机器人的控制系统的制作方法

本实用新型涉及机器人领域，具体而言，涉及一种机器人的控制系统。

背景技术：

目前，机器人的智能化水平是衡量一个机器人系统的重要指标，控制系统是机器人整体系统的最重要部分之一。随着科学技术的高速发展，机器人正在向着仿生智能机器人方向发展，仿生智能机器人的控制系统也备受日益关注。

现有技术中的机器人控制系统，主要是基于具体硬件进行的单一设计，比如，利用ARM芯片作为主控制器的控制系统，该控制系统包括电机控制电路、通信电路、传感器采集电路和电源电路等，该控制系统为集散式控制系统，可以实现电机控制以及传感器数据的采集，进行机器人进行决策做出相应的动作。

但是，上述控制系统往往在软件和硬件上都不具备可扩展性、可重构性和兼容性。对于新产品的需求，机械结构和控制电路日趋复杂，由于控制系统在软件和硬件上都不具备可扩展性、可重构性和兼容性，控制系统升级较为困难、因而控制系统不得不重新设计，这样导致控制系统的成本和效率都将大打折扣。

另外，由于控制系统输出单一，没有主控平台及云平台等人工智能的输入，所以机器人的行为动作非常古板机械，不能达到仿生动作的效果。机器人的控制系统功能设计较为简单、功能模块选型较为简单、系统功耗较高、并没有体现出仿生智能机器人控制的灵活性和开放性，进而增加了仿生智能机器人研究和控制的复杂性。

针对现有技术中机器人的控制系统对机器人控制的灵活性低问题，目前尚未提出有效的解决方案。

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种机器人的控制系统，以解决机器人的控制系统对机器人控制的灵活性低的问题。

为了实现上述目的，根据本实用新型的一个方面，提供了一种机器人的控制系统。该机器人的控制系统包括：用于获取外部输入的多媒体数据，并根据多媒体数据生成第一控制指令的主控平台；与主控平台通信，用于根据多媒体数据生成第二控制指令并向主控平台返回第二控制指令的云平台；与主控平台相连接，用于根据第一控制指令和/或所述第二控制指令对机器人的运动进行控制的监控模块。

进一步地，机器人的控制系统还包括：用于对机器人进行定位和导航的定位与导航模块；定位与导航模块还与云平台通信向云平台传输定位结果并接收云平台根据定位结果返回的第三控制指令；监控模块还与定位与导航模块相连接根据第三控制指令对机器人的运动进行控制。

进一步地，定位与导航模块包括：与监控模块相连接，用于对处于室内的机器人进行定位的第一定位模块；与监控模块相连接，用于对处于室外的机器人进行定位的第二定位模块。

进一步地，该主控平台包括：用于对多媒体数据进行处理并生成第一控制指令的主控板；与云平台通信，用于向云平台传输多媒体数据并接收云平台根据多媒体数据返回的第二控制指令的无线模块；主控平台还包括以下至少之一：用于采集图像数据的图像采集模块；用于采集语音数据的语音采集模块。

进一步地，该监控模块包括：用于输出对机器人进行控制的控制信号的控制板；用于对机器人的运动进行控制的电机；监控模块还包括以下至少之一：用于采集机器人与障碍物之间的距离数据的超声波传感器；用于采集机器人的压力数据的压力传感器。

进一步地，该电机包括以下至少之一：用于控制机器人在第一预设范围内运动的直流伺服电机；用于控制机器人在第二预设范围内运动的步进电机；用于控制机器人在第三预设范围内运动的数字舵机。

进一步地，该监控模块还包括：与步进电机相连接，用于限制步进电机的运动范围的限位开关。

进一步地，该限位开关包括：与步进电机相连接，用于接收步进电机的输出信号的光电传感器；与光电传感器相连接，用于隔离光电传感器与控制板的控制信号的光耦。

进一步地，该监控模块还包括：与多路数字舵机相连接，用于输出多路PWM信号的多路PWM电路。

进一步地，该控制系统还包括：对主控平台、监控模块进行供电的电源模块。

本实用新型的机器人控制系统包括用于获取外部输入的多媒体数据，并根据多媒体数据生成第一控制指令的主控平台；与主控平台通信，用于根据多媒体数据生成第二控制指令并向主控平台返回第二控制指令的云平台；与主控平台相连接，用于根据第一控制指令和/或第二控制指令对机器人的运动进行控制的监控模块，主控平台、云平台两者均可以对所获取的多媒体数据进行处理得到控制指令，解决了机器人的控制系统对机器人控制的灵活性低的问题，进而达到了提高机器人的控制系统对机器人控制的灵活性的技术效果。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：

图1是根据本实用新型实施例的一种机器人的控制系统的示意图；

图2是根据本实用新型实施例的另一种机器人的控制系统的示意图；

图3是根据本实用新型实施例的一种机器人的控制系统的压力传感器的示意图；

图4是根据本实用新型实施例的一种机器人的控制系统的电机示意图；

图5是根据本实用新型实施例的一种机器人的控制系统的定位与导航系统的示意图；

图6是根据本实用新型实施例的一种机器人的控制系统的电源系统的示意图；

图7是根据本实用新型实施例的另一种机器人的控制系统的示意图；以及

图8是根据本实用新型实施例的另一种机器人的控制系统的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它单元。

本实用新型提供了一种机器人的控制系统。

图1是根据本实用新型实施例的一种机器人的控制系统的示意图。如图1所示，该机器人的控制系统包括：主控平台10、云平台20和监控模块30。

用于获取外部输入的多媒体数据，并根据多媒体数据生成第一控制指令的主控平台10，是机器人的控制系统中的重要组成部分，是确定机器人的功能和性能的重要因素。该主控平台10用于获取多媒体数据，多媒体数据可以为语音数据、图像数据等，其中，语音数据包括语音信号的采集数据、音频输出数据等，图像数据包括图像采集数据、对图像采集数据的处理等。该主控平台10根据多媒体数据发送第一控制指令。

该主控平台10在对数据进行处理时，还包括处理算法，比如，对机器人在进行导航定位时的导航算法，对机器人在进行运动控制时的运动控制算法等。

该主控平台10的处理器为高性能处理器，将原有的存储器控制单元(Memory Control Unit，简称为MCU)替换为X86处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，简称为DSP)、ARM处理器等高性能处理器，从而实现机器人的智能化、算法复杂化、功能多样化的发展需求。

主控平台10的开发板为高性能的开发板，用于强大的多线程运算能力、图形处理能力以及硬件编码能力，比如，该开发板为Firefly RK3288开发板。

可选地，该主控平台10包括图像采集模块，比如，摄像头，包括语音数据采集模块，比如，麦克风，还包括无线通信模块，比如，WIFI模块等。

与主控平台10通信，用于根据多媒体数据生成第二控制指令并向主控平台10返回第二控制指令的云平台20，可以接收主控平台10传输的图像数据，根据相关算法完成图像识别工作。该云平台20可以与机器人之间采用WIFI进行通信，还可以根据机器人和周边物体的定位信息进行运动规划，生成第三控制指令，并将运动指令下发到机器人中，进而实现对机器人的导航与定位功能。

与主控平台10相连接，用于根据第一控制指令和/或第二控制指令对机器人的运动进行控制的监控模块30，也即传感信号采集与运动控制系统，可以根据第一控制指令和/或第二控制指令实现压力检测、姿态检测、障碍物检测等。可选地，根据压力检测结果对机器人与压力有关的运动进行控制，比如，机器人行走时，与足部压力有关，对机器人的行走进行控制，得到行走运动数据；根据姿态检测结果对与机器人与姿态有关的运动进行控制，比如，机器人挥手，与挥手姿态的检测结果有关，对机器人的挥手姿态进行控制，得到机器人在挥手运动中的姿态数据；根据障碍物检测结果对机器人在避障过程中的运动进行控制，比如，机器人前方有障碍物，根据障碍物与机器人之间的距离检测结果控制机器人偏离障碍物，得到机器人在偏离障碍物过程中的运动数据；监控模块30根据第一控制指令和第二控制指令还可以实现电量检测、直流电机检测和数字舵机控制，通过对电量检测、直流电机检测和数字舵机控制对机器人的运动进行控制，得到机器人的运动数据。

该监控模块30与主控平台10进行数据通信。可选地，该数据通信为串口通信，可以向控制平台10上传通过传感器采集得到的传感数据和电机的反馈信号，实现监控平台20与主控平台10两者的紧密交互。

可选地，该监控模块30包括超声波传感器、压力传感器、电机控制模块等。其中，压力传感器包括足部压力传感器、背部压力传感器和两侧压力传感器，电机控制模块包括直流伺服电机、步进电机和数字舵机等。

该监控模块30的控制板具有灵活的总线配置、丰富的外设接口、强大的运算处理能力，可以满足机器人所需的传感信号数据采集和电机的控制功能，比如，该监控模块30的控制板为STM32F407芯片。

与主控平台10和监控模块30相连，用于对主控平台10和监控模块30进行供电的电源模块，主要为机器人的控制系统中的各个模块提供能源，比如，为监控模块30的超声波传感器、压力传感器等各类传感器供电，对监控模块30的直流伺服电机、步进电机、数字舵机等进行供电，从而保障机器人的控制系统中的各个模块都能正常运行。

电源模块可以由电池组、电源管理系统和电源电路组成。可选地，电池组为锂电池组，由圆柱形单体锂电池电芯组成，锂电池组标称电压为48V，持续输出电流为150A，标称容量为140Ah；电源管理系统可充电电路的电压为54.6V，充电电流为180A，具有过充保护、过放保护、过电流保护、短路保护、RS485通信和CAN通信等功能，与监控模块30采用CAN2.0方式通信。电源模块的电源电路具备6V、5V和3.3V电压输出。

该实施例通过主控平台10获取多媒体数据，并根据多媒体数据生成第一控制指令；通过云平台20与主控平台10通信，用于根据多媒体数据生成第二控制指令并向主控平台10返回第二控制指令，通过监控模块30，与主控平台10相连接，用于根据第一控制指令和第二控制指令对机器人的运动进行控制，得到运动数据；通过电源模块，与主控平台10和监控模块30相连，用于对主控平台10和监控模块30进行供电，由于控制系统具有主控平台10及云平台20等人工智能输入，功能模块选型丰富，机器人的控制系统功能设计丰富，系统功耗低，扩展性高，控制系统容易升级，避免了系统功耗较高、扩展性不足、控制系统升级困难、开发成本较高的不足，体现出仿生智能机器人控制的灵活性和开放性，降低了仿生智能机器人研究和控制的复杂性，解决了机器人的控制系统对机器人控制的灵活性低的问题，进而达到了提高机器人的控制系统对机器人控制的灵活性的技术效果，达到仿生机器人的仿生动作的效果。

作为一种可选的实施方式，机器人的控制系统还包括：用于对机器人进行定位和导航的定位与导航模块；定位与导航模块还与云平台通信向云平台传输定位结果并接收云平台根据定位结果返回的第三控制指令；与定位与导航模块相连接的监控模块用于接收第三控制指令并根据第三控制指令对机器人的运动进行控制。

定位与导航模块，与监控模块相连接，主要用于确定机器人所处的位置，比如，对机器人在场馆中的位置和方位的定位。

定位与导航模块还可以实时地对预设场景中的机器人的位置和方位以及周边物体的位置和方位进行定位，得到机器人的定位结果和周边物体的定位结果，并将定位结果向云平台传输。其中，云平台根据机器人自身的定位结果和周边物体的定位结果对机器人的运动行为进行规划，得到第三控制指令，并将第三控制指令下发到与定位与导航模块相连接的监控模块，该监控模块根据第三控制指令对机器人的运动进行控制，实现了对机器人进行导航的目的，达到了提高机器人的控制系统对机器人控制的灵活性的技术效果。

电源模块，与定位与导航模块相连接，可以通过标称电压48V、持续输出电流150A、标称容量140Ah的锂电池，以及可充电电路为54.6V、可充电电流180A的电源管理系统为定位与导航模块供电。

作为一种可选的实施方式，定位与导航模块包括：与监控模块相连接，用于对处于室内的机器人进行定位的第一定位模块；与监控模块相连接，用于对处于室外的机器人进行定位的第二定位模块。

定位与导航模块包括第一定位模块和第二定位模块。其中，第一定位模块可以为室内定位系统，主要用于对处于室内的机器人进行定位，采用超宽带定位(Ultra Wideband，简称为UWB)技术。第二定位模块可以为航姿参考系统，用于对室外的机器人进行定位。第一定位模块可以定位上百个目标，刷新率不能太高，可选地，刷新率大概10Hz左右。机器人在运动时存在一个刷新时间间隔引起的定位误差，此外，第一定位模块本身也存在一定的定位误差(分米级)，结合第二定位模块对机器人进行定位提高定位的精度和准确性。

可选地，为了让机器人正常工作，不仅要对机器人的位置、姿态、速度和系统内部状态等进行监控，还要监控机器人在所处工作环境中的静态信息和动态信息，从而使得机器人的工作顺序和操作内容都能适应工作环境的变化。姿态传感器主要用于检测机器人的运动速度、方向等，因此检测机器人的位置和姿态在很大程度上影响了机器人的导航质量。该实施例可以通过G-AHRS-100航姿参考系统测量机器人的位置和姿态。航姿参考系统的传感器原始数据包含三轴加速度计、三轴陀螺仪、三轴磁力计数据，并在多轴惯性测量单元的基础上，进行多传感器数据融合获取准确的姿态。

作为一种可选的实施方式，主控平台包括：用于对多媒体数据进行处理并生成第一控制指令的主控板，与云平台通信，用于向云平台传输多媒体数据并接收云平台根据多媒体数据返回的第二控制指令的无线模块，主控平台还包括以下至少之一：用于采集图像数据的图像采集模块；用于采集语音数据的语音采集模块。

主控板，用于对多媒体数据进行处理并生成第一控制指令。智能机器人的处理器由功能简单的MCU提高到X86、DSP、ARM等高性能处理器。根据机器人对处理器功耗、性能、外设接口数量、体积的要求。可选地，采用Firefly RK3288开发板作为监控平台的主控板。Firefly RK3288是一个高性能平台，它具有4个ARM Cortex-A17核心，拥有强大的多线程运算能力、图形处理能力以及硬件解码能力，支持Android和Ubuntu双系统，板级支持红外、蓝牙4.0、双频WIFI、4K*2K高清输出，及丰富的外围扩展接口：HDMI2.0、MIPI、LVDS、EDP、SPDIF、千兆以太网、USB-Host、USB-OTG、TF卡、UART、I2S音频接口、I2C、SPI、ADC、PWM等。

主控平台还包括无线模块，该无线模块与云平台相连接，可以向云平台传输多媒体数据并接收平台根据多媒体数据返回的第二控制指令，可以传输语音数据、图像数据等，从而实现主控平台与云平台之间的通信。该无线模块可以为无线保真(Wireless Fidelity，简称为WIFI)模块，可选地，通过采用RK3288板载的AP6335模组实现主控平台与云平台之间的无线通信，其中，AP6335是一款2.4GHz/5GHz双频WIFI并集成蓝牙4.0，支持802.11a/b/g/n/ac协议。

主控平台还可以包括图像采集模块，用于图像采集图像数据和识别，使得机器人具备视觉识别功能，可以采集图像，识别物体。可选地，图像采集模块可以对人脸表情进行识别，比如，识别开心表情状态、不开心表情状态和正常表情状态。此外，机器人通过图像采集模块还可以识别人体向上挥手、向下挥手、向左挥手和向右挥手四种动作。可选地，图像采集模块主要利用摄像头进行图像采集，该摄像头接口为通用串行总线(Universal Serial Bus，简称为USB)接口，与主控平台之间的通信协议为USB2.0，并通过无线模块以无线通信的方式将图像采集模块采集的图像数据实时向云平台传输。云平台利用相关处理算法对图像数据进行识别，其中，对图像数据进行处理的处理算法可以通过Eyesight系统的技术实现。

主控平台还可以包括语音采集模块，用于采集语音数据。该主控平台通过语音采集模块实现机器人的语音交互功能。语音交互功能是机器人的一个非常重要的功能，可以识别一定数量的预设指令，比如，识别500条预设指令，可选地，采用麦克风识别语音信息，其中，麦克风的插头采用国标标准。此外，语音采集模块还能够根据机器人所处的环境和自身的状态，发出一些声音与人进行交互，比如，对于宠物机器人，可以通过语音采集模块发出动物的声音与人进行交互，达到了提高机器人的控制系统对机器人控制的灵活性的技术效果。

作为一种可选的实施方式，监控模块包括：用于输出用于对机器人进行控制的控制信号的控制板；用于对机器人的运动进行控制的电机。监控模块还包括以下至少之一：用于采集机器人与障碍物之间的距离数据的超声波传感器；用于采集机器人的压力数据的压力传感器。

监控模块包括控制板，与主控平台相连接，用于接收主控平台下发的检测数据，根据检测数据输出用于对机器人进行控制的控制信号。可选地，控制板采用STM32F407芯片作为控制器，该芯片采用Cortex-M4内核架构，主频最高可达168MHz，含有灵活的总线配置、丰富的外设接口、强大的运算处理能力，能够满足机器人所需的传感信号采集、数据采集和电机的控制功能。该控制板由电源模块采用+5V或+3.3V供电电压进行供电。

监控模块还包括电机，用于对机器人的运动进行控制。比如，对机器人的腿部运动进行控制，电机可以通过CAN总线与电机驱动模块相连接，其中，电机的种类、型号以及具体的负载和其它电气特性根据具体的使用情况进行相应配置。电机的个数和相应的连线可根据具体机械要求和相应电气连接进行调整。

电机驱动模块包括电机传感模块、电机控制模块、电机驱动器和电机通信模块。其中，电机传感模块主要用于接收电机上安装的传感器的位置信号、电流信号等，并将这些信号反馈到电机控制模块；电机控制模块的主要作用是从控制板和电机传感模块接收信号后对电机驱动器进行控制；电机驱动器主要为电子电路输出相应的驱动电流，用于驱动各个电机，从而使机器人进行相应的运动，比如，前进、后退、左转、右转等移动；电机通信模块的主要作用是接受控制板的控制信号以对电机驱动器进行控制，从而对各个电机进行相应的驱动。

监控模块还可以包括超声波传感器，超声传感器用于测量机器人与障碍物之间的距离。超声测距指的是利用超声波的反射特性进行距离测量，是一种非接触式的检测方式。与其它距离检测方式相比，比如，电磁检测方式，或者光学检测方式相比，超声测距不受光线、被测对象颜色等影响。当被测物处于黑暗、灰尘、烟雾、电磁干扰等恶劣的环境下，超声测距有一定的适应能力。可选地，该实施例的机器人采用KS103超声波测量模块，该KS103超声测距模块具有高精度温度补偿功能，探测范围为1cm～600cm，探测频率可达40KHz，使用I2C/串口与主机通信。可选地，根据机器人的实际需求安装多个超声波传感器，KS103超声波测量使用I2C接口与主机通信，可以利用I2C总线挂载多个模块从而降低控制器对接口要求，降低机器人的控制系统的复杂度。可选地，超声波传感器接口方式还可以为IIC，由电源模块采用+5V或+3.3V进行供电。

监控模块还可以包括压力传感器，该压力传感器用于采集机器人的压力数据。机器人具有一定的承重要求，比如，有小于或者等于25kg的载重需求，可以承受住一个小孩儿的重量，对机器人的背部压力进行检测，以防止机器人背部的承载重量过大，对机器人造成损害。机器人在进行运动控制时，也需要实时检测足部压力，以防止足部压力过大对机器人造成损害。机器人也需要感知身体两侧的触摸压力，也需要实时检测身体两侧的压力，以防止身体两侧压力过大对机器人造成损害。压力传感器由电源模块采用+5V或+3.3V进行供电，

作为一种可选的实施方式，压力传感器包括以下至少之一：用于检测机器人的背部压力数据的背部压力传感器；用于检测机器人的足部压力数据的足部压力传感器；用于检测机器人的身体两侧的压力数据的两侧压力传感器。

背部压力传感器，用于检测机器人的背部压力数据。机器人有小于或等于25kg的载重需求，可以承受住一个小孩儿的重量，所以应进行背部压力检测，防止承载重量过大，对机器人造成损害。可选地，采用A801压力传感器检测机器人的背部压力，A801为压电电阻传感器，压力检测范围为0-110N，由电源模块采用+5V或+3.3V进行供电。

足部压力传感器，用于检测机器人的足部压力数据。可选地，采用A801压力传感器检测机器人的足部压力，A801为压电电阻传感器，压力检测范围为0-110N，由电源模块采用+5V或+3.3V进行供电。

两侧压力传感器，用于检测机器人的身体两侧的压力数据。机器人需要感知两侧的触摸压力，可选地，采用FSR408压力传感器检测身体两侧压力的变化，由电源模块采用+5V或+3.3V进行供电。

作为一种可选的实施方式，电机包括以下至少之一：用于控制机器人在第一预设范围内的运动的直流伺服电机；用于控制机器人在第二预设范围内运动的步进电机；用于控制机器人在第三预设范围内运动的数字舵机。

直流伺服电机，用于控制机器人在第一预设范围内运动。比如，直流伺服电机用于控制机器人的腿部运动，其通信协议为CAN2.0总线通讯，CAN收发器采用TJA1040，控制板采用CAN总线与电机驱动模块进行通信，电机驱动模块用CAN总线连接N个直流伺服电机，其中，直流伺服电机的种类、型号以及具体的负载和其他的电气特性根据具体的使用情况进行相应的配置。直流伺服电机的个数和相应的连线可以根据具体的机械要求和相应电气连接进行调整，由电源模块采用48V直流电压供电，直接从电池输出。

步进电机，用于控制机器人在第二预设范围内运动，可选地，第二预设范围小于第一预设范围。比如，步进电机用于控制机器人的颈部、尾部和嘴部的运动。控制板对步进电机进行控制，进而控制步进电机的运动速度和运动位置。步进电机的主要控制信号包括使能信号、方向信号和脉冲信号。其中，使能信号用于使能/禁止，可选地，当电平为高电平时，驱动器使能，当电平为低电平时，驱动器不能工作，一般情况下步进电机可以不接，使之悬空而自动使能；方向信号包括高电平信号和低电平信号，可选地，高电平信号控制电机正向转动，低电平信号控制电机反向转动，为了保证电机可靠地响应，方向信号应先于脉冲信号至少1.5μS建立，其初始运行方向与步进电机的接线有关，互换任意一相绕组可以改变步进电机的初始运行方向，当电平为高电平时步进电机的电压为4-5V，当电平为低电平时步进电机的电压为0-0.5V；脉冲控制信号的脉冲上升沿有效，高电平时电压为4-5V，低电平时电压为0-0.5V，为了可靠地响应，脉冲信号的宽度大于1.5μS，如果采用+12V或+24V时，需要串联限流电阻，可选地，限流电阻为1K或2K。

数字舵机，用于控制机器人在第三预设范围内运动，可选地，第三预设范围小于第二预设范围。比如，数字舵机用于控制机器人的眼睛的运动。可选地，机器人的眼睛采用银燕的型号为ES3153的数字舵机进行控制，其采用定时器方式产生的PWM波进行舵机控制。

作为一种可选的实施方式，监控模块还包括：与步进电机相连接，用于限制步进电机的运动范围的限位开关。

为了防止步进电机的运动位置超过限制位置，机器人的控制系统需要增加限位开关。可选地，该实施例的限位开关为机械式限位开关，其控制接口采用三线端子连接，组成常开常闭端。

作为一种可选的实施方式，限位开关包括：与步进电机相连接，用于接收步进电机的输出信号的光电传感器；与光电传感器相连接，用于隔离光电传感器与控制板的控制信号的光耦。

机器人的限位开关还可以利用光耦和光电传感器进行实现。光电传感器，与步进电机相连接，用于接收步进电机的输出信号，光耦与光电传感器相连接，用于隔离光电传感器与控制板的控制信号，避免脉冲信号对控制板造成干扰，也保证了传感器信号的稳定输出。

作为一种可选的实施方式，监控模块还包括：与多路数字舵机相连接，用于输出多路PWM信号的多路PWM电路。

监控模块还通过IIC控制多路PWM输出电路，利用控制板的IIC与PCA9685PWM控制芯片通信，进行16路PWM输出，可以满足机器人多个数字舵机的需求，从而大大地节省了控制器的资源。

下面结合优选的实施方式对本实用新型的技术方案进行说明。

图2是根据本实用新型实施例的另一种机器人的控制系统的示意图。如图2所示，该实施例的机器人的控制系统包括主控平台、传感信号采集与运动控制系统、定位与导航系统、电源模块。主控平台与云平台之间传输数据，主要由Firefly RK3288主控板、摄像头、麦克风等组成，其中，Firefly RK3288主控板包括板载WIFI模块、音频输入模块、音频输出模块等，摄像头与Firefly RK3288主控板通过USB接口相连接，用于向Firefly RK3288主控板输入图像数据，麦克风与Firefly RK3288主控板通过音频输入模块相连接，用于向Firefly RK3288主控板输入音频数据。

传感信号采集与运动控制系统主要由STM32 M4运动控制信号采集板、头部舵机、各路伺服电机、步进电机、限位开关、压力传感器、电量检测传感器、姿态检测传感器、超声波传感器和扬声器组成，其中，STM32 M4运动控制信号采集板的板载功放与Firefly RK3288主控板的音频输出模块相连接，用于接收音频输出模块的音频数据，并向扬声器输出音频数据，STM32 M4运动控制信号采集板的UART与Firefly RK3288主控板的UART相连接，头部舵机接收STM32 M4运动控制信号采集板连接的6V电压信号和PWM信号，各路伺服电机与STM32 M4运动控制信号采集板通过CAN总线相连接，互相传输数据，步进电机通过I/O口接收STM32 M4运动控制信号采集板的输出信号，限位开关与步进电机相连接，用于防止步进电机运动超过限制位置，并向STM32 M4运动控制信号采集板的I/O口输入信号。压力传感器通过ADC口向STM32 M4运动控制信号采集板输入压力信号。电量检测传感器通过IIC口向STM32 M4运动控制信号采集板输入电量信号。姿态检测传感器与STM32 M4运动控制信号采集板通过UART相连接，用于向STM32 M4运动控制信号采集板输入机器人的姿态数据。超声波传感器与STM32 M4运动控制信号采集板通过IIC相连接，用于向STM32 M4运动控制信号采集板输入距离数据。

定位与导航系统通过UWB定位标签所产生的感应信号，以及姿态传感器采集的姿态数据对机器人进行定位。

电源模块包括锂电池和电源板。

上述控制系统的主控平台是决定机器人功能和性能的主要因素，是机器人系统中的指挥中枢，它的任务是根据控制指令控制机器人在工作空间中的运动位置、姿态和轨迹，实现图像采集识别及处理、语音信号采集输入及指令识别、音频输出、自主导航算法，运动控制算法，并通过WIFI与云平台通信。为实现机器人的智能化、算法复杂化、功能多样化的发展需求，智能机器人的处理器也由功能简单的MCU提高到X86、DSP、ARM等高性能处理器。根据机器人对处理器功耗、性能、外设接口数量、体积的要求，采用Firefly RK3288开发板作为主控平台。RK3288是一个高性能平台，具有4个ARM Cortex-A17核心，拥有强大的多线程运算能力、图形处理能力以及硬件解码能力，支持Android和Ubuntu双系统，板级支持红外、蓝牙4.0、双频WIFI、4K*2K高清输出，具有丰富的外围扩展接口：HDMI2.0、MIPI、LVDS、EDP、SPDIF、千兆以太网、USB-Host、USB-OTG、TF卡、UART、I2S音频接口、I2C、SPI、ADC、PWM等。

上述主控平台可以对人脸表情进行识别，比如，识别开心表情状态、不开心表情状态和正常三种人脸表情状态。此外，还能够识别人体向上挥手、向下挥手、向左挥手和向右挥手四种动作，从而实现机器人的视觉识别功能。主控平台主要利用摄像头进行图像的采集，摄像头接口可以为USB接口，与主控平台的通信协议为USB2.0，并通过无线通信的方式将图像数据实时传输到云平台上，云平台利用相关算法完成图像识别工作。其中，图像的处理算法主要依赖于Eyesight技术进行。

上述主控平台具有语音交互功能，语音交互是对机器人控制的一个非常重要的功能，它能够识别一定数量的预设指令，比如，识别500条预设指令，可以采用麦克风识别语音信息，其中，麦克风插头为国标标准。主控平台还能够通过音频输出模块根据环境和自身的状态，发出一些动物的声音来与人进行交互。

上述主控平台与云平台之间采用WIFI进行通信，可以采用RK3288板载的AP6335模组实现通信功能。其中，AP6335是一款2.4GHz/5GHz双频WIFI并集成蓝牙4.0，支持802.11a/b/g/n/ac协议。主控平台与STM32 M4运动控制信号采集板通过串口通信，下发电机和传感器的控制指令至STM32 M4运动控制信号采集板，STM32 M4运动控制信号采集板上传传感器采集数据和电机反馈信号至主控平台，从而实现两者紧密交互。

上述传感信号采集与运动控制系统的控制板采用STM32 M4运动控制信号采集板，STM32 M4运动控制信号采集板采用Cortex-M4内核架构，主频最高可达168MHz，含有灵活的总线配置、丰富的外设接口、强大的运算处理能力，能够满足机器人所需的传感信号数据采集和电机的控制功能。

上述传感信号采集与运动控制系统的超声波传感器可以实现超声测距，超声测距指的是利用超声波的反射特性进行距离测量，是一种非接触式的检测方式，与其它距离检测方式相比，比如，与电磁或光学的检测方式相比，它不受光线、被测对象颜色等影响。超声波传感器对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰等恶劣的环境下有一定的适应能力。该实施例的超声波传感器采用KS103超声波测量模块，该KS103超声波测量模块具有高精度温度补偿功能，探测范围为1cm～600cm，探测频率可达40KHz，使用I2C/串口与主机通信。可选地，根据机器本体的需求需要安装多个超声波传感器，KS103使用I2C接口与主机通信，可以利用I2C总线挂载多个模块从而减少对控制器的接口要求，降低了机器人控制系统的复杂度。

图3是根据本实用新型实施例的一种机器人的控制系统的压力传感器的示意图。如图3所示，在传感信号采集与运动控制系统的压力传感器中，压力传感器包括足部压力传感器A801、背部压力传感器A801和两侧压力传感器FSR408。足部压力传感器A801、背部压力传感器A801和两侧压力传感器FSR408分别与STM32 M4运动控制信号采集板相连接。机器人在进行运动控制时，也需要实时监测足部压力，可以选用足部压力传感器A801检测足部压力，足部压力传感器A801为压电电阻传感器，压力检测范围为0-110N；机器人有小于或等于25kg的载重需求，可以承受住一个小孩儿的重量，所以应进行背部压力检测，从而防止承载重量过大，对机器人本体造成损害，可以选用背部压力传感器FSR408检测背部压力；机器人需要感知两侧的触摸压力，可以采用两侧压力传感器FSR408检测机器人身体两侧压力的变化。

图4是根据本实用新型实施例的一种机器人的控制系统的电机示意图。如图4所示，在传感信号采集与运动控制系统的电机控制中，电机包括直流伺服电机、步进电机和数字舵机。直流伺服电机、步进电机和数字舵机分别与STM32 M4运动控制信号采集板相连接，并与电源板相连接，由电源板供电。

直流伺服电机可以用于控制机器人的腿部运动，其通信协议为CAN2.0总线通讯，CAN收发器采用TJA1040，控制板采用CAN总线与电机驱动模块进行通信，电机驱动模块采用CAN总线连接N个直流伺服电机，其中直流伺服电机的种类、型号以及具体的负载和其他的电气特性根据具体的使用情况进行相应的配置。直流伺服电机的个数和相应的连线可以根据具体机械要求和相应电气连接进行调整。

该直流伺服电机的电机驱动模块包括：电机传感模块、电机控制模块、电机驱动器以及电机通信模块。其中，电机传感模块的主要作用是接收电机上安装的位置、电流等传感器的信号，并将这些信号反馈到电机控制模块，电机控制模块的主要作用是从控制板和电机传感模块接收信号并对电机驱动器进行控制，电机驱动器主要为电子电路输出相应的驱动电流，对各个电机进行驱动，从而使机器人进行相应的运动，比如，前进、后退、左转、右转等移动；电机通信模块的主要作用是接收STM32 M4运动控制信号采集板的控制信号以对电机驱动器进行控制，从而对各个电机M进行相应的驱动。

步进电机可以对机器人的颈部、尾部和嘴部进行运动控制，控制板对步进电机控制，进而控制步进电机的运动速度和位置。其中，步进电机主要的控制信号有使能信号、方向信号和脉冲信号。使能信号用于使能/禁止，高电平使能，低电平时驱动器不能工作，一般情况下可不接，使之悬空而自动使能。方向信号为高电平信号和低电平信号，分别对应于电机的正向和反向，为保证电机可靠响应，方向信号应先于脉冲信号至少1.5μS建立，电机的初始运行方向与电机的接线有关，互换任意一相绕组可以改变电机初始运行的方向，高电平时电压为4-5V，低电平时电压为0-0.5V。脉冲控制信号的上升沿有效，高电平时电压为4-5V，低电平时电压为0-0.5V，为了保证脉冲信号的可靠响应，脉冲宽度大于1.5μS，比如，当采用+12V或+24V电压时，需要串联限流电阻，其中，限流电阻可以为1K或2K。

为了防止步进电机运动超过限制位置，需要增加限位开关。该实例采用的限位开关为机械式限位开关，控制接口采用三线端子连接，组成常开常闭端。

数字舵机用于控制机器人的眼睛，可以采用银燕的型号为ES3153的进行控制，其采用定时器方式产生的PWM波进行舵机控制。

图5是根据本实用新型实施例的一种机器人的控制系统的定位与导航系统的示意图。如图5所示，定位与导航系统包括室内定位系统和航姿参考系统，室内定位系统和航姿参考系统分别与STM32 M4运动控制信号采集板相连接。定位与导航系统用于主要确定机器本体所处的位置，并通过云平台将机器人的位置信息发送给机器人，用以实现对机器人的导航与定位功能。可选地，机器人的定位导航系统主要实时对机器人在场馆中的位置和方位进行定位，并将定位信息传输给云平台，云平台根据本体自身和周边物体的定位信息进行运动规划，并将运动指令下发到机器人本体指引导航。定位导航系统主要由室内定位系统(全局定位导航)和航姿参考系统(局部定位导航)。其中，室内导航系统主要用于在全局范围内定位，采用UWB技术，由于该系统需要定位上百个目标，刷新率不能太高(大概10Hz左右)，运动时必然存在一个刷新时间间隔引起的定位误差；此外，定位系统的本身也存在一定的定位误差(分米级)，因此，需要结合航姿参考系统来提高定位的精度和准确性。为了让机器人正常工作，不仅要对机器人的位置、姿态、速度和系统内部状态等进行监控，还要监控机器人所处的工作环境的静态信息和动态信息，从而使得机器人的工作顺序和操作内容能自然地适应工作环境的变化。姿态传感器主要用于检测机器人的运动速度、方向等，因此姿态传感器的选择在很大程度上影响了对机器人进行导航的质量。

该实施例的航姿参考系统为G-AHRS-100航姿参考系统，用于测量机器人的位置和姿态，进行惯性导航。其中传感器原始数据包含了三轴加速度计的检测数据、三轴陀螺仪的检测数据、三轴磁力计的检测数据。航姿参考系统包含了嵌入式的姿态数据解算单元与航向信息，在多轴惯性测量单元的基础上，对三轴加速度计的检测数据、三轴陀螺仪的检测数据、三轴磁力计的检测数据进行多传感器数据融合，从而获取机器人准确的姿态。

图6是根据本实用新型实施例的一种机器人的控制系统的电源系统的示意图。如图6所示，该电源系统为机器人的直流伺服电机、步进电机、数字舵机、STM32 M4运动控制信号采集板等提供电源。其中，48V180Ah锂电池组的标称电压为48V，标称电流为180Ah，可以连续向直流伺服电机和步进电机提供48V电压、180A电流。48V180Ah锂电池组通过电源转换板将48V转24V向直流伺服电机制动器供电，供电电流为20A，通过电源转换板将48V转12V向DC-DC TPS54335A运动控制板供电，供电电流为25A，其中，TPS54335A为4.5V至28V输入、3A输出、同步降压的DC-DC转换器，该降压型DC-DC转换器集成有低侧开关场效应晶体管(FET)，免除了对外部二极管的需求，从而减少了组件数，具有过流保护、过压保护、过热保护等功能，该实施例中TPS54335A以+6V和+5V输出。数字舵机采用6V供电，STM32 M4运动控制信号采集板采用5V或者通过AMS1117-3.3以3.3V供电。

可选地，机器人本体的六足、颈部、尾部和嘴部的直流伺服电机均采用48V直流电压供电，直接从电池输出，头部舵机采用+6V供电，主控板、信号采集运动控制板、传感器和各模块均需采用+5V或+3.3V供电。因此电源板需有一路独立的+6V输出，一路独立的+5V输出，一路独立的+3.3V输出及各个输入输出需要的接口。

下面结合一种可选的实施方式对本实用新型的技术方案进行说明。

图7是根据本实用新型实施例的另一种机器人的控制系统的示意图。如图7所示，利用光电传感器和光耦组成光电式限位开关接口电路，光耦将光电传感器信号与控制板信号隔离，避免脉冲信号对控制板造成干扰，也保证了传感器信号的稳定输出。该实施例的其它模块的作用同图2所示实施例中的作用相同，此处不再赘述。

下面结合另一种可选的实施方式对本实用新型的技术方案进行说明。

图8是根据本实用新型实施例的另一种机器人的控制系统的示意图。如图8所示，通过IIC来控制多路PWM电路，可以利用控制板的IIC与PCA9685PWM控制芯片通信，进行16路PWM输出，从而可以满足机器人多个数字舵机的需求，大大节省了控制器的资源。该实施例的其它模块的作用同图1所示实施例中的作用相同，此处不再赘述。

该实施例的机器人的控制系统实现方案，旨在开发一种具备良好动物外观、能够与人互动并能够体现社交属性的机器生命。该机器人主要有运动行走、表情动作、语音交互、视觉识别、导航与定位、远程集控、安全防护、电量检测、避障、负重等功能。控制系统由主控平台、传感信号采集与运动控制系统、定位与导航系统、电源系统4部分组成，达到了提高机器人的控制系统对机器人控制的灵活性的效果。

该实施例的机器人的控制系统功能模块选型新颖实用，结构布局合理，系统功耗低，控制系统升级较容易，升级成本低，集控制、传感、通信于一体，可用于机器人系统的进一步移植和开发，减少再次开发的费用。本控制系统不仅可以用于仿生智能机器人控制系统的研发，还可以作为多足机器人、仿生蛇形机器人、竞赛舞蹈机器人等多种机器人的控制平台进行开发和使用，具有很高的教学和竞赛价值。本实用新型所要求保护的是上述各个单元模块及其连接关系，并不涉及对其内部软件的创新。

该实施例的机器人为具备良好动物外观、能够与人互动并能够体现社交属性的机器生命，可以为多足机器人、仿生蛇形机器人、竞赛舞蹈机器人等多种机器人，主要有运动行走、表情动作、语音交互、视觉识别、导航与定位、远程集控、安全防护、电量检测、避障、负重等功能。

该实施例的机器人还可以为智能机器人，工业机器人，智能家居机器人，其它宠物机器人等，运用该机器人的控制系统可用于机器人系统的进一步移植和开发，从而减少再次开发的费用。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。