专利名称：一种机器人关节冗余控制系统及控制方法
技术领域：
本发明涉及伺服控制系统领域，具体涉及一种机器人关节冗余控制系统及控制方法。
背景技术：
随着我国对空间探索投入的增加，越来越多的机电设备将投入到太空运行，空间 机器人作为其中一个典型代表，已经成为一个热点研究领域。在太空中由于失去了地球大 气层的保护，空间机器人等机电设备必须面对剧烈的高低温变化和强烈的太空辐射。另外， 空间机器人等机电设备存在不可修复或修复成本太高的弱点，在设计过程中需要特别注意 提高系统可靠性和容错能力。目前空间机器人关节控制系统一般是通过冗余备份系统来提高系统的可靠性的。 主份系统和备份系统设计有相同的电源系统、传感系统、控制系统和驱动系统。目前，一般 将机器人关节控制系统设计成冷备份，当主份系统工作时备份系统处于掉电状态，或当备 份系统工作时主份系统处于掉电状态。为了防止掉电系统对工作系统带来串电等影响，将 主份系统和备份系统设计成完全独立的两套系统，通过上层控制系统来判断主份系统或备 份系统运行。虽然主份系统和备份系统完全独立的结构具有较高的可靠性，但是当主份系统和 备份系统发生不重叠的故障时，由于主份系统和备份系统不能共享状态良好的资源，关节 控制系统将失效。这样资源没有得到充分利用，机械臂关节控制系统的整体可靠性设计没 有做到最大化。
发明内容
为了解决现有冷备份机器人关节控制系统无法实现对主份系统和备份系统进行 资源重新配置的缺陷，本发明提供了 一种机器人关节冗余控制系统及控制方法。本发明的一种机器人关节冗余控制系统，它包括主份控制单元和备份控制单元， 所述主份控制单元和备份控制单元结构相同，所述主份控制单元的地线和备份控制单元的 地线均与所述控制系统回线连接，所述主份控制单元和备份控制单元通过信号线相连接，
所述主份控制单元包括电源模块、负载电路组、控制器和信息交换控制模块， 所述电源模块，用于提供电源给控制器，还用于在接收到来自控制器的电源控制信号 后开通或关闭输出至负载电路组的电源，
所述负载电路组，用于在电源模块的电源控制下开始工作，并执行控制器传来的控制 命令，还用于向控制器反馈关节的状态信息，
所述控制器，用于在上电后在输入的关节上级控制器工作命令下输出电源控制信号至 电源模块，还用于输出使能信号至信息交换控制模块，同时输出控制命令给负载电路组，并 将所述负载电路组反馈回来的关节的状态信息传递至信息交换控制模块，
所述信息交换控制模块与备份控制单元中的控制模块相连接，用于实现主份控制单元与备份控制单元进行信号线的连接，所述信息交换控制模块具有连通工作状态和高阻状 态，如果主份控制单元中控制器与备份控制单元中控制器之间进行信息交换，控制器输出 使能信号控制信息交换控制模块处于连通状态，以完成所述主份控制单元与备份控制单元 之间的信息交换；否则控制器输出使能信号控制信息交换控制模块处于高阻状态。本发明的一种机器人关节冗余控制方法，它是基于上述控制系统实现的，所述控 制方法的控制过程为
当主份控制单元和备份控制单元都正常时或只有一个正常时， 由关节上级控制器控制一个正常的控制单元进入上电状态，同时，另外一个控制单元 处于掉电状态，此时处于上电状态的控制单元中的控制器输出使能信号控制三态数据缓冲 器处于高阻态，实现控制系统正常工作；
当主份控制单元中负载电路组和备份控制单元中负载电路组都出现故障，且主份控制 单元中负载电路组中负载电路的故障和备份控制单元中负载电路组中负载电路的故障不 重叠时，关节上级控制器控制主份控制单元和备份控制单元同时上电，此时，主份控制单元 中的控制器输出关节状态信息，同时备份控制单元中的控制器输出关节状态信息，使得主 份控制单元中的控制模块与备份控制单元中的控制模块之间的数据连接通道信号线接通， 进行信息交换，实现各控制单元中负载电路的资源重组，完成控制系统正常工作。本发明的有益效果本发明提供了一种既支持主份系统或备份系统单独上电工作 模式，又能够实现主份系统和备份系统同时上电、共享资源工作模式的机器人关节冗余控 制系统及控制方法；本发明通过采取单独控制负载电路的电源子模块的方式，实现对负载 电路的电源状态的单独管理，保证了主份控制单元和备份控制单元同时上电工作时，隔离 故障外围系统；本发明通过地线单点共地、关节状态信息连接信息交换控制模块和单独控 制的负载电路的电源子模块的设计，实现了当主份控制单元或备份控制单元单独上电工作 时，掉电的控制单元对运行的控制单元没有任何影响，安全性与完全独立的两套系统相当； 当主份控制单元和备份控制单元发生不重叠故障时，通过关节状态信息连接信息交换控制 模块进行主份控制单元中控制器和备份控制单元中控制器之间的信息交换，满足进行主份 和备份信息共享和重组优良资源的需求，保证关节控制系统的正常运行；本发明中，当主份 控制单元或备份控制单元单独上电工作时，相应控制器通过输出使能信号给信息交换控制 模块，以保持信号线处于高阻状态，避免掉电系统对工作系统通过信号线产生串电等影响； 当主份控制单元和备份控制单元需要同时上电工作时，主份控制单元中的控制器和备份控 制单元中的控制器分别打开关节状态信息以连接各自的信息交换控制模块，以保证主份控 制单元中的控制器和备份控制单元中的控制器的信号线接通，避免由于关节状态信息连接 信息交换控制模块故障而发生单点事故；本发明通过电源系统的设计保证整个系统的安 全。
图1是本发明的一种机器人关节冗余控制系统的结构示意图，图2是本发明中的 电源模块1-1电路结构示意图，图3是本发明中的信号线A连接控制器1-3的电路示意图， 其中，B为使能控制线。
具体实施例方式具体实施方式
一根据说明书附图1、2和3具体说明本实施方式，本实施方式所述 的一种机器人关节冗余控制系统，它包括主份控制单元1和备份控制单元2，所述主份控制 单元1和备份控制单元2结构相同，所述主份控制单元1的地线和备份控制单元2的地线 均与所述控制系统回线连接，所述主份控制单元1和备份控制单元2通过信号线相连接，
所述主份控制单元1包括电源模块1-1、负载电路组1-2、控制器1-3和信息交换控制 模块1-4，
所述电源模块1-1，用于提供电源给控制器1-3，还用于在接收到来自控制器1-3的电 源控制信号后开通或关闭输出至负载电路组1-2的电源，
所述负载电路组1-2，用于在电源模块1-1的电源控制下开始工作，并执行控制器1-3 传来的控制命令，还用于向控制器1-3反馈关节的状态信息，
所述控制器1-3，用于在上电后在输入的关节上级控制器工作命令下输出电源控制信 号至电源模块1-1，还用于输出使能信号至信息交换控制模块1-4，同时输出控制命令给负 载电路组1-2，并将所述负载电路组1-2反馈回来的关节的状态信息传递至信息交换控制 模块1-4，
所述信息交换控制模块1-4与备份控制单元2中的控制模块相连接，用于实现主份控 制单元1与备份控制单元2进行信号线A的连接，所述信息交换控制模块1-4具有连通工 作状态和高阻状态，如果主份控制单元1中控制器1-3与备份控制单元1中控制器之间进 行信息交换，控制器1-3输出使能信号控制信息交换控制模块1-4处于连通状态，以完成所 述主份控制单元1与备份控制单元2之间的信息交换；否则控制器1-3输出使能信号控制 信息交换控制模块1-4处于高阻状态。
具体实施方式
二 本实施方式是对具体实施方式
一的进一步说明，具体实施方式
一中所述电源模块1-1包括控制器电源子模块1-1-1和负载电路电源子模块组1-1-2，
所述控制器电源子模块1-1-1用于提供电源给控制器1-3，
所述负载电路电源子模块组1-1-2包括n个电源子模块，n>l,且为自然数，所述负载 电路组1-2包括m个负载电路，m>l，且为自然数，所述负载电路电源子模块组1-1-2用于 在接收到来自控制器1-3的电源控制信号后开通或关闭输出至负载电路组1-2的电源，以 实现对所述负载电路组1-2中各负载电路的单独控制。
具体实施方式
三本实施方式是对具体实施方式
一或二的进一步说明，具体实施 方式一或二中所述的信息交换控制模块1-4为多个三态双向数据缓冲器。
具体实施方式
四本实施方式是对具体实施方式
一、二或三的进一步说明，具体实 施方式一、二或三中电源模块1-1还包括电源输入滤波电路1-1-3和多路DC/DC变换电路 模块1-1-4，
所述电源输入滤波电路1-1-3，用于将外部输入的电源信号滤波后输出给多路DC/DC 变换电路模块1-1-4，
所述多路DC/DC变换电路模块1-1-4，用于将输入的电源信号变换为多路电源信号， 并将所述多路电源信号分别输出给控制器电源子模块1-1-1和负载电路电源子模块组 1-1-2。
具体实施方式
五本实施方式是对具体实施方式
一、二、三或四的进一步说明，具
6体实施方式一、二、三或四中控制器电源子模块1-1-1为低压差线性输出调节模块，负载电 路电源子模块组1-1-2包括n个低压差线性输出调节模块。
具体实施方式
六本实施方式是基于具体实施方式
一所述的控制系统实现的，本 实施方式所述的控制方法的控制过程为
当主份控制单元1和备份控制单元2都正常时或只有一个正常时，由关节上级控制器U 控制一个正常的控制单元进入上电状态，同时，另外一个控制单元处于掉电状态，此时处于 上电状态的控制单元中的控制器1-3输出使能信号控制三态数据缓冲器处于高阻态，实现 控制系统正常工作；
当主份控制单元1中负载电路组1-2和备份控制单元2中负载电路组都出现故障，且 主份控制单元1中负载电路组1-2中负载电路的故障和备份控制单元2中负载电路组中负 载电路的故障不重叠时，关节上级控制器U控制主份控制单元1和备份控制单元2同时上 电，此时，主份控制单元1中的控制器1-3输出关节状态信息，同时备份控制单元2中的控 制器输出关节状态信息，使得主份控制单元1中的控制模块1-3与备份控制单元2中的控 制模块之间的数据连接通道信号线A接通，进行信息交换，实现各控制单元中负载电路的 资源重组，完成控制系统正常工作。本实施方式中，负载电路组1-2主要包括的负载电路为各种传感器、电机驱动电 路模块、制动器驱动电路模块，其中，传感器用来向控制器反馈关节的各种状态信息，如电 机位置、关节输出力矩、关节温度等；电机驱动电路模块、制动器驱动电路模块用来执行控 制器的命令，如驱动电机运转或停止，制动器的打开或关闭。本实施方式中所述的负载电路故障不重叠，可以用如下例子来说明当主份控制 单元1中的传感器一出现故障，备份控制单元2中的传感器二出现故障时，即可称为是负载 电路故障不重叠，而此时，可以通过资源重组形成一个与正常工作的主份控制单元1或备 份控制单元2功能一致的控制系统。
权利要求
一种机器人关节冗余控制系统，它包括主份控制单元(1)和备份控制单元(2)，所述主份控制单元(1)和备份控制单元(2)通过信号线相连接，其特征在于所述主份控制单元(1)包括电源模块(1-1)、负载电路组(1-2)、控制器(1-3)和信息交换控制模块(1-4)，所述电源模块(1-1)，用于提供电源给控制器(1-3)，还用于在接收到来自控制器(1-3)的电源控制信号后开通或关闭输出至负载电路组(1-2)的电源，所述负载电路组(1-2)，用于在电源模块(1-1)的电源控制下开始工作，并执行控制器(1-3)传来的控制命令，还用于向控制器(1-3)反馈关节的状态信息，所述控制器(1-3)，用于在上电后在输入的关节上级控制器工作命令下输出电源控制信号至电源模块(1-1)，还用于输出使能信号至信息交换控制模块(1-4)，同时输出控制命令给负载电路组(1-2)，并将所述负载电路组(1-2)反馈回来的关节的状态信息传递至信息交换控制模块(1-4)，所述信息交换控制模块(1-4)与备份控制单元(2)中的控制模块相连接，用于实现主份控制单元(1)与备份控制单元(2)进行信号线(A)的连接，所述信息交换控制模块(1-4)具有连通工作状态和高阻状态，如果主份控制单元(1)中控制器(1-3)与备份控制单元(1)中控制器之间进行信息交换，控制器(1-3)输出使能信号控制信息交换控制模块(1-4)处于连通状态，以完成所述主份控制单元(1)与备份控制单元(2)之间的信息交换；否则控制器(1-3)输出使能信号控制信息交换控制模块(1-4)处于高阻状态。
2.根据权利要求1所述的一种机器人关节冗余控制系统，其特征在于所述电源模块 (1-1)包括控制器电源子模块(1-1-1)和负载电路电源子模块组(1-1-2)，所述控制器电源子模块(1-1-1)用于提供电源给控制器(1-3)，所述负载电路电源子模块组(1-1-2)包括η个电源子模块，η>1,且为自然数，所述负 载电路组(1-2)包括m个负载电路，m>l，且为自然数，所述负载电路电源子模块组(1_1_2) 用于在接收到来自控制器(1-3)的电源控制信号后开通或关闭输出至负载电路组(1-2)的 电源，以实现对所述负载电路组(1-2)中各负载电路的单独控制。
3.根据权利要求1或2所述的一种机器人关节冗余控制系统，其特征在于信息交换控 制模块(1-4)为多个三态双向数据缓冲器。
4.根据权利要求2所述的一种机器人关节冗余控制系统，其特征在于电源模块(1-1) 还包括电源输入滤波电路(1-1-3)和多路DC/DC变换电路模块(1-1-4)，所述电源输入滤波电路(1-1-3)，用于将外部输入的电源信号滤波后输出给多路DC/ DC变换电路模块(1-1-4)，所述多路DC/DC变换电路模块(1-1-4)，用于将输入的电源信号变换为多路电源信号， 并将所述多路电源信号分别输出给控制器电源子模块(1-1-1)和负载电路电源子模块组 (1-1-2)。
5.根据权利要求4所述的一种机器人关节冗余控制系统，其特征在于控制器电源子 模块(1-1-1)为低压差线性输出调节模块，负载电路电源子模块组(1-1-2)包括η个低压 差线性输出调节模块。
6.基于权利要求1所述的一种机器人关节冗余控制系统的一种机器人关节冗余控制 方法，其特征在于它的控制过程为当主份控制单元(1)和备份控制单元(2)都正常时或只有一个正常时，由关节上级控 制器(U)控制一个正常的控制单元进入上电状态，同时，另外一个控制单元处于掉电状态， 此时处于上电状态的控制单元中的控制器(1-3)输出使能信号控制三态数据缓冲器处于 高阻态，实现控制系统正常工作；当主份控制单元⑴中负载电路组(1-2)和备份控制单元(2)中负载电路组都出现故障，且主份控制单元(1)中负载电路组(1-2)中负载电路的故障和备份控制单元(2)中负 载电路组中负载电路的故障不重叠时，关节上级控制器(U)控制主份控制单元(1)和备份 控制单元(2)同时上电，此时，主份控制单元(1)中的控制器(1-3)输出关节状态信息，同 时备份控制单元(2)中的控制器输出关节状态信息，使得主份控制单元(1)中的控制模块 (1-3)与备份控制单元(2)中的控制模块之间的数据连接通道信号线(A)接通，进行信息交 换，实现各控制单元中负载电路的资源重组，完成控制系统正常工作。
全文摘要
一种机器人关节冗余控制系统及控制方法，它涉及伺服控制系统领域，它解决了现有冷备份机器人关节控制系统无法实现对主份系统和备份系统进行资源重新配置的缺陷。本发明的一种机器人关节冗余控制系统包括主份控制单元和备份控制单元，所述主份控制单元和备份控制单元结构相同，所述主份控制单元包括电源模块、负载电路组、控制器和信息交换控制模块，所述主份控制单元和备份控制单元通过信号线相连接；本发明的一种机器人关节冗余控制方法是基于所述控制系统实现的。本发明为进一步提高关节控制系统的可靠性奠定了基础。
文档编号B25J13/00GK101850550SQ20101018079
公开日2010年10月6日 申请日期2010年5月24日 优先权日2010年5月24日
发明者介党阳, 倪风雷, 刘宏, 郭闯强 申请人:哈尔滨工业大学