always use updated values by performing the control calculation of the movement control module at the target control cycle.

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、階層的に構成された分散制御システムにおいて、最下位のモジュールが、直接的にその上位に位置するモジュールに対し、相互に独立した複数系統の通信バスにより複数グループに分割して結合されているので、これらの間の通信バスが１系統である従来の構成と比べて、この部分の通信負荷が軽減される。このため、通信時間の短縮化を図ることができるから、自動化機器の駆動系全体の制御周期を短くすることができる。そしてこれにより、多数の駆動軸から構成されるロボットその他の自動化機器に欠かせない、より高度な制御演算を行うことができるのである。また、ロボットその他の自動化機器の機械的構造に合わせて複数系統の通信バスを配線することにより、通信バスが１系統の構成に比べて、通信バス配線が少なくなり、機器内の配線スペース及び配線の手間の削減や、配線の軽量化を図ることができるのである。 As is clear from the above description, according to the present invention, in the hierarchically configured distributed control system, the lowest module has a plurality of systems independent from each other directly with respect to the module positioned directly above it. Since the communication bus is divided into a plurality of groups and combined, the communication load of this portion is reduced as compared with the conventional configuration in which the communication bus between them is one system. For this reason, since communication time can be shortened, the control cycle of the entire drive system of the automated equipment can be shortened. As a result, it is possible to perform more sophisticated control calculations that are indispensable for robots and other automated equipment composed of a large number of drive axes. Also, by wiring multiple systems of communication buses according to the mechanical structure of robots and other automated equipment, communication bus wiring is reduced compared to a single system configuration, and wiring space and wiring within the equipment are reduced. Therefore, it is possible to reduce the time and the weight of wiring.

つまり、本発明によれば、階層的に構成された分散制御システムにおいて、上位モジュールと中位モジュールとの間の通信負荷を増大させることなく、中位モジュールと下位モジュールとの間の通信負荷を軽減することにより通信時間を短くし、もって高速制御を可能とするとともに、通信バス配線を少なくしてロボットや自動化機器内の配線の手間を軽減することができるという優れた効果が得られるのである。 That is, according to the present invention, in the hierarchically configured distributed control system, the communication load between the middle module and the lower module can be reduced without increasing the communication load between the higher module and the middle module. By reducing the communication time, it is possible to shorten the communication time, thereby enabling high-speed control, and reducing the communication bus wiring to reduce the wiring effort in the robot and automation equipment. .

なお、上述した実施形態において、移動制御モジュール２１は、特許請求の範囲でいう動作制御モジュールに相当する。すなわち、動作制御モジュールには、移動以外の動作に関する制御（例えば、アーム制御）を行う機能をもつものも含まれる。また、上述した実施形態および実施例では本発明の分散制御システムを移動型ロボットに適用した例について説明したが、本発明の適用範囲はこれに限定されず、産業用ロボット、ヒューマノイドロボット等の各種ロボットその他の自動化機器に適用することが可能である。 In the above-described embodiment, the movement control module 21 corresponds to an operation control module referred to in the claims. That is, the operation control module includes a module having a function of performing control (for example, arm control) related to an operation other than movement. In the above-described embodiments and examples, the example in which the distributed control system of the present invention is applied to a mobile robot has been described. However, the scope of application of the present invention is not limited to this, and various types of industrial robots, humanoid robots, and the like. It can be applied to robots and other automated equipment.

さらに、その他の部分に関しても、本発明の技術的範囲は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。 Furthermore, regarding other parts, the technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes can be made without departing from the scope of the present invention.

本発明の分散制御システムを適用したロボットシステムの概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the robot system to which the distributed control system of this invention is applied. 本発明の分散制御システムを適用した３脚車輪型ロボットの概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the tripod wheel type robot to which the distributed control system of this invention is applied. 図２のロボットのシステム構成の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the system configuration | structure of the robot of FIG. 移動制御モジュールの内部構成の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the internal structure of a movement control module. 図３に示した分散制御システムを図２のロボットの機械的構成に合わせて適用した場合のイメージ図である。FIG. 4 is an image diagram when the distributed control system shown in FIG. 3 is applied according to the mechanical configuration of the robot of FIG. 2. 本発明の実施例における移動制御モジュールと軸制御モジュール間での通信内容前提条件を示す図である。It is a figure which shows the communication content precondition between the movement control module and axis control module in the Example of this invention. 軸制御モジュールの全部を１系統の通信バスで結合した場合を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the case where all the axis | shaft control modules are couple | bonded by one communication bus. 非特許文献１に記載された従来技術を示す図である。It is a figure which shows the prior art described in the nonpatent literature 1. 特許文献１に記載された従来技術を示す図である。It is a figure which shows the prior art described in patent document 1. FIG.

Explanation of symbols

１０統括制御モジュール
２０移動制御サブシステム
２１移動制御モジュール
２２ＣＡＮインターフェースポート
２３軸制御モジュール
２４ＭＰＵ
２５アクチュエータ（モータ）
２６モータアンプ
２７エンコーダ
２８ＣＡＮコントローラ
２９ＣＡＮトランシーバ
３０カメラ軸制御システム
３１カメラ軸制御モジュール
３５通信バス（ＣＡＮバス）
３８拡張バス
４０ホストＰＣ
４１ハンディコントローラ
５０３脚車輪型ロボット
５１胴体部
５２中央脚
５３右脚
５４左脚
５５車輪付き足首
５６カメラ搭載部
５７股関節 10 Overall control module 20 Movement control subsystem 21 Movement control module 22 CAN interface port 23 Axis control module 24 MPU
25 Actuator (Motor)
26 Motor amplifier 27 Encoder 28 CAN controller 29 CAN transceiver 30 Camera axis control system 31 Camera axis control module 35 Communication bus (CAN bus)
38 Expansion bus 40 Host PC
41 Handy controller 50 Three-legged wheel type robot 51 Torso 52 Central leg 53 Right leg 54 Left leg 55 Wheeled ankle 56 Camera mounting part 57 Hip joint

Claims

A distributed control system configured by hierarchically connecting a plurality of modules from upper to lower by function in an automated device that controls a plurality of drive axes,
Among the modules, there are a plurality of lowest modules in the hierarchy, and the lowest modules are directly divided into a plurality of groups by a plurality of communication buses independent of each other. A distributed control system characterized by being divided and combined.

The automated device is a robot, and the module is composed of an upper module, a middle module, and a lower module,
The upper module is an overall control module for overall management of the robot,
The intermediate module is an operation control module that operates according to a command from the overall control module, generates a control target value for each drive axis for operating the robot, and transmits this to a lower module.
The distributed control system according to claim 1, wherein the lower module is an axis control module that controls an actuator of the drive shaft based on a control target value for the drive axis from the operation control module.

The distributed control system according to claim 1, wherein the plurality of communication buses are wired in accordance with a mechanical structure of an automation device.